Schriftliche Abschlussprüfung Physik 1995/96

Allgemeine Arbeitshinweise

Die schriftliche Abschlussprüfung besteht aus 2 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 Experiments 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.

Für die Prüfungsarbeit können 50 Bewertungseinheiten erreicht werden. Davon werden 25 Bewertungseinheiten für den Pflichtteil und 25 Bewertungseinheiten für den Wahlteil vergeben.

Sie dürfen folgende Hilfsmittel verwenden:

- Tabellen- und Formelsammlung ohne ausführliche Musterbeispiele sowie ohne Wissensspeicheranhang
- nicht programmierbarer Taschenrechner
- Duden (Deutsche Rechtschreibung)

Teil I - Pflichtaufgaben

Aufgabe 1 Elektrizitätslehre

Vom Lehrer werden Ihnen zwei Experimente vorgeführt. Sie sollen herausfinden, ob Gleich- oder Wechselspannung in den Versuchsanordnungen an einem Transformator anliegt.

1.1 Notieren Sie Ihre Beobachtungsergebnisse zum Experiment 1 und zum Experiment 2.

1.2 Welche Spannungsart wird im Experiment 1 bzw. Experiment 2 verwendet? Begründen Sie.

1.3 Zeichnen Sie einen Schaltplan der Experimentieranordnung.

1.4 Zum Betreiben eines Halogenstrahlers (11,5 V/20 W) benutzt man einen Transformator. Dieser Transformator muss die Netzspannung von 230 V auf die zulässige Spannung für die Halogenlampe transformieren. Ihnen stehen Spulen mit folgenden Windungszahlen zur Verfügung:

      Geben Sie ein geeignetes Spulenpaar an.
Begründen Sie Ihre Auswahl.

Zur Lösung Aufgabe 1

Aufgabe 2 Mechanik

Im täglichen Leben kann man eine Vielzahl von Bewegungen beobachten. Um Aussagen über die Art der Bewegung zu gewinnen, ist es üblich, den Weg-Zeit- bzw. den Geschwindigkeits-Zeit-Zusammenhang zu betrachten. In einem Experiment wurden für die geradlinige Bewegung eines Körpers folgende Messwerte ermittelt:

2.1 Zeichnen Sie ein s-t-Diagramm.

2.2 Um welche Art der Bewegung handelt es sich?

2.3 Berechnen Sie die Geschwindigkeit nach 0,5 s.

Zur Lösung Aufgabe 2

Aufgabe 3 Optik

Auf dem Boden eines Springbrunnens befindet sich ein Scheinwerfer, der ein einfarbiges Lichtbündel aussendet. Der Einfallswinkel des Lichtstrahls beträgt 40°. Der Lichtstrahl fällt beim Übergang von Wasser in Luft auf eine ebene Grenzfläche.

3.1 Berechnen Sie den Brechungswinkel beim Übergang des Lichtes von Wasser in Luft.

3.2 Übertragen Sie das Bild.
Zeichnen Sie den Verlauf des einfallenden, des reflektierten und des gebrochenen Lichtstrahls an der Grenzfläche.

3.3 Nennen Sie zwei optische Geräte, bei denen die Brechung des Lichtes genutzt wird.

Zur Lösung Aufgabe 3

Aufgabe 4 Schwingungen

Die Aufzeichnung der Schwingung einer Stimmgabel ergab folgendes y-t-Diagramm:

4.1 Ermitteln Sie die Amplitude, die Periodendauer und die Frequenz der Schwingung.

4.2 Ist im Diagramm eine gedämpfte oder ungedämpfte Schwingung dargestellt? Begründen Sie Ihre Entscheidung.

4.3 Beschreiben Sie an einem selbstgewählten Beispiel, wie Schwingungsdämpfungen in der Praxis erreicht werden können.

Zur Lösung Aufgabe 4

Teil II - Wahlaufgaben

Von den folgenden Aufgaben haben Sie nur eine zu lösen.

Aufgabe 5 Mechanik

5.1 Schülerexperiment

Aufgabe:                     Untersuchen Sie den Zusammenhang zwischen der Längenänderung einer Schraubenfeder und der an ihr wirkenden Kraft mit Hilfe eines geeigneten Experimentes.

Vorbereitung:               1. Fertigen Sie eine Skizze der Versuchsanordnung an.
2. Übernehmen Sie die folgende Tabelle.

(Ein Körper mit einer Masse von 100 g besitzt auf der Erde etwa eine Gewichtskraft von 1 N.)
Tragen Sie die Gewichtskräfte für die vorgegebenen Massen in die Tabelle ein.

Durchführung:              1. Bauen Sie die Versuchsanordnung auf.
2. Belasten Sie die Feder gemäß der Tabellenvorgabe.
    Messen Sie jeweils die entsprechende Längenänderung s der Feder.
3. Notieren Sie die Messwerte.

Auswertung:                1. Stellen Sie die Längenänderung s der Feder in Abhängig keit von der Gewichtskraft F_G
    in einem Diagramm dar.
2. Geben Sie den Zusammenhang der beiden Größen an.
3. Bestimmen Sie mit dieser Versuchsanordnung die Gewichtskraft des bereitliegenden Körpers.
    - Messen Sie die Längenänderung s der Feder.
    - Ermitteln Sie mit Hilfe des Diagramms die Gewichtskraft des Körpers.
4. Nennen Sie das Messgerät, das auf diesem Prinzip beruht.

