Abschlussprüfung 2003

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1 Abschlussprüfung 2003 an den Realschulen in Bayern PHYSIK Aufgabengruppe C C 1 Elektrizitätslehre I C In einem Versuch werden 150 g Wasser mit einem Tauchsieder erwärmt. Dabei wird die im Tauchsieder verrichtete elektrische Arbeit W el in Abhängigkeit von der Betriebszeit t untersucht. Die Stromstärke beträgt 4,6 A. Es ergeben sich folgende Messwerte: t in s W in kj 0 0,88 1,84 2,87 3,61 4,69 el C Stellen Sie in einer neuen Wertetabelle die elektrische Arbeit W el in Abhängigkeit von der elektrischen Ladung Q dar. C Werten Sie die Tabelle aus aus und formulieren Sie das Ergebnis. C Berechnen Sie die Spannung der bei diesem Versuch verwendeten Elektrizitätsquelle. C Bei einem Tauchsieder soll der Widerstand der Zuleitung möglichst klein, der Widerstand des Heizdrahtes jedoch möglichst groß sein. Begründen Sie diese Aussage und geben Sie an, durch welche Maßnahmen der Widerstand des Heizdrahtes möglichst groß wird. C Was versteht man unter Supraleitung? C Fertigen Sie für einen Supraleiter ein qualitatives R-T-Diagramm an. C Geben Sie zwei Anwendungen für Supraleitung an.

2 Abschlussprüfung 2003 an den Realschulen in Bayern PHYSIK Aufgabengruppe C C 2 Elektrizitätslehre II C Die Generatoren eines Elektrizitätswerks geben bei einer Spannung von 10 kv eine elektrische Leistung von 6,0 MW ab. Durch einen als ideal angenommenen Transformator wird die Spannung auf 110 kv hochtransformiert. Der Widerstand der Fernleitung bis zum Umspannwerk beträgt 85 Ω. C Fertigen Sie eine Schaltskizze an und begründen Sie, warum die Übertragung elektrischer Energie über große Entfernungen nur mit Hochspannung wirtschaftlich ist. C Berechnen Sie die Stromstärke im Primär- und Sekundärkreis. Teilergebnis : I = 55 A [ ] S C Berechnen Sie den Leistungsverlust in der Fernleitung. C Welchen Wirkungsgrad hat diese Energieübertragung? C 2.2 In nebenstehender Ampelsteuerung Schaltskizze ist der prinzipielle Aufbau einer Induktionsschleife dargestellt, die vor Kreuzungen in die Teerdecke eingelassen ist. Teerdecke Steht auf der Teerdecke über der Induktionsschleife ein Pkw, dann schaltet die Ampel nach einer gewissen Zeit von Rot auf Grün um. Begründen Sie das Aus- lösen des Schaltvorgangs. Spule Abschlussprüfung 2003

3 PHYSIK Aufgabengruppe C C 3 C 3.0 C 3.1 Atom- und Kernphysik Der Fallout des radioaktiven Cäsiumisotops Cs-137 bei dem Reaktorunfall von Tschernobyl ( ) verursachte in bestimmten Gebieten eine Anfangsaktivität von 20 kbq pro Quadratmeter Bodenfläche. Manche Waldpilze sind heute noch radioaktiv belastet. Die Halbwertszeit von Cs-137 beträgt 30 Jahre. Stellen Sie die Abnahme der Aktivität pro Quadratmeter für die ersten 150 Jahre in Abhängigkeit von der Zeit grafisch dar. C 3.2 Entnehmen Sie dem Diagramm aus 3.1, welche Aktivität pro Quadratmeter am noch vorhanden war. C 3.3 Stellen Sie die Kernreaktionsgleichung für den Zerfall von Cs-137 auf, wobei β - und γ - Strahlung emittiert werden. C 3.4 Die Strahlung eines Cs- 137-Präparates tritt entsprechend nebenstehender Cs-137 Präparat Skizze in ein starkes homogenes Magnetfeld ein, das senkrecht in die Zeichenebene gerichtet ist. Skizzieren Sie die weiteren Strahlenverläufe und begründen Sie diese jeweils. C 3.5 Ein Geiger-Müller-Zähler registriert auch ohne Vorhandensein eines radioaktiven Präparates Impulse. Begründen Sie diese Tatsache. Abschlussprüfung 2003

