Abschlussprüfung 2009 ① ② ③

Prüfungsdauer:
120 Minuten
Abschlussprüfung 2009
an den Realschulen in Bayern
Physik
C 1.1.0
C 1.1.1
Elektrizitätslehre I
Aufgabengruppe C
I in A
In einem Experiment wird
die Stromstärke I in Abhängigkeit von der Spannung U
2,0
für einen Konstantandraht,
eine Bleistiftmine (Graphit)
und einen Eisendraht untersucht.
Es ergibt sich das nebenste- 1,0
hende Diagramm.
Ordnen Sie den drei Graphen
die entsprechenden Leiter zu.
Wie bezeichnet man solche
Graphen allgemein?
0
1,0
3,0
5,0
U in V
C 1.1.2
Welches der drei Materialien leitet bei einer Spannung von 4,0 V am besten?
Berechnen Sie für diesen Leiter den dazugehörigen Widerstandswert.
C 1.1.3
Was kann man über die Widerstandswerte der drei Leiter bei steigender Spannung aussagen?
C 1.1.4
Erklären Sie mit Hilfe des Teilchenmodells den Verlauf der Kennlinie von
Leiter .
C 1.2.0
Bei einer elektrischen Kochplatte können zwei Heizdrähte unterschiedlich geschaltet werden, um vier verschiedene Heizstufen einzustellen. Dabei können
entweder zwei oder drei Kontakte wie in den dargestellten Abbildungen geschaltet werden.
Schaltung Schaltung R1 = 80
R1 = 80
R2 = 150
R2 = 150
U = 230 V
U = 230 V
C 1.2.1
Berechnen Sie für die Schaltung den Wert des Gesamtwiderstands, die Gesamtstromstärke und die Gesamtleistung.
C 1.2.2
Zeichnen Sie die zwei anderen möglichen Schalterstellungen und .
C 1.2.3
Ordnen Sie die vier Heizstufen , , und nach ansteigender Leistung.
Prüfungsdauer:
120 Minuten
Abschlussprüfung 2009
an den Realschulen in Bayern
Physik
C 2.1.0
Elektrizitätslehre II
Aufgabengruppe C
Die elektromagnetische Induktion wurde von Michael Faraday 1831 entdeckt.
Gemäß der folgenden Versuchsskizze kann man sein Experiment nachvollziehen.
Oberhalb einer drehbaren Kompassnadel befindet sich ein gerades Leiterstück
[AB], das parallel zur Längsachse der Kompassnadel ausgerichtet ist.
B
+
S
A
C 2.1.1
Beim Schließen des Schalters S bewegt sich die Kompassnadel kurzfristig aus
ihrer Ruhelage heraus.
Begründen Sie diese Beobachtung.
C 2.1.2
Was kann man beobachten, wenn der Schalter geöffnet wird?
C 2.2.0
Der Generator eines Kraftwerks stellt eine elektrische Leistung von 450 MW zur
Verfügung. An der Sekundärseite des Transformators liegt eine Spannung von
380 kV an. Der Transformator hat einen Wirkungsgrad von 98,5%.
C 2.2.1
Zeichnen Sie eine Skizze für die Energieübertragung vom Kraftwerk bis zum
Endabnehmer der elektrischen Leistung.
C 2.2.2
Berechnen Sie die Stromstärke in der Fernleitung.
[Ergebnis: IFern = 1,17 kA]
C 2.2.3
Welchen Wert darf der elektrische Widerstand der Fernleitung maximal haben,
wenn die nicht nutzbare elektrische Leistung in der Fernleitung höchstens 2,5%
der Sekundärleistung des Transformators aus 2.2.0 betragen soll.
Prüfungsdauer:
120 Minuten
Abschlussprüfung 2009
an den Realschulen in Bayern
Physik
Atom- und Kernphysik
Aufgabengruppe C
C 3.1
Das Nördlinger Ries ist durch einen Meteoriteneinschlag entstanden. Dabei traten
so hohe Temperaturen auf, dass Gesteinsmassen geschmolzen sind. Beim Abkühlen bildeten sich Gesteine, die radioaktives Kalium-40 enthalten. Seit dem Einschlag hat sich der Anteil an Kalium-40 um 0,82% verringert. Die Halbwertszeit
von Kalium-40 beträgt 1, 28 ⋅ 109 a .
Berechnen Sie das Alter der Gesteinsprobe.
C 3.2.0
Bei der Spaltung von U-235 durch Aufnahme eines langsamen Neutrons kann das
Xenonisotop Xe-140 entstehen. Neben einem weiteren Spaltprodukt werden dabei
zwei Neutronen frei.
C 3.2.1
Formulieren Sie die Kernreaktionsgleichung für den Vorgang aus 3.2.0.
C 3.2.2
Xe-140 ist radioaktiv. Durch eine bestimmte Anzahl von gleichartigen Zerfällen
entsteht das stabile Isotop Ce-140 des Elements Cer.
