Aufgaben

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Sächsisches Staatsministerium
für Kultus
Schuljahr 2007/08
Geltungsbereich:
- allgemeinbildendes Gymnasium
- Abendgymnasium und Kolleg
- schulfremde Prüfungsteilnehmer
Schriftliche Abiturprüfung
Grundkursfach Physik
-ERSTTERMIN 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-AlgebraSystem
Tabellen- und Formelsammlung ohne ausführliche Musterbeispiele
Zeichengeräte
Signatur 56/1 (Phys-GK-ET/Ma)
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Prüfungsinhalt
Teil A:
Bearbeiten Sie die nachstehende Aufgabe.
Aufgabe A:
Mechanik / Elektrizitätslehre
Waagerechter Wurf
1
1.1
In einer Metallbaufirma werden Bauteile innerhalb der Produktionslinien auf
unterschiedliche Art und Weise bewegt.
Ein Bauteil wird auf einem horizontalen Förderband bis zum Ort A (0; h1 ) transportiert und dort zum Zeitpunkt t1 waagerecht abgeworfen. Es trifft am Ort
B(x max ;0 ) auf dem Boden eines Behälters auf.
Reibungseffekte werden vernachlässigt.
x in m
0
0,20
0,40
0,60
0,80
xmax
y in m
h1
0,24
0,21
0,16
0,09
0
Ermitteln Sie eine Gleichung der Funktion y(x), welche die Wurfbahn des Bauteils beschreibt. (Auf die Angabe von Einheiten darf verzichtet werden.)
Erreichbare BE-Anzahl:
1.2
Geben Sie die Abwurfhöhe h1 und die Wurfweite x max an.
Ermitteln Sie die Abwurfgeschwindigkeit.
Erreichbare BE-Anzahl:
1.3
2
4
Ein zweites Bauteil wird zum Zeitpunkt t1 senkrecht über dem Ort B frei fallen
gelassen, so dass beide Bauteile gleichzeitig auf dem Boden des Behälters
auftreffen.
1.3.1 Geben Sie die notwendige Fallhöhe h2 an. Begründen Sie.
Erreichbare BE-Anzahl:
2
1.3.2 Vergleichen Sie die Beträge der Auftreffgeschwindigkeiten beider Bauteile.
Begründen Sie.
Erreichbare BE-Anzahl:
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3
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2
Zeitlich konstantes elektrisches Feld
2.1
Skizzieren Sie das Feldlinienbild für die Umgebung eines einzelnen Protons.
Nennen Sie zwei Eigenschaften dieses elektrischen Felds. Kennzeichnen Sie
in Ihrer Skizze zwei verschiedene Orte A und B, an denen die elektrische
Feldstärke betragsgleich ist. Tragen Sie für beide Orte jeweils den Vektor der
elektrischen Feldstärke ein.
Erreichbare BE-Anzahl:
2.2
4
Nach dem Bohr´schen Atommodell kann im Wasserstoffatom ein Elektron ein
Proton auf bestimmten Kreisbahnen umlaufen. Die Radien rn dieser Bahnen
lassen sich mit der Gleichung rn = n 2 ⋅ 5,29 ⋅ 10 −11 m (n ∈ N; n ≥ 1) berechnen.
Berechnen Sie den Betrag der Coulombkraft F1 , die auf ein Elektron wirkt, das
mit dem Radius r1 um das Proton kreist ( ε rel = 1 ).
Der Betrag der Coulombkraft Fn hängt vom jeweiligen Abstand rn zum Proton
ab. Ermitteln Sie das Verhältnis F1 zu F2 .
( F2 ist der Betrag der dem Radius r2 entsprechenden Coulombkraft.)
Erreichbare BE-Anzahl:
3
Zeitlich konstantes magnetisches Feld
3.1
Skizzieren Sie das Feldlinienbild für die Umgebung eines hufeisenförmigen
Dauermagneten. Kennzeichnen Sie die magnetischen Pole.
Erreichbare BE-Anzahl:
3.2
4
2
Zwischen den zwei einander gegenüberliegenden Innenflächen eines hufeisenförmigen Dauermagneten besteht ein homogenes Magnetfeld der magnetischen Flussdichte B .
Der Betrag der magnetischen Flussdichte soll experimentell, unter Nutzung eines stromdurchflossenen geraden Leiterstücks, bestimmt werden.
Erläutern Sie eine Möglichkeit (Experimentieranordnung, Messgrößen, Auswertung).