4 PHYSIK Aufgabengruppe C C 4 Energie C Entlang der Donau entstanden eine Reihe von Laufwasserkraftwerken zur Deckung der Grundlast. C Beschreiben Sie die Energieumwandlungen, die beim Betrieb eines Laufwasserkraftwerks auftreten. C Geben Sie zwei Gründe für die Energieentwertung beim Betrieb eines Laufwasserkraftwerks an. C Nennen Sie je einen Vor- und Nachteil eines Laufwasserkraftwerks. C Ein Radrennfahrer benötigt bei einer Bergetappe für eine 14,5 km lange Strecke eine Zeit von 37 Minuten und 20 Sekunden. Er überwindet dabei einen Höhenunterschied von 1130 m. C Berechnen Sie die vom Radrennfahrer bei dieser Bergetappe verrichtete Hubarbeit. Fahrer und Rennrad haben zusammen eine Masse von 65 kg. C Welche Summe hätte sich der Radrennfahrer bei dieser Bergetappe verdient, wenn man für seine Hubarbeit 0,15 pro Kilowattstunde ansetzen würde? C Berechnen Sie mit den Angaben aus die durchschnittliche Leistung des Radrennfahrers während dieser Bergetappe. C Die vom Radrennfahrer erbrachte Leistung bei diesem Anstieg ist höher als die in berechnete Leistung. Nennen Sie hierfür zwei Gründe. Abschlussprüfung 2004

5 Physik Elektrizitätslehre I Aufgabengruppe C C In einem Versuch werden zunächst ein Eisendraht, der sich in einem Ölbad befindet, und anschließend ein Kohlestift an eine regelbare Elektrizitätsquelle angeschlossen. Es wird jeweils die Stromstärke I in Abhängigkeit von der Spannung U gemessen. Dabei ergeben sich folgende Messwerte: U in V 0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 7,0 9,0 Eisendraht im Ölbad I in A 0 0,51 1,01 1,50 1,98 2,46 3,47 4,40 Kohlestift I in A 0 0,50 1,10 1,88 2,73 3,56 5,80 9,02 C C C C Fertigen Sie eine Schaltskizze an. Stellen Sie für die beiden Leiter die Stromstärke in Abhängigkeit von der Spannung grafisch dar und formulieren Sie jeweils das Versuchsergebnis. Welche Aussagen kann man mit Hilfe des Graphen aus über die Widerstände des Eisendrahtes und des Kohlestiftes machen? In einem weiteren Versuch wird für einen Eisendraht, der sich in Luft befindet, die Stromstärke in Abhängigkeit von der Spannung gemessen. Dieser Eisendraht hat die gleiche Länge und die gleiche Querschnittsfläche wie der Eisendraht im Ölbad. Skizzieren Sie die Kennlinie dieses Eisendrahtes im Diagramm zu und erklären Sie den Verlauf der Kennlinie mit Hilfe der Modellvorstellung. C 1.2 Zwei Konstantandrähte gleicher Länge haben Durchmesser von 0,50 mm und 0,70 mm. Wie verhalten sich die Widerstände der beiden Drähte zueinander? Begründen Sie Ihre Aussage. Abschlussprüfung 2004

6 Physik Elektrizitätslehre II Aufgabengruppe C C In einem Versuch entsprechend nebenstehender Skizze ist ein Aluminiumring so aufgehängt, dass der Weicheisenkern der Spule in den Ring hineinragt. C Was ist beim Schließen des Schalters S zu beobachten? S C Begründen Sie die Beobachtung aus unter Anwendung der Regel von Lenz. C C C In großen Kraftwerken werden Innenpolgeneratoren verwendet. Begründen Sie dies, indem Sie die wesentlichen Unterschiede von Innenpolund Außenpolgeneratoren erläutern. Der elektrische Strom in unserem Netz hat eine Frequenz von 50 Hertz. Wie oft muss sich bei einem Innenpolgenerator der Läufer in einer Minute drehen, wenn dieser aus einem Elektromagneten mit zwölf Polpaaren besteht? C 2.3 In einem Versuch wird entsprechend nebenstehendem Foto eine Spule mit 500 Windungen an das Netz (230 V) angeschlossen. In die Metallrinne (M) wird etwas Wasser gegeben. Was kann man nach dem Schließen des Schalter S beobachten? Begründen Sie diese Beobachtung. S Netzanschluss M Abschlussprüfung 2004

