Ministerium für Schule und Weiterbildung NRW PH GK HT 2 Seite 1 von 11. Unterlagen für die Lehrkraft. Abiturprüfung 2007.

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1 Seite 1 von 11 Unterlagen für die Lehrkraft Abiturprüfung 2007 Physik, Grundkurs 1. Aufgabenart Bearbeitung eines Demonstrationsexperiments Bearbeitung einer Aufgabe, die fachspezifisches Material enthält 2. Aufgabenstellung Aufgabe 1: Gitterexperimente Aufgabe 2: Lichtelektrischer Effekt und Planck sches Wirkungsquantum (53 Punkte) (56 Punkte) 3. Materialgrundlage Aufgabe 1: Vorgeführter Versuch: Wassergefülltes Becken, Maße ca. 30 cm x 60 cm x 30 cm. Auf der Frontseite (60 cm breit) befestigtes Gitter mit g = 1 mm. Laser mit 570 λ = 632 nm strahlt senkrecht auf das Gitter. Regulierung so, dass einmal Lichtstrahl nach Durchgang Gitter-Frontscheibe in Luft (oberhalb der Wasseroberfläche) und einmal in Wasser verläuft. Markierung der entstehenden Beugungspunkte auf Papier an hinterer Rückwand des Beckens. Becken wird so gestellt, dass Laserstrahl senkrecht auf 60-cm-Seite auftrifft. Vorbereitetes Datenblatt mit Auftreffpunkten in Luft/in Wasser. Aufgabe 2: Datensatz in Aufgabenstellung 4. Bezüge zu den Vorgaben Inhaltliche Schwerpunkte Aufgabe 1: Elektrik Elektromagnetische Schwingungen und Wellen Ausbreitung von Licht (Beugung, Interferenz, Reflexion, Brechung) Atom- und Quantenphysik Quanteneffekte Linienspektren und Energiequantelung des Atoms

2 Seite 2 von 11 Aufgabe 2: Atom- und Quantenphysik Quanteneffekte: lichtelektrischer Effekt und Lichtquantenhypothese (h-bestimmung mit Fotozelle und Gegenfeldmethode) 2. Medien/Materialien Versuch, Datenblatt mit Auftreffpunkten (siehe Anlage Aufgabenblatt) 5. Zugelassene Hilfsmittel Physikalische Formelsammlung Wissenschaftlicher Taschenrechner (ohne oder mit Grafikfähigkeit) Wörterbuch zur deutschen Rechtschreibung 6. Vorgaben für die Bewertung der Schülerleistungen 6.1 Modelllösungen Hinweis für die korrigierende Lehrkraft: Die nachfolgenden Beispiellösungen erfassen nicht notwendigerweise alle sachlich richtigen Lösungsalternativen. Aufgabe 1: Gitterexperiment a) Nach den Abmessungen des Versuchs ergibt sich die folgende Zeichnung Aquarium Luft Anmerkung: Der Verlauf der Lichtstrahlen im Wasser ist rein qualitativ gezeichnet, ebenso die Dimensionen Gitter Wasser des Gitters und des Aquariums. k = 2 k = 1 k = 0 k = 1 k = 2 Trifft der Laserstrahl auf das Gitter (Vorderseite Becken), so entsteht durch Beugung des Lichts am Gitter eine Interferenzfigur auf dem Schirm. Durch konstruktive und destruktive Interferenz entstehen Maxima und Minima. Geht das Licht durch Wasser, so liegen die Beugungsmaxima enger beisammen.

3 Seite 3 von 11 b) Auswertung: Herleitung der benötigten Formel gemäß nebenstehender Zeichnung: Für ein Maximum in P muss der Gangunterschied benachbarter Strahlen k λ betragen. Dieser Gangunterschied findet sich als Δs im vergrößerten Detailbild wieder. Über die Beziehung sinα= Δs g gewinnt man die verlangte Beziehung. J. Grehn, J. Krause: Metzler Physik, S. 295, Zeichnung leicht abgeändert Messwerte/Vorgang in Luft (Maßstab von Lineal ausnutzen): 11,7 cm d 1 = 11,7 cm. Daraus folgt: tan 0,390 0 α = =, also α = 21,3 und damit 30,0 cm 0 sin 21,3 = 0,363. Über die Gitterbeziehung für das 1. Maximum folgt nun mit k = 1: λ = m sin α und so: λ Luft = 637 nm. 570 Der Vorgang in Wasser mit d 1 = 8,5 cm liefert analog λ Wasser = 478 nm. c) Da die Frequenz f konstant ist (atomarer Vorgang, Quanteneffekt gem. Bohr) und die Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Welle in Wasser und in Luft verschieden ist, muss sich nach der Beziehung λ f = c die Wellenlänge λ ändern. Die Frequenz und somit die Farbe des Lichts wird lediglich durch die Energie (Quantenenergie h f) bestimmt, die durch Lichtemission im Atom (Übergang zwischen Energieniveaus) frei wird. Von daher muss f konstant bleiben, da sich die Energie h f nicht ändern kann. λwasser cluft Aus b) gilt: λluft f = cluft und λwasser f = cwasser. Daraus folgt: cwasser =, λluft 8 m und daraus c Wasser = 2, s

