Zur Abiturvorbereitung

Zur Abiturvorbereitung
Für das schriftliche Abitur stellt das Ministerium drei Aufgaben, von denen ich zwei
auswählen muss. Diese beiden Aufgaben sind dann in 180 Minuten zu bearbeiten.
Die erreichbaren Bewertungseinheiten sind für die einzelnen Teilaufgaben angegebene,
maximal sind 100 BE zu erreichen.
Die Bewertungseinheiten können auch bei der Zeiteinteilung helfen. Rechnet man
1½ Minuten für eine Bewertungseinheit, so bleibt noch eine halbe Stunde zum Nachdenken
und für Fehlersuche. Außerdem sollte man einkalkulieren, dass das Arbeitstempo im Lauf
der drei Stunden etwas nachlässt.
Der Lehrplan wird von unserem Physikbuch vollständig abgedeckt. Nicht mehr im Lehrplan
enthalten sind folgende Lerninhalte:
Alte Ausgabe: 3.4
Das radialsymmetrische Gravitationsfeld
3.5
Verschiebungsarbeit und potentielle Energie im Gravitationsfeld
3.6.4- 3.6.6 Energie eines Satelliten
Neue Ausgabe: 7
Eine Durchsicht der Abituraufgaben der letzten Jahre zeigt, dass folgende Modelle und
Experimente zum "aktiven Wissensschatz" gehören sollten:
Luftkissenfahrbahnversuche
Versuch zur Messung der Fallbeschleunigung
Gravitationsdrehwaage
Stoß (elastisch, unelastisch)
Versuch zur Bestimmung von 0
Coulomb'sche Drehwaage
Elektrofeldmeter
Flammensonde
Braun'sche Röhre
Millikanversuch
Leiterschaukel
Stromwaage
Hallsonde
Fadenstrahlrohr
Geschwindigkeitsfilter
Induktionsversuche: Bewegung eines geraden Leiters
Flächenänderung
Flussdichteänderung (linear und sinusförmig)
Drehung einer Spule im homogenen Magnetfeld
Versuche zur Lenz'schen Regel (Ringversuch, Waltenhoff'sches Pendel)
Versuch zur Selbstinduktion
Ein- und Ausschaltvorgänge
Federpendel, Flüssigkeitspendel, Fadenpendel
Wechselstromwiderstände
Experiment zum Nachweis der Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung
Außerdem müssen die verschiedenen Techniken zur Auswertung von Messreihen beherrscht
werden.
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Fragenkatalog zur Abiturvorbereitung
Mechanik
Erklären Sie, weshalb ein Astronaut in einer antriebslos fliegenden Raumkapsel schwerelos
ist.
Beschreiben Sie kurz, wie man die Momentangeschwindigkeit messen kann.
Stoß
Zeigen Sie allgemein, dass bei einem zentralen Stoß zweier Massen aus den Stoßgesetzen
folgt:
m v  m2 v2
bei einem vollkommen unelastischen Stoß: u  1 1
m1  m 2
bei einem vollkommen elastischen Stoß gegen eine ruhende Masse m2: u 2 
2  m1
 v1
m1  m 2
Erklären Sie, was man unter einem zentralen Stoß versteht.
Wie kann man zeigen, dass ein Stoß nicht vollkommen elastisch, aber auch nicht vollkommen
unelastische erfolgt ist?
Erläutern Sie, was man unter einem vollkommen unelastischen Stoß versteht.
Gravitation
Beschreiben Sie einen Versuch, mit dem die Gravitationskonstante experimentell bestimmt
werden kann.
Beschreiben Sie anhand einer Skizze einen Versuch, mit dem die Gravitationskraft zwischen
zwei Körpern der Masse m1 und m2 experimentell bestimmt werden kann.
Zeigen Sie mit Hilfe des Gravitationsgesetzes, dass für die Konstante C des 3. Kepler’schen
Gesetzes gilt:
4  π2
C *
G  m Zentralkörper
Leiten Sie, ausgehend vom Gravitationsgesetz, die Beziehung T²= C·r³ für den Sonderfall her,
dass sich Planeten auf Kreisbahnen mit dem Radius r um die Sonne bewegen.
Kann ein Raumschiff einen Planeten antriebslos auf einer Bahn umkreisen, deren Bahnebene
nicht den Schwerpunkt des Planeten enthält? Begründen Sie Ihre Antwort.
Begründen Sie ohne Rechnung, dass beim antriebslosen Umlauf auf einer Kreisbahn die
Gravitationskraft an einem Raumschiff keine Arbeit verrichtet.
