Schriftliche Abiturprüfung Leistungskursfach Physik

Sächsisches Staatsministerium
für Kultus
Schuljahr 2007/08
Geltungsbereich:
- allgemeinbildendes Gymnasium
- Abendgymnasium und Kolleg
- schulfremde Prüfungsteilnehmer
Schriftliche Abiturprüfung
Leistungskursfach Physik
-ERSTTERMIN Material für den Prüfungsteilnehmer
Allgemeine Arbeitshinweise
Ihre Arbeitszeit (einschließlich Zeit für Lesen und Auswählen von Aufgaben) beträgt
270 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
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Prüfungsinhalt
Teil A:
Bearbeiten Sie die nachstehende Aufgabe.
Aufgabe A: Mechanik / Elektrizitätslehre
1
Ein Körper mit der Masse 120 g ist an einer horizontal angeordneten Schraubenfeder befestigt. Er schwingt harmonisch mit der Amplitude 1, 6 cm, wobei
er reibungsfrei auf einer horizontalen Unterlage gleitet. Die Feder wird bei den
Auslenkungen auf Zug bzw. auf Druck belastet. Der Körper benötigt für 40 Perioden die Zeit 8,4 s und befindet sich zum Zeitpunkt 0 s am Ort y = +1,6 cm .
1.1
Berechnen Sie die Frequenz der Schwingung und die Federkonstante der Feder.
Erreichbare BE-Anzahl:
1.2
Ermitteln Sie für das Intervall 0 ≤ t ≤ T weitere Wertepaare (t;y) und zeichnen
Sie das y (t ) − Diagramm für eine Periode. Skizzieren Sie über der gleichen
Zeitachse die zugehörigen Graphen von v (t ) und a(t ) .
Erreichbare BE-Anzahl:
1.3
3
Auf den Körper wird nun ein kleines Massestück gelegt. Die dadurch hervorgerufene Änderung der Periodendauer kann vernachlässigt werden,
ebenso beträgt die Amplitude der Schwingung weiterhin 1,6 cm. Damit das
kleine Massestück während der Schwingung auf dem Körper liegen bleibt, darf
die Beschleunigung höchstens 5 m ⋅ s −2 betragen.
Untersuchen Sie rechnerisch, ob diese Bedingung immer erfüllt ist.
Erreichbare BE-Anzahl:
1.5
4
Geben Sie an, an welchem Ort die Geschwindigkeit des Körpers den maximalen Betrag erreicht. Weisen Sie nach, dass diese Geschwindigkeit 0,48 m ⋅ s -1
beträgt.
Erreichbare BE-Anzahl:
1.4
4
2
Welche Voraussetzung muss die auf den schwingenden Körper wirkende resultierende Kraft erfüllen, damit die Schwingung harmonisch verläuft?
Erreichbare BE-Anzahl:
1
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2
Die spezifische Ladung eines Elektrons soll unter Nutzung einer Elektronenstrahlröhre und eines magnetischen Feldes bestimmt werden.
Als Magnetfeld wird das Erdmagnetfeld genutzt.
2.1
In der Elektronenstrahlröhre werden Elektronen aus der Ruhe heraus auf die
Geschwindigkeit v 1 beschleunigt. Die Beschleunigungsspannung ist U1 .
Leiten Sie eine Gleichung her, mit der die Geschwindigkeit der Elektronen berechnet werden kann.
Erreichbare BE-Anzahl:
2.2
2
Die Elektronen durchlaufen den Ort P mit der Geschwindigkeit v 1 senkrecht
zum Erdmagnetfeld und senkrecht aus der Zeichenebene heraus.
B : Vektor der magnetischen Flussdichte des Erdmagnetfelds
B
• P
Erdoberfläche
Übernehmen Sie die Skizze und tragen Sie den Vektor der Lorentzkraft FL für
den Ort P ein.
Begründen Sie, dass die Elektronen (nach P) einen Kreisbogen durchlaufen.