4 Seite 4 von 11 d) Bei der Befestigung auf der Außenseite wie hier im Versuch kommt Brechung in der Glaswand hinzu. Von daher wäre eine Befestigung auf der Innenseite (im Wasser) experimentell besser, da unmittelbar Beugung am Gitter entsteht. Siehe Skizze: Glaswand vorne Gitter Wasser Lichtstrahl Anmerkung: Am Gitter ist die Beugung jeweils in nur eine Raumrichtung gezeichnet worden! Hier doppelte Brechung: in Glas und in Wasser Glaswand vorne Gitter Wasser Lichtstrahl Hier einfache Brechung beim Übergang Gitter-Wasser e) Ungenauigkeiten in den Entfernungen und Abständen führen zu Ungenauigkeiten der Winkelbestimmung. Von daher resultieren Ungenauigkeiten in der Wellenlängenbestimmung. Erforderlich wären größere Becken, um den relativen Fehler der geometrischen Größen zu reduzieren.

5 Seite 5 von 11 Aufgabe 2: Lichtelektrischer Effekt und Planck sches Wirkungsquantum a) Beim lichtelektrischen Effekt geschieht die Absorption, indem jeweils ein Lichtquant von einem Metallelektron vollständig absorbiert wird. Das Lichtquant überträgt gemäß dem Energieerhaltungssatz seine Energie E = h f vollständig auf das Metallelektron. Diese Energie wird zum Verlassen des Metallverbands benötigt; bleibt ein Rest, so erhält das Fotoelektron diesen als kinetische Energie: h f = WA + Ekin. Das Lichtquant existiert nach der Wechselwirkung nicht mehr. b) Lochblende: sie begrenzt das einfallende Licht (monochromatisch) und regelt die Intensität. A ist die ringförmige Anode zum Auffangen der gelösten Elektronen. K ist die Kathode. Sie besteht aus einer Metallschicht (oft Cäsium), aus der Elektronen gelöst werden können. Zwischen Anode und Kathode wird eine Bremsspannung gelegt (sie ist über einen Schiebewiderstand oder über die Spannungsquelle regelbar). I stellt die Messung der sich ergebenden Stromstärke zwischen A und K über ein Amperemeter dar. Mit U als Voltmeter wird die Gegenspannung gemessen. Man beobachtet die Stromstärke I in Abhängigkeit von der Gegenspannung U und reguliert U solange, bis I auf Null Ampere gesunken ist. Dieser Wert Ug,max wird zusammen mit der Frequenz f notiert. Alle verfügbaren Frequenzen f werden so im Experiment verwendet. c) Mit der Gleichung c = λ f berechnet man die Frequenzen; anschließend zeichnet man im Diagramm eine Ausgleichsgerade (s. u.). Wellenlänge λ in nm Frequenz f in Hz 8,20 7,41 6,88 6,10 5,49 U in V 1,48 1,16 0,94 0,56 0,40 g,max Das Planck sche Wirkungsquantum erhält man z. B. mit Hilfe eines geeigneten Steigungsdreiecks unter Berücksichtigung des Maßstabes (auch möglich: h = ). WA f h = Δ E Δf 4, ev s 6, J s. g

6 Seite 6 von 11 Man liest die Austrittsarbeit W A 1, 9 ev und die Grenzfrequenz 14 f g 4,6 10 Hz ab. d) Für eine Spannung U >U 1 gilt: Eine höhere Intensität bedeutet mehr Photonen, daher können mehr ausgelöste Fotoelektronen zum Strom beitragen. Es steigt auch ebenso damit die Zahl der Elektronen, die die nötige Energie besitzen, um das Gegenfeld zu überwinden. U > U 2 kennzeichnet den Sättigungsbereich, d. h. alle ausgelösten Elektronen gelangen zur Auffangelektrode und tragen zum Fotostrom bei, I ist nun konstant. Bei Photonen ist die Quantenenergie durch h f festgelegt. Von daher kann kein Fotoelektron (dem diese Energie übertragen wurde) bei Spannungen U <U 1 die Anode erreichen: Die Stromstärke I beträgt 0 A. Da die Energie des Lichtes gleich bleibt, gilt dies auch bei höheren Intensitäten. Lediglich die Anzahl der ausgelösten Elektronen wird größer. Deshalb ist bei einer größeren Lochblende (höhere Intensität) die Stromstärke I ab der Grenzspannung U 1 größer. Hinweis für die korrigierende Lehrkraft: > und < beziehen sich auf die Spannungsachse als Zahlenstrahl im Diagramm.