Erläutern Sie den Begriff „geostationärer Satellit“, und erklären Sie, warum die geostationäre
Bahn in der Äquatorebene liegen muss, wenn sich der Satellit antriebslos bewegt.
Schwingungen
Beschreiben Sie mit Worten, wie die Periodendauer T experimentell bestimmt werden kann.
Bestätigen Sie durch eine allgemeine Rechnung, dass eine Flüssigkeit in einem U-Rohr
harmonisch schwingt. Beschreiben Sie, wie die Flüssigkeitssäule zu Schwingungen angeregt
und die Schwingungsdauer gemessen werden kann.
Leiten Sie aus dem linearen Kraftgesetz eine Formel her, mit der sich die Periodendauer der
Schwingung errechnen lässt.
Weisen Sie durch allgemeine Rechnung nach, dass die Gesamtenergie des (horizontalen)
Federpendels während einer Schwingung konstant bleibt.
Weisen Sie anhand eines Kräfteplans nach, dass ein Fadenpendel für kleine Auslenkungen 
harmonisch schwingt und für die Richtgröße D des Fadenpendels gilt:
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mg
l
Bestätigen Sie, dass bei kleinen Auslenkwinkeln für die Periodendauer der Pendelschwingung
gilt:
l
T  2π 
g
Erzwungene Schwingung, Resonanz
Erläutern Sie anhand geeigneter Diagramme und mit Worten, wie die Amplitude und die
Phasendifferenz von der Frequenz des Erregers abhängen.
D
Elektrische Feldkonstante
Beschreiben Sie einen Versuch zur Bestimmung der elektrischen Feldkonstanten 0 und leiten
Sie eine Beziehung zwischen 0 und den zu messenden Größen her.
Plattenkondensator
Beschreiben Sie ein Experiment, mit dem man feststellen kann, welche Platte positiv geladen
ist.
Untersuchen Sie, wie sich Ladung, Spannung, el. Feldstärke, Verschiebungsdichte im
Kondensator ändern, wenn der Plattenabstand bei angeschlossener Spannungsquelle (bei
abgetrennter Spannungsquelle) verdoppelt wird (wenn ein Dieelektrikum eingeschoben wird,
das den Innenraum vollständig ausfüllt).
Die Gleichspannungsquelle wird abgetrennt und der Plattenabstand von d0 auf d1 verändert.
Berechnen Sie allgemein die Änderung des Energieinhalts des el. Felds in Abhängigkeit von
d0 und d1.
Leiten Sie unter Anwendung des Energieerhaltungssatzes die Formel F = 0,5·E·D·A für den
Betrag der Anziehungskraft zwischen den Kondensatorplatten her.
In einem Versuch soll die Kapazität C in Abhängigkeit des Plattenabstands d untersucht
werden. Fertigen Sie eine beschriftete Schaltskizze zu diesem Versuch an. Erläutern Sie die
Durchführung dieses Versuchs und geben Sie an, wie die Kapazität C bestimmt wird.
Der Betrag E der elektrischen Feldstärke soll experimentell bestimmt werden. Zur Verfügung
stehen zwei an Isolierstäben befestigte Aluminiumplättchen mit gleicher Form, ein
ladungsempfindlicher Messverstärker und ein Maßstab. Beschreiben Sie die Durchführung
des Versuchs mit den Influenzplättchen. Geben Sie die zu messenden Größen an. Ermitteln
Sie eine Formel, mit der sich E aus den gemessenen Größen berechnen lässt.
Wie kann man die Influenzplättchen vollständig entladen.
Flammensonde
In einem Versuch soll der Potentialverlauf in einem el. Feld untersucht werden. Zeichnen Sie
eine Schaltskizze zu diesem Versuch.
Erläutern Sie kurz die Aufgabe der Flamme bei der Flammensonde.
Erklären Sie die Funktionsweise der Flammensonde.
Coulomb-Gesetz
Beschreiben Sie anhand einer Skizze einen Versuchsaufbau, mit dem der Betrag der
Coulombkräfte, die zwei kleine, elektrisch geladene Kugeln aufeinander ausüben, bestimmt
werden kann. Erläutern Sie die Funktionsweise der Versuchsanordnung.
In einem Versuch soll der Betrag E der elektrischen Feldstärke von der Ladung Q der Kugel
und von der Entfernung r vom Kugelmittelpunkt untersucht werden. Fertigen Sie eine
beschriftete Skizze des Versuchsaufbaus mit den notwendigen Geräten an.