7 Physik Atom- und Kernphysik Aufgabengruppe C C C C C Das radioaktive Protactiniumisotop Pa-233 zerfällt unter Aussendung von β -Strahlung. Geben Sie die vollständige Kernreaktionsgleichung an. Die Aktivität A einer Probe des Protactiniumisotops Pa-233 ist innerhalb von 58 Stunden um 6,0% gefallen. Berechnen Sie die Halbwertszeit des Isotops. Zeichnen Sie ein A-t-Diagramm einer Probe des Protactiniumisotops Pa- 233 mit der Anfangsaktivität A0 = 250 Bq für vier Halbwertszeiten. C Betrachten Sie das nebenstehende Foto. Zwei Nägel werden so in einen Stromkreis eingebaut, dass sich zwischen deren Spitzen Luft befindet. Das Strommessgerät zeigt bei der anliegenden Spannung U = 23,0 kv die Stromstärke I = 0,13 ma an. C C Dem Luftraum zwischen den Nagelspitzen wird ein Mischstrahler genähert. Dabei zeigt das Strommessgerät einen deutlich höheren Stromfluss als in an. Begründen Sie dies. Welche Strahlungsart ist für die in beobachtete Wirkung hauptsächlich verantwortlich? Begründen Sie Ihre Antwort. Abschlussprüfung 2004

8 Physik Energie Aufgabengruppe C C C C C In Deutschland beträgt die auftreffende Strahlungsenergie der Sonne 3 durchschnittlich 1,1 10 kwh je Quadratmeter und Jahr. Auf dem Dach eines Einfamilienhauses werden Solarzellen mit einer Fläche von 10,2 m 2 montiert. Die Solaranlage hat eine durchschnittliche elektrische Leistung von 170 W. Berechnen Sie den Wirkungsgrad der Solarzellen. Die Netzbetreiber sind gesetzlich verpflichtet, 20 Jahre lang für jede eingespeiste Kilowattstunde 0,47 zu bezahlen. Nach wie vielen Jahren sind die reinen Anschaffungskosten in Höhe von 6178 erwirtschaftet? Die von Solarzellen gelieferte elektrische Energie kann in Form von chemischer Energie gespeichert werden. Beschreiben Sie zwei Speichermöglichkeiten und geben Sie dazu je ein Beispiel für die weitere Nutzung an. C C Beschreiben Sie die in einem Kernkraftwerk stattfindenden Energieumwandlungen. Nennen Sie jeweils zwei Vor- und Nachteile eines Kernkraftwerks. Prüfungsdauer: 120 Minuten Abschlussprüfung 2005

9 Physik Elektrizitätslehre I Aufgabengruppe C C C C C Der Wolframdraht einer Glühlampe ist 0,38 m lang und hat einen Durchmesser von 0,020 mm. Weisen Sie durch Rechnung nach, dass bei einer Temperatur von 20 C der Widerstandswert des Drahts 67 Ω beträgt. 2 Ω mm ( ρ 20 C = 0,055 ) m Diese Glühlampe wird an das 230 V-Netz angeschlossen. Der Widerstand des Drahts ist bei der Betriebstemperatur 15-mal so hoch wie der Widerstand bei der Temperatur von 20 C. Berechnen Sie die Betriebsleistung der Glühlampe. Erklären Sie die Zunahme des Widerstandes des Glühdrahts beim Betrieb der Glühlampe mit Hilfe des Teilchenmodells. C In einem Versuch entsprechend nebenstehender Schaltskizze wird der Widerstand R schrittweise verringert. Dabei werden die Stromstärke I und die zugehörige Betriebsspannung U B gemessen. - V + Es ergeben sich folgende Messwerte: R A C C C Stellen Sie die Betriebsspannung U B in Abhängigkeit von der Stromstärke I graphisch dar. Bestimmen Sie mit Hilfe des Diagramms die Kurzschlussstromstärke I K und die Ruhespannung U 0. Berechnen Sie den Innenwiderstand R i der Elektrizitätsquelle. Prüfungsdauer: 120 Minuten Abschlussprüfung 2005

10 Physik Elektrizitätslehre II Aufgabengruppe C C Für ein Experiment entsprechend nebenstehender Skizze sind zwei Ringe aus Aluminium beweglich aufgehängt. Ring 1 Ring 2 N S C Im ersten Teilversuch wird der Nordpol eines Stabmagneten in den Ring 1 hinein und wieder heraus bewegt. Welche Beobachtungen macht man? C Begründen Sie Ihre Beobachtungen aus C Im zweiten Teilversuch wird der Nordpol eines Stabmagneten in den Ring 2 hinein und wieder heraus bewegt. Welche Beobachtung machen Sie nun? C Begründen Sie Ihre Beobachtung aus C C In stromdurchflossenen Spulen kann Selbstinduktion auftreten. Beschreiben Sie anhand einer Zeichnung oder Schaltskizze die Durchführung eines Versuchs zum Nachweis der Selbstinduktion in einem Gleichstromkreis. C Beschreiben und begründen Sie die Beobachtungen aus Prüfungsdauer: 120 Minuten Abschlussprüfung 2005

