Abschlussprüfung 2009

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1 rüfungsdauer: 0 Minuten Abschlussprüfung 009 hysik lektrizitätslehre I Aufgabengruppe A A..0 A.. A.. In einem xperiment wird die Abhängigkeit der Stromstärke I von der Spannung U für einen isen- und einen onstantandraht untersucht. ertigen Sie eine Versuchsskizze an. In dem Versuch ergeben sich folgende Messwerte: U in V 0 0,30 0,60 0,90,0,50,80,0 isendraht I in A 0 0,48 0,93,38,70,98,9,3 onstantandraht I in A 0 0,09 0,8 0,7 0,36 0,45 0,54 0,63 Werten Sie die Messreihen graphisch aus. A..3 A..4 A..5 Interpretieren Sie den Verlauf der beiden Leiterkennlinien. rklären Sie mit Hilfe des Teilchenmodells den Verlauf der ennlinie des verwendeten isendrahts. Zeichnen Sie in das Diagramm.. die ennlinie eines weiteren onstantandrahtes mit einem Widerstandswert von,0 Ω ein. A..0 A.. A.. in Strommessgerät mit einem Innenwiderstand R i 50 Ω hat einen Messbereich von I,0 ma. Begründen Sie, warum r Messbereichserweiterung eines Strommessgeräts ein Widerstand parallel m Messwerk geschaltet werden muss. Berechnen Sie mit der Schaltung aus.. die maximal messbare Stromstärke, wenn der parallel geschaltete Widerstand einen Wert von R,5 Ω hat.

2 rüfungsdauer: 0 Minuten Abschlussprüfung 009 hysik lektrizitätslehre II Aufgabengruppe A A..0 Das folgende Bild zeigt eine Induktionstaschenlampe. beweglicher Dauermagnet feste Induktionsspule A.. A.. Die Lampe wird in Längsrichtung hin und her bewegt. Begründen Sie, weshalb während dieser Bewegung ein Induktionsstrom fließt. Nennen Sie drei Maßnahmen, mit denen man die Induktionsspannung der Lampe erhöhen kann. A..0 ine in den USA gebaute affeemaschine mit den Betriebsdaten (0 V /, kw) soll an das deutsche Netz (30 V) angeschlossen werden. Der dafür benötigte Transformator hat einen Wirkungsgrad von 90%. A.. A.. A..3 Berechnen Sie jeweils die Stromstärke im rimär- und im Sekundärkreis. [Teilergebnis: I S 0 A] An Stelle des Transformators wird nun ein Vorwiderstand verwendet. Berechnen Sie den Wert des Vorwiderstands. Der Betrieb der affeemaschine mit einem Vorwiderstand ist unwirtschaftlich. Begründen Sie dies durch Berechnung des Wirkungsgrads.

3 rüfungsdauer: 0 Minuten Abschlussprüfung 009 hysik Atom- und ernphysik Aufgabengruppe A A 3..0 A 3.. Im ernkraftwerk Grafenrheinfeld nutzt man die Spaltung von U-35 r Umwandlung von ernenergie in elektrische nergie. Bei der Spaltung eines U-35 erns entstehen das ryptonisotop r-89, ein weiterer ern und drei freie Neutronen. rstellen Sie die ernreaktionsgleichung und beschreiben Sie die Vorgänge bei der Spaltung im ern. A 3.. In einem abgebrannten Brennelement findet man unter anderem das radioaktive lutoniumisotop u-4 mit einer Halbwertszeit von 4,3 a. Wie lange dauert es, bis die Aktivität dieses lutoniumisotops auf ein Zehntel der bei der ntnahme aus dem ernreaktor gemessenen Aktivität gesunken ist? Bestimmen Sie diese Zeit erst graphisch mit Hilfe eines A-t-Diagramms und bestätigen Sie sodann Ihr rgebnis durch Rechnung. A 3.. A 3.. Geben Sie drei Ursachen an, die einer Belastung durch radioaktive Strahlung für den Menschen beitragen. Nennen Sie drei aktoren, von denen die schädigende Wirkung radioaktiver Strahlung für den Menschen abhängt.

