Aufgaben

Sächsisches Staatsministerium
für Kultus
Schuljahr 2006/2007
Geltungsbereich:
- Allgemein bildendes Gymnasium
- Abendgymnasium und Kolleg
- Schulfremde Prüfungsteilnehmer
Schriftliche Abiturprüfung
Leistungskursfach Physik
- E R S T T E R M I N -
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-Algebra-System
- 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 Lieferwagen der Masse 2,5
t wird aus dem Stillstand durch eine konstante
Kraft mit dem Betrag 3,0
kN beschleunigt. Nachdem die Geschwindigkeit
km
72 erreicht ist, fährt der Lieferwagen gleichförmig weiter. Zum Zeitpunkt
h
des Losfahrens befindet sich 45 m hinter dem Lieferwagen ein Pkw, der sich
km
mit der konstanten Geschwindigkeit 54 in die gleiche Richtung bewegt.
h
1.1 Berechnen Sie den Weg, den der Lieferwagen in den ersten 30 Sekunden
nach dem Losfahren zurücklegt.
Erreichbare BE-Anzahl: 3
1.2 Die Bewegung des Lieferwagens wird in den ersten 30 Sekunden nach dem
Losfahren vom Fahrer des Pkw beobachtet.
Zeichnen Sie das v(t) – Diagramm für die Bewegung des Lieferwagens bezogen
auf ein System, in dem der Pkw ruht.
Erreichbare BE-Anzahl: 2
1.3 Während ihrer Fahrt befinden sich Lieferwagen und Pkw genau zweimal nebeneinander.
Bestimmen Sie die Entfernung dieser Orte voneinander.
Erreichbare BE-Anzahl: 4
1.4 Auf der Ladefläche des Lieferwagens steht ein
für die Be- und Entladung benötigter kleiner
Transportwagen. Dieser ist mit zwei gespannten
Sicherungsbändern befestigt.
Bänder
Die Bänder üben im Stillstand Kräfte auf die vordere und die hintere Bordwand
aus. Beschreiben Sie, wie sich diese Kräfte infolge des Losfahrens verändern.
Erklären Sie die Veränderung der Kraft auf die vordere Bordwand.
Erreichbare BE-Anzahl: 3
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2 Elektromagnetische Induktion
2.1 Vergleichen Sie die Funktionsprinzipien von Generator und Transformator.
Erreichbare BE-Anzahl: 3
2.2 In einem homogenen, magnetischen Feld der Flussdichte 1,5
T werden Experimente
mit einer quadratischen Leiterschleife der Kantenlänge 15 cm durchgeführt.
2.2.1 Experiment 1:
Die Leiterschleife ist offen und rotiert mit der Winkelgeschwindigkeit
Magnetfeld.
Rotationsachse liegt in
der Zeichenebene
x x x x
x x x x
x x x x
x x x x
x x x x
x x x x
B - Feldlinien senkrecht
zur Zeichenebene
Leiterschleife
-1
63 s im
Bestimmen Sie den Maximalwert der induzierten Wechselspannung.
2.2.2 Experiment 2:
Erreichbare BE-Anzahl: 3
Die untere Kante der offenen Leiterschleife ruht
bei s = 0.
Zum Zeitpunkt 0 wird die Leiterschleife in das
Magnetfeld fallen gelassen. Ist deren obere Kante
bei s = 30 cm angekommen, endet das Experiment.
x x x x
x x x x
x x x x
x x x x
x x x x
x x x x
0
30 cm
s
Nebenstehende Skizze zeigt das
U ind(
t ) -Diagramm für den Vorgang.
Begründen Sie den Verlauf des Graphen.
Berechnen Sie den Maximalwert der induzierten
Spannung.
0
U ind in V
t in s
Erreichbare BE-Anzahl: 5
2.2.3 Experiment 3:
Die Leiterschleife ist geschlossen und wird wie in Teilaufgabe 2.2.2 fallen gelassen.
Die Fallzeit vom Loslassen bis zum vollständigen Eintauchen ins Magnetfeld
wird gemessen.
Vergleichen Sie diese qualitativ mit der entsprechenden Fallzeit von Experiment
2 und begründen Sie.
