Aufgaben

Sächsisches Staatsministerium
für Kultus
Schuljahr 2003/04
Geltungsbereich:
- Allgemein bildendes 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
1 grafikfähiger, programmierbarer Taschenrechner ohne Computer-AlgebraSystem
1 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
1
Auf einer geneigten Ebene bewegen sich zwei Gleiter A und B in entgegengesetzten Richtungen aufeinander zu. Die Gleiter bewegen sich reibungsfrei
und sollen als Massepunkte betrachtet werden.
Der Gleiter A (Masse 220 g) bewegt sich zum Zeitpunkt 0 s durch die
Wegkoordinate 0 m mit der Anfangsgeschwindigkeit 1,5 m ⋅ s−1 die geneigte
Ebene frei nach oben, gleichzeitig beginnt Gleiter B (Masse 120 g) an der
Wegkoordinate 1,8 m aus der Ruhelage frei nach unten zu gleiten.
Die Gleiter stoßen vollkommen unelastisch zusammen.
1.1
Für die Bewegung der Gleiter bis zum Stoß gelten folgende s(t ) − Gesetze:
Gleiter A:
sA (t ) = −0,17 m ⋅ s−2 ⋅ t 2 + 1,5 m ⋅ s−1 ⋅ t
Gleiter B: sB (t ) = −0,17 m ⋅ s−2 ⋅ t 2 + 1,8 m
Ermitteln Sie die Beschleunigungen beider Gleiter.
Erreichbare BE-Anzahl:
1.2
Weisen Sie nach, dass der Stoß zum Zeitpunkt 1,2 s bei der Koordinate 1,6 m
erfolgt.
Erreichbare BE-Anzahl:
1.3
5
Beschreiben Sie jeweils die Energieumwandlungen, die vor und während des
Stoßes ablaufen.
Erreichbare BE-Anzahl:
1.5
2
Ermitteln Sie den Betrag der Geschwindigkeit, mit der sich beide Gleiter unmittelbar nach dem Stoß bewegen, und geben Sie die Bewegungsrichtung an.
Erreichbare BE-Anzahl:
1.4
2
3
Skizzieren Sie in ein und demselben Koordinatensystem die v (t ) − Diagramme
für die Bewegung der Gleiter vor und nach dem Stoß.
Erreichbare BE-Anzahl:
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2
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2
Experimentelle Bestimmung von Ladung und Masse des Elektrons
2.1
Mit dem Millikan-Experiment kann die Ladung des Elektrons bestimmt werden.
2.1.1 Beschreiben Sie den prinzipiellen Aufbau und die Durchführung dieses
Experiments.
Erreichbare BE-Anzahl:
3
2.1.2 Leiten Sie eine Gleichung her, mit der die Ladung Q eines Öltröpfchens
berechnet werden kann.
Erläutern Sie, wie aus der Vielzahl der experimentell bestimmten Ladungen Q
die Elementarladung ermittelt werden kann.
Erreichbare BE-Anzahl:
2.2
3
Bei bekannter Ladung des Elektrons kann seine Masse wie folgt experimentell
bestimmt werden:
Es wird zunächst durch die Spannung U beschleunigt und tritt mit der
erreichten Geschwindigkeit in ein homogenes Magnetfeld der magnetischen
Flussdichte B ein. In diesem wird das Elektron auf eine Kreisbahn mit dem
Radius r abgelenkt.
2.2.1 Weisen Sie nach, dass für die Masse des Elektrons die Gleichung
e ⋅ B2 ⋅ r 2
gilt.
m=
2 ⋅U
Erreichbare BE-Anzahl:
3
2.2.2 Bei einem Experiment beträgt die Beschleunigungsspannung 240 V, die
magnetische Flussdichte 4,44 mT und der Radius der Kreisbahn 1,20 cm.
Ermitteln Sie die prozentuale Abweichung der aus den Messwerten
berechneten Masse vom Tabellenwert.
Erreichbare BE-Anzahl:
2
Teil B:
Bearbeiten Sie die nachstehende Aufgabe.
Aufgabe B:
Optik / Thermodynamik
1
Ein schmales Lichtbündel einer Quecksilberhochdrucklampe fällt senkrecht
auf ein optisches Gitter (Gitterkonstante 1,49 ⋅ 10 −5 m).
Auf einem im Abstand 4,00 m parallel zum Gitter aufgestellten Schirm
erscheint ein Interferenzbild. Das Maximum 1. Ordnung ist ein Linienspektrum
mit fünf sichtbaren Linien von violett bis rot.
1.1
Begründen Sie, dass die spektrale Zerlegung des Lichts nicht für das
Maximum 0. Ordnung auftritt.
Erreichbare BE-Anzahl:
Signatur 56/1 (Phys-GK-ET/Ma)
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1.2
Die rote Linie hat den Abstand 16,7 cm vom Maximum 0. Ordnung.
Berechnen Sie die Wellenlänge des roten Lichts.
Erreichbare BE-Anzahl:
2
2.1
Eine Vakuumfotozelle wird nacheinander mit Licht verschiedener Frequenzen
beleuchtet. Die maximale kinetische Energie der Fotoelektronen wird jeweils
bestimmt.
