Abschlussprüfung 2016 an den Realschulen in Bayern Gesamtprüfungsdauer 120 Minuten Physik Haupttermin Elektrizitätslehre I 1.1.0 A1 Bei einem Metalldraht wird die Stromstärke I in Abhängigkeit von der Spannung U gemessen, während der Metalldraht in einem Wasserbad gekühlt wird. Es ergeben sich folgende Messwerte: U in V I in A 1,8 0,33 2,4 0,45 3,0 0,55 3,6 0,65 4,2 0,76 4,8 0,83 5,4 0,98 1.1.1 Werten Sie die Messreihe rechnerisch aus und formulieren Sie das Ergebnis. 1.1.2 Der Draht hat eine Länge von 13,5 m und eine Querschnittsfläche von 0,196 mm2. Bestimmen Sie durch Rechnung das Material des Drahts mithilfe nebenstehender Tabelle. Material Aluminium Eisen Konstantan Kupfer Messing ρ in Ω ⋅ mm 2 m (bei 20 °C) 0,027 0,10 0,50 0,017 0,07 – 0,09 1.1.3 Für einen neuen Durchgang des Versuchs wird der Draht aus dem Wasserbad herausgenommen. Skizzieren Sie zu diesem Versuch eine zugehörige Kennlinie. 1.1.4 Erklären Sie den Verlauf der Kennlinie aus 1.1.3 mithilfe des Teilchenmodells. 1.2.0 In nebenstehender Versuchsskizze ist der Schiebewiderstand so eingestellt, dass die Glühlampe mit ihren Nenndaten betrieben wird. 1.2.1 Berechnen Sie den Wert des eingestellten Widerstands. [Teilergebnis: I = 0,36 A] 1.2.2 Bestimmen Sie durch Rechnung den Wirkungsgrad der Schaltung. 1.2.3 Was ist zu beobachten, wenn man den Schieber S nach rechts bewegt? Begründen Sie Ihre Antwort. Abschlussprüfung 2016 an den Realschulen in Bayern Gesamtprüfungsdauer 120 Minuten Physik Haupttermin Elektrizitätslehre II A2 2.1.0 Eine Anwendung der induktiven Energieübertragung ist das kabellose Aufladen eines Akkus. 2.1.1 Beschreiben Sie, wie mithilfe der induktiven Energieübertragung der Akku eines Elektroautos geladen werden kann (siehe nebenstehende Skizze). 2.1.2 Beim induktiven Ladevorgang aus 2.1.1 ist der Wirkungsgrad niedriger als beim kabelgebundenen Laden. Nennen Sie zwei Ursachen dafür. 2.1.3 Geben Sie neben dem induktiven Laden und der Verwendung von Transformatoren eine weitere Anwendung aus dem Alltag für induktive Energieübertragung an. 2.2.0 Der Generator eines Kraftwerks liefert bei einer Gesamtleistung von 15,0 MW eine Spannung von 3,80 kV. Die elektrische Energie wird über eine Fernleitung zu einem 80,0 km entfernten Versorgungsgebiet transportiert. Der elektrische Widerstand der Fernleitung beträgt 16,0 Ω. Die Spannung wird vor der Übertragung auf 110 kV hochtransformiert, wobei der Transformator einen Wirkungsgrad von 95,0 % hat. 2.2.1 Zeichnen Sie eine Schaltskizze für die Energieübertragung vom Kraftwerk bis zum Versorgungsgebiet. 2.2.2 Berechnen Sie die Stromstärke in der Fernleitung und die an der Fernleitung abfallende Spannung. [Teilergebnis Is = 130 A] 2.2.3 Zeigen Sie durch Rechnung, dass die elektrische Leistung, die aufgrund der Erwärmung der Überlandleitung nicht mehr zur Verfügung steht, 270 kW beträgt. 2.2.4 Wie groß ist die elektrische Leistung, die dem Versorgungsgebiet zur Verfügung steht, wenn der zweite Transformator, der die Spannung reduziert, auch einen Wirkungsgrad von 95,0 % besitzt? 