Physik

Ministerium für Bildung, Jugend und Sport
Zentrale schriftliche Abiturprüfung
2007
Physik
Grundkurs
Teil A (Wahl für Lehrkräfte)
für Prüflinge
Aufgabenstellung A1
Thema/Inhalt:
Elektrische Felder von Kondensatoren
Hilfsmittel:
Nachschlagewerk zur Rechtschreibung der deutschen
Sprache, nicht programmierbarer und nicht grafikfähiger
Taschenrechner, an der Schule eingeführtes Tafelwerk/Formelsammlung
Anordnung zur Aufnahme der Entladekurve eines Kondensators:
• Elektrolytkondensator,
C = _______ µF
• Widerstand,
R = _______ kΩ
• Gleichspannungsquelle, Umschalter, Verbindungsleiter, Spannungsmesser, Strommesser, Stoppuhr
Gesamtbearbeitungszeit:
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3 Zeitstunden
Physik
Grundkurs
07_Ph_A_G_A1_1-neu.doc
Land Brandenburg
Aufgaben
1.1
An einem luftgefüllten Kondensator mit quadratischen
Platten (a = 30 cm) wurden entsprechend der dargestellten Versuchsanordnung die folgenden verschiedenen Plattenabstände d eingestellt.
d in cm 0,5
1,0
1,5
2,0
3,0
Bei einem Plattenabstand von 0,5 cm konnte die Spannung U = 40 V gemessen werden. Der Kondensator
war bei den folgenden Plattenabständen von der Spannungsquelle getrennt.
V
a
d
1.1.1
1.1.2
Berechnen Sie die Ladung des Kondensators.
Stellen Sie die Kapazität des Kondensators in Abhängigkeit vom Plattenabstand für
0,5 cm < d < 3,0 cm auf der Grundlage der Wertetabelle grafisch dar.
Erklären und begründen Sie am Beispiel der Erhöhung des Plattenabstands von
0,5 cm auf 2 cm, wie sich die beim Versuch bedeutsamen Größen U und Eel verhalten.
1.2
Schülerexperiment:
Führen Sie eine experimentelle Untersuchung zum Entladevorgang eines Kondensators aus. Ihnen stehen für das Experiment die auf dem Deckblatt angeführten
Hilfsmittel zur Verfügung. Von Ihrem Betreuer erhalten Sie die konkreten Vorgaben
für Kondensator und Widerstand:
C = ______ µF, R = _______ kΩ
1.2.1
Zeichnen Sie einen Schaltplan für den notwendigen Versuchsaufbau. Dabei wird
der Kondensator an der Spannungsquelle direkt aufgeladen und dann nach Betätigen des Umschalters über den Widerstand entladen.
1.2.2
Messen Sie die Spannung am vollständig geladenen Kondensator. Nehmen Sie
während zwei Minuten mindestens 10 Messwertepaare auf, die das zeitliche Verhalten der Entladestromstärke widerspiegeln.
Gelingt das Experiment nicht, können Sie Ersatzmesswerte anfordern. Die Punkte
für den experimentellen Teil werden dann nicht erteilt.
Stellen Sie das I(t) – Diagramm vom Beginn des Entladevorgangs an dar.
Beschreiben Sie den Graphen und begründen Sie dessen Verlauf.
Während des Entladens änderte sich die im Kondensator gespeicherte elektrische
Energie.
Ermitteln Sie aus dem Graphen den Zeitpunkt, an dem sich die Entladestromstärke
halbiert hatte, und berechnen Sie die zu dieser Zeit noch im Kondensator gespeicherte Energie.
1.2.3
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Zentrale schriftliche Abiturprüfung
2007
Physik
Grundkurs
Teil A (Wahl für Lehrkräfte)
für Prüflinge
Aufgabenstellung A2
Thema/Inhalt:
Mechanik
Hilfsmittel:
Nachschlagewerk zur Rechtschreibung der deutschen
Sprache, nicht programmierbarer und nicht grafikfähiger
Taschenrechner, an der Schule eingeführtes Tafelwerk/Formelsammlung
Gesamtbearbeitungszeit:
3 Zeitstunden
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Grundkurs
07_Ph_A_G_A2_1.doc
Land Brandenburg
1
Die Abbildung zeigt das Ergebnis der Simulation eines Beschleunigungsvorganges,
wobei der Gleiter G und der Körper K hier in ihrer Ausgangslage dargestellt sind.
Dem Gleiter wird eine Masse mG = 200 g zugeordnet. Der Körper K ist fest mit der
Feder verbunden und seine Masse beträgt mK = 10 g.
Aufgaben
1.1
1.1.1
1.1.2
1.1.3
1.2
1.2.1
1.2.2
Im Versuch sind alle Bewegungen als reibungsfrei betrachtet.
Beschreiben Sie die innerhalb der ersten 0,3 s nach dem Start ablaufenden Bewegungsvorgänge anhand geeigneter physikalischer Größen. Gehen Sie dabei auch
auf energetische Aspekte ein.
Ermitteln Sie die Länge der ungespannten Feder.
Berechnen Sie mit Hilfe eines Energieansatzes deren Federkonstante.
Nach dem Verlassen der Ebene E1 bewegt sich der Körper G entsprechend eines
waagerechten Wurfs und landet auf einer 30 cm tiefer gelegenen waagerechten
Ebene.
Erklären Sie, wie diese Wurfbewegung entsteht.
Bestimmen Sie die maximale Wurfweite für G.
Zeichnen Sie auf der Grundlage einer Wertetabelle das sx(sy)-Diagramm für die
Wurfbewegung.
In einer zweiten Simulation wirkt nun zwischen G und der Ebene E1 Reibung,
woraufhin sich das im Anhang dargestellte Diagramm ergibt. Näherungsweise wird
hierbei eine gleichmäßig verzögerte Bewegung angenommen.