Erreichbare BE-Anzahl:
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4
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Teil B:
Bearbeiten Sie die nachstehende Aufgabe.
Aufgabe B: Wellenoptik / Thermodynamik
1
Unter Nutzung eines optischen Gitters der Gitterkonstante 8,00 ⋅ 10 −5 m soll in
einem Experiment ein Interferenzbild des Lichts einer Glühlampe erzeugt und
ausgemessen werden.
1.1
Beschreiben Sie eine mögliche Experimentieranordnung und erklären Sie deren Funktionsprinzip.
Erreichbare BE-Anzahl:
1.2
Begründen Sie, dass das helle Maximum 0. Ordnung weiß erscheint und die
hellen Maxima ab 1. Ordnung farbig sind.
Erreichbare BE-Anzahl:
1.3
3
Beträgt der Abstand zwischen Gitter und Schirm 65,0 cm , so liegen die beiden
roten Bereiche 1. Ordnung 12,5 mm voneinander entfernt. Berechnen Sie die
Wellenlänge dieses roten Lichtanteils.
Erreichbare BE-Anzahl:
2
Das Verhalten von Gasen kann mit dem Modell „Ideales Gas“ beschrieben
werden.
2.1
Nennen Sie zwei Annahmen dieses Modells.
Erreichbare BE-Anzahl:
2.2
4
2
1
In einer Wärmekraftmaschine wird Helium als Arbeitsgas genutzt. Es befindet
sich zunächst im Zustand A:
pA = 1,10 MPa; VA = 7,00 dm 3 ; TA = 285 K .
Das Gas durchläuft nacheinander folgende Zustandsänderungen:
AÆB isochore Erwärmung auf den doppelten Druck,
BÆC isotherme Expansion,
Zustand
B
C
p in MPa
2,20
1,93
1,71
1,54
1,40
1,28
1,18
1,10
V in dm³
7,00
8,00
9,00
10,0
11,0
12,0
13,0
14,0
CÆA isobare Kompression.
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2.2.1 Stellen Sie die drei Zustandsänderungen in ein und demselben
p(V)-Diagramm grafisch dar. Berechnen Sie die Masse des eingeschlossenen
Gases und geben Sie die Temperatur TB an.
spezifische Gaskonstante für Helium: RHelium = 2077 J ⋅ kg −1 ⋅ K −1
Erreichbare BE-Anzahl:
5
2.2.2 Bestätigen Sie unter Nutzung der Wertetabelle, dass die Zustandsänderung
B ÆC isotherm verläuft.
Erreichbare BE-Anzahl:
1
2.2.3 Ermitteln Sie für die Zustandsänderung BÆC den Betrag der verrichteten Arbeit.
Nennen Sie die andere Zustandsänderung, bei der mechanische Arbeit
verrichtet wird. Diese Arbeit wird entweder am Gas oder vom Gas verrichtet.
Entscheiden Sie.
Hinweis:
Der Inhalt der Fläche unter dem Graphen im p(V)-Diagramm ist ein Maß für
die verrichtete Arbeit.
Erreichbare BE-Anzahl:
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4
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Teil C:
Wählen Sie eine der nachstehenden Aufgaben aus und bearbeiten Sie diese.
Aufgabe C 1:
Elektrizitätslehre
Führen Sie unter Nutzung einer veränderbaren Wechselspannungsquelle Untersuchungen an einem Transformator durch.
Planen Sie das Experiment gemäß der folgenden Aufgabenstellung. Fordern Sie
beim Aufsicht führenden Lehrer die notwendigen Geräte und Hilfsmittel an.
1
Untersuchen Sie die Gültigkeit der Gleichung
U 1 N1
=
an einem TransformaU 2 N2
tor mit geschlossenem Eisenkern.
1.1
Messen Sie die Sekundärspannung U 2 für drei verschiedene Windungszahlen
N 2 . Stellen Sie die Abhängigkeit U 2 (N 2 ) grafisch dar.
Hinweise:
N1 bleibt konstant und ist beim Aufsicht führenden Lehrer zu erfragen.
Wählen Sie N 2 ≤ N1 und halten Sie U1 = 10 V konstant.
Erreichbare BE-Anzahl:
1.2
Zeichnen Sie in dasselbe Koordinatensystem von Teilaufgabe 1.1 zusätzlich
U
N
den Graphen U 2 (N 2 ) ein, der sich theoretisch aus der Gleichung 1 = 1 erU 2 N2
gibt. Beide Graphen verlaufen nicht identisch. Dies liegt nicht ausschließlich
an Messfehlern. Nennen Sie eine weitere Ursache.
