KULTUSMINISTERIUM DES LANDES SACHSEN-ANHALT. Schriftliche Abiturprüfung Physik (Grundkurs)

Transkript

1 Schriftliche Abiturprüfüng 1996 KULTUSMINISTERIUM DES LANDES SACHSEN-ANHALT Schriftliche Abiturprüfung 1996 Physik (Grundkurs) Arbeitszeit: 210 Minuten Thema I: Naturkonstanten Thema II; Bewegungen und Felder Thema III: Erhaltungssätze und Hauptsätze

2 Schriftliche AbiturprüfungJ996 Prüfungsaufgabe 1 Thema: Naturkonstanten 1 Elemsntartadung e Die folgende Darstellung zeigt Meßergebnisse des MILLIKAN-Versuchs nach der Schwebemethode. Es wurden 40 Messungen nacheinander mit Öltröpfchen durchgeführt, deren Radien bereits gegeben waren. Q Tr in C Jh*. f 3 J r Nummer der Messung 10 Beschreiben Sie, wie und unter welchen Voraussetzungen die Meßergebnisse ermittelt wurden und aus diesen die Elementarladung e bestimmt werden kann. 2 Spezifische Schmelzwärme q s von Eis 2.1 Zur Bestimmung der spezifischen Schmelzwärme werden 100 g Eis von -10 C in ein Kalorimeter mit 400 ml Wasser von 90 C gegeben. Die anschließend gemessene Mischungstemperatur beträgt 57 C. Das Kalorimeter hat eine Wärmekapazität von 120. Die spezifische Wärme- K kapazität von Eis beträgt 2,1 _kj kg-k Stellen Sie die Energiebilanz auf, und berechnen Sie die spezifische Schmelzwärme von Eis Um die Blüten der Obstbäume im Frühjahr vor dem Erfrieren zu schützen, werden Sie bei Frostgefahr mit Wasser besprüht. Begründen Sie diese Maßnahme.

3 Schriftliche Abiturprüfüng 1996 Elektrische Feld konstante s 0 Zwei sehr kleine Kugeln mit gleicher Masse und mit gleicher Ladung hängen im Vakuum an zwei nichtleitenden Fäden und stoßen einander ab (siehe Skizze). 3.1 Skizzieren Sie das sich zwischen den beiden Kugeln in der gekennzeichneten horizontalen Ebene ergebende Feldlinienbild. As 3.2 Berechnen Sie die elektrische Feldkonstante e 0 in aus folgenden Werten: 14 Ladung jeder Kugel: Q = 8,93 10" 9 C Masse jeder Kugel: m = 10"4 kg Länge jedes Fadens: t - 10 cm Winkel zwischen den Fäden: a - 30

4 Schriftliche Abiturprüfung 1996_ 10 4 Fallbeschleunigung g An einem bestimmten Ort auf der Erdoberfläche soll experimentell die Fallbeschleunigung g bestimmt werden. 4.1 Zur Bestimmung der Fallbeschleunigung g wurde der nachfolgend beschriebene Versuch durchgeführt (s. Skizze): M cm q >tart z.icl [Daten: s = 1,5m M = 200g m = 10g Nach dem Start aus der Ruhelage führen der Wagen und der angehängte Körper eine gleichmäßig beschleunigte Bewegung aus. Zum vorgegebenen Weg s wurden wiederholt die zugehörigen Zeiten gemessen (s. Meßwerttabelle): M!Lsynjl!_L t in s 1 2,54 2,53 2,54 fcjüo Berechnen Sie den aus dem Experiment folgenden Wert der Fallbeschleunigung Beschreiben und erklären Sie eine weitere Methode zur experimentellen Bestimmung der Fallbeschleunigung g.

