Abschlussprüfung 2004

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1 Seite 1 von 12 Physik Elektrizitätslehre I Aufgabengruppe A A In einem Versuch wird die Stromstärke I in Abhängigkeit von der Spannung U für zwei verschiedene elektrische Leiter untersucht. Dabei ergeben sich folgende Messwerte: U in V 0 1,8 3,6 5,4 7,2 9,0 10,8 Leiter 1 I in A 0 0,31 0,55 0,74 0,84 0,93 0,96 Leiter 2 I in A 0 0,18 0,37 0,53 0,71 0,92 1,06 A A A Werten Sie die Messtabelle für den Leiter 1 numerisch aus und formulieren Sie das Versuchsergebnis. Stellen Sie für den Leiter 2 die Stromstärke in Abhängigkeit von der Spannung in einem Diagramm grafisch dar, formulieren und begründen Sie das Versuchsergebnis. Welche Aussagen kann man mit Hilfe der numerischen und der grafischen Auswertung über die Widerstandswerte der beiden Leiter treffen? A Zwei baugleiche Widerstände werden mit Hilfe von Schaltern an eine Elektrizitätsquelle mit konstanter Spannung angeschlossen (siehe nebenstehende Skizze). S 1 S 2 R R S 3 U A A Mit dieser Schaltung können der Elektrizitätsquelle drei unterschiedlich hohe Leistungen entnommen werden. Geben Sie die Schalterstellungen für die kleinste und die größte Leistungsstufe an. Bestimmen Sie das Verhältnis der Stromstärke bei der Reihenschaltung zur Gesamtstromstärke bei der Parallelschaltung. A 1.3 Ein Eisendraht wird an eine Elektrizitätsquelle angeschlossen. Die Spannung wird so weit erhöht, bis der Draht glüht. Taucht man einen Teil des Eisendrahtes in destilliertes Wasser, so glühen die an der Luft befindlichen Teile des Eisendrahts stärker. Begründen Sie diese Beobachtung.

2 Seite 2 von 12 Physik Elektrizitätslehre II Aufgabengruppe A A A Ein Stabmagnet fällt entsprechend nebenstehender Skizze durch eine Spule. Was kann man am Strommessgerät beobachten, während sich der Südpol der Spulenöffnung nähert? Begründen Sie Ihre Aussage. N S A Welche Energieumwandlung findet während der Annäherung des Südpols an die Spulenöffnung statt? A Welche Beobachtung macht man am Strommessgerät beim Austritt des Nordpols aus der Spule? Begründen Sie die Beobachtung mit Hilfe der Regel von Lenz. 0 A A Geben Sie zwei mögliche Änderungen des Versuchsaufbaus oder bei der Versuchsdurchführung an, um eine größere Induktionsstromstärke zu erhalten. A A Bei der wirtschaftlichen Übertragung von elektrischer Energie über längere Strecken ist der Einsatz von Transformatoren nötig. Fertigen Sie eine prinzipielle Schaltskizze an. Von einem Elektrizitätswerk führt eine Hochspannungsleitung zu einem Transformator. Die Sekundärleistung des Trafos beträgt 5,5 MW, seine Primärspannung 20 kv. Die Hochspannungsleitung hat einen Widerstand von 30 Ω. Berechnen Sie den Wirkungsgrad dieser Energieübertragung. Zur Vereinfachung der Rechnung soll der Wirkungsgrad des Trafos mit 100% angenommen werden.

3 Seite 3 von 12 Physik Atom- und Kernphysik Aufgabengruppe A A 3.0 A 3.1 A 3.2 A 3.3 A 3.4 Neben dem natürlichen Isotop Cäsium-133 existieren auch die künstlichen Isotope Cs-134 und Cs-137. Vergleichen Sie den Aufbau der drei Cs-Isotope. Cs-134 zerfällt mit einer Halbwertszeit von 2,1 Jahren unter Aussendung von β - und γ -Strahlung. Formulieren Sie die vollständige Kernreaktionsgleichung. Beschreiben Sie die Vorgänge, die beim β -Zerfall im Atomkern stattfinden. Die in 3.2 genannten Strahlungen treten in ein homogenes Magnetfeld senkrecht zu den Feldlinien ein. Zeichnen und begründen Sie die Strahlungsverläufe im Magnetfeld. A 3.5 In welchem Zeitraum verringert sich die Aktivität einer Cs-134-Probe um 90% des ursprünglichen Wertes? A 3.6 Nennen Sie vier Beispiele für die Verwendung radioaktiver Strahlung in Medizin und Technik.