4 rüfungsdauer: 0 Minuten Abschlussprüfung 009 hysik nergie Aufgabengruppe A A 4.0 A 4. Vom Walchensee fließt Wasser durch sechs allrohre m 00 m tiefer gelegenen Walchenseekraftwerk. Durch einen Schieber am Zulauf den allrohren kann der Normalwasserstand des Walchensees um maximal 6,6 m abgesenkt werden. Der Walchensee hat dabei eine durchschnittliche Wasserfläche von 5 km. Berechnen Sie die Lageenergie des Wassers, die bei einer Absenkung des Wasserspiegels um 6,6 m für die nergieumwandlung r Verfügung gestellt wird. 3 [rgebnis: 9 0 J ] pot A 4. A 4.3 A 4.4 A 4.5 Durch die allrohre fließen pro Sekunde maximal 84 m 3 Wasser. Dabei beträgt die elektrische Gesamtleistung aller durch die Turbinen angetriebenen Generatoren 4 MW. Berechnen Sie den Wirkungsgrad des raftwerks bei Volllastbetrieb. Wie viele Tage kann man das raftwerk mit der in 4. berechneten Lageenergie bei maximaler Leistung betreiben? Geben Sie die nergieumwandlungen in einem Wasserkraftwerk bis r Übergabe an das Verbundnetz an. Nennen Sie zwei Vorteile eines Wasserkraftwerks gegenüber einem ohlekraftwerk in Deutschland.

5 hysik lektrizitätslehre I Abschlussprüfung 009 Lösungsvorschlag Aufgabengruppe A A.. Versuchsskizze entsprechend dem Unterricht, z. B.: Draht A A.. I in A V,0 isendraht,0 ennlinie..5 onstantandraht 0 0,50,00,50,00 U in V A..3 Interpretation entsprechend dem Unterricht, z. B.: A..4 Mit gleichmäßig ansteigender elektrischer Spannung wird beim isendraht die Zunahme der Stromstärke kleiner, beim onstantandraht bleibt sie gleich. rklärung entsprechend dem Unterricht, z. B.: Mit nehmender elektrischer Spannung werden die freien lektronen des isendrahtes im elektrischen eld stärker beschleunigt. Bei ihren Wechselwirkungen mit den ortsfesten Atomrümpfen geben die Leitungselektronen dabei eine größere nergie ab. Die Atomrümpfe schwingen dadurch stärker. Die Wechselwirkungen zwischen den freien lektronen und den ortsfesten Atomrümpfen werden dadurch noch zahlreicher und stärker. Somit wird die Driftbewegung der freien lektronen stärker gehemmt. A..5 ennlinie: siehe.. (Ursprungsstrecke z. B. mit dem Wertepaar U,00 V und I,0 A) A.. A.. Da die Stromstärke im Messwerk höchstens,0 ma betragen darf, muss ein Teil des Gesamtstroms am Messwerk vorbei geleitet werden. In R n Ii Ri In 50 Ω,0 ma,5 Ω Iges In + Ii Iges 8,0 ma +,0 ma Iges In 8,0 ma 0,0 ma

6 hysik lektrizitätslehre II Abschlussprüfung 009 Lösungsvorschlag Aufgabengruppe A A.. Begründung entsprechend dem Unterricht, z. B.: Während des Schüttelns der Taschenlampe in Längsrichtung wird ein ermanentmagnet relativ einer Spule bewegt. Dadurch wird die Spule von einem sich zeitlich ändernden Magnetfeld durchsetzt. In der Spule wird eine Wechselspannung induziert und im geschlossenen reis mit Spule und Lämpchen fließt ein Induktionsstrom. A.. rhöhung der Induktionsspannung z. B. durch: höhere Windungszahl der Spule schnellere Bewegung der Taschenlampe stärkeren ermanentmagneten A.. A.. S η I I, kw 0,90, kw 30 V I U, kw S S IS S US 0 V R U 0 V V V R V V IV 0 A I I, kw 5, A 0 A R Ω A..3 Lösung entsprechend dem Unterricht, z. B.: η Nutz, kw η 30 V 0 A η 0,48 Die Schaltung mit einem Vorwiderstand ist unwirtschaftlich, da bei einem insatz eines Transformators ein nahe doppelt so hoher Wirkungsgrad erreicht werden kann.

7 hysik Atom- und ernphysik Abschlussprüfung 009 Lösungsvorschlag Aufgabengruppe A A U + n r + Ba + 3 n ( + γ ) rläuterung entsprechend dem Unterricht, z. B.: in thermisches (langsames) Neutron dringt in den U-35-ern ein und bewirkt eine Verformung (inschnürung) des erns. Die elektrischen Abstoßungskräfte zwischen den rotonen sind an der inschnürungsstelle stärker als die anziehenden ernkräfte (mit kurzer Reichweite). A 3.. A (t) A 0 Aus dem Diagramm: t 48 a (Zeichnungsbedingte Abweichungen sind gelassen.) t T A0 A(t) A(t) t T log A 0 t 4,3 a log 0,0 t 47,5 a 4,3 t t in a A 3.. Ursachen entsprechend dem Unterricht, z. B. A 3.. terrestrische Strahlung kosmische Strahlung ernwaffentests/reaktorunfälle Strahlentherapie, z. B. bei rebserkrankungen Diagnose, z. B. Szintigramm aktoren entsprechend dem Unterricht, z. B.: Strahlungsart mpfindlichkeit des betroffenen Organs Ort der Strahlungsquelle (im örper, außerhalb des örpers, ) Dauer der Strahlungsexposition zeitliche Verteilung der Dosis