2.2.5 Bestimmen Sie rechnerisch den Wirkungsgrad der gesamten Energieübertragung. Abschlussprüfung 2016 an den Realschulen in Bayern Gesamtprüfungsdauer 120 Minuten Physik Haupttermin Atom- und Kernphysik A3 3.1.0 Medizinische Produkte, wie beispielsweise Implantate, Prothesen oder Blutschlauchsysteme, werden mithilfe radioaktiver Strahlung keimfrei gemacht. In sogenannten „Gamma-Anlagen“ nutzt man hierzu Kobalt-60. 3.1.1 Bestrahlt man das natürlich vorkommende Kobalt mit Neutronen, so entsteht Kobalt-60. Geben Sie die zugehörige Kernreaktionsgleichung an. 3.1.2 Kobalt-60 zerfällt unter Aussendung von β- und γ-Strahlung. Geben Sie die zugehörige Zerfallsgleichung an. 3.1.3 Nennen Sie die Eigenschaften von β- und γ-Strahlung hinsichtlich Abschirmbarkeit, Reichweite in Luft, Ladung und Ablenkbarkeit. 3.1.4 Nach 17,6 Jahren sind 90 % der Kobalt-60-Kerne zerfallen. Weisen Sie durch Rechnung nach, dass die Halbwertszeit von Kobalt-60 5,3 Jahre beträgt. 3.1.5 In eine Gamma-Anlage werden 3,0 kg Kobalt-60 eingebracht und danach 20 Jahre lang verwendet. Stellen Sie die Masse von Kobalt-60 in Abhängigkeit von der Zeit innerhalb der ersten sechs Halbwertszeiten graphisch dar und entnehmen Sie dem Diagramm die Masse, die nach 20 Jahren noch vorhanden ist. 3.2.0 An einem Arbeitsplatz wird eine Energiedosis von 1,7 · 10–5 Gy gemessen, die durch langsame Neutronen verursacht wird. 3.2.1 Berechnen Sie die Energie, die dabei ein 78 kg schwerer Mensch aufgenommen hat. 3.2.2 Berechnen Sie die maximale Äquivalentdosis, wenn der Qualitätsfaktor für langsame Neutronen 5 beträgt. 3.2.3 Nennen Sie drei Maßnahmen, durch die sich allgemein eine Strahlenbelastung verringern lässt. Abschlussprüfung 2016 an den Realschulen in Bayern Gesamtprüfungsdauer 120 Minuten Physik Haupttermin Energie A4 4.1.0 Ein Wäschetrockner der Energieeffizienzklasse A++ hat eine Nennleistung von 0,95 kW. Der Wäschetrockner ist pro Woche dreimal in Betrieb, wobei ein Trockenvorgang durchschnittlich 1 h 45 min dauert. 4.1.1 Bestätigen Sie durch Rechnung, dass die für das Trocknen benötigte elektrische Energie pro Jahr 0,26 MWh beträgt. 4.1.2 Berechnen Sie die Kosten für die jährlich benötigte Energie des Wäschetrockners, wenn für eine Kilowattstunde elektrische Energie 25 Cent in Rechnung gestellt werden. 4.2.0 Die beiden Blöcke F und G des Kraftwerks Neurath in Nordrhein-Westfalen zählen mit einem Wirkungsgrad von 43,2 % zu den modernsten Braunkohlekraftwerken. Zusammen speisen die beiden Blöcke eine Leistung von 2,1 GW in das Netz ein. 4.2.1 Geben Sie die Energieumwandlungen in einem Kohlekraftwerk bis zur Bereitstellung der elektrischen Energie an. 4.2.2 In Deutschland gibt es ca. 40 Millionen Haushalte. Etwa 40 % davon haben einen Wäschetrockner. Für diese soll der Energiebedarf des Trockners aus 4.1.0 angenommen werden. Berechnen Sie die theoretische Laufzeit (in Tagen) der beiden Blöcke F und G des Kraftwerks Neurath, um die jährlich benötigte Energie für den Betrieb aller Trockner in Deutschland zur Verfügung stellen zu können. [Teilergebnis: EJahr = 4,2 · 106 MWh] 4.2.3 Würde man bei geeigneter Wetterlage die Wäsche im Freien trocknen, wäre in etwa nur die Hälfte der elektrischen Energie für die Wäschetrockner notwendig. Berechnen Sie die Masse der Kohle sowie die Masse des Kohlenstoffdioxids, die man dadurch einsparen könnte. MJ kg (Braunkohle: Heizwert: 19,6 ; CO2-Emission: 0,41 ) kg kWh Abschlussprüfung 2016 an den Realschulen in Bayern Gesamtprüfungsdauer 120 Minuten Physik Haupttermin Elektrizitätslehre I 1.1.0 B1 In einem Versuch wird die Kennlinie eines Leiters aufgenommen. Es ergeben sich folgende Messwerte: U in V I in mA 0,5 4,6 1,0 9,1 1,5 14 2,0 20 2,5 26 2,8 31 3,1 36 3,4 41 4,0 57 1.1.1 Zeichnen Sie eine zugehörige Schaltskizze. 