4 Seite 4 von 12 Physik Energie Aufgabengruppe A A 4.1 Nennen Sie zwei Gründe, weshalb in Deutschland die mittlere Strahlungsleistung der Sonne je Quadratmeter deutlich geringer ist als auf einem um die Erde kreisenden Satelliten. A 4.2 Die mittlere Strahlungsleistung der Sonne beträgt an einem wolkenlosen Tag 2 1, 0 kw pro Quadratmeter. Für einen Haushalt sollen mit Hilfe einer 8,0 m großen Sonnenkollektoranlage 300 Warmwasser bereitgestellt werden. Der Wirkungsgrad der Anlage beträgt 35%. Wie lange muss die Sonnenscheindauer mindestens sein, damit man Leitungswasser von 14 C auf 60 C erwärmen kann? A A A Gezeitenkraftwerke nutzen den Unterschied des Wasserstandes zwischen Ebbe und Flut (Tidenhub) aus. Erläutern Sie das einem Gezeitenkraftwerk zugrunde liegende Funktionsprinzip. Das Gezeitenkraftwerk La Rance nahe St. Malo (Staumauer siehe Bild unten) an der französischen Atlantikküste nutzt einen Höhenunterschied von maximal 13 m zwischen zwei Gezeiten zur Energieumwandlung aus. Dabei fließen durch die Turbinen (siehe Bild 3 3 rechts) in jeder Sekunde m Wasser. Welche maximale Leistung steht dem Gezeitenkraftwerk zur Verfügung? beide Bilder mit freundlicher Genehmigung: A Mit welchem Wirkungsgrad arbeitet die Anlage, wenn in der Staumauer 24 Generatoren je eine Leistung von 36 MW liefern?

5 Seite 5 von 12 Physik Elektrizitätslehre I Aufgabengruppe B B Ein elektrisches Heizgerät wird entsprechend nebenstehender Skizze am Netz betrieben (U = 230 V). Der Schalter in der Zuleitung hat drei Stellungen. In Stellung wird dem Netz eine Leistung von 60 W entnommen. Der Betriebswiderstand des Heizdrahtes bleibt konstant. S Aus R Heizdraht B B B Der Schalter befindet sich in Stellung. Berechnen Sie die Stromstärke im Heizdraht und dessen Widerstandswert. Der Schalter befindet sich nun in Stellung. Begründen Sie anhand eines qualitativen Stromstärke-Zeit-Diagramms, warum die dem Netz entnommene Leistung in Schalterstellung nur halb so groß ist wie in Schalterstellung. Wie hoch sind die Kosten für den wöchentlichen Betrieb des Heizgerätes, wenn es durchschnittlich 100 Minuten pro Tag in Schalterstellung betrieben wird und für eine Kilowattstunde 15 Cent berechnet werden? B B B Die Halbleiterdiode aus wird nun durch einen Vorwiderstand R V ersetzt. Dieser wird so gewählt, dass der Heizdraht in der Schalterstellung eine Leistung von 30 W aufnimmt. Berechnen Sie die Stromstärke und den Wert des Vorwiderstandes R V für 2 RHeizdraht = 8,8 10 Ω. [Teilergebnis: I= 0,18A] Berechnen Sie den Wirkungsgrad dieser Schaltung.