Erreichbare BE-Anzahl:
1.3
5
3
Bauen Sie einen Transformator mit N1 = N 2 auf und legen Sie die Spannung
U1 = 10 V an. Schalten Sie im Sekundärstromkreis zusätzlich zum Spannungsmesser drei Ohm´sche Bauelemente jeweils parallel zur Sekundärspule
und messen Sie U 2 .
Entfernen Sie nacheinander je eines der Ohm´schen Bauelemente, bis nur
noch der Spannungsmesser parallel zur Sekundärspule geschaltet ist und
messen Sie jeweils U 2 .
Formulieren Sie eine Je-desto-Aussage für den Zusammenhang zwischen
dem Gesamtwiderstand R ges und der Sekundärspannung U 2 .
Hinweise:
U1 = 10 V ist während der Messungen konstant zu halten.
1
1
1
1
=
+
+
für die Parallelschaltung gilt:
.
R ges R1 R 2 R3
Erreichbare BE-Anzahl:
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3
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2
Eine weitere Möglichkeit U2 zu beeinflussen besteht darin, den I-Kern abzunehmen und die Eintauchtiefe des U-Kerns in den Spulen zu verändern.
U-Kern
Eintauchtiefe
Spulen
Bauen Sie einen Transformator auf, bei dem, wie in der Abbildung (Draufsicht)
dargestellt, die Eintauchtiefe des U-Kerns verändert werden kann. Wählen Sie
N1 = N 2 und U1 = 10 V . Messen Sie U2 für vier verschiedene Eintauchtiefen.
U
Ermitteln Sie die Eintauchtiefe, bei der U 2 = 1 beträgt.
4
Erreichbare BE-Anzahl:
Aufgabe C 2:
4
Mechanik
Führen Sie Untersuchungen an einem Fadenpendel durch.
Planen Sie das Experiment gemäß der folgenden Aufgabenstellung und fordern Sie
beim Aufsicht führenden Lehrer die notwendigen Geräte und Hilfsmittel an.
1
Untersuchen Sie die Abhängigkeit der Periodendauer T eines Fadenpendels
vom Auslenkwinkel α .
1.1
Ermitteln Sie fünf Messwertpaare ( α ,T). Beginnen Sie bei α = 5° und verändern Sie α in Schritten von 20°.
Zeichnen Sie den Graphen der Funktion T( α ).
Erreichbare BE-Anzahl:
1.2
1.3
5
Messen Sie die Pendellänge und berechnen Sie mit der Gleichung
A
die Periodendauer.
T = 2 ⋅π ⋅
g
Geben Sie an, bis zu welchem Auslenkwinkel α die prozentuale Abweichung
der experimentell ermittelten Periodendauer von der berechneten Periodendauer weniger als 5% beträgt.
Erreichbare BE-Anzahl:
3
Erreichbare BE-Anzahl:
1
Führen Sie eine Fehlerbetrachtung durch.
Signatur 56/1 (Phys-GK-ET/Ma)
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2
Untersuchen Sie den Einfluss einer Dämpfungsfläche auf die Schwingung eines Fadenpendels.
Die vollständig aufgebaute Experimentieranordnung wird Ihnen vom Aufsicht
führenden Lehrer übergeben.
Experimentieranordnung:
Dämpfungsfläche
2.1
Lassen Sie beide Pendelkörper nach gleicher Auslenkung gleichzeitig los.
Prüfen Sie, ob beide Pendel ihre Umkehrpunkte stets gleichzeitig erreichen.
Beobachten Sie dazu über mehrere Perioden.
Vergleichen Sie die Periodendauer des Pendels mit Dämpfungsfläche mit der
des Pendels ohne Dämpfungsfläche.
Erreichbare BE-Anzahl:
2.2
Skizzieren Sie in einem gemeinsamen Diagramm die Graphen y (t ) beider
Schwingungen für je zwei Perioden.
Erreichbare BE-Anzahl:
3
1
2
Eine Pendeluhr zeigt die Zeit bei der Pendellänge 1000,0 mm genau an. Die
Pendellänge vergrößert sich durch Temperaturänderung um 1,0 mm . Geht die
Uhr dadurch vor oder nach? Ermitteln Sie die Differenz, die sich nach
24 Stunden zwischen der genauen und der von der Uhr angezeigten Zeit ergibt.
Erreichbare BE-Anzahl:
Signatur 56/1 (Phys-GK-ET/Ma)
3
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