Physik

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Ministerium für Bildung, Jugend und Sport
Zentrale schriftliche Abiturprüfung
2006
Physik
Grundkurs
Teil A (Wahl für Lehrkräfte)
Aufgabenstellung A1
für Prüflinge
Thema/Inhalt:
Thermodynamik
Hilfsmittel:
Nachschlagewerk zur Rechtschreibung der deutschen
Sprache, nicht programmierbarer und nicht grafikfähiger
Taschenrechner, an der Schule eingeführtes
Tafelwerk/Formelsammlung
Anordnung zur Bestimmung der Wärmekapazität eines
Probekörpers:
Probekörper,
Waage,
Thermometer,
Vorratsbehälter mit Wasser,
Rührstab,
Messzylinder,
Wärmequelle,
Kalorimetergefäß
Gesamtbearbeitungszeit:
3 Zeitstunden
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Physik
06_Ph_A_G_A1_1
Grundkurs
Land Brandenburg
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Aufgaben
1
Energiebilanzen
1.1
Einem 2 kg schweren Aluminium-Zylinder (Radius r = 15 cm) mit einer
Anfangstemperatur von 15 °C wird eine Wärme von 108 kJ zugeführt.
1.1.1
Berechnen Sie die Endtemperatur des Werkstücks.
Um wie viel Prozent nahm das Volumen des Werkstücks zu?
1.1.2
Stellen Sie den Vorgang des Erwärmens im ϑ(t)-Diagramm dar, wenn die
Wärmequelle eine Leistung von 500 W besitzt.
1.1.3
Die Wärme lässt sich auch, entsprechend der
Abbildung, durch Reibung zuführen. Es wird
davon ausgegangen, dass die gesamte Wärme
auf den Zylinder übergeht. Dazu wird der Zylinder
mit einer Kraft von 40 N auf die Unterlage
gedrückt und in Drehung versetzt, wobei die
Reibungszahl µ = 0,3 beträgt.
Wie viele Umdrehungen muss der Zylinder
ausführen, damit die vorgegebene Erwärmung erfolgt?
1.2
Schülerexperiment:
Führen Sie experimentelle Untersuchungen durch, mit denen Eigenschaften eines
Probekörpers bestimmt werden können. Neben dem Probekörper stehen für Sie die
unter weiteren Hilfsmitteln angeführten Arbeitsmittel bereit. Die Wärmekapazität des
kJ
Kalorimetergefäßes beträgt K = _____
(wird Ihnen von der Lehrkraft mitgeteilt).
K
Notieren Sie alle gemessenen Größen in einer Tabelle.
Ermitteln Sie jeweils eine mechanische und eine thermodynamische Größe, die eine
Stoffidentifizierung ermöglichen kann.
Bestimmen Sie den Stoff, aus dem der Probekörper bestehen kann, durch einen
Vergleich mit im Tafelwerk enthaltenen Angaben.
Begründen Sie Ihr Vorgehen zur Bestimmung der stoffspezifischen
thermodynamischen Konstante des Körpers.
Berücksichtigen Sie dabei besonders energetische Aspekte.
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Physik
06_Ph_A_G_A1_1
Grundkurs
Ministerium für Bildung, Jugend und Sport
Zentrale schriftliche Abiturprüfung
2006
Physik
Grundkurs
Teil A (Wahl für Lehrkräfte)
Aufgabenstellung A2
für Prüflinge
Thema/Inhalt:
Mechanik
Hilfsmittel:
Nachschlagewerk zur Rechtschreibung der deutschen Sprache,
nicht programmierbarer und nicht grafikfähiger Taschenrechner,
an der Schule eingeführtes Tafelwerk/Formelsammlung
Anlage: Diagramm
Gesamtbearbeitungszeit: 3 Zeitstunden
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Physik
06_Ph_A_G_A2_1
Grundkurs
Land Brandenburg
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Aufgaben
1.1
Zwei kleine Gedankenexperimente:
(1) Ein hoch elastischer kleiner Ball B wird senkrecht gegen eine starre Betonwand
geworfen.
(2) Eine völlig unelastische kleine Kugel K wird senkrecht gegen eine starre Wand
geworfen.
