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Musterlösungen Schriftliche Abschlussprüfung Sachsen – Realschulbildungsgang ­ Physik 2005/2006 Schr iftliche Abschlusspr üfung Physik Realschulabschluss Schuljahr 2005/2006 Musterlösungen Bearbeitungsstand: 25.08.2006 Hinweise: 1. Die vorliegenden Lösungen sind Musterlösungen von Uwe Hempel, 16. Schule (Mittelschule) in Leipzig, und keine offiziellen Lösungen des Sächsischen Staatsministeriums für Kultus. Der Autor garantiert nicht für die Vollständigkeit und Richtigkeit der vorliegenden Lösungen. 2. Ein herzliches Dankeschön an Henri Schönbach und Herrn D. Splett, die diese Lösungen begutachteten und Veränderungen vorschlugen. 3. In Klammern stehende und kleiner gedruckte Lösungen betrachtet der Autor auch als möglich bzw. sind als Kommentar gedacht. 4. Wir freuen uns über jeden Hinweis zur Verbesserung dieser Musterlösungen. Bitte senden Sie eine Email an: schule@info­uh.de. 5. Updates der Lösungen finden Sie ab sofort unter http://www.physikpruefung.de.vu .
­ 1 ­ Musterlösungen Schriftliche Abschlussprüfung Sachsen – Realschulbildungsgang ­ Physik 2005/2006 Teil I Pflichtaufgaben Aufgabe 1 Mechanik 1.1 Der Wagen B fährt nach dem Anhalten des Wagens A auf diesen auf. 1.2 Bei diesem Vorgang wirkt das Trägheitsgesetz: Ein Körper verändert seinen Bewegungszustand nur dann, wenn eine Kraft auf ihn einwirkt. Auf Wagen B wirkte (außer der Reibungskraft) keine Kraft ein, deshalb behielt er seinen Bewegungszustand bei und fuhr damit auf Wagen A auf. 1.3 Ein Abschleppen sollte überhaupt nicht erfolgen, sondern das Fahrzeug sollte mit einem Transportfahrzeug, auf welches es aufgeladen wird, in die Werkstatt gebracht werden. Ist ein Abschleppen nicht zu vermeiden, sollte nur mit einer Abschleppstange abgeschleppt werden, um ein Auffahren auf das schleppende Fahrzeug zu verhindern. Aufgabe 2 Mechanische Schwingungen und Wellen 2.1 ges.: T geg.: f = 250 Hz Lösung: 1 T =
f 1 1 T =
=
250 Hz 250 s - 1
T = 0 , 004 s t1 = 0,008 s 2.2 Die Lautstärke wird geringer, die Frequenz ändert sich nicht. 2.3 Reflexion: Ein Beispiel für die Reflexion von Schallwellen ist das Echo in den Bergen. Ruft man in das Tal, wird der Schall an verschiedenen Bergen reflektiert und man hört den eigenen Ruf in unterschiedlichen Abständen (je nach Entfernung der reflektierenden Berge) wieder. Beugung: Bei der Beugung erreicht der Schall bei seiner Ausbreitung an Kanten auch Bereiche, welche eigentlich nicht in seiner Ausbreitungsrichtung liegen. So kann man, wenn man sich einer Häuserecke nähert, schon die Gespräche von Personen hören, welche sich von der anderen Seite der Häuserecke nähern, weil der Schall an der Ecke gebeugt wird und somit seine Richtung ändert.
­ 2 ­ Musterlösungen Schriftliche Abschlussprüfung Sachsen – Realschulbildungsgang ­ Physik 2005/2006 Aufgabe 3 Optik 3.1 ges.: b geg.: a = 20° c Luft = 299711 km/s c Flintglas = 186000 km/s Lösung:
sin a c1 = sin b c 2 sin 20 ° 299711 km / s =
sin b
186000 km / s sin b = 0 , 2122 b = 12 °
Der Brechungswinkel beträgt 12°. 3.2 / 3.3
­ 3 ­ Musterlösungen Schriftliche Abschlussprüfung Sachsen – Realschulbildungsgang ­ Physik 2005/2006 Aufgabe 4 Elektrizitätslehre 4.1 Diagramm: 4.2 Beim Ansteigen der Temperatur nimmt die Stromstärke zu. 4.3 Der elektrische Widerstand wird kleiner, da die Stromstärke zunimmt, während die Spannung gleich bleibt. Da sich der Widerstand als Quotient aus Spannung und Stromstärke berechnet, wird der Widerstand bei zunehmender Stromstärke kleiner. 4.4 Anwendungen von Halbleiter­Bauelementen sind ihr Einsatz in Netzteilen zum Gleichrichten von Wechselspannungen (Dioden) oder in Transistoren zur Verstärkung von zum Beispiel Schaltspannungen.
