- am BG/BRG Wieselburg

320026 Bundesgymnasium und Bundesrealgymnasium
3250 Wieselburg, Erlaufpromenade 1
SCHRIFTLICHE REIFEPRÜFUNG aus PHYSIK
Haupttermin 2015/16
8.B-Klasse (Realgymnasium mit ergänzendem Unterricht in BiU, PH sowie CH)
1) Interferenz von zwei harmonischen Schwingungen derselben Schwingungsrichtung
Gegeben sind zwei harmonische Schwingungen mit den Frequenzen f1 und f2 , den Amplituden r1 und r2 und eventuell einem gewissen Phasenunterschied ∆φ.
Erläutere ausführlich die möglichen Ergebnisse der Überlagerung zweier derartiger
Schwingungen für verschiedene Fälle anhand der unten angeführten Beispiele!
Zeichne dazu unter Zuhilfenahme des Taschenrechners TI-Nspire jeweils die Zeit-WegDiagramme der beiden Schwingungen einschließlich ihrer Überlagerungen für 0 ≤ t ≤ 1s !
Achte auf korrekte und vollständige Beschriftung der Diagramme einschließlich der Koordinatenachsen! Für jeden Einzelfall ist eine eigene Zeichnung anzufertigen. Verwende
zur besseren Übersichtlichkeit verschiedene Farben!
a) Die beiden Schwingungen haben dieselbe Frequenz und dieselbe Amplitude aber eine
Phasenverschiebung ∆φ:
r1 = r2 = 2, f1 = f2 = 3 Hz mit (i) ∆φ = 0, (ii) ∆φ = π, (iii) ∆φ = π/2
b) Die beiden Schwingungen haben leicht unterschiedliche Frequenzen, gleiche Amplituden und zum Zeitpunkt t = 0 keinen Phasenunterschied:
r1 = r2 = 2, f1 = 9 Hz, f2 = 10 Hz, ∆φ = 0
2) Experimentelle Bestimmung der Dichte eines Gewebes mittels Laser-Beugung
a) Theoretische Grundlagen: Erkläre den Vorgang der Beugung von Wasser- bzw.
Lichtwellen an einem Doppelspalt anhand der untenstehenden Skizze!
S1
S2
Trage dazu in die obige Skizze (am Angabeblatt) die Bereiche konstruktiver bzw. destruktiver Interferenz ein! Markiere einen beliebigen Punkt P, in dem konstruktive Interferenz eintritt, und zeichne die Abstände dieses Punktes zu den beiden Spaltöffnungen S1 und S2 ein! Gib an, in welcher Beziehung diese Abstände zur Wellenlänge stehen müssen, damit in diesem Punkt konstruktive Interferenz auftritt.
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Bei der Beugung von Licht ist die Entfernung vom Doppelspalt zum Schirm meist wesentlich größer als der Spaltabstand. Leite für diesen Fall aus der obigen Bedingung
eine Formel für den Beugungswinkel zum Beugungsmaximum n-ter Ordnung auf einem weit entfernten Schirm her! Fertige dazu eine eigene Skizze mit ausführlicher Beschriftung an!
Verallgemeinere nun diese Überlegungen auf die Beugung an einem Strichgitter!
b) Experiment:
Material: Stück Stoff eingespannt in einem Dia-Rähmchen, Laser-Pointer (Wellenlänge 630 - 680 nm), Universalklemme zum Befestigen des Laser-Pointers und Fixieren
des Einschaltknopfes, Zeichenkarton als Schirm, Wäscheklammern als Hilfsstative,
Maßband, Schiebelehre, Pultteiler zur behelfsmäßigen Abdunkelung des Arbeitsplatzes
Aufgabenstellung: Plane ein Experiment zur Bestimmung des Fadenabstandes in dem
Gewebe mittels Beugung eines Laser-Strahls! Baue das Experiment auf, führe die nötigen Messungen durch und berechne den Fadenabstand! Beschreibe und erläutere
ausführlich den Versuchsaufbau und deine Beobachtungen! Skizziere den Versuchsaufbau und begründe deine Vorgangsweise!