1.1.1
Beschreiben Sie kurz die zu erwartenden Versuchsergebnisse aus (1) und (2).
Treffen Sie dabei auch Aussagen über den Impuls von B bzw. K unmittelbar vor und
nach dem Stoß mit der Wand.
1.1.2
Weisen Sie Ihre in 1.1.1 getroffene Aussage zum Impuls von B für das
Gedankenexperiment (1) anhand der Stoßgesetze nach.
1.2
Im dargestellten Versuch wird ein so genanntes
„ballistisches Pendel” (siehe Abbildung) dazu
benutzt, die Geschwindigkeit v1 eines Balls
(Geschoss) zu ermitteln. Dazu wird der Ball mit
v1 in den zuerst ruhenden Auffangkasten
(mk = 1,1 kg) geschossen und führt mit diesem
einen unelastischen Stoß aus, in dessen Folge
der Ball im Kasten verbleibt („gemeinsamer
Körper“ S).
1.2.1
Erläutern Sie die energetischen Abläufe bei
diesem Versuch bis der Auffangkasten seine
größte Höhe über dem Boden erreicht.
1.2.2
Leiten Sie unter Betrachtung der Impulserhaltung
 m + mk 
die Gleichung v1 =  B
 ⋅ 2 ⋅ g ⋅ h her,
 mB 
wobei h der durch den Stoß verursachte
Höhengewinn des Auffangkastens ist.
Begründen Sie ohne zu berechnen, wie sich bei
Verdopplung der Geschwindigkeit des Balls die
Höhe h ändert.
1.2.3
Berechnen Sie v1 für den dargestellten Fall, dass
die Masse mB des Balls mB = 13 g beträgt.
Hinweis: Eine vergrößerte Abbildung des
Diagramms befindet sich in der Anlange.
1.2.4
Stellen Sie die erreichte Höhe h in Abhängigkeit
von der Masse mB des Balls auf der Grundlage
einer Wertetabelle in einem Diagramm dar.
Das Diagramm soll bei der Geschwindigkeit
v1 = 30 m·s-1 die unterschiedlichen Massen von Bällen mit 5 g bis zu 20 g
berücksichtigen.
1.2.5
In den vorhergehenden Betrachtungen hat sich gezeigt, dass der Höhengewinn h des
Stoßpendels nur gering ist und darum nur schwer mit ausreichender Genauigkeit
gemessen werden kann. Als günstige Alternative hat sich die Messung des
Auslenkungswinkels erwiesen. Im Versuch hängt der Auffangkasten an 0,65 m
langen Schnüren. Bei einer Messung mit dem 13 g schweren Ball beträgt der
maximale Auslenkungswinkel ϕ des Pendels nach dem Stoß ϕ = 9°.
Fertigen Sie eine Planskizze an und berechnen Sie für diesen Fall v1.
G
v1
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Grundkurs
Land Brandenburg
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Anlage
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Grundkurs
Ministerium für Bildung, Jugend und Sport
Zentrale schriftliche Abiturprüfung
2006
Physik
Grundkurs
Teil B (Wahl für Prüflinge)
Aufgabenstellung
für Prüflinge
Hilfsmittel:
Nachschlagewerk zur Rechtschreibung der deutschen
Sprache, nicht programmierbarer und nicht grafikfähiger
Taschenrechner, an der Schule eingeführtes
Tafelwerk/Formelsammlung
Gesamtbearbeitungszeit:
3 Zeitstunden
Wahlthemen
Aufgabenstellung B1
Thema/Inhalt:
Elektrodynamik – elektrische und magnetische Felder
oder
Aufgabenstellung B2
Thema/Inhalt:
Elektronen und Licht
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Grundkurs
Land Brandenburg
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Aufgabenstellung B1
2
Elektrische und magnetische Felder
2.1
Stellen Sie das elektrische und das magnetische Feld bezüglich ihrer Ursachen, ihrer
Darstellungen, der feldbeschreibenden Größen und der wirkenden Kräfte in
tabellarischer Form gegenüber.