11 Physik Atom- und Kernphysik Aufgabengruppe C C C C Um mit einem Geiger-Müller-Zählrohr Neutronen registrieren zu können, beschichtet man das Rohr innen mit dem Bor-Isotop B-10. Wodurch unterscheiden sich die Bor-Isotope B-10 und B-12 im Aufbau? Trifft ein Neutron auf ein Bor-Isotop B-10, wird ein α-teilchen ausgesandt. Geben Sie die entsprechende Kernreaktionsgleichung an. C Nebenstehende Skizze zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Geiger- Müller-Zählers. Beschreiben Sie dessen Funktionsweise. Glimmerfenster Metalldraht Metallrohr Gasfüllung 500 V Isolierung R Zählgerät C In einem Experiment wird für das Protactiniumisotop Pa-234 die Impulsrate in Abhängigkeit von der Zeit ermittelt. Es ergeben sich folgende Messwerte (Nulleffekt: 24 Impulse Minute ): t in s Impulsrate in s C C C Wodurch entsteht der Nulleffekt? Geben Sie in einer neuen Tabelle die um den Nulleffekt korrigierte Impulsrate an. Stellen Sie in einem Impulsrate-Zeit-Diagramm die korrigierte Messreihe graphisch dar. Bestimmen Sie anhand des Diagramms aus die Halbwertszeit von Pa-234. Prüfungsdauer: 120 Minuten Abschlussprüfung 2005

12 Physik Energie Aufgabengruppe C C 4.1 Beschreiben Sie die in einem Kohlekraftwerk stattfindenden Energieumwandlungen. C 4.2 Die nebenstehende Abbildung zeigt das Energieflussdiagramm eines Müllkraftwerks mit Kraft-Wärme- Kopplung. Zeigen Sie mit Hilfe der Daten aus dem Diagramm, dass der Wirkungsgrad dieses Kraftwerks 64% beträgt. chemische Energie einer Tonne Heizmüll: 2,2 MWh ungenutzte Energie Elektrische Energie für eine 60-Wattlampe für 5000 h 0,80 MWh (Heizbedarf für 10 m 2 Wohnfläche im Jahr) 0,30 MWh Prozessdampf für Krankenhäuser und Industrie C 4.3 C 4.4 C 4.5 Die nicht genutzte Energie aus dem Diagramm soll zum Erwärmen von Duschwasser um 30 C verwendet werden. Wie oft könnte man duschen, wenn für einen Duschvorgang 60 l Wasser benötigt werden? Ein Kraftwerk mit Kraft-Wärme-Kopplung hat einen deutlich höheren Wirkungsgrad als ein Kohlekraftwerk. Begründen Sie dies. Ein mit Erdgas beheiztes Einfamilienhaus mit einer Wohnfläche von 110 m 2 hat einen jährlichen Wärmebedarf von 70 kwh pro Quadratmeter. Der Brennwertkessel hat einen Wirkungsgrad von 95%, der Heizwert von Erdgas beträgt 31,7 MJ pro m 3. Berechnen Sie das Volumen des Erdgases, das zur Deckung des jährlichen Wärmebedarfs erforderlich ist. Prüfungsdauer: 120 Minuten Abschlussprüfung 2006

13 Physik Elektrizitätslehre I Aufgabengruppe C C In einem Versuch wird für einen spiralförmig aufgewickelten Eisendraht ( = 0,60 m ; d = 0,20 mm ) die Stromstärke I in Abhängigkeit von der Spannung U untersucht. Es ergeben sich folgende Messwerte: U in V 0 1,2 2,4 3,6 4,8 6,0 7,2 I in A 0 0,48 0,90 1,25 1,50 1,68 1,83 C C C Zeichnen Sie die Kennlinie dieses Eisendrahtes. Was kann man auf Grund der Kennlinie über den Widerstand des Drahtes aussagen? Erklären Sie Ihre Aussage aus mit Hilfe der Modellvorstellung. C In einem zweiten Versuch wird der Eisendraht aus in destilliertes Wasser getaucht. Bei der Wiederholung des Versuchs ergeben sich folgende Messwerte: U in V 0 1,2 2,4 3,6 4,8 6,0 7,2 I in A 0 0,48 0,99 1,48 1,97 2,48 2,96 C C C Zeichnen Sie die Kennlinie des gekühlten Eisendrahtes in das Diagramm zu ein und formulieren Sie das Versuchsergebnis. Bestimmen Sie den spezifischen Widerstand des gekühlten Eisendrahtes. Die Temperaturabhängigkeit des Widerstandes wird zum Bau elektrischer Temperaturmessgeräte genutzt. Skizzieren und beschreiben Sie den Aufbau eines solchen Temperaturmessgeräts. Prüfungsdauer: 120 Minuten Abschlussprüfung 2006