5 Schriftliche Abiturprüfung 1996 Prüfungsaufgabe 2 11 Thema: Bewegungen und Felder 1 Bewegung einer Kugel Eine Kugel führt vom Punkt A zum Punkt D aus der Ruhe heraus eine reibungsfreie Bewegung aus (s. Skizze). 1 ll 1 v \ B c ' "1 Ar rp Nennen Sie die Bewegungsarten, die die Kugel vom Punkt A bis zum Punkt D ausführt. Begründen Sie Ihre Entscheidungen. Berechnen Sie die Beträge der Geschwindigkeiten der Kugel im Punkt C und im Punkt D sowie die Bewegungsdauer der Kugel vom Punkt C zum Punkt D, wenn die Höhe hi = 0,90 m und die Höhe h 2 = 1,60 m beträgt. 2 Hinweis: Trägheitsmoment der Kugel J = -m-r 2 5 Leiten Sie die Gleichung für die Wurfparabel für die Bewegung der Kugel vom Punkt C nach D her, und berechnen Sie die Wurfweite XQ für die unter 1.1 angegebenen Werte. Bewegungen von geladenen Teilchen in Feldern Ein Elektron, ein Proton und ein Alphateilchen mit gleicher Anfangsgeschwindigkeit bewegen sich im Fall 1 senkrecht zur Feldstärke E in ein homogenes elektrisches Feld und im Fall 2 senkrecht zur magnetischen Flußdichte B in ein homogenes magnetisches Feld. Die folgenden Bilder zeigen die qualitativen und daher wesentlichen Unterschiede der Bewegungsbahnen. Fall 1 Fall 2

6 Schriftliche Abiturprüfüng 1996 B K 2.1 Ordnen Sie den abgebildeten Bahnen in beiden Fällen jeweils die entsprechenden geladenen Teilchen zu, und begründen Sie Ihre Entscheidungen. 2.2 Ein Proton wird mit einer Spannung von 200 V beschleunigt und bewegt sich anschließend senkrecht zu den Feldlinien in einem homogenen magnetischen Feld mit der magnetischen Flußdichte B = 5 mt. Berechnen Sie den Krümmungsradius der Protonenbahn. 2.3 Elektronen treten durch eine Öffnung in einer Kondensatorplatte parallel zu den Feldlinien in das homogene elektrische Feld eines Plattenkondensators ein (siehe Skizze). Elektronen Folgende v-t-diagramme beschreiben die Bewegungen der Elektronen in zwei Teilexperimenten: Teilexperiment 1 Teilexperiment 2 ^ y 16 Erläutern und begründen Sie die unterschiedlichen Bewegungen. Unter welchen Versuchsbedingungen treten sie auf?

7 Schriftliche Abiturprüfüng Induktionsvorgänge A(B-A) Interpretieren Sie das Induktionsgesetz U in<l = - N At und beschreiben Sie eine experimentelle Möglichkeit zum Nachweis von Selbstinduktionsspannungen. Begründen Sie hierbei mittels des Induktionsgesetzes, daß Selbstinduktionsspannungen auftreten. Von einer zylinderförmigen Spule mit Eisenkern sind folgende Daten bekannt: N = 1000 ( = 0,10 m r = 0,05 m,u r ei = 450 Das folgende l-t-diagramm stellt den zeitlichen Verlauf des Stromflusses durch die Spule dar. 15 Berechnen Sie die Induktivität der Spule und für die einzelnen Phasen des l-t-diagramms die zugehörigen Induktionsspannungen. Stellen Sie den Verlauf der Induktionsspannung in Abhängigkeit von der Zeit grafisch dar.

8 Schriftliche Abiturprüfüng 1996 Prüfungsaufgabe 3 Thema: Erhaltungssätze und Hauptsätze 1 Energieerhaltungssatz 1.1 Formulieren Sie den Satz von der Erhaltung der Energie in seiner allgemeinen Form, und erläutern Sie seine Bedeutung anhand eines Beispiels Eine Kugel mit einer Masse von 32 g wird mit einem Federschußgerät im ersten Fall 40 cm senkrecht nach oben geschossen. In einem zweiten Fall wird die Kugel mit demselben Betrag der Abschußgeschwindigkeit wie im ersten Fall waagerecht abgeschossen, wobei die Abschußhöhe 45 cm beträgt. Berechnen Sie für den Fall 1 den Betrag der Abschußgeschwindigkeit sowie für den Fall 2 den Betrag 6er Auftreffgeschwindigkeit. 2 Impulserhaltungssatz und Drehimpulserhaltungssatz 2.1 Formulieren Sie den Impulserhaltungssatz, und erklären Sie damit das Rückstoßprinzip an einem Beispiel. 2.2 Ein Fadenpendei der Masse m., ~ 0,1 kg und der Länge r=1m (Bild 1) wird um den Winkel a ausgelenkt und dann freigegeben. Im tiefsten Punkt seiner Bewegung stößt es gegen einen ruhenden Wagen der Masse m2 = 1,2 kg. Nach diesem Stoß bewegt sich der Wagen mit der Anfangsgeschwindigkeit U2 = 0,1 m-s- 1 nach rechts; und das Pendel mit der Anfangsgeschwindigkeit ui = - 0,2 m-s -1 nach links. Berechnen Si den Auslenkwinkel a des Pendels, und untersuchen Sie, ob es sich um einen elastischen oder um einen unelastischen Stoß handelt. Bilcl 1