8 hysik nergie Abschlussprüfung 009 Lösungsvorschlag Aufgabengruppe A A 4. pot m g h mit m ρ V 3 kg 6 N pot, m 6,6 m 9,8 00 m 3 m kg 3 pot 9 0 J A 4. m g h mit m ρ V t 3 kg 3 N, m 9,8 00 m 3 m kg,0 s el η η 4 MW 6 0 MW η 0, MW A 4.3 t pot t Ws W t 4 d A 4.4 A 4.5 nergieumwandlungen entsprechend dem Unterricht, z. B.: potenzielle nergie des Wassers allrohre kinetische nergie des Wassers Turbine mechanische nergie der Turbine elektrische nergie Generator Vorteile entsprechend dem Unterricht, z. B.: keine CO -mission (beim Betrieb) höherer Wirkungsgrad keine Transportkosten für den rimärenergieträger B

9 rüfungsdauer: 0 Minuten Abschlussprüfung 009 hysik lektrizitätslehre I Aufgabengruppe B B..0 In einem xperiment wird für zwei Metalldrähte die Abhängigkeit des elektrischen Widerstands von der Drahtlänge bei gleicher Querschnittsfläche untersucht. ür A 0,035 mm² ergibt sich dabei das nebenstehende Diagramm. R in 0 0 Draht Draht 0 0,50,00,50 in m B.. B.. Zeigen Sie durch Rechnung, dass der Draht aus onstantan besteht. ür beide Drähte gilt im untersuchten Bereich das Ohm sche Gesetz. Zeichnen Sie ein qualitatives I-U-Diagramm für den all, dass die Querschnittsflächen und die Längen der beiden Drähte gleich sind. B..0 Bei der Herstellung von dünnen Drähten verwendet man z. B. das Verfahren des Drahtziehens. Da wird der Draht durch Ziehringe aus Hartmetall gezogen (siehe Skizze). Dabei nimmt der Drahtdurchmesser ab, die Drahtlänge dagegen. Das Volumen des Drahtes ändert sich bei diesem Vorgang nicht. Ziehring Ziehrichtung B.. B.. in 00 m langer upferdraht mit einer Querschnittsfläche von 0,50 mm² wird durch das Drahtziehen auf eine Querschnittsfläche von 0,40 mm² gezogen. Berechnen Sie die Länge des upferdrahtes nach dem Ziehen. Beim Drahtziehen wird der Durchmesser eines Drahtes halbiert. Wie verändert sich dabei der Widerstandswert? Begründen Sie Ihre Antwort. B.3. B.3. Was versteht man unter Supraleitung? Nennen Sie zwei Anwendungen r Supraleitung.

10 rüfungsdauer: 0 Minuten Abschlussprüfung 009 hysik lektrizitätslehre II Aufgabengruppe B B..0 B.. B.. B..3 B..4 In einem Versuch entsprechend nebenstehender Schaltskizze wird die Wirkung einer Spule mit Weicheisenkern in einem Gleichstromkreis untersucht. Die Spannung der lektrizitätsquelle beträgt,0 V. Die beiden Glühlampen haben jeweils die Betriebsdaten 9,0 V und,8 W. Der Schiebewiderstand ist so eingestellt, dass beide Glühlampen ihre Nennleistung erreichen, falls der Schalter geschlossen ist. Berechnen Sie den eingestellten Wert des Schiebewiderstandes und geben Sie den Wert des Ohm schen Widerstandes der Spule an. Der Schalter wird geschlossen. Welche Beobachtungen kann man beim Schließen des Schalters machen? ertigen Sie ein qualitatives I-t-Diagramm bei und nach dem Schließen des Schalters für die Lampe im Spulenzweig an. Die lektrizitätsquelle aus..0 wird durch eine zweite mit der Wechselspannung U,0 V ersetzt. Was kann man nun beim Schließen des Schalters an den beiden Glühlampen beobachten? Begründen Sie Ihre Beobachtungen. S L L + - R B. Der Generator eines raftwerks gibt eine Leistung von 5,0 MW bei einer Spannung von 0 kv ab. Im Umspannwerk wird die Generatorspannung auf 0 kv hochtransformiert. Der Wirkungsgrad des Transformators beträgt 95%. Der Widerstandswert der ernleitung beträgt 0 Ω. Berechnen Sie die elektrische nergie, die täglich in der Überlandleitung in innere nergie umgewandelt wird. [Teilergebnis: IS 0,3 ka ]

