Sächsisches Staatsministerium für Kultus Schuljahr 2000/2001 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. Die für Berechnungen benötigten physikalischen Konstanten entnehmen Sie bitte dem Anhang. Insgesamt sind 60 Bewertungseinheiten (BE) erreichbar, davon im Teil A 25 BE, im Teil B 20 BE, im Teil C 15 BE. Erlaubte Hilfsmittel: 1 Wörterbuch der deutschen Rechtschreibung 1 grafikfähiger, programmierbarer Taschenrechner ohne Computer-Algebra- System (GTR) 1 Tabellen- und Formelsammlung ohne ausführliche Musterbeispiele (im Unterricht eingeführt) Zeichengeräte Sign. 56/1 (Phys-GK-ET/Ma) Seite 1 von 8
Prüfungsinhalt Teil A: Bearbeiten Sie die nachstehende Aufgabe. Aufgabe A: Mechanik / Elektrizitätslehre 1 Geradlinige, beschleunigte Bewegung von Körpern Ein Güterzug, bestehend aus einer elektrischen Lokomotive der Masse 120 t und zwei Güterwagen der Masse von jeweils 80 t, beschleunigt aus dem Stand auf die Geschwindigkeit 80 km h und fährt danach 100 s mit konstanter Geschwindigkeit. Die Fahrdrahtspannung beträgt 15 kv. Beim Anfahren werden folgende Messwerte ermittelt: s in m 0 20 40 60 80... t in s 0 11,5 16,1 20,2 23,0... 1.1 Der Beschreibung des Anfahrvorganges kann das Modell Massepunkt dienen. Begründen Sie. 1.2 Weisen Sie nach, dass die Beschleunigung annähernd konstant ist. Ermitteln Sie die Beschleunigung. Für 1.1 und 1.2 erreichbare BE-Anzahl: 5 1.3 Bestimmen Sie die zum Erreichen der Geschwindigkeit 80 km h erforderliche Zeit und den bis dahin zurückgelegten Weg. Ermitteln Sie die insgesamt gefahrene Strecke. Zeichnen Sie das v-t-diagramm für den gesamten Bewegungsvorgang. Erreichbare BE-Anzahl: 6 1.4 Berechnen Sie die Kraft, mit der während der Beschleunigungsphase der Zughaken der Lokomotive belastet wird. Erreichbare BE-Anzahl: 2 1.5 Berechnen Sie die unmittelbar vor dem Ende der Beschleunigungsphase vom Motor der Lokomotive aufzubringende Leistung sowie die im Stromabnehmer auftretende Stromstärke. Hinweis: Für die Momentanleistung gilt die Gleichung P = F v. Sign. 56/1 (Phys-GK-ET/Ma) Seite 2 von 8
2 Bewegung von Ladungsträgern in elektromagnetischen Feldern 2.1 Zwischen zwei entgegengesetzt geladenen Platten eines Plattenkondensators wird in der Nähe der positiv geladenen Platte ein positiv geladener Probekörper aus der Ruhelage freigegeben. Die Gewichtskraft des Probekörpers kann vernachlässigt werden. Beschreiben Sie dessen Bewegung bis zum erstmaligen Auftreffen auf eine Platte. Begründen Sie. 2.2 Bei einem α -Zerfall wird ein α -Teilchen bis auf die kinetische Energie,78 ev 4 beschleunigt. 2.2.1 Berechnen Sie aus der gegebenen kinetischen Energie die Geschwindigkeit des α -Teilchens. Erreichbare BE-Anzahl: 2 2.2.2 α -Teilchen treten mit der Geschwindigkeit v 0 jeweils senkrecht zur Richtung der Feldlinien in ein elektrisches Feld bzw. in ein magnetisches Feld ein. Beide Felder sind homogen und zeitlich konstant. Nennen Sie jeweils die Form der Teilchenbahn. Geben Sie qualitativ die jeweilige Änderung des Betrages der Bahngeschwindigkeit an. Erreichbare BE-Anzahl: 4 Teil B: Bearbeiten Sie die nachstehende Aufgabe. Aufgabe B: Atomphysik / Thermodynamik 1 Die Physiker James Franck und Gustav Hertz führten 1913 einen Versuch mit dem folgenden grundsätzlichen Aufbau durch: U H ~ Hg-Dampf V - + U B + - U G A Sign. 56/1 (Phys-GK-ET/Ma) Seite 3 von 8
1.1 Beschreiben Sie anhand des Schaltplans die Durchführung des Versuchs. 1.2 Stellen Sie das Ergebnis des Versuchs qualitativ in einem I U B Diagramm dar und begründen Sie den Verlauf des Graphen. Für 1.1 und 1.2 erreichbare BE-Anzahl: 6 1.3 Nachdem auf die Quecksilberatome die Energie 4,9 ev übertragen wurde, wird Licht emittiert. Berechnen Sie die Wellenlänge des Lichts. Ordnen Sie dieses Licht dem elektromagnetischen Spektrum zu. 2 Thermodynamik 2.1 Erläutern Sie das Funktionsprinzip einer Wärmekraftmaschine. 2.2 Vergleichen Sie die Wärmen, die notwendig sind, um ein und dieselbe Gasmenge bei gleichen Anfangsbedingungen isochor bzw. isobar auf die gleiche Endtemperatur zu erwärmen. Begründen Sie Ihre Aussagen mit dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik. Erreichbare BE-Anzahl: 2 2.3 In einem Zylinder, der durch einen Kolben abgeschlossen wird, befindet sich Gas des Volumens 1,00 l, des Drucks 1,01. 10 5 Pa und der Temperatur 80,0 C (Zustand A). Das Gas kann als ideales Gas aufgefasst werden. Das Gas durchläuft folgenden Kreisprozess: - isochore Erwärmung auf den dreifachen Druck (Zustand B), - isotherme Expansion auf das vierfache Volumen (Zustand C), - isochore Abkühlung auf die Ausgangstemperatur (Zustand D), - isotherme Kompression bis zum Ausgangszustand (Zustand A). Geben Sie die Größen Volumen, Druck und Temperatur für die Zustände A, B, C und D an. Stellen Sie den Prozess in einem p-v-diagramm dar und kennzeichnen Sie die vom System verrichtete Nutzarbeit für einen vollständigen Kreislauf. Erreichbare BE-Anzahl: 6 Sign. 56/1 (Phys-GK-ET/Ma) Seite 4 von 8