1.1.2 Stellen Sie die Wertepaare aus 1.1.0 graphisch dar und treffen Sie eine Aussage zum Widerstand. 1.1.3 Um welches Material könnte es sich beim verwendeten Leiter handeln? 1.2.0 In Räumen, in denen wegen Rauch oder Dampf optische Rauchmelder ungeeignet sind, werden zur Brandmeldung Hitzemelder eingesetzt. In diesen Geräten kommen Heißleiter-Bauelemente zum Einsatz. 1.2.1 Für den Betrieb eines Hitzemelders wird eine Lithium-Batterie (3,4 V; 2000 mAh) verwendet. Damit der Hersteller eine Laufzeit von zehn Jahren garantieren kann, darf die Stromstärke der Schaltung einen bestimmten Wert nicht überschreiten. Berechnen Sie die maximal zulässige Stromstärke. 1.2.2 Zu dem in 1.2.0 verwendeten Heißleiter-Bauelement ist nebenstehendes R- ϑ Diagramm gegeben. Erklären Sie das Temperaturverhalten eines Heißleiters mithilfe des Teilchenmodells. 1.2.3 Der Hitzemelder aus 1.2.0 befindet sich in einem Raum mit einer Temperatur von 20 °C. Es wird Alarm ausgelöst, wenn der Widerstand um 80 % abnimmt. Bestimmen Sie mithilfe des Diagramms aus 1.2.2 die Auslösetemperatur. 1.3 Der Anlasser eines Automotors wird über eine Batterie (Ruhespannung U0 = 12,0 V; Innenwiderstand Ri = 0,030 Ω) betrieben. Berechnen Sie die Betriebsspannung UB, den Widerstand RA des Anlassers und dessen Leistung PA beim Startvorgang, wenn dabei die Stromstärke 120 A beträgt. [Teilergebnis: UB = 8,4 V] Abschlussprüfung 2016 an den Realschulen in Bayern Gesamtprüfungsdauer 120 Minuten Physik Haupttermin Elektrizitätslehre II B2 2.1.0 Ein Schweißtransformator (η = 0,80) wird über ein Verlängerungskabel (R = 2,2 Ω) an das Haushaltsnetz (U = 230 V) angeschlossen. Die Primärstromstärke beträgt 12,4 A, die Sekundärspannung 18 V. 2.1.1 Berechnen Sie die elektrische Leistung, die aufgrund der Erwärmung des Verlängerungskabels nicht mehr zur Verfügung steht. [Ergebnis: Pth = 0,34 kW] 2.1.2 Zeigen Sie durch Rechnung, dass die Primärleistung am Schweißtransformator 2,51 kW beträgt. 2.1.3 Berechnen Sie die Sekundärstromstärke. 2.1.4 Nennen Sie zwei bauliche Unterschiede der beiden Spulen eines Schweißtransformators. 2.1.5 Bei einem Transformator ist der Wirkungsgrad stets kleiner als 100 %. Nennen Sie dafür drei Ursachen. 2.2 Nebenstehend ist ein vereinfachter Aufbau einer Autozündanlage dargestellt. Das BenzinLuftgemisch im Zylinder eines Ottomotors wird durch einen Funken der Zündkerze zur Explosion gebracht. Dazu wird der Unterbrecher geöffnet. Begründen Sie das Zustandekommen der Hochspannung an den Elektroden der Zündkerze. Abschlussprüfung 2016 an den Realschulen in Bayern Gesamtprüfungsdauer 120 Minuten Physik Haupttermin Atom- und Kernphysik 3.1.0 1938 wollten die Chemiker Otto Hahn und Fritz Strassmann sowie die Physikerin Lise Meitner schwere Isotope künstlich erzeugen. Dazu beschossen sie reines Uran-235 mit thermischen Neutronen. Otto Hahn (1879 - 1968) Fritz Strassmann (1902 - 1980) B3 Lise Meitner (1878 - 1968) Zu ihrer Verwunderung entdeckten sie die Spaltung des Urankerns in Barium-144 und Krypton-89. 