Führe abschließend eine Fehlerabschätzung durch und gib ein Zuverlässigkeitsintervall für das Endergebnis an!
Hinweise:
Achte darauf, dass der Laser-Strahl nicht in dein Auge oder in das eines deiner Mitschüler/-innen fällt!
Schalte nach Durchführung der Messungen den Laser-Pointer zur Schonung der Batterien gleich wieder aus!
3) LHC im Bleimodus
Der LHC (Large Hadron Collider) des CERN ist der zur Zeit leistungsfähigste Teilchenbeschleuniger der Welt. Die maßgebliche Komponente ist ein Synchrotron in einem
26,7 Kilometer langen unterirdischen Ringtunnel, in dem Protonen oder Blei-Kerne gegenläufig auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und zur Kollision gebracht werden.
a) Skizziere den schematischen Aufbau eines Synchrotrons und erläutere seine Funktionsweise! Gehe dabei auf die wichtigsten Komponenten dieses Beschleunigers ein!
Erkläre, wodurch die Teilchen beschleunigt und wie sie auf ihrer kreisförmigen Bahn
gehalten werden. Nenne Forschungsziele von Teilchenbeschleunigern und beschreibe
mögliche Experimente!
b) Im Bleimodus werden vollständig ionisierte Bleikerne des Isotops ଶ଴଼
଼ଶܾܲ bis zu einer
kinetischen Energie von 2,76 TeV pro Nukleon beschleunigt. Berechne, welcher Teilchengeschwindigkeit diese kinetische Energie entspricht! Gib diese Geschwindigkeit
in % der Lichtgeschwindigkeit an!
c) Berechne, auf das Wievielfache dabei die Masse der Bleikerne ansteigt!
d) Ermittle die magnetische Flussdichte, die die Ablenkmagnete liefern müssen, damit
sich die Bleikerne auf einer Kreisbahn mit einem Umfang von 26,7 km bewegen!
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4) Lichterketten
Anlässlich deiner bestandenen Matura veranstaltest du eine Garten-Party. Zur Beleuchtung verwendest du Lichterketten, die aus jeweils 20 kleinen Glühlämpchen bestehen. Die
Lichterketten werden direkt an die Netzsteckdose (230V) angeschlossen. Wenn man eines
der Lämpchen aus der Fassung schraubt, erlöschen auch alle anderen Lämpchen.
a) Stelle eine Vermutung auf, wie die Lämpchen dieser Lichterketten höchstwahrscheinlich geschaltet sind! Skizziere das entsprechende Schaltbild! Nenne Vor- und Nachteile dieser Art von Schaltung bei Lichterketten!
b) Berechne, welche Spannung im Normalbetrieb an einem einzelnen Lämpchen anliegt.
Beim Wechsel eines defekten Lämpchens liegen die Kontakte in der Lampenfassung
frei und man könnte sie möglicherweise mit den Fingern berühren. Begründe, warum
dies lebensgefährlich wäre!
c) Bei modernen Lichterketten sorgt ein Überbrückungswiderstand dafür, dass die Lichterkette auch bei einer defekten Lampe weiterbrennt. (Siehe untenstehende Abbildung!)
Dieser Überbrückungswiderstand ist ein Heißleiter (NTC). Erkläre, was man darunter
versteht und erläutere in diesem Zusammenhang den Vorgang des Stromtransports in
Halbleitern!
d) Stelle eine Vermutung auf, wie sich dieser Heißleiter bei intakter Glühwendel bzw. bei
durchgebrannter Glühwendel verhalten wird! Begründe ausgehend von dieser Vermutung, warum in der Gebrauchsanweisung empfohlen wird, ein defektes Glühlämpchen
umgehend auszutauschen.
Erlaubte Hilfsmittel:
Physikalische Formelsammlung (Physik-Olympiade, Bernd Stremitzer)
Taschenrechner TI-Nspire CAS
Prof. OStR Mag. Wolfgang Klingenböck, Prüfer für Physik
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