14 Physik Elektrizitätslehre II Aufgabengruppe C C In der folgenden Skizze haben die Spulen gleiche Windungszahl und die beiden Lampen gleiche Betriebsdaten (2,5 V/ 0,10 A). Es wird zunächst Wechselspannung und anschließend Gleichspannung angelegt. Die Spannung wird jeweils so gewählt, dass die Lampe L 1 hell leuchtet. L 1 L 2 C Was kann man an der Lampe L 2 bei beiden Versuchen beobachten? C Begründen Sie die Beobachtungen aus C C Die Lampe L 1 wird aus dem Primärkreis entfernt und im Sekundärkreis parallel zur Lampe L 2 geschaltet. Primärseitig wird eine Wechselspannung so angelegt, dass beide Lämpchen ihre Nennleistung erreichen. Der Transformator hat einen Wirkungsgrad von 85%. Berechnen Sie die Primärleistung. Der Wirkungsgrad von Transformatoren ist stets kleiner als 100%. Nennen Sie vier Gründe dafür. C 2.2 In einem Versuch fällt ein zylinderförmiger, starker Magnet senkrecht in ein passendes Kupferrohr, ohne es zu berühren. Anschließend fällt derselbe Magnet durch ein Plexiglasrohr, das in seinen Abmessungen dem Kupferrohr entspricht. Vergleichen Sie die Beobachtungen, die Sie bei beiden Versuchen machen können. Prüfungsdauer: 120 Minuten Abschlussprüfung 2006

15 Physik Atom- und Kernphysik Aufgabengruppe C 32 C Wird das Schwefelisotop 16 S mit Neutronen beschossen, entsteht ein Phosphorisotop. C C Was versteht man unter Isotopen? Stellen Sie die Kernreaktionsgleichung zu auf. C In einem Versuch wird die Impulsrate eines radioaktiven Phosphorisotops in Abhängigkeit von der Zeit gemessen. Nach jeweils 100 Stunden werden für eine Zeitdauer von 10 Minuten die Impulse gezählt. Der Nulleffekt beträgt 30 Impulse pro Minute. Es ergeben sich folgende Messwerte: Zeit in h Impulsrate in min C C C C Wodurch entsteht der Nulleffekt? Stellen Sie die um den Nulleffekt korrigierte Impulsrate in Abhängigkeit von der Zeit in einer neuen Tabelle dar und zeichnen Sie das zugehörige Diagramm. Bestimmen Sie anhand des Diagramms aus die Halbwertszeit des Phosphorisotops. Nach welcher Zeit sind 90% der Phosphorkerne zerfallen? Prüfungsdauer: 120 Minuten Abschlussprüfung 2006

16 Physik Energie Aufgabengruppe C C Die Abbildung zeigt ein solarthermisches Kraftwerk im Blockdiagramm. In ihm wird Sonnenenergie in elektrische Energie umgewandelt. Solarfeld (mit Parabolrinnen) Wärmetauscher Dampfturbine Generator η 2 = 0,62 η 1 = 0,58 C C C Geben Sie zwei Beispiele für Energieentwertungen in einem solarthermischen Kraftwerk an. Berechnen Sie den Gesamtwirkungsgrad des Kraftwerks. Die Sonnenbestrahlung einer Parabolrinne mit der effektiven Fläche von 50 m 2 führt der Dampfturbine eine Energie von 75 MWh pro Jahr zu. Berechnen Sie die Anzahl der erforderlichen Parabolrinnen, damit pro Tag durchschnittlich 240 MWh elektrische Energie zur Verfügung stehen. C 4.2 Aus energetischen Gründen scheint das Betreiben eines Pumpspeicherkraftwerks wenig sinnvoll. Nennen Sie zwei Gründe, die für die Verwendung eines Pumpspeicherkraftwerks sprechen. C C Beschreiben Sie die in einem Laufwasserkraftwerk stattfindenden Energieumwandlungen. Nennen Sie je zwei Vor- und Nachteile von Laufwasserkraftwerken.