3.1.1 Formulieren Sie für diesen Prozess die vollständige Kernreaktionsgleichung. 3.1.2 Was versteht man unter thermischen Neutronen? 3.1.3 In Atomkernen wirken elektrische Kräfte und Kernkräfte. Vergleichen Sie beide Kraftarten hinsichtlich Reichweite und Wirkung. 3.2 Die Neptunium-Reihe ist die natürliche Zerfallsreihe von Neptunium-237. Als ihr Endnuklid wurde lange Zeit fälschlicherweise Bismut-209 angesehen. Im Jahr 2003 wurde jedoch entdeckt, dass dieses Nuklid nicht stabil ist und in Thallium-205 zerfällt. Bestimmen Sie durch Rechnung die Anzahl der α- und β-Zerfälle für die vollständige Zerfallsreihe. 3.3.0 In vereinzelten Regionen der Erde ist das Trinkwasser radioaktiv belastet. Einen wesentlichen Anteil hat dabei Radon-222 und seine Zerfallsprodukte. Dazu gehört auch Blei-210 mit einer Halbwertszeit von 22,3 Jahren. 3.3.1 Geben Sie den Aufbau von Blei-210 an. 3.3.2 Ein radioaktives Isotop geht durch vier radioaktive Zerfälle in Blei-210 über (Reihenfolge: α-β-β-α). Stellen Sie die angegebene Zerfallsreihe in einem A-Z-Diagramm dar und geben Sie das Ausgangsisotop an. 3.3.3 In einer bestimmten Region wurde für Blei-210 die effektive Dosis von 0,1 mSv pro Jahr festgelegt, die nicht überschritten werden darf. Die Strahlenbelastung von Trinkwasser entspricht einem Wert von 1,4 · 10–7 Sv pro Liter. Berechnen Sie die jährlich aufgenommene Trinkwassermenge, bei der der biologische Grenzwert noch eingehalten wird. Abschlussprüfung 2016 an den Realschulen in Bayern Gesamtprüfungsdauer 120 Minuten Physik Haupttermin Energie B4 4.1.0 Ein Einfamilienhaus mit 120 m2 Wohnfläche hat für die Heizung und die Warmwasserbereitung einen jährlichen Energiebedarf von 78 kWh pro Quadratmeter. 4.1.1 Zum Heizen und zur Warmwasserbereitung wird ein Heizkessel (η = 0,92) für Holzpellets verwendet. Berechnen Sie die für ein Jahr benötigte Masse an Holzpellets. MJ ) (Heizwert der Holzpellets: 17,3 kg 4.1.2 Begründen Sie, warum Heizen mit Holz im Gegensatz zum Heizen mit Öl als CO2neutral bezeichnet wird. 4.2.0 Zur Warmwasserbereitung werden vermehrt Solarthermieanlagen eingesetzt. 4.2.1 Nebenstehende Schnittzeichnung zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Sonnenkollektors. Benennen Sie die nummerierten Bauteile und beschreiben Sie die Funktionsweise des Sonnenkollektors. 4.2.2 In den Monaten April bis September soll die Warmwasserbereitung vollständig von einer Solarthermieanlage (η = 0,55) auf dem Dach eines Hauses übernommen werden. Für Warmwasser werden im Monat 225 kWh Energie benötigt. Berechnen Sie mithilfe des Diagramms die mindestens benötigte Fläche der Sonnenkollektoren. Abschlussprüfung 2016 an den Realschulen in Bayern Physik Lösungsvorschlag Aufgabengruppe A Aufgabengruppe B Anmerkungen zur Korrektur: Die Bewertung erfolgt durch die jeweilige Lehrkraft in eigener pädagogischer Verantwortung (Art. 