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Zentralabitur 2008
Physik
Aufgabe I
gA
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Bearbeitungszeit: 220 min
Thema: Schaltvorgänge
Im Mittelpunkt der ersten beiden Aufgaben stehen Ein- bzw. Ausschaltvorgänge bei Spule und
Kondensator. In der Aufgabe 3 wird die Erzeugung von sichtbarem Licht unter Verwendung von
Leuchtschirmen thematisiert und auf atomare Vorgänge im Zusammenhang mit einem
Farbstoffmolekül ausgeweitet.
Aufgabenstellung
Aufgabe 1
Abb.1 zeigt den Schaltplan von Experiment 1. S ist ein periodischer Schalter, mit dem die an die
Parallelschaltung angelegte Gleichspannung U0 periodisch ein- bzw. ausgeschaltet wird
(„Rechteckspannung“ in Abb. 2). Parallel zur Spule ist eine Gleichrichterdiode geschaltet. Sie ist
für den Einschaltvorgang in Sperrrichtung und für den Ausschaltvorgang in Durchlassrichtung
gepolt. Aufgrund ihrer Abmessungen kann die mit Luft gefüllte Spule als lange Spule betrachtet
werden.
1.1
Mithilfe eines Oszilloskops werden der zeitliche Verlauf der an die Parallelschaltung
angelegten Spannung U und der zeitliche Verlauf der Teilspannung UR am Widerstand R
aufgezeichnet. Das Ergebnis der Messung ist im Oszillogramm von Abb. 2 dargestellt.
Bestimmen Sie anhand von Abb. 2 die Größe U0 und die Zeit t, in der der Schalter jeweils
geschlossen ist.
Erläutern Sie, warum man bei diesem Experiment aus dem Verlauf von UR Aussagen über
die Stromstärke I in der Spule beim Ein- und Ausschaltvorgang gewinnen kann.
1.2
Beschreiben Sie den Verlauf der Spannung UR im Vergleich zur „Rechteckspannung“ in
Abb. 2.
Deuten Sie den Verlauf von UR qualitativ.
1.3
Tabelle 1 enthält Werte für UR in Abhängigkeit von der Zeit t nach Öffnen des Schalters S.
Stellen Sie die Messwerte aus Tabelle 1 graphisch dar.
Bestimmen Sie aus dem Graphen einen Wert für die Halbwertszeit tH.
1.4
Berechnen Sie die Induktivität L der Spule aus den Spulendaten.
RG ⋅ tH
.
ln 2
Dabei bezeichnet RG den gesamten ohmschen Widerstand im Stromkreis der Spule.
Bestätigen Sie mit den vorliegenden Daten den Zusammenhang: L =
Aufgabe 2
Bei der Verwendung von Kondensatoren in Gleichstromkreisen spielt das Zeitverhalten des
Auf- und Entladestroms eine wichtige Rolle.
2.1
Der Schalter S in der Schaltung nach Abb. 3 wird zunächst in Position 1, anschließend in
Position 2 bewegt. Der Innenwiderstand des Stromstärkemessgerätes kann vernachlässigt
werden.
Erläutern Sie die Vorgänge im Stromkreis für beide Schalterpositionen.
2.2
Zeichnen Sie das zu erwartende Zeit-Stromstärke-Diagramm für Schalterposition 2.
Erläutern Sie Ihr Vorgehen.
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2.3
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Berechnen Sie die im Feld gespeicherte Energie und die Ladungsmenge des vollständig
geladenen Kondensators aus Aufgabe 2.1.
Bestimmen Sie die Zeitdauer t, nach der die im elektrischen Feld des Kondensators aus
Aufgabe 2.2 gespeicherte Energie auf die Hälfte abgenommen hat.
Aufgabe 3
Bei einem Oszilloskop mit Braun´scher Röhre wird der Auftreffpunkt des Elektronenstrahls auf
einem Leuchtschirm sichtbar gemacht. Dazu wird der Schirm z. B. mit Zinksulfid beschichtet, das
mit Kupfer dotiert ist.
3.1
Auf einem mit Zinksulfid beschichteten Schirm wird ein Gitterspektrum einer
Quecksilberdampflampe abgebildet. Im kurzwelligen Teil des Spektrums leuchten
Spektrallinien auf, die ohne Beschichtung nicht zu erkennen sind.
Deuten Sie dieses Phänomen.
Stellen Sie die zu Grunde liegenden Vorgänge in einem Energieniveauschema qualitativ
dar.
3.2
In einer Braun´schen Röhre treffen Elektronen auf den Leuchtschirm auf. Dabei wird
gelb-grünliches Licht emittiert, das Photonen der Wellenlänge λ = 550 nm enthält. Durch
eine Vielzahl von Stoßprozessen in der Leuchtschicht erzeugen die Elektronen zunächst
zusätzliche freie Elektronen.
Vergleichen Sie die Anregung von Atomen durch Stöße mit Elektronen mit der Anregung
von Atomen durch Photonen.
Bestimmen Sie die Energie, die zur Erzeugung von Photonen der oben angegebenen
Wellenlänge mindestens erforderlich ist.
Tatsächlich besitzen die Elektronen beim Auftreffen auf dem Leuchtschirm eine kinetische
Energie von E = 200 eV, die Ionisierungsenergie von Zinksulfid beträgt etwa 6 eV.
Erläutern Sie, wie es unter diesen Voraussetzungen zur Emission von Photonen im oben
angegebenen Wellenlängenbereich kommen kann.
3.3
Ein organisches Farbstoffmolekül enthält eine Kette aus linear angeordneten C-Atomen.
Sechs Elektronen können sich entlang der Kette annähernd frei bewegen.
Ein solches Molekül kann vereinfacht mit dem Modell eines linearen Potenzialtopfes
beschrieben werden.
Da jedes Energieniveau nur von maximal zwei Elektronen besetzt werden kann, sind im
Grundzustand die ersten drei Energieniveaus voll besetzt. Diese Situation ist in Abb. 4 in
Form eines Energieniveauschemas dargestellt.
Zeigen Sie, dass eine Lösung dieses Farbstoffes Photonen mit der Wellenlänge
λ = 198,2 nm absorbieren kann.
Untersuchen Sie, ob das Auftreten von Fluoreszenz grundsätzlich möglich ist.
Hinweis: Sichtbarer Wellenlängenbereich: 400 nm – 750 nm
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Abb. 1: Schaltplan von Experiment 1
Spulendaten:
Widerstand:
Spulenwiderstand RS = 1150 Ω; Windungszahl n = 8000;
Länge l = 0,48 m; Querschnittsfläche A = 46,5 cm²
R = 100 Ω
Abb. 2: Kanal 2(Ch2): „Rechteckspannung“
Ch2: 5 V/div, 2,5 ms/div
Kanal 1(Ch1): Spannung UR
Ch1: 500 mV/div, 2,5 ms/div
Die angegebenen Einstellungen beziehen sich jeweils auf das durch punktierte Linien
markierte Gitternetz.
Die Markierungen am linken Bildrand zeigen jeweils die 0 V - Linie an.
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Tabelle 1: Messwerte zu Aufgabe 1
t in ms
0
0,3
0,5
0,7
1,0
1,2
1,5
UR in V
1,21
0,75
0,56
0,39
0,24
0,17
0,12
Abb. 3: Schaltplan zu Aufgabe 2
Abb. 4: Schematische Darstellung der Energieniveaus
Hilfsmittel
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Eine für das Abitur 2008 zugelassene physikalische Formelsammlung
Taschenrechner
Mathematische Formelsammlung
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