9 Schriftliche Abiturprüfung Eine auf einem drehbaren Schemel in langsamer Rotation befindliche Versuchsperson zieht plötzlich die Arme mit Hanteln zur Körperachse hin an (Bild 2). beschreiben und bee die Veränderungen gründen Si der Bewegung. 18 raas; Si^r&j&tjZlitirt'+jtA' Bild 2 i,,/., iv-üj^a 3 I. Hauptsatz der Thermodynamik 3.1 Interpretieren Sie den I. Hauptsatz der Thermodynamik. 3.2 Das Arbeitsgas einer Wärmekraftmaschine führt nacheinander die folgenden Zustanclsänderungen aus, um wieder in den Ausgangszustand zu gelangen: 1 -> 2 : isotherm 2 -* 3 : isobar 3 -> 4 : isotherm 4 -* 1 : isochor ^-*-X T 14 Beschreiben Sie mit Hilfe des I. Hauptsatzes der Thermodynamik die Teilprozesse, und begründen Sie unter Nutzung der p-v-diagramme, ob im Gesamtprozeß Volumenarbeit zugeführt oder abgegeben wird. 4 II. Hauptsatz der Thermodynamik 4.1 Formulieren Sie den II. Hauptsatz der Thermodynamik, und eriäutem Sie seine Bedeutung für Wärmekraftmaschinen und für Wärmepumpen. 4.2 Berechnen Sie den thermischen Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine, bei der die Temperatur der Flammengase 950 C und die Temperatur des Kühlwassers 12 C betragen. Begründen Sie, warum der in der Praxis erreichte Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine kleiner ist als der thermische Wirkungsgrad.

10 Schriftliche Abiturprüfung Inhaltliche Erwartungen - Nur für die Lehrkräfte Prüfungsaufgabe 1 Thema: Naturkonstanten 10 1 Elementarladung e Versuchsaufbau, Durchführung mit den zu messenden Größen Auswertung: Gleichung, Deutung 2 Spezifische Schmelzwärme q s von Eis 2-1 m H20 c^o (S H20-3 M ) + K (» H2 _ - _ M ) = m Els c ^ (0 C - 9 Eis ) + m Eis q s + m Eis -CH 2 o-(ö M -0 C) 8 Ergebnis kj der kalorimetrischen Bestimmung: q s = Begründung mit Erstarrungswärme 3 Elektrische Feldkonstante s Feldlinienbild zwischen zwei gleich geladenen Punktladungen 3.2 F Q = m-g F G =9, N F el = F G tan 15 F el =2,63-10^ -- = sin15 X r = 0,052 m s 0 =, _ 4 TC r F 12 Berechneter Wert: s 0 = 8,92 10 ~ 12 Vm A n 4 Fallbeschleunigung g 2«; 4.1 (M + m ) = m-g t= 2,54 s r Ergebnis des Experimentes: g= 9,77 m-s 2 bei Benutzung von t 4.2 u. a. mit Messung von Fallwegen und Fallzeiten des Freien Falles oder mit der Periodendauer eines Fadenpendels (Versuchsaufbau, Durchführung, zu messende Größen, Gleichung).