Erreichbare BE-Anzahl:
2.3
2
Aus dem gemessenen Radius r des Kreisbogens kann die spezifische Ladung
e
des Elektrons
bestimmt werden. In einem Experiment ergaben sich folgenm
de Messwerte: U = 250 V ; B = 4,05 ⋅ 10−5 T ; r = 1,30 m
Berechnen Sie die spezifische Ladung des Elektrons. Stellen Sie Zwischenschritte der Berechnung dar.
Hinweis: Der Einfluss der Gravitationskraft ist zu vernachlässigen.
Erreichbare BE-Anzahl:
2.4
4
Geben Sie die Richtung an, die der Vektor v am Ort P haben müsste, damit
sich die Elektronen im Erdmagnetfeld geradlinig gleichförmig bewegen. Begründen Sie.
Erreichbare BE-Anzahl:
3
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Teil B:
Bearbeiten Sie die nachstehende Aufgabe:
Aufgabe B: Thermodynamik / Atomphysik
1
Thermodynamik
Kolben
In einem aufrecht stehenden Zylinder mit
der Querschnittsfläche A = 3,00 dm 2 ist
Luft der Masse m und der Temperatur
20,0°C durch einen reibungsfrei und vertikal beweglichen Kolben eingeschlossen.
Der Kolben hat die Masse mK = 2,00 kg
und ruht zunächst in der Höhe h1 . Der äußere Luftdruck beträgt pLuft = 1,01⋅ 10 5 Pa .
h1
Luft
(Abbildung nicht maßstäblich)
1.1
Weisen Sie nach, dass der Gasdruck im Zylinder 1,02 ⋅ 105 Pa beträgt.
Erreichbare BE-Anzahl:
1.2
Berechnen Sie die Dichte der eingeschlossenen Luft.
spezifische Gaskonstante von Luft:
287 J ⋅ kg -1 ⋅ K -1
Erreichbare BE-Anzahl:
1.3
2
2
Auf den beweglichen Kolben wird eine Zusatzkraft FZ ausgeübt.
1.3.1 Der Kolben bewegt sich zuerst eine relativ große Wegstrecke schnell (adiabatische Zustandsänderung) und anschließend ein kleine Wegstrecke langsam
(isobare Zustandsänderung) auf die Höhe h2 , bei der der Kolben wieder ruht.
Beschreiben Sie für beide Teilvorgänge jeweils die Änderungen der Zustandsgrößen Druck, Temperatur und Volumen.
Erreichbare BE-Anzahl:
1.3.2 Für die Höhe h2 gilt:
h2 =
3
m ⋅ R ⋅T
.
A ⋅ pLuft + g ⋅ mK + FZ
Leiten Sie diese Gleichung her.
Erreichbare BE-Anzahl:
3
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2
Spektren
2.1
Erläutern Sie ausgehend vom Bohr´schen Atommodell die Vorgänge, die bei
einem Atom zur Entstehung eines Linienspektrums führen.
Erreichbare BE-Anzahl:
2.2
Das Bohr´sche Atommodell widerspricht der Heisenberg´schen Unschärferelation. Begründen Sie.
Erreichbare BE-Anzahl:
2.3
4
2
1
.
n2
Weisen Sie unter Verwendung dieser Gleichung rechnerisch nach, dass sichtbare, infrarote und ultraviolette Strahlung emittiert werden kann.
Für die Energieniveaus des Wasserstoffatoms gilt: En = −Ry ⋅ h ⋅
Erreichbare BE-Anzahl:
4
Teil C:
Wählen Sie eine der nachstehenden Aufgaben aus und bearbeiten Sie diese.
Aufgabe C 1:
Elektrizitätslehre
An einer Reihenschaltung aus einer Spule mit Eisenkern und einem Kondensator veränderbarer Kapazität
liegt eine Wechselspannung der Frequenz 50 Hz an.