Teil C: Wählen Sie eine der nachstehenden Aufgaben aus und bearbeiten Sie diese. Aufgabe C 1: Mechanik Bestimmen Sie experimentell den Anteil der übertragenen kinetischen Energie bei einem Stoßprozess. Der Pendelkörper eines bifilaren Fadenpendels wird ausgelenkt und stößt beim Erreichen der Gleichgewichtslage zentral auf einen auf einer horizontalen Unterlage liegenden Holzquader. Pendelkörper und Holzquader werden Ihnen übergeben. Planen Sie das Experiment gemäß der Aufgabenstellung und fordern Sie beim Aufsicht führenden Lehrer weitere Geräte und Hilfsmittel an. 1 Bestimmen Sie jeweils die Masse des Holzquaders und des Pendelkörpers. 2 Die Länge des Fadenpendels soll 40 cm betragen. Lenken Sie den Pendelkörper um die Höhe 8,0 cm aus. Messen Sie die Strecke, um die der Holzquader durch den Aufprall des Pendelkörpers verschoben wird. Führen Sie das Experiment fünfmal durch. Für 1 und 2 erreichbare BE-Anzahl: 6 3 Bestimmen Sie als nächstes die am Holzquader angreifende Gleitreibungskraft, indem Sie den Holzquader gleichförmig mit einem Federkraftmesser über die Unterlage ziehen. Erreichbare BE-Anzahl: 1 4 Berechnen Sie unter Verwendung der Messergebnisse aus den Teilaufgaben 2 und 3 die am Holzquader verrichtete Verschiebungsarbeit. Geben Sie die kinetische Energie des Holzquaders unmittelbar nach dem Stoß an. Sign. 56/1 (Phys-GK-ET/Ma) Seite 5 von 8
5 Berechnen Sie die kinetische Energie, die der Pendelkörper unmittelbar vor dem Stoß hat, und geben Sie den prozentualen Anteil der übertragenen kinetischen Energie an. Erreichbare BE-Anzahl: 4 6 Führen Sie eine Fehlerbetrachtung durch (Beurteilen der Genauigkeit der Messwerte und der Ergebnisse). Erreichbare BE-Anzahl: 1 Aufgabe C 2: Elektrizitätslehre Bestimmen Sie experimentell die Kapazität eines Kondensators, indem Sie die Stromstärke im Entladestromkreis zu verschiedenen Zeitpunkten messen. Der Widerstand des ohmschen Bauelements wird Ihnen vom Aufsicht führenden Lehrer mitgeteilt. Schaltskizze: Planen Sie das Experiment gemäß Aufgabenstellung und fordern Sie beim Aufsicht führenden Lehrer die notwendigen Geräte und Hilfsmittel an. 1 Bauen Sie die Schaltung gemäß der gegebenen Schaltskizze auf. Laden Sie den Kondensator an der Gleichspannungsquelle auf und messen Sie die Ladespannung. 2 Führen Sie zunächst eine Probeentladung des Kondensators durch. Ermitteln Sie dann experimentell mindestens 10 Messwertpaare. 3 Zeichnen Sie das I t Diagramm. Für 1 und 2 erreichbare BE-Anzahl: 7 Sign. 56/1 (Phys-GK-ET/Ma) Seite 6 von 8
4 Die Fläche zwischen Entladekurve und Zeitachse ist ein Maß für die gespeicherte Ladung. Ermitteln Sie damit die Ladung des Kondensators. Berechnen Sie aus dieser die Kapazität des Kondensators. Erreichbare BE-Anzahl: 4 5 Führen Sie eine Fehlerbetrachtung durch (Beurteilen der Genauigkeit der Messwerte und Ergebnisse). Erreichbare BE-Anzahl: 1 Sign. 56/1 (Phys-GK-ET/Ma) Seite 7 von 8
Anhang Ausgewählte physikalische Konstanten Normal-Fallbeschleunigung auf der Erde g = 981, m s 2 1 1 Volumenausdehnungskoeffizient für das γ = ideale Gas 273,15 BOLTZMANN-Konstante k = 1381, 10 23 J K 1 Universelle Gaskonstante R u = 8, 314 5 J K mol K 1 1 Spezifische Gaskonstante von Argon R Ar = 208 J kg K Spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck für Argon Spezifische Wärmekapazität bei konstantem Volumen für Argon c c p V = 0,520 kj kg K = 0,312 kj kg K Elementarladung e = 1602, 2 10 19 C Elektrische Feldkonstante ε O = 8, 854 19 10 12 A s V m 1 1 Magnetische Feldkonstante µ O = 1256, 64 10 1 V s A m Lichtgeschwindigkeit im Vakuum c = 2, 997 92 10 m s 1 PLANCK sches Wirkungsquantum h = 6, 626 10 J s RYDBERG-Frequenz R y = 3, 288 10 s Atomare Masseeinheit u = 166054, 10 kg Ruhemasse des Elektrons m e = 910939, 10 kg Ruhemasse des α-teilchens m α = 6,64473 10-27 kg Sign. 56/1 (Phys-GK-ET/Ma) Seite 8 von 8