Schriftliche Abiturprüfung Leistungskursfach Physik

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1 Sächsisches Staatsministerium für Kultus Schuljahr 2000/2001 Geltungsbereich: - Allgemein bildendes Gymnasium - Abendgymnasium und Kolleg - Schulfremde Prüfungsteilnehmer Schriftliche Abiturprüfung Leistungskursfach Physik - E R S T T E R M I N - Material für den Prüfungsteilnehmer Allgemeine Arbeitshinweise Ihre Arbeitszeit (einschließlich Zeit für Lesen und Auswählen von Aufgaben) beträgt 270 Minuten. Die Prüfungsarbeit besteht aus den zu bearbeitenden Teilen A, B und C. Die für Berechnungen benötigten physikalischen Konstanten entnehmen Sie bitte dem Anhang. Insgesamt sind 60 Bewertungseinheiten (BE) erreichbar, davon im Teil A 25 BE, im Teil B 20 BE, im Teil C 15 BE. Erlaubte Hilfsmittel: 1 Wörterbuch der deutschen Rechtschreibung 1 grafikfähiger, programmierbarer Taschenrechner ohne Computer-Algebra- System (GTR) 1 Tabellen- und Formelsammlung ohne ausführliche Musterbeispiele (im Unterricht eingeführt) Zeichengeräte Sign. 55/1 (Phys-LK-ET/Ma) Seite 1 von 8

2 Prüfungsinhalt Teil A: Bearbeiten Sie die nachstehende Aufgabe. Aufgabe A: Mechanik / Elektrizitätslehre 1 Ein Wagen mit der Gesamtmasse 430 kg durchfährt eine Achterbahn, ein Ausschnitt aus dieser ist in der Abbildung dargestellt. Alle Punkte liegen in einer vertikalen Ebene. Für Höhen und Streckenlängen gelten folgende Angaben: h A = 0 m, h B = 21,0 m und AB = 34,0 m. Reibungsverluste werden vernachlässigt. Der Wagen kann als Massepunkt aufgefasst werden. B D C E F G A 1.1 Im Punkt A erfasst der Zughaken eines Schrägaufzuges den ruhenden Wagen und beschleunigt ihn gleichmäßig in 2,50 s auf 1,30 m s. Mit dieser Ge- schwindigkeit wird er bis zum Punkt B gezogen. Berechnen Sie die maximale Zugkraft am Haken. Die Zugvorrichtung besitzt einen Wirkungsgrad von 89,0%. Berechnen Sie die vom Antriebsmotor im Abschnitt A-B aufgebrachte durchschnittliche Leistung. Erreichbare BE-Anzahl: Vom Punkt B aus rollt der Wagen horizontal zum Punkt C und beginnt dort seine Talfahrt. Beschreiben Sie für die Bewegungsabschnitte C-D; D-E; E-F und F-G jeweils qualitativ die Änderungen der Beträge von Bahngeschwindigkeit, Bahnbeschleunigung und senkrecht auf die Gleise wirkender Kraft. Erreichbare BE-Anzahl: 6 2 Kondensator Liegt zwischen A und B in der abgebildeten Schaltung die Gleichspannung 18,0 V an, so stellt sich die Gesamtstromstärke 500 ma ein. Begründen Sie, dass die Anfangsstromstärke 500 ma übersteigt. Berechnen Sie den Widerstand R 1 des ohmschen Bauelements. A R 1 C 90 Ω B Sign. 55/1 (Phys-LK-ET/Ma) Seite 2 von 8