R
XL
XC
Spule
~ 50 Hz
1
Ändert man im Stromkreis die Kapazität des Kondensators, so ändert sich
auch die Stromstärke. Im Falle maximaler Stromstärke spricht man von Resonanz.
Vergleichen Sie für diesen Fall X L und X C .
Geben Sie dazu das Verhältnis von Wechselstromwiderstand (Scheinwiderstand) Z der Reihenschaltung und Ohm´schem Widerstand R an.
Begründen Sie mit Hilfe eines Zeigerdiagramms.
Erreichbare BE-Anzahl:
3
Planen Sie die Experimente gemäß der folgenden Aufgabenstellung, fordern Sie
beim Aufsicht führenden Lehrer die erforderlichen Geräte und Hilfsmittel an.
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2
Bestimmen Sie den Ohm´schen Widerstand und die Induktivität der Spule mit Eisenkern.
Führen Sie dazu geeignete Stromstärke- und Spannungsmessungen an der
Spule durch und werten Sie diese aus.
Erreichbare BE-Anzahl:
8
Lösen Sie die folgende Teilaufgabe ohne zusätzlich zu experimentieren.
3
Zeichnen Sie das Z (C ) − Diagramm unter Verwendung der Ergebnisse von
Teilaufgabe 2 in einem geeigneten Intervall so, dass der Resonanzfall veranschaulicht wird. Geben Sie die Kapazität an, bei der sich Resonanz einstellen
würde.
Erreichbare BE-Anzahl:
4
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Aufgabe C 2:
Strahlenoptik
Führen Sie Messungen und Untersuchungen an einer Sammellinse durch.
Planen Sie die Experimente gemäß der folgenden Aufgabenstellung, fordern Sie
beim Aufsicht führenden Lehrer die erforderlichen Geräte und Hilfsmittel an.
1
Skizzieren Sie den Aufbau einer Experimentieranordnung, mit der ein beleuchteter Gegenstand mit Hilfe der Sammellinse auf einem Schirm scharf abgebildet werden kann. Vom Aufsicht führenden Lehrer wird Ihnen die Brennweite
der Sammellinse mitgeteilt. Überprüfen Sie mit Hilfe Ihrer Experimentieranordnung diesen Wert.
Erreichbare BE-Anzahl:
2
Stellen Sie in Ihrer Experimentieranordnung die Gegenstandsweite s = 2 ⋅ f
ein und bilden Sie den Gegenstand scharf auf dem Schirm ab. Messen Sie die
Bildgröße B und die Gegenstandsgröße G (jeweils vertikale Ausdehnung).
B
Das Verhältnis A =
heißt Abbildungsmaßstab. Ermitteln Sie für vier weitere
G
Gegenstandsweiten aus dem Intervall 1,5 ⋅ f ≤ s ≤ 3 ⋅ f den zugehörigen Abbildungsmaßstab und stellen Sie die Messwerte in einem A(s ) − Diagramm dar.
Erreichbare BE-Anzahl:
3
3
Die im A(s ) − Diagramm eingezeichneten Punkte liegen auf dem Graph einer
Funktion A(s ) . Beschreiben Sie qualitativ das Verhalten des Graphen dieser
Funktion für alle Gegenstandsweiten s > f . Begründen Sie.
Erreichbare BE-Anzahl:
4
5
4
Moderne Projektionsgeräte verfügen über Objektive, deren Brennweite verändert werden kann.
Damit ist es möglich, den Abstand zwischen Projektor und Bildwand zu vergrößern und dabei die Bildgröße konstant zu halten. Die Gegenstandsweite
muss gleichzeitig verändert werden.
Entscheiden Sie mit Hilfe einer beschrifteten Skizze des Strahlenverlaufs, ob
die Brennweite des Objektivs vergrößert oder verringert werden muss. Begründen Sie.
Hinweis:
Das Objektiv darf als Sammellinse, deren Brennweite veränderbar ist, betrachtet werden.
Erreichbare BE-Anzahl:
3
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