6 Seite 6 von 12 Physik Elektrizitätslehre II Aufgabengruppe B B Das Auftreten einer hohen Selbstinduktionsspannung soll mit Hilfe des nebenstehenden Versuches gezeigt werden. B Welche technischen Merkmale müssen die verwendeten Bauteile haben? B Was kann man beim Schließen des Schalters, bei geschlossenem Schalter und beim Öffnen des Schalters jeweils beobachten? B Begründen Sie die Beobachtungen aus B 2.2 Zwei baugleiche Glühlampen werden wie in nebenstehender Schaltskizze betrieben. Die Lampen haben die Betriebsdaten (24 W/14 Ω), der an das Netz angeschlossene Transformator hat einen Wirkungsgrad von 92%. Berechnen Sie die vom Strommessgerät angezeigte Stromstärke. [Teilergebnis: PS = 47W] A

7 Seite 7 von 12 Physik Atom- und Kernphysik Aufgabengruppe B B B B B B In einem Kernkraftwerk wird die Energie genutzt, die bei der Spaltung von U-235-Kernen frei wird. Beim Beschuss mit einem thermischen Neutron wird ein U-235-Kern gespalten. Als Spaltprodukte entstehen Krypton Kr-89, ein weiterer mittelschwerer Kern sowie drei Neutronen. Geben Sie hierzu die Kernreaktionsgleichung an. Was versteht man unter dem Begriff thermisches Neutron? Erklären Sie, wie es zu einer Kettenreaktion kommen kann. Wie lässt sich in einem Reaktor die Kettenreaktion steuern? B 3.2 Begründen Sie, weshalb man Isotope nur mit physikalischen, nicht jedoch mit chemischen Mitteln trennen kann. B 3.3 Bei der Verschmelzung von Atomkernen wird in der Sonne sehr viel Energie freigesetzt. Geben Sie einen Grund an, warum die Kernfusion in Reaktoren noch nicht zur Deckung unseres Energiebedarfs genutzt werden kann.

8 Seite 8 von 12 Physik Energie Aufgabengruppe B B 4.1 B 4.2 B 4.3 Nennen Sie drei Beispiele, wie Biomasse direkt oder in veredelter Form als regenerativer Energieträger eingesetzt werden kann. Was versteht man unter dem Begriff Kraft-Wärme-Kopplung? Blockheizkraftwerke werden häufig als Kraftwerke mit Kraft-Wärme-Kopplung gebaut. Nennen Sie zwei Vorteile dieser Blockheizkraftwerke. B Das Kernkraftwerk Grafenrheinfeld hat eine durchschnittliche elektrische Leistung von 1,3 GW. Berechnen Sie die im Tagesdurchschnitt abgegebene elektrische Energie. B Der Wirkungsgrad eines Steinkohlekraftwerks beträgt 42%. Wie viele Tonnen Steinkohle müssten täglich verbrannt werden, damit die gleiche elektrische Energie wie in zur Verfügung steht? MJ Heizwert von Steinkohle: 29 kg B Nennen Sie jeweils zwei Nachteile eines Kernkraftwerks und eines Kohlekraftwerks.

9 Seite 9 von 12 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.

10 Seite 10 von 12 Physik Elektrizitätslehre II Aufgabengruppe C C C C In einem Versuch entsprechend nebenstehender Skizze ist ein Aluminiumring so aufgehängt, dass der Weicheisenkern der Spule in den Ring hineinragt. Was ist beim Schließen des Schalters S zu beobachten? Begründen Sie die Beobachtung aus unter Anwendung der Regel von Lenz. S C C C In großen Kraftwerken werden Innenpolgeneratoren verwendet. Begründen Sie dies, indem Sie die wesentlichen Unterschiede von Innenpol- und 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

11 Seite 11 von 12 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= 23,0kV die Stromstärke I= 0,13mA an. C Dem Luftraum zwischen den Nagelspitzen wird ein Mischstrahler genähert. Dabei zeigt das Strommessgerät einen deutlich höheren Stromfluss als in an. Begründen Sie dies. C Welche Strahlungsart ist für die in beobachtete Wirkung hauptsächlich verantwortlich? Begründen Sie Ihre Antwort.

12 Seite 12 von 12 Physik Energie Aufgabengruppe C C C C C In Deutschland beträgt die auftreffende Strahlungsenergie der Sonne durchschnittlich 1,1 10 kwh je Quadratmeter und Jahr. 3 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.