Millikanversuch
Erklären Sie knapp die "Schwebefeldmethode".
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Skizzieren Sie die Versuchsanordnung mit Polung der Platten, Kräfte, Feldstärke für ein neg.
geladenes Öltröpfchen.
… beschreiben Sie die Durchführung des Öltröpfchenversuchs nach der Schwebemethode.
Erläutern Sie kurz, wie man aufgrund dieser Versuche auf die Existenz einer Elementarladung
schließen konnte.
Leiten Sie eine Formel für die Bestimmung der Ladung des Tröpfchens (... in Abhängigkeit
von Tröpfchenradius r, Plattenabstand d, Kondensatorspannung U, Dichte  ...) her.
Nennen Sie Gründe, die eine exakte Ladungsbestimmung mit der Schwebefeldmethode
erschweren.
Begründen Sie, ob sich das Schweben eines geladenen Öltröpfchens auch mit einem
homogenen Magnetfeld erreichen lässt.
Erläutern Sie die historische Bedeutung des Millikan-Experiments.
Erklären Sie, wie aus den Ergebnissen vieler Versuche auf den quantenhaften Charakter der
elektrischen Ladung von Öltröpfchen geschlossen werden kann, und erläutern Sie dabei den
Begriff Elementarladung.
Halleffekt: Erläutern Sie anhand einer übersichtlichen Skizze den Halleffekt, der an einem
dünnen Silberplättchen zu beobachten ist und begründen Sie qualitativ das Zustandekommen,
der Hallspannung. Gehen Sie dabei insbesondere auf die auftretenden Kräfte ein.
Zeigen Sie mit Hilfe eines geeigneten Kraftansatzes, dass die Hallspannung proportional zu
Flussdichte B des magnetischen Feldes ist, das die Platte durchsetzt. Welche Anwendung
findet dieser Umstand bei Hallsonden?
Hallsonde
Erläutern Sie anhand einer beschrifteten Skizze die Funktionsweise der Hallsonde. Erläutern
Sie dabei auch die auf einen Ladungsträger wirkenden Kräfte.
Zeigen Sie durch allgemeine Herleitung, wie die Hallspannung UH vom Betrag B der
magnetischen Flussdichte abhängt.
Geschwindigkeitsfilter
Erläutern Sie, warum man durch geeignete Wahl der beiden Felder erreichen kann, dass nur
Protonen einer bestimmten Geschwindigkeit den Kondensator geradlinig passieren. Geben Sie
die Richtung der el. Feldstärke und der magn. Flussdichte in einer Skizze an.
Bewegung geladener Teilchen im el. Längsfeld
Nach dem Durchlaufen der Beschleunigungsspannung U besitzt ein Elektron eine
Geschwindigkeit vom Betrag v0. Leiten Sie eine Formel her, die aufzeigt, wie v0 von U
abhängt. Erläutern Si dabei Ihren physikalischen Ansatz mit Worten
Bewegung geladener Teilchen im el. Querfeld
Begründen Sie, auf welcher Bahnkurve sich die Teilchen im el. Querfeld bewegen.
Leiten Sie allgemein die Gleichung der Bahnkurve in einem geeigneten Koordinatensystem
her.
Begründen Sie, dass die Energie der Elektronen nach dem Durchlaufen des el. Querfeldes
zugenommen hat.
Auf welchen Bahnkurven bewegen sich die Elektronen nach dem Verlasen des Kondensators.
Begründen Sie Ihre Antwort.
Erläutern Sie anhand einer Skizze, wie in einer Braun’schen Röhre freie Elektronen erzeugt
und auf eine Geschwindigkeit vom Betrag v0 beschleunigt werden.
Fertigen Sie eine beschriftete Skizze an, welche die wesentlichen Bauteile einer Braun’schen
Röhre enthält.
Erklären Sie die Funktionsweise der Braun’schen Röhre, indem Sie die Funktion der
einzelnen Bauteile und deren Zusammenwirken kurz erläutern.
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Bewegung geladener Teilchen im Magnetfeld
Geladene Teilchen treten senkrecht zu den Feldlinien in ein homogenes Magnetfeld ein.
Begründen Sie, warum der Geschwindigkeitsbetrag konstant bleibt und die Teilchen sich auf
einer Kreisbahn bewegen
Fadenstrahlrohr
Erläutern sie das Entstehen des Elektronenstrahls beim Fadenstrahlrohr.
Weisen Sie durch allgemeine Rechnung nach, dass die Umlaufszeit T eines Elektrons nur
vom Betrag B der magnetischen Flussdichte abhängt.