11 Schriftliche Abiturprüfüng Inhaltliche Erwartungen - Nur für die Lehrkräfte Prüfungsaufgabe 2 Thema: Bewegungen und Felder 1.1 Abschnitt A-B: gleichmäßig beschleunigte Bewegung, da konstante Hangabtriebskraft wirkt Abschnitt B-C: gleichförmige Bewegung, da keine beschleunigende Kraft wirkt Abschnitt C-D: x-richtung gleichförmige Bewegung, da in x-richtung keine Kraft wirkt y-richtung gleichmäßig beschleunigte Bewegung, es wirkt die Kraft F = m g Aus dem Energieerhaltungssatz folgt: v c '-" Jyg-h, v c = 3,55 m s" 1 V D = yv c 2 +2g-h 2 v D = 6,63 m s' Fallzeit: 10 t = '2. 9 t = 0,57 s 1.2 Herleitung der Gleichung y = 2-v c 2 x_ = 2,03 m 2.1 Zuordnungen der Bahnen: Fall 1: Fall 2: 1 Elektron 2 - Alphateilchen 3 - Proton 1 - Proton 2 Alphateilchen 3 - Elektron Begründungen der Zuordnungen mit der Kraftwirkung der Felder, der Ladungsmenge und der Masse der Teilchen bei gleicher Anfangsgeschwindigkeit:

12 Schriftliche Abiturprüfung Inhaltliche Erwartungen - Nur für die Lehrkräfte 2.2 LLe = m - v 2 2eU v = Q 5 m-s -1 6 rn-v 2 r = B-e V m-v B-e r = 0,41m 2.3 Fall 1: Elektronen haben eine Anfangsgeschwindigkeit und führen eine gleichmäßig beschleunigte Bewegung aus, da sie durch die Kraftwirkung des elektrischen Feldes beschleunigt werden. Fall 2: Elektronen haben eine Anfangsgeschwindigkeit und führen eine gleichmäßig verzögerte Bewegung aus, da sie durch die Kraftwirkung des elektrischen Feldes (in entgegengesetzter Richtung) so stark gebremst werden, daß ihre Geschwindigkeit Null wird und die Elektronen ihre Bewegungsrichtung ändern. Versuchsbedingungen: Aussagen über Polarität der angelegten Spannung Induktionsgesetz Interpretieren des Induktionsgesetzes Beschreiben einer experimentellen Möglichkeit zur Erzeugung von Selbstinduktionsspannungen (Aufbau, Versuchsdurchführung) Begründung mit Induktionsgesetz 3.2 N 2 A L = 44,4 Vs A LL AI L At IL, = 88,8 V L U = OV U "ind III 44,4 V U,' v _ 0,01 TOT "Ö!Ö3 t/s

13 21 Schriftliche Abiturprüfun(n996 Prüfungsaufgabe 3 Inhaltliche Erwartungen - Nur für die Lehrkräfte Thema: Erhaltungssätze und Hauptsätze 1 Energieerhaltungssatz 1.1 Formulieren des Energiesatzes und Erläutern an einem Beispiel 1.2 nach oben: Ep 0lE = E; (jna v 0 = 2,8 m s" 1 waagerecht: E^nE = E pota + E kina v E = 4,08 m s" 1 2 Imputserhaltungssatz: 2.1 Formulieren des Impulserhaltungssatzes und Erklären des Rückstoßes an einem Beispiel 2.2 m 1 v 1 = m 1 < u, + m ; > u 2 v 1 = 1,0 m s~ 1 Ah =^~ = 0,051m cos a = -X_Ml a = 18,4 2g i E idna :r y ^v, = 0,050 J E^g = - m^, m 2 u 2 2 = 0,008 J 10 ^wne < E -kina Der Stoß ist unelastisch. 2.3 Beschreiben und Begründen mit dem Drehimpulserhaltungssatz 3 I. Hauptsatz der Thermodynamik 3.1 Interpretieren des I. Hauptsatzes »2 : isotherm 2->3 : isobar 3->4 : isotherm 4->1:isochor Q<0 Q>0 Q>0 Q<0 W v > 0 W v < 0 W v < 0 W v = 0 da Kompression da Expansion da Expansion 12 0 = Q + W v AU-Q + W V 0 = Q + W v AU = Q insgesamt gilt: W zu < W a _, Begründung 4 II. Hauptsatz der Thermodynamik 4.1 Formulieren des II. Hauptsatzes, Erläuterung der Bedeutung für Wärmekraftmaschinen und für Wärmepumpen (Notwendigkeit der äußeren Arbeit) 4.2 n t h :=: 0.77 Begründung, z.b. durch Reibungs- und Abstrahlungsverluste

14 Schriftliche Abrturpiüfurig