2.2
Für einen Plattenkondensator sind die folgenden Daten gegeben:
die Plattenfläche:
15 cm2,
der Plattenabstand: 2 mm.
Zwischen den Platten befindet sich Luft (εr = 1).
Es liegt eine Spannung von 75 V an den Platten an.
2.2.1
Ermitteln Sie die Kapazität des Kondensators.
2.2.2
Geben Sie an, wie sich die Kapazität, die Spannung und die Ladung des
Kondensators verändern, wenn man den Abstand der Platten verdoppelt:
- bei angeschlossener Spannungsquelle und
- bei abgetrennter Spannungsquelle.
Begründen Sie Ihre Aussagen.
2.3
Für eine lange Spule sind die folgenden Daten gegeben:
die Querschnittsfläche:
die Länge:
5 cm2,
8 cm.
Im Inneren der Spule befindet sich Luft (µr = 1).
Es wird eine Stromstärke von 1,2 A gemessen.
2.3.1
Ermitteln Sie die Windungszahl, bei der die Spule eine Induktivität von 60 mH hat.
2.3.2
Geben Sie an, wie sich die Induktivität und die magnetische Flussdichte der Spule
ändern:
- bei Halbierung der Stromstärke und
- bei Verwendung eines Eisenkerns.
Begründen Sie Ihre Aussagen.
2.4
Ein Elektron mit einer Anfangsgeschwindigkeit v0 = 1,8 · 105 m·s–1 tritt senkrecht zu
den Feldlinien in ein magnetisches Feld mit B = 0,25 T ein.
2.4.1
Skizzieren Sie die Bahnkurve des Elektrons innerhalb des Magnetfeldes.
Ermitteln Sie die Kraft mit der das Elektron abgelenkt wird.
2.4.2
Entwickeln Sie eine Anordnung aus einem elektrischen und dem gegebenen
magnetischen Feld, um die Ablenkung durch das Magnetfeld zu kompensieren.
Bestimmen Sie die erforderliche elektrische Feldstärke.
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Land Brandenburg
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Aufgabenstellung B2
3
Elektronen und Licht
3.1
Das Licht einer Quecksilberhochdrucklampe wird durch ein optisches Gitter spektral
zerlegt und fällt durch eine “Blende“ (siehe Abb.).
e = 1m
s
Lampe
Gitter
Blende
Das Gitter steht senkrecht zum auftreffenden Licht. Der Blendenspalt ist vertikal
verschiebbar angeordnet, um einzelne Spektralfarben ausblenden zu können.
Das Quecksilberlicht enthält u. a. Licht folgender Wellenlängen:
UV
366 nm
violett
405 nm
blau
436 nm
gelb
579 nm
Das Gitter besitzt 680 Striche je Millimeter.
3.1.1 Erläutern Sie ausführlich, wie es bei dieser Versuchsanordnung nach dem
Wellenmodell zur Ausbildung von Interferenzmaxima kommt.
3.1.2 Die Blende steht zunächst so, dass ihre Öffnung von der optischen Achse durchsetzt
wird.
Ermitteln Sie die Strecke s, um die man die Blendenöffnung gegenüber der optischen
Achse verschieben muss, damit sie das Maximum erster Ordnung des UV-Lichts
mittig durchlässt.
3.1.3
Berechnen Sie den Minimalabstand der beiden am engsten liegenden Spektrallinien
1. Ordnung in der Blendenebene.
3.2
Hinter der Blendenöffnung wird eine Fotozelle angeordnet. Beim Beleuchten der
Fotozelle mit dem jeweiligen Licht lassen sich unter Verwendung der
Gegenfeldmethode folgende Gegenspannungen registrieren:
UV
1,35 V
violett
1,02 V
blau
0,81 V
gelb
0,12 V
3.2.1
Zeichnen Sie das zugehörige U(f)-Diagramm und bestimmen Sie daraus das
planck'sche Wirkungsquantum. Entnehmen Sie weitere Informationen aus dem
Diagramm, erläutern Sie diese kurz.
3.2.2
Ermitteln Sie den Impuls der schnellsten beim Versuch auftretenden Fotoelektronen.
Begründen Sie Ihren Ansatz.
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