Klausur-2 - IPN-Kiel

5th International Junior Science Olympiad Gyeong‐Nam 2008 an Schulen (im Mai/Juni 2008) Name: _________________________ Schule: ___________________________ Die Bearbeitung der Klausur durch die Schülerinnen und Schüler muss unter Schulaufsicht geschehen. Die Bearbeitungszeit beträgt 90 Minuten. Die bearbeitete Klausur wird an die Fachlehrerin oder den Fachlehrer zurückgegeben. Lies dir die folgenden Hinweise bitte sorgfältig durch! Die Klausur besteht aus den Teilen I und II, in denen Du jeweils 48 Punkte erreichen kannst. Für die Lösung der Aufgaben benötigst du einen Taschenrechner und ein Geodreieck. Teil I besteht aus 12 Fragen mit den Antwortalternativen A, B, C und D. ¾ Nur eine der Antwort‐Alternativen ist jeweils korrekt. ¾ Für eine richtige Antwort gibt es 4 Punkte, für eine falsche Antwort 1 Minuspunkt. ¾ Um zu vermeiden, dass dir unnötig viel Punkte abgezogen werden, trage nur dann einen Antwort‐
buchstaben ein, wenn du dir sicher bist, dass deine Antwort korrekt ist. ¾ Trage die richtige Antwort hier in die Tabelle ein. Nur die hier auf dem Deckblatt eingetragenen Antwortbuchstaben haben Gültigkeit und werden gewertet. 1 CHEMIE 2
5 6
9 PHYSIK BIOLOGIE 3
7
10
4
8
11
12
Teil II besteht aus 12 komplexeren Aufgabenteilen zur Chemie, Biologie und Physik. Trage deine Antworten dort bitte direkt in die jeweils dafür vorgegebenen Felder ein. Dir stehen 90 Minuten Bearbeitungszeit für die Klausur zu Verfügung. Lass dich nicht entmutigen, wenn es dir nicht gelingt, alle Aufgaben zu lösen. Viel Erfolg wünscht dir dein IJSO‐Team vom IPN an der Universität Kiel! © IPN an der Universität Kiel Klausur 2. Runde IJSO 2008 Seite 1/12
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Teil I: Multiple Choice‐Aufgaben (empfohlene Bearbeitungszeit 30‐45 Minuten) CHEMIE 1.
Gib an, was im chemischen Sinne eine Modifikation darstellt: A B C D Wasser und Eis Diamant und Graphit Wasserstoff und Deuterium Sulfat und Sulfit 2.
Gib die Gesamtgeschwindigkeit der Reaktion A Æ B Æ C Æ D an, wenn die Teilreaktionen A Æ B mit 5,0 mol/s, B Æ C mit 2,0 mol/s und C Æ D mit 100,0 mol/s ablaufen. A B C D 107,0 35,7 2,0 100,0 mol/s mol/s mol/s mol/s 3. 2‐Methylpropan und Butan haben die gleiche Summenformel C4H10 , aber unterschiedliche Strukturformeln. Diese Eigenschaft bezeichnet man als: A B C D Isosterie Isomerie Mesomerie Isotop Gib die Konzentration an OH‐ ‐Ionen in einer Lösung des pH‐Wertes 14 an. 4.
A B C D 10‐14 mol/l 10‐7 mol/l 1 mol/l 0 mol/l BIOLOGIE 5.
Gib an, welches der nachfolgenden Enzyme nicht an der Verdauung von Nahrung beteiligt ist. A B C D Pepsin Maltase Katalase Lipase 6.
Ein Erythrozyt platzt, wenn man ihn in eines der nachfolgenden Medien bringt. Kreuze das richtige Medium an. A B C D isotonisches Medium hypertonisches Medium isoosmotisches Medium hypotonisches Medium © IPN an der Universität Kiel Klausur 2. Runde IJSO 2008 Seite 3/12
7.
Eine Pflanze mit dem Genotyp AaBbcc wird mit einer Pflanze gleichen Genotyps gekreuzt. Gib die Wahrscheinlichkeit für den Genotyp AABBCC an. A B C D 8.