5.2 Nennen Sie die Wirkungen, die Kräfte auf Körper haben können. Geben Sie dazu je ein Beispiel an.

5.3 Ein Bus fährt mit einer Geschwindigkeit von 40. Der Busfahrer muss plötzlich einen Bremsvorgang einleiten. Nach einer Zeit von 5 s kommt der Bus zum Stehen.

5.3.1 Was passiert mit den Personen, die im Bus stehen und sich nicht fest halten?

5.3.2 Begründen Sie Ihre Aussage mit Hilfe eines physikalischen Gesetzes.

5.3.3 Berechnen Sie die Kraft, die eine Person (70 kg) aufbringen muß, um beim Bremsen keine Lageänderung zu erfahren.

5.4 Ein Boot ist mit einem Seil am Ufer eines Flusses befestigt. Die Strömung wirkt mit einer Kraft von 450 N und der Wind, der senkrecht zur Strömung weht, mit einer Kraft von 320 N.
Bestimmen Sie zeichnerisch die am Seil wirkende Gesamtkraft.

Zur Lösung Aufgabe 5

Aufgabe 6 Thermodynamik

6.1      In einem Einfamilienhaus soll eine Ölheizung eingebaut werden, die gleichzeitig zur Bereitstellung von Warmwasser genutzt wird. Die Wasserleitung wird aus Kupferrohr verlegt. Die Temperatur des Wassers wird im Heizkessel von 16°C auf 70 °C erhöht.

6.1.1   Berechnen Sie die Längenänderung eines 15 m langen Rohres für den oben angegebenen Temperaturunterschied.

6.1.2   Berechnen Sie die erforderliche Wärme, um für 120 l Wasser diese Temperaturerhöhung zu erreichen.
(Für Wasser gilt: 1 l entspricht 1 kg)

6.1.3 Welche Wärme ist tatsächlich notwendig, wenn der Wirkungsgrad der Warmwasseranlage 75 % beträgt?

6.1.4 Begründen Sie, warum Wasser als Umlaufflüssigkeit verwendet wird.

6.1.5 Erläutern Sie an einem Beispiel, wie die unerwünschte Wärmeausbreitung am Gebäude vermindert werden kann.

6.2     Eis wird gleichmäßig erwärmt. Die Temperatur wird in Abhängigkeit von der Erwärmungszeit gemessen:

6.2.1 Stellen Sie in einem Diagramm die Temperatur u in Abhängigkeit von der Zeit t dar.

6.2.2 Ordnen Sie dem Abschnitt A, B und C den jeweiligen physikalischen Vorgang zu.

6.2.3 Begründen Sie den Temperaturverlauf im Abschnitt B.

6.3 Das Bild zeigt den Aufbau eines Viertakt-Ottomotors.

6.3.1 Benennen Sie die im Bild bezeichneten Teile des Ottomotors.

6.3.2 Beschreiben Sie die Vorgänge in den einzelnen Takten.

6.3.3 Nennen Sie die auftretenden Energieumwandlungen im 3. Takt (Arbeitstakt).

Zur Lösung Aufgabe 6

Aufgabe 7 Elektrizitätslehre

7.1 Bei einem Experiment wurde für eine Glühlampe folgende Messwerttabelle erstellt:

7.1.1 Stellen Sie die Stromstärke I in Abhängigkeit von der Spannung U in einem Diagramm dar.

7.1.2 Berechnen Sie für den kleinsten und größten Wert der angelegten Spannung den elektrischen Widerstand.

7.1.3 Vergleichen Sie die Widerstände.
        Begründen Sie.

7.2      Die Stromversorgung eines PKW erfolgt über eine 12 V-Spannungsquelle. Für die Bremsleuchten verwendet man dabei meist Glühlampen (12 V/21 W).

7.2.1 Berechnen Sie die Stromstärke, die beim Bremsen durch eine solche Glühlampe fließt.

7.2.2 Ein PKW verfügt über mindestens zwei Bremsleuchten.
Zeichnen Sie einen entsprechenden Schaltplan.

7.2.3 Begründen Sie die gewählte Schaltung.

7.3      Der elektrische Strom kann durch eine Halbleiterdiode nur in einer Richtung fließen. Diese Aussage soll experimentell bestätigt werden.

7.3.1   Erläutern Sie das Experiment.
Zeichnen Sie einen entsprechenden Schaltplan.

7.3.2 Beschreiben Sie den Aufbau einer Halbleiterdiode.

7.3.3 Nennen Sie eine Anwendung von Halbleiterdioden.

7.4       Leuchtemitterdioden (LED's) werden häufig als Kontrolleuchten in Kassettenrekorder eingebaut. Die Betriebsspannung eines Rekorders ist mit 12 V angegeben. Um eine LED (2,5 V/30 mA) einzubauen, ist ein Vorwiderstand notwendig.

7.4.1   Zeichnen Sie einen entsprechenden Schaltplan.
Verwenden Sie für die LED das Schaltzeichen einer Glühlampe.

7.4.2 Berechnen Sie den elektrischen Widerstand des Vorwiderstandes.

7.4.3 Ermitteln Sie die elektrische Leistung der Leuchtemitterdiode.

Zur Lösung Aufgabe 7

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