Erreichbare BE-Anzahl: 2
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Teil B:
Bearbeiten Sie die nachstehende Aufgabe:
Aufgabe B: Optische Eigenschaften von Stoffen
1 Geschliffene Diamanten werden als Schmucksteine genutzt. Auf Grund der
großen Brechzahl und der Anordnung der Flächen wird ein hoher Anteil des
einfallenden Lichts total reflektiert.
1.1 Nennen Sie allgemein die Bedingungen für das Entstehen von Totalreflexion
und leiten Sie die Gleichung zur Bestimmung des Grenzwinkels der Totalreflexion
aus dem Brechungsgesetz her.
Erreichbare BE-Anzahl: 3
1.2 Ein Bündel weißen Glühlichts
trifft, wie in der Abbildung dargestellt,
unter dem Winkel
0 90
auf den Diamanten.
Der Grenzwinkel der Totalreflexion
beträgt für violettes Licht
24,08° und für rotes Licht 24,55°.
Einfallslot
α
33,2°
40,8°
Luft
1.2.1 Weisen Sie nach, dass es für jeden
Winkel an der Fläche A
zur Totalreflexion kommt.
A
Symmetrieachse
Erreichbare BE-Anzahl: 4
1.2.2 Der violette Lichtanteil durchläuft den Diamanten gemäß Abbildung. Übernehmen
Sie die Abbildung und skizzieren Sie den Strahlenverlauf des roten
Lichtanteils bis zum Wiederaustritt aus dem Diamanten. Die spektrale Zerlegung
muss erkennbar sein.
Erreichbare BE-Anzahl: 2
2 Linsenoberflächen werden zur Verringerung von Reflexionen mit einer lichtdurchlässigen
Schicht bedampft („Entspiegelung„ der Linse).
Erläutern Sie allgemein die Interferenz an dünnen Schichten und begründen
Sie die Möglichkeit der Nutzung dieser Erscheinung zur Reflexionsminderung.
Erreichbare BE-Anzahl: 4
3 In einem Experiment soll nachgewiesen werden, dass eine Flüssigkeit optisch
aktiv ist.
Beschreiben und begründen Sie eine mögliche Vorgehensweise.
Erreichbare BE-Anzahl: 3
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4 Bei der Ortsbestimmung durch Satellitennavigation müssen die Laufzeiten t
von Signalen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, sehr exakt gemessen
werden. Deshalb ist die Abhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit vom Druck
zu berücksichtigen.
Bei der konstanten Temperatur 20°C gilt für die Druckabhängigkeit der Brechzahl
von Luft: n(
p)
10,000292
.
p
101,3 kPa
Ein Signal durchläuft die Strecke 10 km in Luft, einmal bei dem Druck
101,0 kPa und einmal bei 102,0 kPa. Bestimmen Sie den
Laufzeitunterschied t .
Leiten Sie eine Gleichung für die Abhängigkeit t
f
( p
) her.
Erreichbare BE-Anzahl: 4
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Teil C:
Wählen Sie eine der nachstehenden Aufgaben aus und bearbeiten Sie diese.
Aufgabe C1:
Stoßvorgänge
Führen Sie Untersuchungen zum Stoß eines Tischtennisballs an zwei verschiedenen
horizontalen Unterlagen durch. Die eine Unterlage besteht aus einer ca. 1cm dicken
Mehlschicht, die andere aus hartem Material. Der Tischtennisball soll jeweils aus
dem Abstand 1,0 m frei auf die Unterlage fallen, es entstehen kreisförmige Abdrücke.
Hinweise:
Alle notwendigen Geräte werden Ihnen vom Aufsicht führenden Lehrer übergeben.
Er teilt Ihnen auch Masse und Radius des Tischtennisballs mit.
1 Messen Sie mehrmals die Durchmesser d der kreisförmigen Abdrücke des
Tischtennisballs und bestimmen Sie beide Mittelwerte.
Glätten Sie die Mehlschicht vor jedem Stoßvorgang mit dem zur Verfügung
gestellten Gegenstand.
Der Durchmesser auf der harten Unterlage wird messbar, indem auf die Unterlage
ein Blatt Millimeterpapier und darüber ein Blatt Kohlepapier mit der Kohleschicht
nach unten gelegt wird.