1/64 1/16 1/4 0 Um die Sichttiefe eines eutrophen Sees zu ermitteln, wird eine Lampe ins Wasser herabgelassen und deren Lichtintensität direkt an der Wasseroberfläche mit einer Fotozelle gemessen. Die Lampe wird zunächst 1 m tief in der Wassersäule platziert. Die Fotozelle an der Wasseroberfläche misst nur noch 10% der ursprünglichen Lichtintensität der Lampe. Befindet sich die Lampe in einer Tiefe von 3 m, nimmt die Fotozelle nur noch 0,1% der ursprünglichen Lichtintensität der Lampe auf. Woran liegt das? A Zwischen der Lichtintensität und der Tiefe der Wassersäule besteht ein exponentieller Zusammen‐
hang, der sich sinnvoll in einer logarithmischen Skala darstellen lässt, ‐ auch wenn sich keine Algen im Wasser befinden. B Die Versuchsanordnung ist als Messverfahren für die Sichttiefe eines eutrophen Sees nicht geeignet, denn eine Sichttiefenmessung muss mit einer geeichten Secchi‐Scheibe durchgeführt werden. C Zwischen der Lichtintensität und der Tiefe der Wassersäule besteht bei konstanter Algendichte ein linearer Zusammenhang. Die stärkere Abnahme der gemessenen Lichtintensität ist darauf zurück‐
zuführen, dass im eutrophen See die Algendichte in der Wassersäule unterhalb 1m stark zunimmt. D Algen benötigen für die Fotosynthese Licht und sind nur nahe der Wasseroberfläche lebensfähig. Der Sauerstoffgehalt des Wassers nimmt deshalb im eutrophen See unterhalb 1 m stark ab und entspre‐
chend dann auch die Lichtintensität. PHYSIK 9.
Wie hoch muss ein Spiegel mindestens sein, damit man sich selbst in voller Körperlänge im Spiegel sehen kann, wenn man vor dem Spiegel steht? A Die notwendige Größe des Spiegels hängt vom Abstand des Beobachters vom Spiegel ab. B etwa halb so groß wie die eigene Körperlänge C etwas größer als die Körperlänge D genau so groß wie die eigene Körperlänge 10. Die so genannte Feinstrukturkonstante bestimmt die Aufspaltung von atomaren Spektrallinien. Sie ist eine dimensionslose Konstante. Welcher der folgenden Terme kommt als richtige Formel für die Feinstruktur‐
konstante in Frage? e
2 h c ε0
e
B 2
2 h m c ε0
A Plancksches Wirkungsquantum Permittivität des Vakuums 2
C e
2 h c ε0
e2
D 2 h m c 2ε 0
Vakuumlichtgeschwindigkeit Elementarladung Masse des Elektrons h = 6,626 x 10‐34 Js ε 0 = 8,854 x 10‐12 AsV‐1m‐1 c = 2,998 x 108 ms‐1 e = 1,602 x 10‐19 C m = 9,109 x 10‐31 kg © IPN an der Universität Kiel Klausur 2. Runde IJSO 2008 Seite 4/12
11. Der Widerstand einer Halbleiterdiode ist nicht konstant, sondern hängt von der angelegten Spannung ab. Das Schaltsymbol einer Halbleiterdiode ist . In der nachstehenden Abbildung ist die Stromstärke als Funktion der über der Diode abfallenden Spannung in dem abgebildeten Schaltkreis bei offenem Schalter aufgetragen. Stromstärke (mA) Schalter 60 Ω Diode ‐ + Spannung (V)
Schaltskizze Strom‐Spannungs‐Kennlinie der Diode Wie groß muss die angelegte Spannung sein, damit bei geschlossenem Schalter der Ersatzwiderstand der Schaltung gleich 15 Ohm ist? A
B
C
D
kleiner als 0,9 V zwischen 0,9 und 1,1 V größer als 1,1 V Ein Ersatzwiderstand von 15 Ohm kann nicht erreicht werden. 12. Der Abstand der Mittelpunkte von Mond und Erde beträgt etwa 380 000 km. Die Masse der Erde beträgt das 81‐fache des Monds. In welchem Abstand von der Erde heben sich die Gravitationskraft der Erde und des Monds etwa auf? A
B
C
D
370 000 km 190 000 km 120 000 km 340 000 km Du kannst das Gravitationsgesetz als bekannt annehmen. Es besagt, dass die Kraft zwischen zwei Objekten, die sich im Abstand r voneinander befinden und deren Massen m1 und m2 sind, gegeben ist durch: F = G
m1 m2
r2
Dabei ist G ist die so genannte Gravitationskonstante. © IPN an der Universität Kiel Klausur 2. Runde IJSO 2008 Seite 5/12
