Schriftliche Abschlussprüfung Physik 2000/2001
Die schriftliche Abschlussprüfung besteht aus zwei Teilen:
Teil I - Pflichtaufgaben
Teil II - Wahlaufgaben
Vor der planmäßigen Arbeitszeit stehen Ihnen 15 Minuten zum Vertrautmachen mit den Aufgaben zur Verfügung.
Nachdem Sie die Aufgaben gelesen haben, wird Ihnen ein Demonstrationsexperiment gezeigt. Die Arbeitszeit zur Lösung aller Aufgaben beginnt erst nach Beendigung dieses Experimentes und beträgt 150 Minuten.
Die Aufgabe 1 der Pflichtaufgaben ist zuerst zu bearbeiten. Die Reihenfolge der Bearbeitung der anderen Aufgaben ist beliebig.
Von den drei Wahlaufgaben ist nur eine Aufgabe zu bearbeiten. Zur Lösung der Wahlaufgabe 5 muss ein Schülerexperiment durchgeführt werden. Die Geräte für dieses Experiment werden durch den Lehrer bereitgestellt.
Es ist kein Konzept erforderlich.
Insgesamt können 50 Bewertungseinheiten (BE) erreicht werden. Davon werden 25 Bewertungseinheiten (BE) für den Pflichtteil und 25 Bewertungseinheiten (BE) für den Wahlteil vergeben.
Sie dürfen folgende Hilfsmittel verwenden:
Teil I - Pflichtaufgaben
Vom Lehrer werden Ihnen zwei Experimente vorgeführt. Dabei sind je zwei Glühlampen einmal in Reihe und das andere Mal parallel geschaltet. Alle verwendeten Glühlampen sind gleich und in beiden Experimenten liegt die gleiche Spannung an.
1.1
Beobachten Sie jeweils die Helligkeit der Glühlampen nach dem Schließen
des Stromkreises.
Notieren Sie Ihre Beobachtungen.
1.2
Entscheiden Sie, in welchem Stromkreis
Reihenschaltung und in welchem Stromkreis Parallelschaltung vorliegt.
Begründen Sie Ihre Entscheidung.
1.3 Zeichnen Sie für beide Experimente die Schaltpläne.
Für 1.1 bis 1.3 erreichbare BE: 5
2.1 Nennen Sie zwei Eigenschaften mechanischer Wellen.
2.2 Erläutern Sie anhand einer der genannten Eigenschaften, wie die Lärmbelastung durch den Straßenverkehr gemindert werden kann.
2.3 Eine mechanische Welle hat die Amplitude 25 cm, die Periodendauer
0,25 s und die Wellenlänge 50 cm.
Berechnen Sie die Frequenz dieser Welle.
Für 2.1 bis 2.3 erreichbare BE: 6
Ein einfarbiges schmales Lichtbündel tritt unter
dem Einfallswinkel 40° in einen Quader aus Polystyren ein und verlässt ihn nach
zweimaliger Brechung wieder.
Der Quader wird von Luft umgeben und ist 5,0 cm dick. In Polystyren beträgt die
Lichtgeschwindigkeit 1,89 · 105 km · s-1.
3.1 Ermitteln Sie die Brechungswinkel an beiden Grenzflächen.
3.2 Zeichnen Sie den vollständigen Strahlenverlauf.
Für 3.1 und 3.2 erreichbare BE: 6
Während der Bewegung eines Fahrzeugs wurde folgendes v-t-Diagramm aufgenommen:
4.1 Ordnen Sie den gekennzeichneten Abschnitten I und II die Bewegungsart zu. Begründen Sie Ihre Entscheidung.
4.2 Geben Sie die nach 40 s erreichte Geschwindigkeit in km/h an.
4.3 Ermitteln Sie in den Abschnitten I und II jeweils die Beschleunigung.
Für 4.1 bis 4.3 erreichbare BE: 8
Teil II - Wahlaufgaben
Von den folgenden Aufgaben 5, 6 und 7 haben Sie nur eine zu lösen.
Aufgabe 5 Mechanische Schwingungen
5.1 Schülerexperiment
Wählen Sie nur eines der Schülerexperimente 5.1.1 Fadenpendel oder 5.1.2 Federschwinger aus.
