Abiturprüfung Physik, Grundkurs

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1 Seite 1 von 6 Abiturprüfung 2012 Physik, Grundkurs Aufgabenstellung: Aufgabe: Entladung eines Kondensators In dieser Aufgabe geht es um die Entladung eines Kondensators. Im ersten Teil (Teilaufgabe 1) führen Sie dazu ein Experiment durch und nehmen den ersten Schritt der Auswertung vor. Das Ergebnis dieses Auswertungsschrittes lassen Sie von Ihrem Fachlehrer oder Ihrer Fachlehrerin kontrollieren. Diese/r entscheidet, ob die von Ihnen aufgenommenen Messwerte für die weitere Auswertung geeignet sind und Sie mit der Aufgabe fortfahren können oder für die weitere Auswertung nicht geeignet sind und Sie mit vorbereiteten Messwerten weiterarbeiten müssen. Für den experimentellen Teil der Aufgabe haben Sie bis zu 30 Minuten Zeit. Spätestens nach Ablauf dieser Zeit müssen Sie Ihr Experimentiermaterial abgeben. Teilaufgabe 1 Für das Experiment stehen Ihnen folgende Materialien zur Verfügung: ein Kondensator ( 10F), eine Batterie ( U 0 15V, ), ein Widerstand ( R 10 ), ein Spannungsmessgerät (incl. zweier Anschlusskabel), ein Kabelset, eine Uhr.

2 Seite 2 von 6 a) Versuchsanleitung: Der Kondensator wird etwa 20 Sekunden direkt mit der Spannungsquelle (Batterie) verbunden. Dabei ist unbedingt auf die Übereinstimmung der Polaritäten von Spannungsquelle und Kondensator zu achten (siehe Abbildung 1). Der Kondensator wird danach von der Spannungsquelle getrennt und gemäß Abbildung 2 über den Widerstand entladen. Hinweis: Bitte achten Sie darauf, dass Sie sich an den Anschlussdrähten nicht verletzen. Das Berühren der Kleinspannung ist ungefährlich. Abbildung 1: Kondensator mit der weißen Markierung des Minuspols Abbildung 2: Schaltskizze zur Kondensatorentladung Erstellen Sie unter Verwendung von Anlage 1 eine Messtabelle für eine Entladezeit von 7 min: Messen Sie dazu mit Hilfe des Messinstruments die Spannung U in Abhängigkeit von der Zeit t für konstante Zeitabstände von 20 s. Der Zeitpunkt dem Schließen des Stromkreises. t 0s entspricht dabei

3 Seite 3 von 6 Un 1 b) Ergänzen Sie die Tabelle in der dritten Spalte: Bilden Sie die Quotienten für U n 1 k 1, wobei k die Anzahl Ihrer Messwerte ist. (8 Punkte) n Lassen Sie Ihre Resultate (also die Messwerttabelle mit den Quotienten) von Ihrem Fachlehrer oder Ihrer Fachlehrerin kontrollieren. Diese/r entscheidet, ob Sie auf Grundlage der von Ihnen aufgenommenen Messwerte mit der Aufgabe fortfahren können. Sollten Ihnen neue Messwerte vorgegeben werden, müssen Sie die Quotientenbildung für diese neuen Messwerte erneut vornehmen und mit diesen weiterarbeiten. Teilaufgabe 2 a) Beurteilen Sie anhand Ihrer Messwerte mit Hilfe eines geeigneten Kriteriums, ob die Abnahme der Spannung zeitlich exponentiell verläuft. b) Ermitteln Sie den Verlauf der Stromstärke I am Ohm schen Widerstand ( R 10 Abhängigkeit von der Zeit t und notieren Sie die Ergebnisse in Ihrer Tabelle. ) in c) Stellen Sie den zeitlichen Verlauf der Stromstärke in einem I t -Diagramm grafisch dar. Begründen Sie, dass die Stromstärke exponentiell abnimmt. Bestimmen Sie mit Hilfe des I t -Diagramms die Halbwertszeit T 12. Bestimmen Sie aus dem I t -Diagramm die während der ersten Halbwertszeit abfließende Ladung Q. [Ersatzergebnis: Q 10, 3 ] Der Hersteller gibt für den verwendeten Kondensator eine Kapazitätstoleranz von 20 % bis +80 % an, d. h., die tatsächliche Kapazität des Kondensators kann bis zu 20 % kleiner bzw. bis zu 80 % größer sein als die angegebene Kapazität. Überprüfen Sie anhand Ihres Ergebnisses für die Ladung Q rechnerisch, ob die Kapazität des verwendeten Kondensators innerhalb der Kapazitätstoleranz liegt.

4 Seite 4 von 6 d) Wiederholt man das Experiment mit anderen Kondensatoren, ergeben sich ähnliche Kurvenverläufe. Abbildung 3 zeigt die Entladungskurven von drei verschiedenen Kondensatoren A, B und, die jeweils über denselben Ohm schen Widerstand entladen wurden. I A B Abbildung 3: Entladungskurven dreier Kondensatoren A, B und (Zeit und Stromstärke sind in willkürlichen Einheiten angegeben) Begründen Sie, welche Kapazitäten 1 < 2 < 3 zu den jeweiligen Kondensatoren A, B und gehören. (26 Punkte)

5 Seite 5 von 6 Teilaufgabe 3 Ein Kondensator mit der Kapazität 10, 0 F wird an der Spannungsquelle mit U 0 150V, vollständig geladen und danach von der Spannungsquelle getrennt. Nun wird der geladene Kondensator mit einem zweiten Kondensator der unbekannten Kapazität p verbunden (siehe Abbildung 4). Die anschließende Spannungsmessung liefert eine Spannung von U 1 1, 10V. Abbildung 4: Hinzuschalten eines weiteren Kondensators mit der Kapazität p zum Kondensator der Kapazität a) Bestimmen Sie die im Kondensator mit der Kapazität direkt nach der Aufladung an der Spannungsquelle (also vor dem Anschluss des zweiten Kondensators) gespeicherte elektrische Energie E. [Ergebnis zur Kontrolle: E 11, 25 J ] b) Erklären Sie den Spannungsabfall beim Anschluss des zweiten Kondensators. Bestimmen Sie die Kapazität p des zweiten Kondensators. [Ergebnis zur Kontrolle: p 36F, ] c) Bestimmen Sie die nach Anschluss des zweiten Kondensators in beiden Kondensatoren gespeicherte gesamte elektrische Energie. Vergleichen Sie Ihr Ergebnis mit der direkt nach der Aufladung an der Spannungsquelle gespeicherten elektrischen Energie E. (16 Punkte) Zugelassene Hilfsmittel: Physikalische Formelsammlung Wissenschaftlicher Taschenrechner (ohne oder mit Grafikfähigkeit, auch mit AS-Funktionalität) Wörterbuch zur deutschen Rechtschreibung

6 Seite 6 von 6 Anlage 1: Vorlage Messtabelle t in s U in V