Teil II: Theoretische Aufgaben (empfohlene Bearbeitungszeit 45‐60 Minuten) CHEMIE (4 Aufgabenteile, insgesamt 16 Punkte) Stoffe liegen in der Natur in verunreinigter Form als Stoffgemisch vor. Für die weitere industrielle Nutzung wird jedoch häufig ein möglichst reiner Stoff gewünscht, so zum Beispiel metallisches Kupfer aus Kupfererz. Chemi‐
kerinnen und Chemiker befassen sich deshalb auch mit der Trennung von Stoffgemischen. Sie unterscheiden dabei chemische Trennverfahren, die auf einer chemischen Reaktion beruhen, oder rein physikalische Trennverfahren, die sich Unterschiede in physikalischen Stoffeigenschaften zu Nutzen machen. a)
Nachfolgend sind dir einige Prozesse genannt. Entscheide durch Ankreuzen, ob es sich dabei um eine chemische Reaktion oder eine physikalische Trennmethode handelt. (3 Punkte) Prozess Chemische Trennmethode Rauchgasentschwefelung im Braunkohlekraftwerk
Physikalische Trennmethode Zentrifugierung einer Eiweißlösung Herstellung von Speisesalz in Salinen b) Bei der Herstellung bestimmter kosmetischer Produkte wird häufig eine Destillation als Trennverfahren eingesetzt. Gib an, auf welchem Prinzip die Trennung bei der Destillation beruht und welche Art von Stoffgemisch damit getrennt werden kann. Skizziere eine einfache Destillations‐
apparatur mit Wasserkühler (Liebig‐Kühler). Zeichne den Strom des Destillats und den Strom des Kühlwassers ein. Gib an, wie das Prinzip heißt, das bei der Kühlung zum Einsatz kommt. (4 Punkte) Art von Stoffgemisch: ……………………................……………………………………………... Prinzip der Trennung: ……………………................……………………………………………... Prinzip der Kühlung: ……………………................……………………………………………... Skizze: © IPN an der Universität Kiel Klausur 2. Runde IJSO 2008 Seite 6/12
c)
Häufig stellt sich die Frage, ob bestimmte Stoffe in einem Stoffgemisch enthalten sind. Um das herauszufinden, bedient man sich bestimmter Nachweisreaktionen. (5 Punkte) Gib in der Tabelle an, welche Stoffe jeweils mit den genannten Reagenzien nachgewiesen werden können. Nachweisreagenz
Nachweis von…
Iod‐Kaliumiodid‐Lösung Silbernitrat‐Lösung Bariumchlorid‐Lösung Eine farblose und klare Flüssigkeit (Stoffgemisch) wird gleichmäßig auf drei verschiedene Reagenz‐
gläser verteilt: In Reagenzglas 1 wird dann Iod‐Kaliumiodid‐Lösung hinzugefügt. Die Flüssigkeit verfärbt sich orangebraun. In Reagenzglas 2 wird Silbernitrat‐Lösung zugegeben, und es bildet sich ein weißer Niederschlag. In Reagenzglas 3 werden einige Tropfen Bariumchlorid‐Lösung hinzugefügt und eine weiße Trübung der Flüssigkeit beobachtet. Das Stoffgemisch (die Flüssigkeit) enthält: ……………………….......………………..........…...............…………...…... d) Um chemische Reaktionen darzustellen, nutzen Chemikerinnen und Chemiker Reaktionsgleichungen. Formuliere für die folgenden Reaktionen jeweils die korrekte Reaktionsgleichung. (4 Punkte) Verbrennung von Kohlenstoff mit Sauerstoffüberschuss ………………………………………………………………………………………….............. Knallgasreaktion von Wasserstoff und Sauerstoff ………………………………………………………………………………………….............. Reaktion von Bariumhydroxid‐Lösung mit Kohlenstoffdioxid …………………………………………………………………………………………............. Reaktion von Salzsäure und Magnesium …………………………………………………………………………………………............. © IPN an der Universität Kiel Klausur 2. Runde IJSO 2008 Seite 7/12
BIOLOGIE (5 Aufgabenteile, insgesamt 16 Punkte) Am Ende des 19. Jahrhunderts führte der Physiologe Theodor Wilhelm Engelmann einen später nach ihm benannten Versuch durch. Hierbei versetzte er in einer Suspension grüne Fadenalgen (in der Abbildung ‐G‐G‐G‐
G‐) mit bestimmten Bakterien und beleuchtete die Proben mit weißem Licht, das zuvor durch ein Prisma in seine Spektralfarben zerlegt worden war. Die Bakterien (schwarze Punkte) reicherten sich vorzugsweise an den Algenzellen an, an denen rotes oder blaues Licht anzutreffen war. Nachfolgend ist die Beobachtung schematisch dargestellt. a)