3 2.1.2 Ersetzt man die Gleichspannung durch die Wechselspannung 18,0 V (Frequenz 50,0 Hz), so beträgt die Gesamtstromstärke 545 ma. Berechnen Sie die Kapazität C des Kondensators. Zeichnen Sie ein maßstäbliches Zeigerdiagramm und geben Sie den Betrag der im Stromkreis auftretenden Phasenverschiebung zwischen U ges und I ges an Das ohmsche Bauelement R 1 wird nun durch eine Spule ersetzt, um die Phasenverschiebung zwischen der anliegenden Spannung und der Gesamtstromstärke aufzuheben. Berechnen Sie die Induktivität dieser Spule. Der ohmsche Widerstand der Spule darf vernachlässigt werden. Für bis erreichbare BE-Anzahl: Ein Kondensator wird aufgeladen. Durch Betätigung eines Umschalters zum Zeitpunkt t = 0 wird der Kondensator über ein ohmsches Bauelement mit R = 52,2 kω entladen und die Stromstärke zu verschiedenen Zeitpunkten gemessen. Zum Zeitpunkt t = 0 beträgt die Spannung am Kondensator 180 V. Es ergibt sich folgende Messreihe: t in s 2,0 4,0 6,0 8, I in ma 2,2 1,4 0,86 0,54 0,34 0,22 0,14 0,086 0,054 0, Geben Sie die Stromstärke zum Zeitpunkt t = 0 an Ermitteln Sie die Gesamtladung des Kondensators und geben Sie dessen Kapazität an. Für und erreichbare BE-Anzahl: 4 Sign. 55/1 (Phys-LK-ET/Ma) Seite 3 von 8

4 Teil B: Bearbeiten Sie die nachstehende Aufgabe. Aufgabe B: Thermodynamik / Wellenoptik 1 Carnot scher Kreisprozess Skizzieren Sie das p-v-diagramm des Carnot schen Kreisprozesses und ordnen Sie die jeweiligen Zustandsänderungen zu. 2 Der in der Abbildung dargestellte Kreisprozess wird von Argongas im Uhrzeigersinn durchlaufen. Dabei gilt für den Zustand 1: p 1 = 100 kpa, V 1 = 125 l und T 1 = 300 K. Die Zustandsänderung vom Zustand 2 nach Zustand 3 verläuft isotherm. p 1,5p 1 2 p V 1 1,5V 1 V 2.1 Berechnen Sie die Masse des eingeschlossenen Gases. 2.2 Geben Sie die Temperatur im Zustand 2 an. Für 2.1 und 2.2 erreichbare BE-Anzahl: Bestimmen Sie für die einzelnen Zustandsänderungen jeweils die übertragene Wärme, die Volumenarbeit und die Änderung der inneren Energie. Erreichbare BE-Anzahl: Ermitteln Sie den thermodynamischen Wirkungsgrad dieses Kreisprozesses. Erreichbare BE-Anzahl: 2 Sign. 55/1 (Phys-LK-ET/Ma) Seite 4 von 8

5 3 Eine schwach gekrümmte plankonvexe optische Linse liegt auf einer planparallelen Glasplatte. Luftschicht Auf die Anordnung fällt paralleles, einfarbiges Licht. Im reflektierten Licht beobachtet man unter gewissen Bedingungen helle und dunkle Ringe. Erklären Sie deren Entstehung. 4 Optische Aktivität von Stoffen Beschreiben Sie ein Experiment, mit dem entschieden werden kann, ob eine Lösung optisch aktiv ist. Teil C: Wählen Sie eine der nachstehenden Aufgaben aus und bearbeiten Sie diese. Aufgabe C 1: Elektrizitätslehre Führen Sie Messungen und Berechnungen an einer Si-Diode durch. Planen Sie das Experiment gemäß den folgenden Aufgabenstellungen und fordern Sie beim Aufsicht führenden Lehrer die erforderlichen Geräte und Hilfsmittel an. 1 Untersuchen Sie experimentell die Abhängigkeit der Stromstärke in Durchlassrichtung von der über der Diode anliegenden Spannung U D. Verwenden Sie dabei den Ihnen übergebenen Vorwiderstand (Schutzwiderstand). Fertigen Sie eine zugehörige Schaltskizze an. Erreichbare BE-Anzahl: 5 2 Berechnen Sie jeweils den Widerstand R D der Diode und zeichnen Sie das zugehörige R U Diagramm. D D Sign. 55/1 (Phys-LK-ET/Ma) Seite 5 von 8