7 Seite 7 von Teilleistungen Kriterien a) inhaltliche Leistung Aufgabe 1: Gitterexperimente Teilaufgabe a) 1 1 skizziert den Aufbau des Versuchs. 4 (I) 2 nennt die wesentlichen physikalischen Faktoren des Experiments. 6 (II) 3 benennt den Unterschied bei beiden Experimenten. 4 (II) Teilaufgabe b) 1 fertigt eine Zeichnung an. 4 (I) 2 erklärt die auftretenden Größen. 2 (I) 3 analysiert das Schirmbild. 5 (II) 4 berechnet so die Wellenlängen. 4 (I) Teilaufgabe c) 1 begründet die Wellenveränderung. 4 (II) 2 erläutert die Konstanz der Frequenz in Zusammenhang mit Δ E. 4 (II) 3 errechnet die Geschwindigkeit in Wasser. 4 (I) Teilaufgabe d) 1 zeichnet geeignet die Situation der Brechung bei Befestigung außen. 4 (III) 2 zeichnet geeignet die Situation der Brechung bei Befestigung innen. 4 (III) Teilaufgabe e) 1 nennt die Unsicherheiten in den Entfernungen als Ursache für die Abweichung. 2 (II) 2 erläutert Möglichkeiten der Reduzierung. 2 (II) 1 AFB = Anforderungsbereich

8 Seite 8 von 11 Aufgabe 2: Lichtelektrischer Effekt und Planck sches Wirkungsquantum Teilaufgabe a) 1 deutet den Photoeffekt im Quantenbild. 4 (II) 2 stellt die Wechselwirkung zwischen Photon und Elektron dar. 6 (I) 3 erklärt die Energieerhaltung mit W A,W kin und h f. 6 (I) Teilaufgabe b) 1 erläutert den Aufbau. 4 (I) 2 beurteilt die Funktion der wesentlichen Bauteile im Experiment. 6 (II) 3 nennt die Durchführung. 4 (II) Teilaufgabe c) 1 zeichnet ein f-u g -Diagramm. 6 (I) 2 bestimmt geeignet den Wert von h. 2 (II) 3 bestimmt die Grenzfrequenz. 2 (II) 4 bestimmt die Austrittsarbeit. 2 (II) Teilaufgabe d) 1 interpretiert die Kurve hinsichtlich der Intensitätsveränderung bei veränderter Lochblende. 6 (III) 2 deutet den Sättigungseffekt mit Hilfe der Photonenzahl und der Fotoelektronenanzahl. 4 (II) 3 interpretiert U 1 sachgerecht als max. Gegenspannung und begründet den Sachverhalt. 4 (II)

9 Seite 9 von Bewertungsbogen zur Prüfungsarbeit Name des Prüflings: Kursbezeichnung: Schule: Aufgabe 1: Gitterexperiment Teilaufgabe a) 1 skizziert den Aufbau 4 (I) 2 nennt die wesentlichen 6 (II) 3 benennt den Unterschied 4 (II) EK 2 ZK DK Teilaufgabe b) 1 fertigt eine Zeichnung 4 (I) 2 erklärt die auftretenden 2 (I) 3 analysiert das Schirmbild 5 (II) 4 berechnet so die 4 (I) Teilaufgabe c) 1 begründet die Wellenveränderung. 4 (II) 2 erläutert die Konstanz 4 (II) 3 errechnet die Geschwindigkeit 4 (I) Teilaufgabe d) 1 zeichnet geeignet die 4 (III) 2 zeichnet geeignet die 4 (III) 2 EK = Erstkorrektur; ZK = Zweitkorrektur; DK = Drittkorrektur

10 Seite 10 von 11 Teilaufgabe e) 1 nennt die Unsicherheiten 2 (II) 2 erläutert Möglichkeiten der 2 (II) Summe 1. Aufgabe 53 Aufgabe 2: Lichtelektrischer Effekt und Planck sches Wirkungsquantum Teilaufgabe a) 1 deutet den Photoeffekt 4 (II) 2 stellt die Wechselwirkung. 6 (I) 3 erklärt die Energieerhaltung 6 (I) Teilaufgabe b) 1 erläutert den Aufbau... 4 (I) 2 beurteilt die Funktion 6 (II) 3 nennt die Durchführung. 4 (II) Teilaufgabe c) 1 zeichnet ein f-u g -Diagramm. 6 (I) 2 bestimmt geeignet den 2 (II) 3 bestimmt die Grenzfrequenz. 2 (II) 4 bestimmt die Austrittsarbeit. 2 (II) Teilaufgabe d) 1 interpretiert die Kurve 6 (III) 2 deutet den Sättigungseffekt 4 (II) 3 interpretiert U 1 sachgerecht 4 (II) Summe 2. Aufgabe 56 Summe der 1. und 2. Aufgabe 109

11 Seite 11 von 11 Summe insgesamt 109 aus der Punktsumme resultierende Note Note ggf. unter Absenkung um ein bis zwei Notenpunkte gemäß 13,2 APO-GOSt Paraphe ggf. arithmetisches Mittel der Punktsummen aus EK und ZK: Die Klausur wird mit der Note: ( Punkte) bewertet. Unterschrift, Datum: Grundsätze für die Bewertung (Notenfindung) Für die Zuordnung der Notenstufen zu den en ist folgende Tabelle zu verwenden: Note Punkte Erreichte sehr gut plus sehr gut sehr gut minus gut plus gut gut minus befriedigend plus befriedigend befriedigend minus ausreichend plus ausreichend ausreichend minus mangelhaft plus mangelhaft mangelhaft minus ungenügend