Gib an, durch welchen Prozess grüne Pflanzen ihre Nahrung zum Aufbau von Biomolekülen gewinnen. (2 Punkte) ………………………………………………………………………………......................................................…………... b) Gib an, ob die Bakterien (i) einen anaeroben oder aeroben Stoffwechsel haben, (ii) was das bedeutet und (iii) warum sich die Stoffwechselart aus dem Experiment schließen lässt. (3 Punkte) (i)
……………………………………………………………………….........................................…………………... (ii)
……………………….................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.......................………………………………………............................................………………………… (iii)
……………………….................................................................................................................
.....................................................................…………………….............................................. ......................................................................................................................................... ...........................................................................................………………………………………….. © IPN an der Universität Kiel Klausur 2. Runde IJSO 2008 Seite 8/12
c)
Zur näheren Untersuchung werden aus den Grünalgen die Farbstoffe mittels Ethanol extrahiert. Diese Lösung wird mit weißem Licht bestrahlt und das austretende Licht mit einem Prisma spektral zerlegt. Zeichne in nachfolgendes Diagramm ein, welche Lichtstärke in Abhängigkeit der Wellenlänge zu erwar‐
ten ist. Beschrifte die beiden Achsen des Diagramms. (5 Punkte) d) Im Engelmann‐Versuch ist Licht von Bedeutung. Physikalisch betrachtet kann Licht auch als Welle aufgefasst werden. Dann gilt der Zusammenhang Lichtgeschwindigkeit c = Frequenz f ∙ Wellenlänge λ. (4 Punkte) Berechne aus diesem Zusammenhang die Frequenz für rotes Licht (λ=600nm) und blaues Licht (λ=400nm). rotes Licht …………………................................................................……………………………………… blaues Licht ……………………………………………….........................................................................… Begründe in diesem Zusammenhang, welches Licht eine höhere Energie hat. Gib dafür eine Gleichung an. …………………………………………………………………………………………………………………………................
…………………………………………………………………………………………………………………………................
.…......................................................................................................................................
............................................................................................................................................... e)
Nenne abschließend den Farbstoff, der für die grüne Färbung der im Experiment benutzten Algen verantwortlich ist. (2 Punkte) ………………………………………………………………………………………............................................................ © IPN an der Universität Kiel Klausur 2. Runde IJSO 2008 Seite 9/12
PHYSIK (3 Aufgabenteile, insgesamt 16 Punkte) Ein LKW mit einer Gesamtmasse von 5,0 Tonnen fährt im Winter bei einer Temperatur knapp unterhalb des Gefrierpunktes auf einer vereisten Landstraße mit einer Geschwindigkeit von 20 km/h. Der statische Reibungs‐
koeffizient zwischen den Rädern und dem Eis (Haftreibungskoeffizient) beträgt 0,117 und der dynamische Rei‐
bungskoeffizient (Gleitreibungskoeffizient) 0,100. Die Erdbeschleunigung g beträgt 9,81 m/s2. a) Der LKW macht plötzlich eine Vollbremsung. In modernen Fahrzeugen wird in solch einer kritischen Gefahrensituation das Abbremsen von einem Antiblockiersystem (ABS) gesteuert, da das durch‐
schnittliche menschliche Reaktionsvermögen in aller Regel nicht ausreicht, um in gefährlichen Situatio‐