11 rüfungsdauer: 0 Minuten Abschlussprüfung 009 hysik Atom- und ernphysik Aufgabengruppe B B 3.. B 3.. B 3..3 U-38 zerfällt in mehreren Schritten in b-06. Berechnen Sie jeweils die Anzahl der α- und β-zerfälle. Vergleichen Sie α- und β-strahlung hinsichtlich ihrer Ionisierungsfähigkeit und ihrer Abschirmbarkeit. Nennen Sie neben der Ionisierungsfähigkeit und Abschirmbarkeit zwei weitere igenschaften der α-strahlung. B 3. Bei einer ernspaltung von U-35 in ernkraftwerken entstehen die beiden Spaltprodukte Cs-37 und Rb-96. ormulieren Sie da die ernreaktionsgleichung. B 3.3 Bei der Spaltung von Uran in ernkraftwerken entstehen radioaktive Gase, z. B. Xe 33. Diese werden r Verringerung der Umweltbelastung in ilteranlagen festgehalten. Berechnen Sie die Zeit, nach der die Aktivität des in der Anlage gesammelten Xe-33 auf 0,0% der ursprünglichen Aktivität abgesunken ist. Die Halbwertszeit von Xe-33 beträgt 5,3 d. B 3.4 Natürliches Uran enthält heute etwa 0,7% U-35 und 99,3% U-38. Begründen Sie, warum der Anteil an U-35 in der rühgeschichte der rde größer war.

12 rüfungsdauer: 0 Minuten Abschlussprüfung 009 hysik nergie Aufgabengruppe B B 4..0 B 4.. B 4.. B 4..3 Bei modernen Gebäuden soll ein möglichst großer Teil des nergiebedarfs durch die Nutng von regenerativen nergieträgern, wie z. B. Sonnenenergie abgedeckt werden. 3 In Bayern beträgt die mittlere Sonnenscheindauer, 7 0 h im Jahr, wobei die Strahlungsleistung,0 kw pro Quadratmeter beträgt. 3 ine vierköpfige amilie hat pro Jahr einen Bedarf von 4,5 0 kwh an elektrischer nergie. Wie groß müsste bei optimaler Ausrichtung die Solarzellenfläche sein, um den Bedarf an elektrischer nergie decken? Der Wirkungsgrad der Solarzellen beträgt 5%. Nennen Sie zwei Gründe, warum es sinnvoll ist, dass ein Haushalt mit einer hotovoltaikanlage am Verbundnetz angeschlossen bleibt. Der Warmwasserbedarf der vierköpfigen amilie wird im Sommer durch eine Sonnenkollektoranlage mit einer läche von 6,0 m² gedeckt. Bei einer Bestrahlungsdauer von 90 Minuten werden 50 Liter Wasser von 5 C auf 38 C erwärmt. Berechnen Sie den Wirkungsgrad der Sonnenkollektoranlage. B 4.. B 4.. Nennen Sie zwei Gründe, die für eine nehmende Nutng erneuerbarer nergieträger sprechen. Neben der Nutng erneuerbarer nergieträger ist es von zentraler Bedeutung, den nergiebedarf möglichst gering halten. Nennen Sie zwei Maßnahmen, durch die dies beim Hausbau erreicht werden kann.

13 hysik lektrizitätslehre I Abschlussprüfung 009 Lösungsvorschlag Aufgabengruppe B B.. R A 5 Ω 0,035 mm ρ ρ l,75 m Ω mm ρ 0,50 m B.. I in A Draht A und sind konstant. Draht U in V B.. Das Volumen des Drahtes bleibt gleich: A l A l A l 0,50 mm 00 m l l l 0,5 km A 0,40 mm B.. Lösung entsprechend dem Unterricht, z. B.: R ρ ρ ρ l, mit A Aus der Halbierung des Durchmessers folgt: A A und l 4 l 4 4 l R ρ R 6 ρ l R 6 R A A 4 B.3. Definition entsprechend dem Unterricht, z. B.: B.3. Der elektrische Widerstand bestimmter Materialien wird für eine Temperatur T T Sprung unmessbar klein. Anwendungen entsprechend dem Unterricht, z. B.: rzeugung starker Magnetfelder elektrische nergieübertragung mit einem Wirkungsgrad von nahe 00%