5.1.1 Fadenpendel
Aufgabe: Untersuchen Sie die Veränderung der Periodendauer T und der Frequenz f eines Fadenpendels bei Vervierfachung seiner Pendellänge l.
Vorbereitung:
- Skizzieren Sie den Aufbau Ihres Experimentes.
- Entwerfen Sie eine Messwerttabelle für die Pendellängen 20 cm und 80 cm.
Durchführung:
- Bauen Sie die Experimentieranordnung nach Ihrer Skizze auf.
- Messen Sie jeweils die Zeit für 10 Schwingungen (bei kleinen Amplituden).
- Bestimmen Sie daraus für beide Pendellängen Periodendauer und Frequenz.
- Notieren Sie die Werte in der Tabelle.
Auswertung:
- Ermitteln Sie mithilfe Ihrer Messwerte den Faktor, um den sich die Periodendauer bei Vervierfachung der Pendellänge geändert hat.
- Untersuchen Sie diesen Zusammenhang durch Berechnung der Periodendauer für die gegebenen Pendellängen.
- Nennen Sie einen Grund für die möglicherweise auftretende Abweichung zwischen berechnetem und experimentell rmitteltem Wert.
- Geben Sie die Veränderung der Frequenz bei Vervierfachung der Pendellänge an.
Für 5. 1.1 erreichbare BE: 12
Setzen Sie mit Teilaufgabe 5.2 fort.
5.1.2 Federschwinger
Aufgabe: Untersuchen Sie die Veränderung der Periodendauer T und der Frequenz f eines Federschwingers bei Vervierfachung seiner Masse m.
Vorbereitung:
- Skizzieren Sie den Aufbau Ihres Experimentes.
- Entwerfen Sie eine Messwerttabelle für die Massen 30 g und 120 g.
Durchführung:
- Bauen Sie die Experimentieranordnung nach Ihrer Skizze auf.
- Messen Sie jeweils die Zeit für 10 Schwingungen (bei kleinen Amplituden).
- Bestimmen Sie daraus für beide Massen Periodendauer und Frequenz.
- Notieren Sie die Werte in der Tabelle.
Auswertung:
- Ermitteln Sie mit Hilfe Ihrer Messwerte den Faktor, um den sich die Periodendauer bei Vervierfachung der Masse geändert hat.
- Untersuchen Sie diesen Zusammenhang durch Berechnung der Periodendauer für die gegebenen Massen. Die Federkonstante wird Ihnen vom Aufsicht führenden Lehrer mitgeteilt.
- Nennen Sie einen Grund für die möglicherweise auftretende Abweichung zwischen berechnetem und experimentell ermitteltem Wert.
- Geben Sie die Veränderung der Frequenz bei Vervierfachung der Masse an.
Für 5.1.2 erreichbare BE: 12
5.2
Eine Kugel wird am Rande einer gewölbten Bahn losgelassen. In der Zeit
12 s führt die Kugel 10 Hin- und Herbewegungen aus, bevor sie im tiefsten Punkt der Bahn
zur Ruhe kommt.
5.2.1 Entscheiden Sie, ob es sich dabei um eine ungedämpfte oder um eine gedämpfte Schwingung handelt. Begründen Sie Ihre Entscheidung.
5.2.2 Ermitteln Sie Periodendauer und Frequenz dieser Schwingung.
5.2.3 Erläutern Sie, was man unter der Frequenz einer Schwingung versteht.
5.2.4 Skizzieren Sie ein y-t-Diagramm des in 5.2 beschriebenen Vorganges für wenigstens zwei Perioden.
5.2.5 Nennen Sie die dabei auftretenden Energieumwandlungen.
Für 5.2.1 bis 5.2.5 erreichbare BE: 13
6.1 Eine Wärmflasche wird mit heißem Wasser gefüllt. Das Wasser hat die Masse 1,5 kg und die Temperatur 75 °C. Im Bett kühlt sich das Wasser auf die Körpertemperatur des Menschen, auf 37 °C, ab.
6.1.1 Berechnen Sie die vom Wasser abgegebene Wärme.
6.1.2 Die
Wärmflasche soll durch einen heißen Stein ersetzt werden, dessen
spezifische Wärmekapazität 0,8
beträgt. Er gibt bei gleicher Anfangs- und Endtemperatur die gleiche Wärme
wie das Wasser ab.