Begründen Sie, um welche Art von Zerfall es sich hierbei handelt und berechnen
Sie die Anzahl der Zerfälle.
C 3.3.0
In einem Experiment wird für das Iodisotop I-131 die Impulsrate in Abhängigkeit
von der Zeit gemessen. Der Nulleffekt beträgt 30 Impulse pro 60 s.
Es ergeben sich folgende Messwerte:
t in h
Impulsrate in
1
30 s
0
72
144
216
288
360
432
95
77
63
52
43
37
32
C 3.3.1
Erstellen Sie eine um den Nulleffekt korrigierte Tabelle.
C 3.3.2
Erstellen Sie ein Impulsrate-Zeit-Diagramm für 3.3.1 und entnehmen Sie dem
Diagramm die Halbwertszeit von I-131.
Prüfungsdauer:
120 Minuten
Abschlussprüfung 2009
an den Realschulen in Bayern
Physik
Energie
Aufgabengruppe C
C 4.1.0
In Südamerika befindet sich in Itaipu
das zweitgrößte Wasserkraftwerk der
Erde. 2007 wurden die letzten beiden
der insgesamt 20 Turbinen in Betrieb
genommen. Pro Jahr stellt dieses Kraftwerk jetzt durchschnittlich 91 ⋅ 109 kWh
elektrische Energie zur Verfügung.
C 4.1.1
Pro Sekunde fließen durchschnittlich
525 m3 Wasser durch eine der Turbinen.
Der Wirkungsgrad beträgt 89%.
Berechnen Sie die Fallhöhe des Wassers.
C 4.1.2
Geben Sie zwei Gründe an, warum die
vom Kraftwerk zur Verfügung gestellte
elektrische Leistung schwankt.
C 4.1.3
Die mittlere Leistungsabgabe eines Gasturbinenkraftwerks beträgt 330 MW.
Berechnen Sie die Anzahl der Gasturbinenkraftwerke, die dieselbe Leistung wie
das Wasserkraftwerk von Itaipu zur Verfügung stellen können.
C 4.2
Das nachfolgende Diagramm zeigt den Energiebedarf eines durchschnittlichen
Haushalts in Deutschland.
Heizung: 49%
Warmwasser: 8%
Auto: 34%
Sonstiges: 2%
Küche: 6%
(Kochen, Geschirrspülmaschine, Kühlschrank, ...)
Licht: 1%
Entnehmen Sie dem Diagramm zwei Bereiche, in denen der Energiebedarf deutlich gesenkt werden kann. Geben Sie dafür jeweils zwei Maßnahmen an.
Abschlussprüfung 2009
Physik
an den Realschulen in Bayern
Elektrizitätslehre I
C 1.1.1
Aufgabengruppe C
Lösungsvorschlag
Bleistiftmine (Graphit)
Eisendraht
Konstantandraht
F
E
Diese Graphen werden Leiterkennlinien genannt.
C 1.1.2
Eisen leitet bei einer Spannung von 4,0 V am besten.
U
4,0 V
R=
R Eisen =
I
1,1 A
Ablesungsbedingte Abweichungen sind zugelassen.
R Eisen = 3,6 Ω
F
E
C 1.1.3
Mit steigender Spannung wird der elektrische Widerstand bei
• Leiter 1 kleiner,
• Leiter 2 größer.
• Der elektrische Widerstand bleibt bei Leiter 3 gleich.
F
E
C 1.1.4
Erklärung entsprechend dem Unterricht, z. B.:
F
K
•
•
•
•
•
C 1.2.1
Mit zunehmender elektrischer Spannung werden die freien Elektronen des metallischen Leiters im elektrischen Feld stärker beschleunigt.
Bei ihren Wechselwirkungen mit den ortsfesten Atomrümpfen geben die Leitungselektronen daher eine größere Energie ab.
Die Atomrümpfe schwingen dadurch stärker.
Die Wechselwirkungen zwischen den freien Elektronen und den ortsfesten Atomrümpfen werden dadurch noch zahlreicher und stärker.
Somit wird die Driftbewegung der freien Elektronen stärker gehemmt.
1
1
1
=
+
R ges R1 R 2
Iges =
1
1
1
=
+
R ges 80 Ω 150 Ω
U
R ges
Iges =
Pges = U ⋅ Iges
C 1.2.2
C 1.2.3
R ges = 52 Ω
230 V
52 Ω
Iges = 4, 4 A
Pges = 230 V ⋅ 4, 4 A
Schaltung F
E
Pges = 1,0 kW
Schaltung R1 = 80
R1 = 80
R2 = 150
R2 = 150
U = 230 V
U = 230 V
Reihenfolge: → → → (Falls in 1.2.2 die Schaltungen und umgekehrt zugeordnet worden sind, so ist dies bei
der Korrektur entsprechend zu berücksichtigen.)