Induktion
Eine Spule wird durch ein scharf begrenztes, homogenes Magnetfeld bewegt. Erklären Sie,
weshalb ein Induktionsstrom in der Spule nur fließt, während diese in den vom Magnetfeld
erfüllten Raum ein- bzw. austritt. Begründen Sie, weshalb während des Ein- und Austritts
eine Kraft wirkt und geben Sie die Richtung der Kraft an.
Geben Sie in einer Skizze die Kräfte an, die beim Eintauchen (von oben) einer
Induktionsspule in ein homogenes Magnetfeld auf ein Elektron in einem unteren Querleiter
der Spule wirken, wenn Magnetfeld, Leiter und Geschwindigkeit paarweise aufeinander
senkrecht stehen. Leiten Sie ausgehend von einem Kraftansatz eine Formel her, die aufzeigt,
wie U von Ni, B, b, und v abhängt.
In einer langgestreckten Feldspule befindet sich eine koaxiale Induktionsspule. Begründen Sie
ohne Rechnung, dass bei linearem Anstieg der Stromstärke in der Feldspule eine konstante
Spannung in der Induktionsspule induziert wird.
Eine Spule wird im Innern einer Feldspule gedreht. Fertigen Sie eine beschriftete Schaltskizze
des Versuchsaufbaus zur Messung von Ieff, f und Û mit allen notwendigen Geräten an.
Unter Verwendung einer langgestreckten, leeren Feldspule und einer kleinen, flachen
Induktionsspule soll an den Enden der Induktionsspule eine sinusförmige Wechselspannung
erzeugt werden. Beschreiben Sie eine Möglichkeit, mit der dies realisiert werden kann.
Eine Spule wird im Innern einer Feldspule gedreht. Ergibt sich eine Wirkung auf die
Induktionsspule, wenn die Querschnittsflächen beider Spulen senkrecht aufeinander stehen?
Begründung?
Selbstinduktion
Eine Spule wird mit einem ohmschen Widerstand in Reihe geschaltet und mit einer
Spannungsquelle verbunden. Mit einem Oszilloskop wird der zeitliche Verlauf der Spannung
UR(t) am Widerstand beim Einschalten ermittelt. Fertigen Sie eine beschriftete Schaltskizze
an. Erklären Sie, warum man von UR(t) auf den zeitlichen Verlauf des Spulenstroms IL(t)
schließen kann, und erläutern Sie, warum UR(t) seinen Maximalwert erst allmählich erreicht.
Leiten Sie allgemein aus dem Induktionsgesetz die Induktivität einer langgestreckten
luftgefüllten Spule her.
Kapazitiver und induktiver Widerstand, Phasenverschiebung
Ermitteln Sie - ausgehend von U(t) = Û·sin(2··f·t) - eine Gleichung für den zeitlichen
Verlauf der Stromstärke IC im Wechselstromkreis (der Ohmsche Widerstand sei
vernachlässigbar klein). Leiten Sie aus dem Ergebnis ab, dass der kapazitive Widerstand XC
eines Kondensators indirekt proportional zur Frequenz f der angelegten Spannung ist.
Fertigen Sie eine Schaltskizze mit den erforderlichen Messgeräten an und erläutern Sie, wie
man XC damit bestimmen kann.
Leiten Sie aus dem Ergebnis ab, dass der kapazitive Widerstand XC eines Kondensators
indirekt proportional zur Frequenz f der angelegten Spannung ist.
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Fertigen Sie eine Schaltskizze zu einem Versuch an, mit dem die Phasenverschiebung
zwischen UC(t) und IC(t) sichtbar gemacht werden kann. Erläutern Sie die Funktionsweise
dieser Schaltung.
In einem Versuch soll die Abhängigkeit des induktiven Widerstandes XL von der Induktivität
L und der Frequenz f der angelegten sinusförmigen Wechselspannung untersucht werden.
Fertigen Sie eine beschriftete Schaltskizze des Versuchsaufbaus mit allen notwedigen Geräten
an. Beschreiben Sie die Durchführung und die Auswertung des Versuchs. Geben Sie das zu
erwartende Ergebnis an.
Fertigen Sie eine beschriftete Schaltskizze zu einem Versuch, mit dem die
Phasenverschiebung zwischen der Spannung UL an der Spule und der Stromstärke IL sichtbar
gemacht werden kann. Begründen Sie, dass bei Ihrer Schaltung der zeitliche Verlauf von UL
und der von IL dargestellt werden.
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