14 hysik lektrizitätslehre II Abschlussprüfung 009 Lösungsvorschlag Aufgabengruppe B B.. B.. B..3 I U R R U I,8 W I I 0,0 A 9,0 V,0 V - 9,0 V 0,0 A R Schiebe Schiebe Spule RSchiebe Spule Beobachtungen beim Schließen des Schalters (mit Gleichspannung): Die Lampe L leuchtet sofort hell. Die Lampe L erreicht zeitlich verzögert die Helligkeit der Lampe L. I R 5 Ω R 5 Ω B..4 t Beobachtungen beim Schließen des Schalters (mit Wechselspannung): Die Lampe L leuchtet sofort hell. Die Lampe L im Spulenzweig leuchtet ständig schwächer als die Lampe L oder sie leuchtet nicht. Begründung entsprechend dem Unterricht, z. B.: Im Zweig mit dem Schiebewiderstand findet keine Selbstinduktion statt. Die Stromstärke erreicht sofort ihren Höchstwert. Im Spulenzweig entsteht durch den Wechselstrom ein sich in Stärke und Richtung ständig änderndes Magnetfeld. Dieses bewirkt in der Spule eine Selbstinduktionsspannung, die nach der Regel von Lenz ständig der ursprünglichen Spannung entgegengerichtet ist. Somit ist die resultierende Spannung stets geringer als die angelegte Spannung. Die Stromstärke im Spulenzweig ist stets geringer als 0,0 A, so dass die Lampe L schwächer als die Lampe L oder gar nicht leuchtet. B. S η S s IS IS U ern s S 0,95 5,0 MW S 4 MW S 0 kv ( ) W R I t W 0,0 Ω 0,3 ka 4 h Wern ern I 4 MW 0,3 ka 8, MWh

15 hysik Atom- und ernphysik Abschlussprüfung 009 Lösungsvorschlag Aufgabengruppe B B 3.. Lösung entsprechend dem Unterricht, z. B.: Die Nukleonenzahl nimmt um 3 ab. Anzahl der α-zerfälle: 3 : 4 8 Bei 8 α-zerfällen verringert sich die ernladungszahl um 6. Die ernladungszahl nimmt insgesamt um 0 ab. Anzahl der β-zerfälle: B 3.. Ionisierungsfähigkeit Abschirmbarkeit α-strahlung sehr groß Blatt apier β-strahlung sehr schwach 4-5 mm dickes Aluminiumblech B 3..3 igenschaften der α -Strahlung, z. B.: geringe Reichweite ablenkbar in magnetischen und elektrischen Querfeldern B U + n Cs + Rb + 3 n ( + γ ) B 3.3 A(t) t T A0 t 5,3 d log 0, 000 t 53 d A(t) t T log A0 B 3.4 Begründung entsprechend dem Unterricht, z. B. Die Halbwertszeit von U-38 ist mit T 9 4,5 0 a ca. sechsmal so groß wie die 8 Halbwertszeit von U-35 mit T 7, 0 a. rozentual zerfallen in der gleichen Zeit mehr U-35-erne als U-38-erne. Daher verschiebt sich das Verhältnis im Laufe der rdgeschichte immer mehr Gunsten von U-38, d. h. der Anteil von U-35 war früher größer.

16 hysik nergie Abschlussprüfung 009 Lösungsvorschlag Aufgabengruppe B B 4.. W W η A Nutz kwh kw m 3,0,7 0 h W 3 4,5 0 kwh 0,5 W A 8 m kwh B 4.. B 4..3 Gründe entsprechend dem Unterricht, z. B.: WNutz Die nergieversorgung durch Solarzellen ist abhängig von der Intensität der Sonneneinstrahlung (Wetter, Tageszeit, Jahreszeit), d. h. eine gleichmäßige nergieversorgung ist nicht gewährleistet. Der Spitzenbedarf an elektrischer nergie kann (auch bei maximaler Leistungsabgabe der Solarzellen) nicht immer vollständig abgedeckt werden. kj c m ϑ W Nutz 4,8 50 kg 3 C kg C W t W η W Nutz WNutz 4 MJ kw W 6,0 m, s W 3 MJ m 4 MJ η η 0,44 3 MJ B B 4.. B 4.. Gründe entsprechend dem Unterricht, z. B.: unerschöpflicher Vorrat CO -neutral Bauliche Maßnahme entsprechend dem Unterricht, z. B.: gute Wärmedämmung Wärmerückführung (durch kontrollierte Lüftung) kleine/keine enster auf der Nordseite