Schriftliche Abiturprüfung Leistungskursfach Physik

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1 Sächsisches Staatsministerium für Kultus Schuljahr 2008/2009 Geltungsbereich: - allgemeinbildendes Gymnasium - Abendgymnasium und Kolleg - schulfremde Prüfungsteilnehmer Schriftliche Abiturprüfung Leistungskursfach Physik - E R S T T E R M I N - Material für den Prüfungsteilnehmer Allgemeine Arbeitshinweise Ihre Arbeitszeit (einschließlich Zeit für Lesen und Auswählen von Aufgaben) beträgt 270 Minuten. Die Prüfungsarbeit besteht aus den zu bearbeitenden Teilen A, B und C. Insgesamt sind 60 Bewertungseinheiten (BE) erreichbar, davon im Teil A 25 BE, im Teil B 20 BE, im Teil C 15 BE. Erlaubte Hilfsmittel: - Wörterbuch der deutschen Rechtschreibung - grafikfähiger, programmierbarer Taschenrechner mit oder ohne Computer-Algebra-System - Tabellen- und Formelsammlung ohne ausführliche Musterbeispiele - Zeichengeräte Signatur 55/1 (Phys-LK-ET/Ma) Seite 1 von 8

2 Prüfungsinhalt Teil A Bearbeiten Sie die nachstehende Aufgabe. Aufgabe A: Mechanik / Geladene Teilchen in Feldern 1 Die Experimentierwagen 1 und 2 befinden sich auf einer Bahn, die aus zwei geneigten Ebenen und einem horizontalen Abschnitt besteht (Abbildung nicht maßstäblich). Es gilt: AB = BC = CD = 1,2 m, α = 15, β = 10. Die Masse des Wagens 2 ist doppelt so groß wie die des Wagens 1. Sie starten zu verschiedenen Zeitpunkten vom Punkt A bzw. D aus der Ruhe heraus, so dass Wagen 1 den Punkt B zum gleichen Zeitpunkt passiert wie Wagen 2 den Punkt C. Auf dem horizontalen Abschnitt stoßen beide Wagen gegeneinander. 1 2 A α B C β D 1.1 Berechnen Sie die Differenz der Startzeiten der zwei Wagen. 1.2 Ermitteln Sie den Ort, an dem die beiden Wagen gegeneinander stoßen. Erreichbare BE-Anzahl: Der Stoß erfolgt unelastisch. Geben Sie den Richtungssinn für die Bewegung nach dem Stoß an. Begründen Sie. 1.4 Es soll entweder der Winkel α oder der Winkel β so verändert werden, dass die gesamte kinetische Energie beim Zusammenstoß vollständig in thermische Energie umgewandelt wird. Alle anderen oben genannten Ausgangsbedingungen bleiben unverändert. Wählen Sie eine Möglichkeit und berechnen Sie den zugehörigen Winkel. Signatur 55/1 (Phys-LK-ET/Ma) Seite 2 von 8

3 2 Magnetisches Feld Protonen treten mit der Ge- 6 1 schwindigkeit v 0 = 2,0 10 m s senkrecht zur Feldrichtung in ein homogenes Magnetfeld der Stärke B = 0,25 T ein und unter dem Winkel α wieder aus (Abbildung nicht maßstäblich). 6,0 cm α 2.1 Die Protonen bewegen sich innerhalb des Magnetfelds auf einem Kreisbogen mit konstantem Betrag der Geschwindigkeit. Begründen Sie. Berechnen Sie den Radius des Kreisbogens. 2.2 Zeichnen Sie den Sachverhalt im Maßstab 1:1 und bestimmen Sie aus der Zeichnung den Winkel α. 3 Elektrisches und magnetisches Feld Beschreiben Sie unter Nutzung einer Skizze den Hall-Effekt und begründen Sie das Entstehen der konstanten Hall-Spannung. Erreichbare BE-Anzahl: 5 Signatur 55/1 (Phys-LK-ET/Ma) Seite 3 von 8

4 Teil B Bearbeiten Sie die nachstehende Aufgabe: Aufgabe B: Wellenoptik / Grundlagen der Quantenphysik 1 Auf einer dicken Glasplatte haftet ein planparalleler dünner Ölfilm. Auf den Ölfilm trifft, aus Luft kommend, ein Bündel weißen Glühlichts. Es kommt im reflektierten Lichtanteil zu Interferenzerscheinungen. 1.1 Erläutern Sie die Entstehung dieser Interferenzerscheinungen. 1.2 Intensität und Farbe des vom Ölfilm reflektierten Lichts sind von mehreren Größen abhängig. Nennen Sie zwei Größen und begründen jeweils Sie deren Wirkung. 2 Licht ist eine transversale Wellenerscheinung. Erläutern Sie einen experimentellen Nachweis. 3 Beim Franck-Hertz-Versuch wird die Abhängigkeit der Stromstärke I von der Beschleunigungsspannung untersucht. U B 3.1 Skizzieren Sie den Graphen von I ( U B ). 3.2 Erläutern Sie die zwei Arten von Stoßvorgängen, die beim Franck-Hertz- Versuch in der Röhre ablaufen und begründen Sie damit den Verlauf des Graphen von I. ( ) U B 4 Beschreiben Sie die quantenphysikalischen Vorgänge, die bei der Entstehung von Laserstrahlung bedeutsam sind. Nennen Sie eine Eigenschaft kohärenten Lichts. Signatur 55/1 (Phys-LK-ET/Ma) Seite 4 von 8