52 BayEUG). · Die Korrektur erfolgt nach eigenem Lösungsmuster entsprechend dem gehaltenen Unterricht. Die beiliegende Lösung stellt einen Vorschlag dar. · Die Verteilung der Punkte soll in der den Schülern bekannten Art und Weise erfolgen. Dabei ist es nicht erforderlich, dass die vier gewählten Aufgaben gleich gewichtet werden. · Der Notenschlüssel soll linear sein. · Bei Diagrammen sind Maßstab, Genauigkeit und richtige Achsenwahl zu bewerten. Zeitlicher Aufwand und Sauberkeit bei der Diagrammerstellung sollten angemessen berücksichtigt werden. · Informationen, die der Formelsammlung entnommen wurden, sollen im Allgemeinen nicht bewertet werden, es sei denn, die Zuordnung entsprechender Informationen zu einer Aufgabenstellung ist eine für die Bewertung relevante Eigenleistung. · Zu jeder Aufgabe ist eine Zuordnung zu den Bildungsstandards für den Mittleren Schulabschluss angegeben. Da für jede Aufgabe Fachwissen erforderlich ist, werden nur die Kompetenzbereiche E: Erkenntnisgewinnung, K: Kommunikation, B: Bewertung ausgewiesen. Fachwissen Matrix I Anforderungsbereich II III Wissen wiedergeben Wissen anwenden Wissen transferieren und verknüpfen Fakten und einfache physikalische Sachverhalte reproduzieren. Physikalisches Wissen in einfachen Kontexten anwenden, einfache Sachverhalte identifizieren und nutzen, Wissen auf teilweise unbekannte Kontexte anwenden, geeignete Sachverhalte auswählen. Erkenntnisgewinnung Kommunikation Bewertung Kompetenzbereich Analogien benennen. Fachmethoden beschreiben Fachmethoden nutzen Fachmethoden problembezogen auswählen und anwenden Physikalische Arbeitsweisen, insb. experimentelle, nachvollziehen bzw. beschreiben. Strategien zur Lösung von Aufgaben nutzen, Unterschiedliche Fachmethoden, auch einfaches Experimentieren und Mathematisieren, kombiniert und zielgerichtet auswählen und einsetzen, einfache Experimente planen und durchführen, Wissen nach Anleitung erschließen. Wissen selbstständig erwerben. Mit vorgegebenen Darstellungsformen arbeiten Geeignete Darstellungsformen nutzen Darstellungsformen selbständig auswählen und nutzen Einfache Sachverhalte in Wort und Schrift oder einer anderen vorgegebenen Form unter Anleitung darstellen, Sachverhalte fachsprachlich und strukturiert darstellen, Darstellungsformen sachund adressatengerecht auswählen, anwenden und reflektieren, sachbezogene Fragen stellen. auf Beiträge anderer sachgerecht eingehen, Aussagen sachlich begründen. auf angemessenem Niveau begrenzte Themen diskutieren. Vorgegebene Bewertungen nachvollziehen Vorgegebene Bewertungen beurteilen und kommentieren Eigene Bewertungen vornehmen Auswirkungen physikalischer Erkenntnisse benennen, Den Aspektcharakter physikalischer Betrachtungen aufzeigen, Die Bedeutung physikalischer Kenntnisse beurteilen, einfache, auch technische Kontexte aus physikalischer Sicht erläutern. zwischen physikalischen und anderen Komponenten einer Bewertung unterscheiden. physikalische Erkenntnisse als Basis für die Bewertung eines Sachverhalts nutzen, Phänomene in einen physikalischen Kontext einordnen. Abschlussprüfung 2016 an den Realschulen in Bayern Physik Lösungsvorschlag Elektrizitätslehre I Haupttermin A1 Lösungen entsprechend dem Unterricht 1.1.1 I A in U V 0,18 0,19 0,18 0,18 0,18 0,17 K 0,18 I = konstant Þ I : U (d. h. es gilt das ohmsche Gesetz) U 1.1.2 R= 1 G R= 1 0,18 S R = 5,6 W r= R ×A l r= 5,6 W × 0,196 mm² 13,5 m r = 0, 081 E W × mm² m Es handelt sich um einen Messingdraht. 