6 3 Führen Sie eine Fehlerbetrachtung durch (Beurteilen der Genauigkeit der Messwerte sowie der Ergebnisse). Erreichbare BE-Anzahl: 1 4 (Diese Teilaufgabe ist nicht experimentell zu bearbeiten.) Ein ohmsches Bauelement mit dem Widerstand R = 1,0 kω wird parallel zur von Ihnen in Aufgabe 1 verwendeten Diode geschaltet. An zwei Stellen im Stromkreis wird die Stromstärke gemessen (siehe Abb.). Beide Messgeräte zeigen annähernd gleiche Messwerte. A A Entscheiden Sie: - ob die Diode in Durchlass- oder in Sperrrichtung geschaltet wurde, - ob die anliegende Spannung 0,2 V oder 0,8 V beträgt. Begründen Sie jeweils. Erreichbare BE-Anzahl: 4 5 Erläutern Sie die Sperrwirkung einer Halbleiterdiode. Erreichbare BE-Anzahl: 2 Aufgabe C 2: Mechanik Führen Sie Messungen und Berechnungen an einem Schwimmkörper durch. Planen Sie die Experimente gemäß den folgenden Aufgabenstellungen. Ihnen wird die in der nebenstehenden Skizze abgebildete Experimentieranordnung übergeben. Der Schwimmkörper besteht aus einem Reagenzglas mit Millimeterpapierraster und Massestücken im unteren Teil. Reagenzglas mit Millimeter- Raster Massestücke Wasser y 0 Sign. 55/1 (Phys-LK-ET/Ma) Seite 6 von 8

7 1 Lenken Sie den Schwimmkörper aus und lassen Sie ihn in senkrechter Richtung frei schwingen. Ermitteln Sie experimentell die Periodendauer der Schwingung. 2 Begründen Sie, dass bei jeder Auslenkung y 0 eine zur Gleichgewichtslage rücktreibende Kraft auftritt. Erreichbare BE-Anzahl: 2 3 Untersuchen Sie experimentell die Abhängigkeit der rücktreibenden Kraft F von der Auslenkung y. Geben Sie dazu nacheinander vier Massestücke zu je 1,0 g in das Reagenzglas. Die Gewichtskraft der zusätzlichen Massestücke entspricht der rücktreibenden Kraft F. Zeichnen Sie ein F-y-Diagramm. 4 Begründen Sie unter Verwendung des Diagramms aus Teilaufgabe 3, dass diese Schwingung harmonisch ist. Das analoge Verhalten für y>0 wird vorausgesetzt. Ermitteln Sie die Richtgröße D. 5 Skizzieren Sie das y-t-diagramm der untersuchten Schwingung für zwei Perioden. Die Amplitude betrage 1,0 cm. Ermitteln Sie die maximale Geschwindigkeit des Schwimmkörpers. 6 Führen Sie eine Fehlerbetrachtung durch (Beurteilen der Genauigkeit der Messwerte sowie der Ergebnisse). Erreichbare BE-Anzahl: 1 Sign. 55/1 (Phys-LK-ET/Ma) Seite 7 von 8

8 Ausgewählte physikalische Konstanten Anhang Normal-Fallbeschleunigung auf der Erde g = 981, m s Volumenausdehnungskoeffizient für das ideale Gas γ = ,15 BOLTZMANN-Konstante k = 1381, J K 1 Universelle Gaskonstante R u = 8, J K mol Spezifische Gaskonstante von Argon Spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck für Argon Spezifische Wärmekapazität bei konstantem Volumen für Argon R Ar c c p V = = K = 208 J kg K 0,520 kj kg 0,312 kj kg Elementarladung e = 1602, C 1 1 Elektrische Feldkonstante ε O = 8, A s V m K K 1 1 Magnetische Feldkonstante µ O = , V s A m 1 Lichtgeschwindigkeit im Vakuum c = 2, m s 1 PLANCK sches Wirkungsquantum h = 6, J s RYDBERG-Frequenz R y = 3, s Atomare Masseeinheit u = , kg Ruhemasse des Elektrons m e = , kg Ruhemasse des α-teilchens m α = 6, kg Sign. 55/1 (Phys-LK-ET/Ma) Seite 8 von 8