Erreichbare BE-Anzahl: 3
2 Vergleichen Sie beide Vorgänge qualitativ hinsichtlich der Energieänderungen,
jeweils für den Zeitraum vom Loslassen bis zum erstmaligen Erreichen der
Geschwindigkeit 0.
Erreichbare BE-Anzahl: 4
3 Aus dem Durchmesser d des kreisförmigen Abdrucks und dem Radius r des
2 d
Tischtennisballs lässt sich mit r
r s
2
die Länge der Strecke s berechnen,
längs der der Tischtennisball von der Geschwindigkeit unmittelbar
2
vor dem Stoß auf die Geschwindigkeit 0 abgebremst wird. Außerdem wird angenommen,
dass beim Abbremsen eine konstante Bremskraft wirkt.
3.1 Geben Sie für beide Stoßvorgänge jeweils die Streckenlänge s an.
2
Erreichbare BE-Anzahl: 2
3.2 Berechnen Sie jeweils die Bremskraft und die zum Abbremsen auf die Geschwindigkeit
0 erforderliche Zeit. Begründen Sie den Unterschied zwischen
den Bremskräften.
3.3 Führen Sie eine Fehlerbetrachtung durch.
Erreichbare BE-Anzahl: 5
Erreichbare BE-Anzahl: 1
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Aufgabe C 2:
Volumenänderung von Flüssigkeiten
Führen Sie Untersuchungen zur Volumenänderung von Wasser bei Temperaturänderung
durch.
Ihnen steht dazu die nebenstehende Experimentieranordnung zur Verfügung.
Steigrohr
Messstab
Kolben
Thermometer
Wasserbad
elektrische Heizplatte
1 Erwärmen Sie das im Kolben eingeschlossene Wasser bis zur Endtemperatur
max
und nehmen Sie eine Messreihe zur Abhängigkeit des Flüssigkeitsstands
im Steigrohr von der Temperatur auf.
Die Endtemperatur wird Ihnen vom Aufsicht führenden Lehrer mitgeteilt.
Erreichbare BE-Anzahl: 3
2 Messen Sie danach:
- das Volumen des insgesamt in Kolben und Steigrohr enthaltenen Wassers
mit einem Messzylinder sowie
- den Innendurchmesser des Steigrohrs.
Erreichbare BE-Anzahl: 2
3 Stellen Sie die Abhängigkeit der Volumenzunahme V
von der Temperaturzunahme
T
grafisch dar. Es soll näherungsweise angenommen werden,
dass diese Änderung mit einer linearen Funktion beschrieben werden kann.
Ermitteln Sie unter Verwendung aller Messwertepaare einen Näherungswert
des Volumenausdehnungskoeffizienten von Wasser.
Erreichbare BE-Anzahl: 4
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4 In einem Tabellenbuch ist die Dichte von Wasser in Abhängigkeit von der
Temperatur angegeben:
in °C 10 20 30 40 50
in g . cm -3 0,9997 0,9982 0,9956 0,9922 0,9880
Ermitteln Sie den Volumenausdehnungskoeffizienten aus diesen Wertepaaren.
Erreichbare BE-Anzahl: 2
5 Nennen Sie zwei Gründe für mögliche Abweichungen zwischen dem aus Ihren
Messwerten bestimmten Näherungswert und dem Ergebnis von Aufgabe 4.
Erreichbare BE-Anzahl: 2
6 Maßkolben werden in der quantitativen Analytik benutzt, um das Volumen von
Lösungen genau auf einen vorgegebenen Wert einzustellen. Aus dem Volumen
(und der Dichte) kann man auf die Masse der Lösung schließen.
Ein solcher Maßkolben (siehe Abb.) ist für die Temperatur
20°C und für das Volumen 100 ml geeicht.
Der Maßkolben ist bis zum Eichstrich mit einer Lösung
der Temperatur 25°C gefüllt.
Der Volumenausdehnungskoeffizient der Lösung
beträgt 2,0 . 10 -4 K -1 .
Eichstrich
Ermitteln Sie, um wie viel Prozent sich das Volumen
der Lösung verringert, wenn die Temperatur auf
20°C sinkt.
Hinweis: Die Ausdehnung des Glases kann vernachlässigt
werden.
Erreichbare BE-Anzahl: 2
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