F
K
F
E
Abschlussprüfung 2009
Physik
an den Realschulen in Bayern
Elektrizitätslehre II
C 2.1.1
Aufgabengruppe C
Lösungsvorschlag
Begründung entsprechend dem Unterricht, z. B.:
•
•
•
•
•
F
K
Nach dem Schließen des Schalters steigt die Stromstärke in der linken Spule bis zum
Höchstwert an.
In der linken Spule wird ein Magnetfeld aufgebaut.
Dieses Magnetfeld durchsetzt den Eisenring und damit auch die rechte Spule.
Die Magnetfeldänderung hat in der rechten Spule eine Induktionsspannung zur Folge, die im geschlossenen Stromkreis (während des Aufbaus des Magnetfeldes) einen
Induktionsstrom hervorruft. Der Induktionsstrom erzeugt ein Magnetfeld.
Das resultierende Magnetfeld bewirkt eine kurzzeitige Auslenkung der Magnetnadel.
C 2.1.2
Die Magnetnadel wird kurzzeitig aus ihrer Position ausgelenkt. Die Drehrichtung ist entgegengesetzt zur Drehrichtung in 2.1.1.
F
C 2.2.1
Skizze entsprechend dem Unterricht, z. B.:
F
K
RFern
C 2.2.2
PS = η · Pp
I Fern =
C 2.2.3
PS
US
PS = 0,985 · 450 MW
PS = 443 MW
443 MW
380 kV
I Fern = 1,17 kA
I Fern =
Maximale, nicht nutzbare Leistung in der Fernleitung:
PFern = η · PS
PFern = 0,025 · 443 MW
P
11 MW
R Fern = Fern2
R Fern =
(1,17 kA)2
IFern
PFern = 11 MW
R Fern = 8, 0 Ω
F
E
F
E
Abschlussprüfung 2009
Physik
an den Realschulen in Bayern
Atom- und Kernphysik
C 3.1
Aufgabengruppe C
Lösungsvorschlag
Noch vorhandener Anteil an Kalium-40: 99,18%
t
T
 N(t) 
t = T ⋅ log 1 

N0 
2
1
N(t) = N 0 ⋅  
2
t = 1, 28 ⋅ 109 a ⋅ log 1
2
0,9918 ⋅ N 0
N0
F
E
t = 15, 2 ⋅ 106 a
C 3.2.1
235
1
140
94
1
U + n →
Xe +
Sr + 2 n (+ γ )
92
0
54
38
0
F
C 3.2.2
Begründung entsprechend dem Unterricht, z. B.:
F
K
•
•
C 3.3.1
Bei den Zerfällen ändert sich die Massenzahl nicht, also handelt sich um β-Zerfälle.
Anzahl der β-Zerfälle: 58 − 54 = 4
t in h
Impulsrate in
C 3.3.2
Impulsrate in
1
30 s
0
72
144
216
288
360
432
80
62
48
37
28
22
17
F
K
1
30 s
70
50
30
10
t in h
0
72
F
T
360
Aus dem Diagramm: T ≈ 190 h
(Zeichnungsbedingte Abweichungen sind zugelassen.)
Abschlussprüfung 2009
Physik
an den Realschulen in Bayern
Energie
Aufgabengruppe C
Lösungsvorschlag
C 4.1.1
Durchschnittlich vom Wasser jährlich zugeführte mechanische Arbeit:
Wnutz
Wzu, jährlich =
η
91 ⋅ 109
Wzu, jährlich =
kWh
Wzu, jährlich = 1,0 ⋅ 1011 kWh
0,89
Durchschnittlich vom Wasser pro Sekunde zugeführte mechanische Arbeit:
1,0 ⋅ 1011 ⋅ 3,6 ⋅ 106
Wzu, pro Sekunde =
J
Wzu, pro Sekunde = 1,1 ⋅ 1010 J
365 ⋅ 24 ⋅ 60 ⋅ 60
Fallhöhe:
1,1 ⋅ 1010 J
W
h = 11 ⋅ 101 m
h=
h=
N
m⋅g
20 ⋅ 525 ⋅ 103 kg ⋅ 9,81
kg
F
E
C 4.1.2
Lösung entsprechend dem Unterricht, z. B.:
F
K
•
•
C 4.1.3
C 4.2
schwankender Wasserstand
Wartung oder Reparatur der Anlage
Durchschnittliche Leistungsabgabe von Itaipu:
W
91 ⋅ 109 kWh
P = ab
P=
t
365 ⋅ 24 h
Anzahl n der Gasturbinenkraftwerke:
10 GW
n=
0,330 GW
Lösung entsprechend dem Unterricht, z. B.:
Auto:
• kurze Strecken zu Fuß/Fahrrad
• Fahrgemeinschaften bilden
• angepasste Fahrweise
Heizung:
• Modernisierung der Heizungsanlage
• Wohnräume nicht überheizen
• Nachtabsenkung
Warmwasser:
• Einsatz von Sonnenkollektoren
• Duschen statt Baden
• Reduzierung der Boilertemperatur
P = 10 GW
F
E
n = 30
F
K
B