Sächsisches Staatsministerium für Kultus Schuljahr 2006/2007 Geltungsbereich: - Allgemein bildendes Gymnasium - Abendgymnasium und Kolleg - Schulfremde Prüfungsteilnehmer Schriftliche Abiturprüfung Grundkursfach 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 210 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 ohne Computer-Algebra-System - Tabellen- und Formelsammlung ohne ausführliche Musterbeispiele - Zeichengeräte Signatur 56/1 (Phys-GK-ET/Ma) Seite 1 von 7
Prüfungsinhalt Teil A: Bearbeiten Sie die nachstehende Aufgabe. Aufgabe A: Mechanik / Elektrizitätslehre 1 Kräfte und mechanische Arbeit In einem Hafen ziehen zwei Schlepper A und B einen Schwimmkran mit der -1 konstanten Geschwindigkeit 5,0 km h geradlinig 800 m weit. Schlepper A zieht mit der Kraft 13,7 MN, wobei seine Zugrichtung und die Bewegungsrichtung des Schwimmkrans den Winkel 30 einschließen; Schlepper B zieht mit der Kraft 20,0 MN und dem entsprechenden Winkel 20. o o Schwimmkran Schlepper B Bewegungsrichtung Schlepper A 1.1 Zeichnen Sie ein maßstäbliches Kräfteparallelogramm. Bestimmen Sie daraus den Betrag der resultierenden Kraft, die den Schwimmkran in Bewegungsrichtung zieht. 1.2 Berechnen Sie die mechanische Arbeit, die beide Schlepper während des Schleppvorgangs insgesamt am Schwimmkran verrichten. 1.3 Geben Sie die mechanische Arbeit an, die Schlepper A am Schwimmkran verrichtet. Ermitteln Sie die mechanische Leistung und begründen Sie, dass die tatsächliche Motorleistung größer ist. Erreichbare BE-Anzahl: 4 1.4 Begründen Sie unter Nutzung eines Newton schen Gesetzes, dass sich der Schwimmkran trotz der zwei wirkenden Zugkräfte gleichförmig bewegt. Signatur 56/1 (Phys-GK-ET/Ma) Seite 2 von 7
2 Elektromagnetische Induktion Für die abgebildete Schaltung gilt: Die Spannungsquelle liefert die konstante Gleichspannung 12 V. Die Spule ist mit Luft gefüllt und zylinderförmig (Windungszahl 100, Länge 2 40 cm, Querschnittsfläche 79 cm, Ohm scher Widerstand des Spulendrahts 1,0 Ω ). Der Widerstand R des Ohm schen Bauelements ist kontinuierlich von 51Ω einstellbar. Der Widerstand der Verbindungsleitungen wird vernachlässigt. 0 Ω bis 2.1 Der Schalter S wird geschlossen. Der Widerstand R des Ohm schen Bauelements ist auf 51Ω eingestellt. Berechnen Sie die Stromstärke und geben Sie die über der Spule gemessene Spannung an. 2.2 Der Schalter S bleibt geschlossen. Der Widerstand R wird so von 51Ω auf 0 Ω verringert, dass die Stromstärke zeitlich linear wächst. Die Änderung dauert 2,0 s. 2.2.1 Begründen Sie mit Hilfe des Induktionsgesetzes, dass eine Selbstinduktionsspannung auftritt und dass diese während der Verringerung des Widerstands konstant bleibt. 2.2.2 Weisen Sie nach, dass die Selbstinduktionsspannung den Betrag 1,5 mv hat. 2.2.3 Nennen und begründen Sie eine Maßnahme zur Verringerung des Betrags der Selbstinduktionsspannung. 2.3 In den Innenraum der Spule wird bei R = 0 Ω und geschlossenem Schalter ein Eisenkern geschoben, infolgedessen sinkt die Stromstärke kurzzeitig. Erklären Sie. 2.4 Der Eisenkern wird wieder entnommen. Bei geschlossenem Schalter herrscht im Inneren der Spule ein homogenes magnetisches Feld. Geladene Teilchen können sich darin längs der Spulenachse geradlinig bewegen. Begründen Sie. Signatur 56/1 (Phys-GK-ET/Ma) Seite 3 von 7
Teil B: Bearbeiten Sie die nachstehende Aufgabe. Aufgabe B: Quantenoptik / Kernphysik 1 Im Jahr 1913 führten James Franck und Gustav Hertz ein Experiment zur Untersuchung von Absorptionsprozessen an Quecksilberatomen durch. In diesem Experiment wurden Elektronen in einer mit Quecksilberdampf gefüllten Röhre beschleunigt und bei verschiedenen Spannungen die Stromstärke gemessen. 1.1 Fertigen Sie eine beschriftete Schaltskizze an. 1.2 Die Messergebnisse sind im folgenden Diagramm dargestellt. I U = 4,9 V U = 4,9 V U Warum entstehen lokale Maxima? Begründen Sie, dass die Funktion I(U) mehrere Maxima besitzt. Erklären Sie, dass die Differenz U konstant ist. 1.3 Berechnen Sie die Geschwindigkeit, die ein Elektron mindestens haben muss, um ein Quecksilberatom durch Stoß anzuregen. 1.4 Die Quecksilberatome emittieren ultraviolette Strahlung. Berechnen Sie deren Wellenlänge und Frequenz. Signatur 56/1 (Phys-GK-ET/Ma) Seite 4 von 7