5 5 Elektronen werden durch die Spannung 1,0 kv beschleunigt und senkrecht auf einen Doppelspalt mit dem Spaltabstand 10 µ m gerichtet. Auf einem 1,0 m hinter dem Doppelspalt angeordneten Schirm (parallel zum Doppelspalt) beobachtet man Interferenzstreifen. Berechnen Sie die De-Broglie-Wellenlänge der Elektronen und den Abstand, der zwischen zwei benachbarten Interferenzstreifen beobachtet wird. Hinweis: Auch für Elektronen gilt die Gleichung k λ sin αk =. b Signatur 55/1 (Phys-LK-ET/Ma) Seite 5 von 8

6 Teil C: Wählen Sie genau eine der nachstehenden Aufgaben aus und bearbeiten Sie diese. Aufgabe C 1: Mechanik Führen Sie Messungen und Berechnungen zu Energieumwandlungen und zur mechanischen Arbeit durch. Die abgebildete Experimentieranordnung sowie alle weiteren zum Experimentieren notwendigen Hilfsmittel werden Ihnen vom Aufsicht führenden Lehrer übergeben. Gummifaden Holzquader Tischplatte 1.1 Bringen Sie den Holzquader zunächst an den Ort, an dem der Gummifaden gerade noch nicht gedehnt ist. Ziehen Sie den Holzquader mit der Hand nach rechts, so dass der Gummifaden um die Strecke gedehnt wird. Der Betrag der Strecke s 0 wird Ihnen vom Aufsicht führenden Lehrer mitgeteilt. Geben Sie den Quader frei und messen Sie den zurückgelegten Gleitweg s G. s 0 Hinweis: Mehrfachmessung und Mittelwertbildung 1.2 Entfernen Sie den Gummifaden. Ziehen Sie mit Hilfe eines Federkraftmessers den Holzquader gleichförmig über die Tischplatte und messen Sie die Gleitreibungskraft. Erreichbare BE-Anzahl: Berechnen Sie die Reibungsarbeit, die beim Zurücklegen des Gleitweges verrichtet wird. s G 2.1 Untersuchen Sie für den Gummifaden experimentell den Zusammenhang zwischen der Dehnungskraft F und dessen Dehnung l. Ermitteln Sie dazu sechs Messwertpaare für das Intervall 0 l s Zeichnen Sie den Graphen von F ( l). Untersuchen Sie, ob für den Gummifaden F ~ l gilt. Signatur 55/1 (Phys-LK-ET/Ma) Seite 6 von 8

7 2.3 Ermitteln Sie unter Verwendung der Wertepaare aus 2.1 die Spannarbeit, die zur Dehnung des Gummifadens um l = s0 notwendig ist. Hinweis: Der Inhalt der Fläche unter dem Graphen von mechanischen Arbeit. F(s) entspricht der verrichteten 3 Diskutieren Sie das Ergebnis des Vergleichs zwischen den von Ihnen bestimmten Beträgen für Reibungsarbeit und Spannarbeit. Signatur 55/1 (Phys-LK-ET/Ma) Seite 7 von 8

8 Aufgabe C 2: Kondensator Durch Entladung eines Kondensators über einem Ohm'schen Bauelement soll dessen Kapazität experimentell ermittelt werden. 1 Bauen Sie die Experimentieranordnung dem Schaltplan entsprechend auf. Fordern Sie beim Aufsicht führenden Lehrer die erforderlichen Geräte und Hilfsmittel an. V A Erfragen Sie die Ladespannung beim Aufsicht führenden Lehrer. Stellen Sie diese Spannung ein und laden Sie den Kondensator. 2 Nehmen Sie I(t) Messwertpaare für die Entladung auf. Öffnen Sie dazu den Schalter. Der Kondensator soll beginnend zum Zeitpunkt t = 0 solange entladen werden, bis die Stärke des Entladestroms zum Zeitpunkt t H auf die Hälfte der Anfangsstromstärke gesunken ist. Zeichnen Sie den Graphen von I 0 I(t) für das Zeitintervall 0 t t. H 3 Begründen Sie, dass der Kondensator zum Zeitpunkt t H zur Hälfte entladen ist. Bestimmen Sie unter Verwendung der Messergebnisse die Kapazität des Kondensators. Hinweis: Die bis zum Zeitpunkt t H abgeflossene Ladung entspricht dem Inhalt der Fläche unter dem Graphen von I(t), es gilt: I( t) dt = Q. th 0 H 4 Führen Sie eine Fehlerbetrachtung durch. Erreichbare BE-Anzahl: 1 5 Berechnen Sie die zum Zeitpunkt t = 0 im Kondensator gespeicherte elektrische Energie. Wie viel Prozent dieser Energie wurden bis zum Zeitpunkt t H umgewandelt? Begründen Sie. Signatur 55/1 (Phys-LK-ET/Ma) Seite 8 von 8