Berechnen Sie die Länge sE1 der Ebene E1 mit Hilfe der Anfangs- und Endgeschwindigkeit von G auf E1.
Leiten Sie die benötigte Gleichung zuvor aus den
zur Kontrolle: sE1 = 0,47 m
allgemeinen Bewegungsgesetzen her.
Wie groß ist die auf E1 auftretende Reibungszahl?
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Grundkurs
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Land Brandenburg
Anhang
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Grundkurs
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Ministerium für Bildung, Jugend und Sport
Zentrale schriftliche Abiturprüfung
2007
Physik
Grundkurs
für Prüflinge
Teil B (Wahl für Prüflinge)
Aufgabenstellung B
Hilfsmittel:
Nachschlagewerk zur Rechtschreibung der deutschen
Sprache, nicht programmierbarer und nicht grafikfähiger
Taschenrechner, an der Schule eingeführtes Tafelwerk/Formelsammlung
Wahlthemen
Aufgabenstellung B1
Thema/Inhalt:
Elektromagnetische Induktion – Wechselstrom
oder
Aufgabenstellung B2
Thema/Inhalt:
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Klassische Beschreibung des Lichtes
Physik
Grundkurs
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Land Brandenburg
Aufgabenstellung B1:
Elektromagnetische Induktion – Wechselstrom
Aufgaben
2.1
Formulieren Sie begründete Aussagen zu:
• dem Entstehen einer Induktionsspannung in einer Spule,
• den Größen, die die Induktionsspannung beeinflussen und
• der Polarität der Induktionsspannung.
2.2
In dem Diagramm ist der magnetische Fluss Φ in der Umgebung einer Spule
(µr = 1) mit einer Windungszahl von 125 Windungen in Abhängigkeit von der Zeit
dargestellt.
Φ
in 10 -6 Vs
0,4
0
2
4
6
8
10
12
14
16
t in ms
-0,4
2.2.1
Berechnen Sie die Induktionsspannungen in den einzelnen Abschnitten.
2.2.2
Zeichnen Sie die grafische Darstellung Uind = f(t) für 0 ≤ t ≤ 16 ms .
2.2.3 Erläutern Sie, welche Auswirkung die Verwendung eines Eisenkerns mit µr = 200 in
der Spule auf die Induktionsspannungen hat. Begründen Sie.
2.3
Wechselstromgeneratoren dienen der Erzeugung von Wechselspannung.
2.3.1 Nennen Sie die wesentlichen Bauteile von Wechselstromgeneratoren und erläutern
Sie das Entstehen einer Wechselspannung.
2.3.2 Für die Drehung einer Leiterschleife im Magnetfeld gilt: UIND = B ⋅ A ⋅ ω ⋅ sin(ω⋅t).
Erläutern Sie mit Hilfe dieser Gleichung, wie man in der Praxis möglichst große
Spannungen erreichen kann.
2.3.3 Der Wechselstromgenerator eines Notstromaggregates hat eine Drehzahl von
3000 min–1, ein Magnetfeld mit einer Flussdichte von 414 mT und die Rotorspule
hat eine wirksame Fläche von 50 cm2 und 500 Windungen.
Ermitteln Sie den Maximalwert und den Effektivwert der Spannung dieses Notstromaggregates.
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Grundkurs
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Land Brandenburg
Aufgabenstellung B2:
3
Klassische Beschreibung des Lichtes
Das Licht von 3 Leuchtdioden (LED) wird mit Hilfe eines optischen Gitters (500 Linien je mm) analysiert. Auszüge aus dem auf einem
30,0 cm von der Gitterebene entfernten Bildschirm
(1)
entstehenden Bild sind für die LED-1 (Abbildung 2)
und LED-2 (Abbildung 3) im Originalmaßstab skiz(2)
ziert. Das von LED-3 emittierte Licht besitzt nach
Herstellerangaben eine Wellenlänge von 470 nm.
Das scharfe Bild der LED in der Originalfotografie
(Abbildung 1) zeigt den Bereich der Ausleuchtung
(3)
(1), den Chip der eigentlichen Lichterzeugung (2)
und die elektrische Kontaktfläche für einen der Anschlüsse (3).
Abbildung 1
Abbildung 2
Abbildung 3
Aufgaben
3.1
Fertigen Sie eine beschriftete Skizze des Versuchsaufbaus an.
Erläutern Sie das experimentelle Vorgehen zur Gewinnung des Bildes für Abbildung 2.
Erklären Sie mit dem Wellenmodell die Funktion des optischen Gitters.
3.2
Berechnen Sie für LED-1 den Winkel α1, unter dem das Maximum 1. Ordnung bezüglich der optischen Achse zu beobachten ist.
Ermitteln Sie die Frequenzen des von den Leuchtdioden jeweils emittierten Lichtes.
3.3
Das Spektrum der LED-3 wird auf dem 60 cm breiten mittig zur optischen Achse
aufgestellten Bildschirm erzeugt.
Stellen Sie das dort zu beobachtende Spektrum im Maßstab 1:5 grafisch dar.
Hinweis: Es reicht aus, jeweils das Zentrum des LED-Bildes zu markieren.
3.4
Bei so genannten Full-COLOR-RGB-Leuchtdioden sind die Chip-Materialien der
betrachteten drei LED sehr dicht nebeneinander in einem Gehäuse angeordnet.
Für jeden Bereich des Chips lässt sich die Spannung unabhängig ändern. Bei geeigneten Spannungen kann man sämtliche Farben des sichtbaren Lichtes wahrnehmen, zusätzlich auch weißes Licht.
Erläutern Sie, wie das möglich ist.
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