2 Kernumwandlungen des radioaktiven Isotops U-235 2.1 Bei Kernumwandlungen wird radioaktive Strahlung ausgesandt. Skizzieren Sie den Aufbau und erläutern Sie die Funktionsweise eines Nachweisgeräts für radioaktive Strahlung. 2.2 Ein U-235-Kern zerfällt unter Emission eines α-teilchens. Stellen Sie die Zerfallsgleichung auf. 2.3 Ein U-235 Kern kann durch ein Neutron gespalten werden. Dabei entstehen Neutronen sowie Ba-144 und Kr-89 Kerne. Berechnen Sie die frei werdende Energie. 27 Massen: m = 1,6749286 10 m m m Neutron Uran-235 Barium-144 Krypton-89 = 3,9021609 10 25 = 2,3893837 10 = 1,4760037 10 25 25 2.4 Bei der technischen Anwendung der Kernspaltung in Kraftwerken hat der Strahlenschutz Priorität. Nennen Sie zwei Maßnahmen des Strahlenschutzes und begründen Sie deren Zweckmäßigkeit unter Berücksichtigung der Eigenschaften radioaktiver Strahlung. Signatur 56/1 (Phys-GK-ET/Ma) Seite 5 von 7
Teil C: Wählen Sie eine der nachstehenden Aufgaben aus und bearbeiten Sie diese. Aufgabe C 1: Mechanik Führen Sie Messungen und Berechnungen an einem vertikalen Federschwinger und einem Fadenpendel aus. Planen Sie die Experimente gemäß den folgenden Aufgabenstellungen und fordern Sie beim Aufsicht führenden Lehrer die erforderlichen Geräte und Hilfsmittel an. 1 Bauen Sie einen Federschwinger auf, messen Sie für drei unterschiedliche Massen die Längenänderung der Feder. Ermitteln Sie daraus die Federkonstante D. Erreichbare BE-Anzahl: 5 2 Untersuchen Sie die Abhängigkeit der Periodendauer T des Federschwingers von der Masse m des angehängten Körpers. 2.1 Messen Sie für fünf unterschiedliche Massen m jeweils die Periodendauer T. 2.2 Zeichnen Sie unter Nutzung der Messwertpaare das T(m)-Diagramm. b Es gilt: T ( m) = a m. Geben Sie die Parameter a und b an. π Weisen Sie rechnerisch nach, dass näherungsweise gilt: a = 2. D 2.3 Ermitteln Sie - ohne zusätzlich zu experimentieren - die Masse, die ein an die Feder angehängter Körper haben muss, damit die Periodendauer 2 s beträgt. 3 Ein Fadenpendel schwingt mit der Periodendauer 2,00 s. 3.1 Berechnen Sie dessen Pendellänge. 3.2 Die Pendellänge wird um 1,00 mm vergrößert. Erklären Sie, wie sich diese Längenzunahme auf die Periodendauer auswirkt. Berechnen Sie, um wie viel Prozent sich die Periodendauer ändert. Signatur 56/1 (Phys-GK-ET/Ma) Seite 6 von 7
Aufgabe C 2: Wellenoptik Führen Sie Messungen und Berechnungen an einem optischen Gitter durch. Planen Sie die Experimente gemäß den folgenden Aufgabenstellungen, fordern Sie beim Aufsicht führenden Lehrer die erforderlichen Geräte und Hilfsmittel an. 1 Erzeugen Sie mit Hilfe des optischen Gitters auf einem Schirm das Interferenzbild vom weißen Licht einer Glühlampe. Skizzieren Sie den Versuchsaufbau. Beschreiben Sie das entstandene Interferenzbild. Erreichbare BE-Anzahl: 5 2 Sie erhalten vom Aufsicht führenden Lehrer zwei Farbfilter (Farbfilter 1 und Farbfilter 2). 2.1 Erläutern Sie allgemein, wie mit Hilfe der in Aufgabe 1 entwickelten Versuchsanordnung bei bekannter Gitterkonstante des optischen Gitters die mittlere Wellenlänge des von einem Farbfilter hindurch gelassenen Lichts bestimmt werden kann. 2.2 Ermitteln Sie jeweils für Farbfilter 1 und 2 die mittlere Wellenlänge des hindurch gelassenen Lichts. Führen Sie dazu Messungen an den Maxima 1. und 2. Ordnung durch. Die Gitterkonstante des optischen Gitters wird Ihnen mitgeteilt. Erreichbare BE-Anzahl: 5 2.3 Begründen Sie, dass die Abstände zwischen den Maxima 1. Ordnung für beide Filter verschieden groß sind. 2.4 Berechnen Sie die Ordnung n so, dass der Abstand der Maxima n-ter Ordnung für Farbfilter 1 etwa genau so groß ist wie der Abstand der Maxima (n+1)-ter Ordnung für Farbfilter 2. Signatur 56/1 (Phys-GK-ET/Ma) Seite 7 von 7