1.1.3 1.2.1 Kennlinie: I= UV I Pzu = U × I h= 1.2.3 Erklärung: K · Die Erhöhung der Spannung bewirkt, dass an den Lei- K tungselektronen eine größere elektrische Arbeit verrichtet wird und damit ihre Driftgeschwindigkeit steigt. · Die Leitungselektronen übertragen durch Wechselwirkungen mit den um ihre Gitterplätze schwingenden Atomrümpfen mehr Energie auf diese. · Diese Energiezufuhr bewirkt, dass die Schwingungen der Atomrümpfe stärker werden. · Die Wechselwirkungen zwischen den Leitungselektronen und den Atomrümpfen werden damit zahlreicher (wegen der Temperaturerhöhung) und stärker (wegen der Erhöhung der Spannung). · Die Driftbewegung der Elektronen wird stärker behindert. Somit nimmt die Stromstärke mit steigender Spannung weniger stark zu. PL UL RV = 1.2.2 1.1.4 Pnutz Pzu I= 40 W 110 V RV = 230 V - 110 V 0,36 A Pzu = 230 V × 0,36 A h= 40 W 83 W I = 0,36 A E R V = 0,33 kW Pzu = 83 W E h = 0, 48 Beobachtung: Die Lampe leuchtet schwächer. Begründung: · Beim Verstellen des Schiebers nach rechts wird der Vorwiderstand größer. · Die Teilspannung am Vorwiderstand wird größer, die an der Lampe geringer. · Der Gesamtwiderstand steigt, die Stromstärke nimmt ab. K E Abschlussprüfung 2016 an den Realschulen in Bayern Physik Lösungsvorschlag Elektrizitätslehre II Haupttermin A2 Lösungen entsprechend dem Unterricht · 2.1.1 · · Die Wechselspannung an der Primärspule in der Ladeplatte bewirkt einen Wechsel- K E strom, dessen Stärke und Richtung sich periodisch ändern. Das sich daraus resultierende zeitlich ändernde Magnetfeld in der Primärspule durchsetzt auch die Sekundärspule, so dass an dieser eine Wechselspannung gleicher Frequenz induziert wird. Der Sekundärstrom wird gleichgerichtet und zum Aufladen des Akkus verwendet. 2.1.2 Mögliche Ursachen: · Magnetfeldstreuung wegen fehlendem gemeinsamen Eisenkern · Magnetfeldstreuung wegen des Abstands zwischen den beiden Spulen · Magnetfeldstreuung wegen möglicher ungenauer Parkposition · Erwärmung der Spulendrähte 2.1.3 · · 2.2.1 Schaltskizze: K 2.2.2 Transformator 1: E induktives Kochfeld am Herd Bremssystem beim ICE Ps = h × Pp Is = B Ps Us Ps = 0,950 × 15,0 MW Is = 14,3 MW 110 kV Ps = 14,3 MW Is = 130 A Fernleitung: U Fern = R × Is U Fern = 16,0 W × 130 A U Fern = 2,08 kV 2.2.3 PFern = R × I s 2 PFern = 16, 0 W × (130 A) 2 PFern = 270 kW 2.2.4 Transformator 2: Ps = h × Pp 2.2.5 hgesamt = Ps Pp E Ps = 0,950 × (14,3 MW - 0, 270 MW) hgesamt = 13,3 MW 15,0 MW Ps = 13,3 MW hgesamt = 0,887 E Abschlussprüfung 2016 an den Realschulen in Bayern Physik Lösungsvorschlag Atom- und Kernphysik Haupttermin A3 Lösungen entsprechend dem Unterricht 3.1.1 59 27 Co + 01 n ¾¾ ® 60 27 Co K 3.1.2 60 27 60 Co ¾¾ ® 28 Ni + -01 e + g K 3.1.3 Abschirmbarkeit 3.1.4 β-Strahlung bereits durch ca. 5 mm dicke Aluminiumplatten log 0,5 durch dicke Bleiplatten Reichweite in Luft ca. ein Meter mehrere Meter Ladung einfach negativ ungeladen Ablenkbarkeit durch magnetische und elektrische Querfelder nein t T= g-Strahlung N(t) N0 T= 17, 6 a log 0,5 0,10 E T = 5,3 a 3.1.5 K E Nach 20 Jahren sind noch ca. 0,2 kg Kobalt-60 vorhanden. 