Farbe
violett
blau
grün
gelb
f in 1014 Hz
7,40
6,88
5,49
5,18
E kin in eV
1,12
0,90
0,33
0,20
Erläutern Sie ein experimentelles Verfahren zur Bestimmung der maximalen
kinetischen Energie dieser Elektronen.
Erreichbare BE-Anzahl:
2.2
3
Zeichnen Sie das E kin (f ) − Diagramm. Ermitteln Sie unter Nutzung aller
Messwerte die Austrittsarbeit des Materials der Fotokatode und das
Planck’sche Wirkungsquantum.
Erreichbare BE-Anzahl:
3
2
5
In einem Zylinder wird Argon, das als ideales Gas angesehen wird, bei der
konstanten Temperatur 350 K vom Volumen 24,0 dm 3 auf das Volumen
6,00 dm 3 komprimiert. Der Anfangsdruck beträgt 0,400 MPa.
(Spezifische Gaskonstante für Argon: R = 207,9 J ⋅ kg −1 ⋅ K −1 )
3.1
Berechnen Sie die Masse des Argongases.
Erreichbare BE-Anzahl:
3.2
Stellen Sie diese Zustandsänderung in einem p(V ) − Diagramm dar.
Berechnen Sie dazu fünf Wertepaare.
Der Inhalt der Fläche unter der Kurve im p(V ) − Diagramm ist ein Maß für die
zur Kompression erforderliche Arbeit.
Ermitteln Sie die Kompressionsarbeit.
Erreichbare BE-Anzahl:
3.3
2
5
Begründen Sie, dass während der Zustandsänderung Wärme abgegeben
wird.
Erreichbare BE-Anzahl:
Signatur 56/1 (Phys-GK-ET/Ma)
2
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Teil C:
Wählen Sie eine der nachstehenden Aufgaben aus und bearbeiten Sie diese.
Aufgabe C 1:
Elektrizitätslehre
Führen Sie Messungen und Berechnungen an einer Glühlampe sowie an einem
anderen Ohm’schen Bauelement durch.
Planen Sie die Experimente gemäß den folgenden Aufgabenstellungen, fordern Sie
beim Aufsicht führenden Lehrer die erforderlichen Geräte und Hilfsmittel an und
informieren Sie sich über die einzuhaltende Höchstspannung U max .
1
Messen Sie für jedes der beiden Bauelemente bei 5 verschiedenen
Spannungen im Intervall 0 < U < U max jeweils die zugehörigen Stromstärken.
Fertigen Sie eine Schaltskizze an.
Erreichbare BE-Anzahl:
2
Stellen Sie die Abhängigkeit des elektrischen Widerstands von der Spannung
für jedes der beiden Bauelemente im Intervall 0 ≤ U ≤ U max in einem
Diagramm dar.
Begründen Sie den unterschiedlichen Kurvenverlauf.
Erreichbare BE-Anzahl:
3
5
6
Geben Sie die Maximalleistung Pmax = U max ⋅ I max der Glühlampe an.
Ermitteln Sie mit Hilfe eines P (U ) − Diagramms die Spannung, bei der die
elektrische Leistung der Glühlampe 80% der Maximalleistung beträgt.
Erreichbare BE-Anzahl:
Signatur 56/1 (Phys-GK-ET/Ma)
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Aufgabe C 2:
Mechanik
Führen Sie Messungen und Berechnungen an einem Fadenpendel und an einem
Hemmungspendel (Fadenpendel mit einem lotrecht unter der Aufhängung
angebrachtem Hindernis) aus.
Planen Sie die Experimente gemäß den folgenden Aufgabenstellungen und fordern
Sie beim Aufsicht führenden Lehrer die notwendigen Geräte und Hilfsmittel an.
1
Untersuchen Sie die Periodendauer T eines Fadenpendels in Abhängigkeit
von der Pendellänge l . Ermitteln Sie dazu 5 Messwertpaare.
Verändern Sie die Pendellänge l in Schritten von 10 cm. Beginnen Sie mit
l = 20 cm . Stellen Sie den Zusammenhang T = T (l ) grafisch dar.
Erreichbare BE-Anzahl:
2
Berechnen Sie die prozentuale Abweichung des experimentell bestimmten
Wertes für l = 60 cm von der theoretisch zu erwartenden Periodendauer des
Fadenpendels.
Führen Sie in diesem Zusammenhang eine Fehlerbetrachtung durch.
Erreichbare BE-Anzahl:
3
6
4
Bringen Sie im Abstand x = 45 cm lotrecht unter dem Aufhängepunkt den
hemmenden Stativstab an (siehe Abbildung). Messen Sie die Periodendauer
TH des Hemmungspendels für l = 60 cm .
Begründen Sie, dass TH für die gleiche Pendellänge l kleiner als T ist.
x = 0,45 m
Erreichbare BE-Anzahl:
4
2
Lenkt man das Hemmungspendel auf der freien Seite um α = 90° bis in die
horizontale Lage aus und lässt es anschließend los, so wickelt es sich nach
einer halben Periodendauer um den hemmenden Stativstab auf.
Berechnen Sie die Geschwindigkeit, die der Körper beim ersten Durchgang
durch den obersten Punkt der Bahn besitzt.
Nennen Sie alle Kräfte, die in diesem Punkt der Bahn auf den Körper wirken.
Erreichbare BE-Anzahl:
Signatur 56/1 (Phys-GK-ET/Ma)
3
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