­ 4 ­ Musterlösungen Schriftliche Abschlussprüfung Sachsen – Realschulbildungsgang ­ Physik 2005/2006 Teilaufgabe II Wahlaufgaben Elektr izitätslehr e Aufgabe 5 5.1 Schülerexperiment Vorbereitung: Durchführung: 1. Messung: U = 2,9 V I = 121 mA 2. Messung: U = 1,6 V I = 114,8 mA Auswertung: Schaltung 1 (unverzweigt) R = Schaltung 2 (verzweigt)
U I R = 2 , 9 V 0 , 121 A R = 23 , 96 W
U I 1, 6 V 0 , 1148 A R = 13 , 9 W
R =
R =
Der Gesamtwiderstand im unverzweigten Stromkreis ist größer als der Widerstand im verzweigten Stromkreis Die Größe eines Einzelwiderstandes beträgt etwa 12 Ohm. Da sich der Gesamtwiderstand im unverzweigten Stromkreis aus der Summe der Einzelwiderstände ergibt und die Einzelwiderstände gleich groß sind, kann man den Wert des Einzelwiderstandes durch Halbierung des Gesamtwiderstandes im unverzweigten Stromkreis ermitteln. 5.2 Elektrizitätslehre im Haushalt 5.2.1 Die Geräte sind wie in einem verzweigten Stromkreis geschaltet. Im verzweigten Stromkreis ist die Spannung an allen Stellen gleich. Daher liegt an jedem Gerät die gleiche Spannung an. 5.2.2 Die Sicherung sorgt dafür, dass die Stromstärke im Stromkreis nicht den zulässigen Wert überschreitet, bei Überschreitung des Wertes unterbricht die Sicherung den Stromkreis. 5.2.3 Mit Hilfe eines Kilowattstundenzählers wird die elektrische Arbeit gemessen.
­ 5 ­ Musterlösungen Schriftliche Abschlussprüfung Sachsen – Realschulbildungsgang ­ Physik 2005/2006 5.2.4 Berechnung der benötigten Gesamtleistung für alle Geräte: Pgesamt = 850 W + 1000 W + 850 W + 1200 W Pgesamt = 3900 W Berechnung der zur Verfügung stehenden Gesamtleistung: P = U ∙ I P = 220 V ∙ 16 A P = 3520 W Da die benötigte Gesamtleistung größer ist als die zur Verfügung stehende, kann die Mikrowelle nicht gleichzeitig mit den anderen Geräten betrieben werden. 5.3 Transformator 5.3.1 Transformatorenstationen sind notwendig, um die zum Transport der Elektroenergie eingesetzten Hochspannung in die Spannung umzuwandeln, die in Haushalten und Industriegebieten benötigt werden. 5.3.2
­ 6 ­ Musterlösungen Schriftliche Abschlussprüfung Sachsen – Realschulbildungsgang ­ Physik 2005/2006 Aufgabe 6 6.1 Ther modynamik im Haushalt Geg.: Stoff: Wasser; c = 4,1868 kJ
kg × K V = 250 ml à m = 0,25 kg t = 75 s P = 2000 W
J1 = 18 °C
J2 = 100 °C 6.1.1 Ges.: Q Lösung: Q = c × m × DT kJ Q = 4, 1868 × 0 , 25 kg × ( 100 - 18 ) K kg × K Q = 85 , 83 kJ 6.1.2 Berechnung der benötigten elektrischen Arbeit: Wel = P ∙ t Wel = 2000 W ∙ 75 s Wel = 150000 Ws = 150000 J = 150 kJ Berechnung des Wirkungsgrades W abgegeben h =
W aufgenomme n h=
Q W el h=
85, 83 kJ 150 kJ h = 0 , 57 Der Wirkungsgrad des Wasserkochers beträgt etwa 57%. 6.2.1 Die Temperatur beträgt 85°C. 6.2.2 Nach 12 Minuten ist der Tee auf eine Temperatur von 60°C abgekühlt. 6.2.3 Man könnte das Glas in kaltes Wasser stellen. Durch die kältere Umgebung gibt der heiße Tee Wärme zusätzlich an das kalte Wasser ab (Von selbst geht Wärme stets vom Körper mit der höheren Temperatur auf den Körper mit der niedrigeren Temperatur über), sodass sich der Tee schneller abkühlt. 6.3.1 Je größer die Höhe, desto höher die Temperatur. Wenn die Temperatur von Luft steigt, verringert sich ihre Dichte. Die warme Luft steigt daher nach oben. 6.3.2 Flüssigkeitsthermometer: Flüssigkeitsthermometer bestehen aus einem Thermometergefäß, einem dünnen Anzeigeröhrchen und einer Skala. Als Thermometerflüssigkeit wird Quecksilber oder gefärbter Alkohol verwendet.