3.2.1 E = D×m E = 1,7 × 10-5 Gy × 78 kg E = 1,3 ×10-3 J 3.2.2 H = q×D H = 5 ×1,7 ×10-5 Sv H = 8,5 ×10-5 Sv 3.2.3 Durch folgende Maßnahmen lässt sich eine Strahlenbelastung verringern: Abstand vergrößern, Abschirmung verstärken, Aufenthaltsdauer verkürzen, Aktivität verkleinern, Aufnahme vermeiden. Abschlussprüfung 2016 an den Realschulen in Bayern Lösungsvorschlag Physik Haupttermin Energie A4 Lösungen entsprechend dem Unterricht 4.1.1 4.1.2 4.2.1 4.2.2 benötigte Energie pro Jahr: E = 0,95 kW × 1,75 h × 52 × 3 Kosten K: K = 0, 26 × 103 kWh × 0, 25 € kWh K = 65 € Energieumwandlungskette: Verbrennung der Kohle ¾¾¾¾® innere Energie der Verbrennungsgase ¾¾¾® ¾Turbine ¾ ¾® Rotationsenergie der Turbine ¾Generator ¾ ¾¾ ® elektrische Energie Wärmetauscher benötigte Energie pro E Jahr = 0, 26 MWh × 40 ×106 × 0, 40 Jahr für alle Trockner: t= E K chemische Energie der Kohle Laufzeit: 4.2.3 E = 0,26 MWh 4, 2 × 106 MWh 2,1 GW innere und mechanische Energie des Wasserdampfs E Jahr = 4, 2 ×106 MWh t = 83 d nicht benötigte Energie: E Spar = 2,1 × 10 6 MWh 2,1 ×109 × 3,6 MJ MJ 19,6 × 0, 432 kg eingesparte Braunkohle: m Kohle = eingesparte CO2-Emission: m CO2 = 2,1 × 109 kWh × 0, 41 E mKohle = 8,93 ×108 kg kg kWh m CO 2 = 8, 6 × 10 8 kg E Abschlussprüfung 2016 an den Realschulen in Bayern Physik Lösungsvorschlag Elektrizitätslehre I Haupttermin B1 Lösungen entsprechend dem Unterricht 1.1.1 Schaltskizze: 1.1.2 Diagramm: K K E 1.1.3 1.2.1 1.2.2 Es könnte sich z. B. um Germanium oder Graphit handeln. I= Q t E Der Widerstand nimmt mit steigender Spannung ab. I= 2000 mAh 10 × 365 × 24 h I = 23 mA Mit steigender Temperatur sinkt der Widerstand des Heißleiters. K Erklärung: · Wird der Heißleiter erwärmt, so lösen sich zusätzliche Elektronen aus den Elektronenpaarbindungen. · Somit erhöht sich die Anzahl der freien Elektronen, die für die Driftbewegung zur Verfügung stehen. · Die Stromstärke steigt also mit zunehmender Temperatur und damit nimmt der elektrische Widerstand ab. 1.2.3 aus dem Diagramm: R 20° C = 270 kW E K R = 0, 20 × R 20° C R = 54 kW aus dem Diagramm: Die Auslösetemperatur liegt bei ca. 60 °C . (Abweichungen im Rahmen der Messgenauigkeit sind zulässig.) 1.3 Ui = R i × I RA = UB I PA = U B × I U i = 0, 030 W × 120 A U i = 3,6 V U B = 12,0 V - 3,6 V U B = 8, 4 V RA = 8, 4 V 120 A PA = 8, 4 V × 120 A R A = 0,070 W PA = 1,0 kW E Abschlussprüfung 2016 an den Realschulen in Bayern Physik Lösungsvorschlag Haupttermin Elektrizitätslehre II B2 Lösungen entsprechend dem Unterricht 2.1.1 Pth = R × I 2 Pth = 2, 2 W × (12, 4 A) 2 Pth = 0,34 kW E 2.1.2 Pzu = U × I Pzu = 230 V × 12, 4 A Pzu = 2,85 kW E Pp = Pzu - Pth Pp = 2,85 kW - 0,34 kW Pp = 2,51 kW Ps = h× Pp Ps = 0,80 × 2,51 kW Ps = 2,0 kW 2.1.3 Is = Ps Us Is = 2,0 kW 18 V I s = 0,11 kA 2.1.4 mögliche bauliche Unterschiede: · Die Windungszahl der Sekundärspule ist viel kleiner als die der Primärspule. · Wegen der hohen Stromstärken in der Sekundärspule verwendet man dort dickere Spulendrähte. 