Berechnen Sie die Masse des Steines.
Für 6. 1.1 bis 6.1.2 erreichbare BE: 6
6.2 Heiße Getränke können in einer Isolierkanne (Thermosgefäß) warm gehalten werden.
6.2.1 Beschreiben Sie den Aufbau eines solchen Gefäßes.
6.2.2 Erläutern Sie, wie dabei die Wärmeübertragung an die Umgebung vermindert wird.
Für 6.2.1 bis 6.2.2 erreichbare BE: 5
6.3
Ein Stahlbandmaß zeigt die "richtige" Länge bei der
Temperatur 20 °C an.
Wie wirken sich höhere Temperaturen auf das Messergebnis aus?
Begründen Sie!
Für 6.3 erreichbare BE: 2
6.4 Wasser liegt zunächst bei -5 °C in Form von Eis vor. Es wird auf 50 °C erwärmt.
6.4.1 Beschreiben Sie die bei der Erwärmung von -5 °C bis 50 °C ablaufenden physikalischen Vorgänge.
6.4.2 Skizzieren Sie den zu erwartenden Temperaturverlauf in einem Temperatur - Zeit - Diagramm.
Für 6.4.1 bis 6.4.2 erreichbare BE: 6
6.5 Dieselmotoren werden wegen ihres geringeren Kraftstoffverbrauches immer häufiger in PKWs verwendet.
6.5.1 Geben Sie die Energieumwandlungen im Dieselmotor an.
6.5.2 Benennen Sie
vier von den in der Skizze gekennzeichneten Teilen des Dieselmotors.
Aufgabe 7 Energie, Umwelt, Mensch
7.1 In einem Experiment wurde der Schweredruck des Wassers in verschiedenen Tiefen gemessen:
| h in m | 0 | 5 | 10 | 15 | 20 |
| p in kPa | 0 | 50 | 101 | 149 | 200 |
7.1.1 Zeichnen Sie ein Diagramm, in dem der Druck in Abhängigkeit von der Tiefe dargestellt ist.
7.1.2 Geben Sie den Zusammenhang zwischen Tiefe und Schweredruck an.
7.1.3 Lesen Sie aus dem Diagramm die Tiefe ab, in der der Schweredruck 185 kPa beträgt.
7.1.4 Ein Mensch taucht 2,0 m tief. Ermitteln Sie die Druckzunahme auf seinen Körper.
7.1.5 Die Sperrmauer der Talsperre Pöhl ist an der Krone etwa 8 m und an der Talsohle etwa 40 m dick. Begründen Sie diesen Sachverhalt.
7.1.6 Durch Abbaggern des Uferbereiches könnte das Fassungsvermögen der Talsperre bei gleichbleibender Wasserhöhe vergrößert werden. Begründen Sie, dass sich die Belastung der Sperrmauer dadurch nicht ändern würde.
7.2 Die Versorgung mit Elektroenergie erfolgt in Deutschland derzeit vorwiegend durch Kohle- und Kernkraftwerke.
7.2.1 Beschreiben Sie die Energieumwandlungen in einem Kohlekraftwerk. Berücksichtigen Sie dabei die Aggregate Dampferzeuger, Dampfturbine und Generator.
7.2.2 Vergleichen Sie Kohle- und Kernkraftwerk hinsichtlich der Art der Dampferzeugung.
7.2.3 Nennen Sie zwei Eigenschaften radioaktiver Strahlung.
7.2.4 Erläutern Sie eine Schutzmaßnahme gegen radioaktive Strahlung.
7.2.5 Nennen Sie einen Vorteil der Kernenergienutzung im Kraftwerk und ein Sicherheitsrisiko.
7.3 Eine Bergsteigerin beginnt die Besteigung des 3790 m hohen Großglockner im 1290 m hoch gelegenen Ort Heiligenblut. Sie hat mit Ausrüstung die Gesamtmasse 80 kg.
7.3.1 Berechnen Sie die Arbeit, die die Bergsteigerin beim Besteigen des Berges verrichten muss.
7.3.2 Zur Bewältigung eines Höhenunterschiedes von jeweils 300 m benötigt sie durchschnittlich 50 Minuten. Berechnen Sie die Leistung der Bergsteigerin.
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