­ 7 ­ Musterlösungen Schriftliche Abschlussprüfung Sachsen – Realschulbildungsgang ­ Physik 2005/2006 Da sich das Volumen einer Flüssigkeit bei Erhöhung der Temperatur vergrößert und bei Verringerung der Temperatur verkleinert, ändert sich bei Temperaturänderung die Höhe der Flüssigkeitssäule im Anzeigeröhrchen. Die Temperatur kann an einer Skala abgelesen werden. oder: Bimetallthermometer: Ein Bimetallthermometer besteht aus einem spiralförmigen Bimetallstreifen, an dessen Ende sich ein Zeiger befindet, und einer Skala. Die Biegung des Bimetallstreifens ändert sich aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnung der beiden Metalle, aus denen er besteht, mit der Temperatur. 6.4.1 Die Temperatur im Zimmer wird niedriger, weil sich die warme Zimmerluft mit der kalten Luft aus dem Kühlschrank vermischt sowie Wärme der Zimmerluft auf die gekühlten Lebensmittel übergeht. 6.4.2 Die Zimmertemperatur steigt leicht an.
­ 8 ­ Musterlösungen Schriftliche Abschlussprüfung Sachsen – Realschulbildungsgang ­ Physik 2005/2006 Aufgabe 7 Ener gie, Umwelt, Mensch 7.1.1 Die Batterien sind in Reihe geschaltet. 7.1.2 ges.: I geg.: P = 10 kW = 10000 W U = 144 V Lösung: P = U × I P I =
U I =
10000 W 144 V I = 69 , 4 A Die Stromstärke bei maximaler Leistung des Motors beträgt 69,4 A. 7.1.3 7.1.4 Vorteil: Einsparung von Benzin, geringere Umweltbelastung Nachteil: Geringerer Stauraum und Mitnahmegewicht, da Batterie mitgeführt wird. 7.2.1 Aufbau Gemeinsamkeiten: Beide Motoren sind aus Kolben, Zylinder, Pleuelstange, Kurbelwelle, Einlass­ und Auslassventil aufgebaut. Unterschiede: Während beim Ottomotor ein Benzin­Luft­Gemisch angesaugt und mit der Zündkerze zur Explosion gebracht wird, erfolgt beim Dieselmotor das Einspritzen des Diesels in stark erhitzte Luft, wo dieses Luft­Diesel­Gemisch dann von selbst explodiert. Wirkungsweise Gemeinsamkeiten: Beide Motoren sind Viertaktmotoren mit den drei Takten: Ansaugen – Verdichten – Arbeitstakt – Ausstoßen
­ 9 ­ Musterlösungen Schriftliche Abschlussprüfung Sachsen – Realschulbildungsgang ­ Physik 2005/2006 Unterschiede: Beim Ottomotor wird ein Benzin­Luft­Gemisch angesaugt, beim Dieselmotor Luft. Im Ottomotor wird das verdichtete und erhitzte Gemisch mit dem Funken der Zündkerze zur Explosion gebracht, beim Dieselmotor entzündet sich das nach dem Einspritzen des Diesels vorhandene Gemisch von selbst. 7.2.2 Wert c) ist realistisch. Wert a) ist unmöglich, da der Wirkungsgrad maximal 100% betragen kann, ein Wirkungsgrad von 5% ist zu gering und die Verwendung von Dieselmotoren wäre wirtschaftlich nicht vertretbar. 7.3.1 ges.: Eel geg.: m = 1800 kg v = 60 km/h = 16,7 m/s
h = 90% Lösung: E el = E kin ×h E el =
m 2 × v 2 ×h
m s 1800 kg × ( 16 , 7 ) 2 × 0 , 9 E el =
2 E el = 225000 J = 225 kJ Es werden 225 kJ elektrische Energie gespeichert. 7.3.2 Ekin à Etherm 7.4.1 ges.: s geg.: t = 20s v = 120 km/h = 33,3 m/s Lösung: v v × t v a v 2 v × t s = ( ergibt sich aus a = und s = t 2 ® s = t t 2 =
t =
) 2 t 2 2 2 × t 2 m 33 , 3 × 20 s s s =
2 s = 333 m Der während der Beschleunigung zurückgelegte Weg beträgt 333 m. 7.4.2 ges.: s geg.: v = 120 km/h = 33,3 m/s t = 1 min = 60s Lösung:
­ 10 ­ Musterlösungen Schriftliche Abschlussprüfung Sachsen – Realschulbildungsgang ­ Physik 2005/2006 s = v × t m s = 33, 3 × 60 s s s = 2000 m Während der gleichförmigen Bewegung wird ein Weg von 2 km zurückgelegt 7.4.3 Diagramm c) beschreibt den Bewegungsablauf richtig.
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