2.1.5 mögliche Ursachen: · Erwärmung der Spulendrähte aufgrund des ohmschen Widerstandes · Erwärmung des Eisenkerns aufgrund von Wirbelströmen · Erwärmung des Eisenkerns aufgrund ständiger Ummagnetisierungen · nicht nutzbare Energie durch magnetische Streufelder 2.2 · · · · K Gleichspannung der Autobatterie verursacht Gleichstrom im Primärstromkreis. Wenn der Unterbrecher den Primärstromkreis unterbricht, kommt es zum abrupten Zu- E sammenbruch des Magnetfeldes in der Primärspule. Diese starke Magnetfeldänderung wird durch den geschlossenen Eisenkern auf die Sekundärspule übertragen. In der Sekundärspule entsteht deshalb kurzzeitig eine Induktionsspannung, die aufgrund der viel höheren Windungszahl der Sekundärspule deutlich höher als die 12 V auf der Primärseite ist. Abschlussprüfung 2016 an den Realschulen in Bayern Physik Lösungsvorschlag Atom- und Kernphysik Haupttermin B3 Lösungen entsprechend dem Unterricht 3.1.1 235 92 3.1.2 Thermische Neutronen sind langsame Neutronen (nicht im Kern gebunden). 3.1.3 Reichweite Wirkung 3.2 K 89 1 U + 01 n ¾¾ ® 144 56 Ba + 36 Kr + 3 × 0 n Kernkräfte sehr gering (nur auf benachbarte Nukleonen) stark anziehend zwischen allen Nukleonen (Protonen, Neutronen) elektrische Kräfte größer als bei Kernkräften abstoßend nur zwischen Protonen Abnahme der Nukleonenzahl: 237 – 205 = 32 Anzahl der α-Zerfälle: 32 : 4 = 8 Abnahme der Kernladungszahl bei acht α-Zerfällen: 8 · 2 = 16 E Die Kernladungszahl nimmt nur um 12 ab. Anzahl an β-Zerfällen: 16 – 12 = 4 3.3.1 Aufbau von 210 82 Pb : 82 Protonen und 128 Neutronen im Kern 82 Elektronen in der Hülle. 3.3.2 Diagramm: 3.3.3 Wasservolumen pro Jahr: Das Ausgangsisotop ist Polonium-218. V= 0,1 × 10-3 Sv Sv 1, 4 × 10-7 l K E V = 7 hl Abschlussprüfung 2016 an den Realschulen in Bayern Lösungsvorschlag Physik Haupttermin Energie B4 Lösungen entsprechend dem Unterricht 4.1.1 genutzte Energie pro Jahr: E E nutz = 78 kWh × 120 m 2 2 m E nutz = 9, 4 MWh zugeführte Energie pro Jahr: Ezu = Enutz h E zu = 9, 4 MWh 0,92 E zu = 10 MWh benötigte Masse an Pellets: E zu m= Heizwert 4.1.2 · · 4.2.1 1 2 m= 10 × 3,6 ×103 MJ MJ 17,3 kg m = 2,1 t Die CO2-Emission beim Verbrennen von Holz wird beim Holzwachstum wieder ent- B sprechend gespeichert (Kreislauf im Durchschnitt weniger als 100 Jahre). Im Gegensatz dazu wurde das im Öl gebundene CO2 über einen Zeitraum von mehreren Millionen Jahren gespeichert und wird in einem sehr kurzen Zeitraum freigesetzt. Glasplatte Absorber 3 4 Metallrohre (mit Wärmeträgerflüssigkeit) Isolation K Funktionsweise: · Sonneneinstrahlung durchdringt nahezu ungehindert die Glasabdeckung des Kollektors und wird vom Absorber aufgenommen. · Die vom Absorber emittierte Wärmestrahlung wird von der Glasplatte (nahezu vollständig) reflektiert. · Dadurch wird, zusammen mit der Isolierung, die (unerwünschte) Wärmeabgabe an die Umgebung verhindert. · Über Wärmeleitung wird die Wärmeträgerflüssigkeit erwärmt. 4.2.2 benötigte Strahlungsenergie pro Monat: Ezu = Enutz h E zu = 225 kWh 0,55 E E zu = 0, 41 MWh Auswahl des Monats mit der geringsten Strahlungsenergie im Zeitraum: April benötigte Fläche: A= 0,41 MWh kWh 140 2 m A = 2,9 m2