nen die Bremskraft richtig zu dosieren. Durch das ABS wird das Bremsverhalten jedes einzelnen Rades nahezu optimal gesteuert und der Bremsdruck in kurzen Intervallen so reguliert, dass die Räder nicht blockieren, sondern gerade noch weiter rollen. Nenne zwei Gründe (mit Erklärung), warum ein Blockieren der Räder ungünstig ist. (3 Punkte) ...................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................... b) Nimm nun an, das Abbremsen des LKW wird so vollzogen, dass die Räder von Anfang an vollständig blockieren. (8 Punkte) Bestimme die Dauer des Bremsvorganges, das heißt, die Zeit, die der LKW zum Bremsen benötigt, bis er zum Stehen kommt. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… © IPN an der Universität Kiel Klausur 2. Runde IJSO 2008 Seite 10/12
Berechne die Länge des während des Bremsvorgangs zurückgelegten Bremswegs. [Geben Sie ein Zitat aus dem Dokument oder die Zusammenfassung eines interessanten ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… Punktes ein. Sie können das Textfeld an einer beliebigen Stelle im Dokument positionieren. Verwenden Sie die Registerkarte 'Textfeldtools', wenn Sie das Format des ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… Textfelds 'Textzitat' ändern möchten.] ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… Schätze ab, wie viel Eis insgesamt bei dem Bremsvorgang schmilzt. Nimm dazu an, dass die gesamte kinetische Energie beim Abbremsen in Wärmeenergie umgesetzt wird, und zwar durch die Reibung der Räder mit der Fahrbahn. Die latente Wärme für den Phasenübergang Eis – Wasser beträgt 334 kJ/kg. [Geben Sie ein Zitat aus dem Dokument oder die Zusammenfassung eines interessanten Punktes ein. Sie können das Textfeld an einer beliebigen Stelle im Dokument ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… positionieren. Verwenden Sie die Registerkarte 'Textfeldtools', wenn Sie das Format des Textfelds 'Textzitat' ändern möchten.] ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… c)
Der LKW Fahrer hat die eisige Strecke gut überstanden und fährt nun wieder auf Asphalt. Plötzlich bemerkt er einen Ball, der geradewegs auf ihn zufliegt. Er bremst sofort, kann jedoch eine Kollision nicht verhindern. Gerade vor der Kollision beträgt die Geschwindigkeit des LKW 5 km/h und die des Balls 20 km/h. Der Ball rotiert während des Flugs nicht, und der Stoß ist vollkommen elastisch. Nimm an, dass der LKW frontal mit dem Ball zusammenstößt und der Ball eine Masse von 0,20 kg besitzt. Bestimme die Geschwindigkeit des Balls direkt nach dem Stoß. (5 Punkte) [Geben Sie ein Zitat aus dem Dokument oder die Zusammenfassung eines interessanten Punktes ein. Sie können das Textfeld an einer beliebigen Stelle im Dokument ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… positionieren. Verwenden Sie die Registerkarte 'Textfeldtools', wenn Sie das Format des Textfelds 'Textzitat' ändern möchten.] ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… © IPN an der Universität Kiel Klausur 2. Runde IJSO 2008 Seite 11/12
Bewertungsbogen (auszufüllen nur von IJSO‐Landesbeauftragten) Name _____________________________________________________________________________________ Schule _____________________________________________________________________________________ Teil I: Multiple Choice‐Aufgaben Erreichte Punktzahlen 1 5 6
9 PHYSIK BIOLOGIE 2
CHEMIE 3 4
7 10 Summe
8
11 12
Teil I: _______ von 48 Punkten Teil II: Theoretische Aufgaben Erreichte Punktzahlen a) 3 P b) 4 P c) 5 P d) 4 P
CHEMIE a) 2 P b) 3 P c) 5 P d) 4 P e) 2 P
BIOLOGIE 16 P a) 3 P b) 8 P c) 5 P
PHYSIK 16 P 16 P Teil II: _______ von 48 Punkten Die Schülerin/der Schüler hat in der 2. Runde der IJSO 2008 _______ von 96 Punkten erreicht. _____________________________________ Ort, Datum) _____________________________________________________ (Unterschrift des IJSO‐Landesbeauftragten) © IPN an der Universität Kiel Klausur 2. Runde IJSO 2008 Seite 12/12