Schriftliche Abschlussprüfung Physik 1998/99
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 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 \Nahlaufgabe 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
- Wörterbuch der deutschen Rechtschreibung
Teil I - Pflichtaufgaben
Vom Lehrer wird Ihnen ein Experiment vorgeführt. Dabei wird ein Wagen durch ein Hindernis zum Stehen gebracht.
1.1 Beobachten Sie die
Bewegung des Wagens und des darauf befindlichen Körpers.
Beschreiben Sie Ihre Beobachtung.
1.2 Erklären Sie mit Hilfe eines physikalischen Gesetzes die Bewegung des Körpers beim Abbremsen.
1.3 Formulieren Sie eine Schlussfolgerung für die Beförderung von Personen in einem Fahrzeug.
Aufgabe 2 Mechanische Schwingungen und Wellen
Beim Stimmen von Musikinstrumenten verwendet man oft den von einer Stimmgabel erzeugten Kammerton a1, dessen Frequenz 440 Hz beträgt.
2.1 Nennen Sie zwei Merkmale der von der Stimmgabel ausgehenden Schallwelle.
2.2 Berechnen Sie die Periodendauer.
2.3 Erläutern Sie an einem selbst gewählten Beispiel eine Möglichkeit, unerwünschte Schallausbreitung zu unterbinden.
Ein Becherglas ist mit Wasser und zerkleinerten Eisstücken gefüllt. Dem Becherglas wird gleichmäßig Warme zugeführt. Jeweils nach einer Minute erfolgt eine Temperaturmessung Die Ergebnisse zeigt folgende Tabelle:
| t in min | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
| u in °C | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0,1 | 1,2 | 5,2 | 9,1 | 13,0 |
3.1 Zeichnen Sie ein u-t-Diagramm.
3.2 Beschreiben und
erklären Sie den Temperaturverlauf in den beiden Zeitintervallen 0 £ t £ 4 min und
6 min £ t £ 9 min.
4.1 In einer Spule soll eine Induktionsspannung erzeugt und nachgewiesen werden.
4.1.1 Skizzieren Sie
den Aufbau eines entsprechenden Experimentes.
Beschreiben Sie den Ablauf.
4.1.2 Nennen Sie zwei Möglichkeiten zum Vergrößern der Induktionsspannung.
4.2 Ein Transformator hat eine Primärspule mit 4 600 Windungen. Damit soll eine Primärspannung von 230 V auf 8 V transformiert werden. Für die Sekundärspule stehen folgende Windungszahlen zur Auswahl:
| 9.200 | 4.600 | 2.300 | 160 | 46 |
Geben Sie die geeignete Windungszahl an.
Teil II - Wahlaufgaben
Von den folgenden Aufgaben haben Sie nur eine zu lösen.
5.1 Schülerexperiment
Aufgabe: Bestimmen Sie ein unbekanntes Bauelement durch Aufnahme der U-I-Kennlinie.
Vorbereitung:
1. Zeichnen Sie einen entsprechenden Schaltplan. Verwenden Sie für das
unbekannte
Bauelement das Schaltzeichen "Widerstand".
2. Bereiten Sie eine Messwerttabelle für fünf Messwertpaare vor.
Der Lehrer teilt Ihnen die für das Bauelement zulässige
Höchstspannung mit.
Durchführung:
1. Bauen Sie die Schaltung nach Ihrem Schaltplan auf.
2. Lassen Sie die Schaltung vom Lehrer überprüfen.
3. Führen Sie die Messungen durch.
Notieren Sie die Messwerte in der Tabelle.
Auswertung:
1. Zeichnen Sie die U-I-Kennlinie des Bauelementes.
2. Gilt für das gegebene Bauelement das Ohmsche Gesetz?
Begründen Sie Ihre Aussage.
3. Entscheiden Sie, ob es sich bei dem verwendeten Bauelement um eine Glühlampe, einen
Konstantandraht oder einen Halbleiterwiderstand handelt.
5.2 Der elektrische Widerstand
5.2.1 Berechnen Sie den elektrischen Widerstand eines Kupferdrahtes mit der Querschnittsfläche 0,4 mm² und der Länge 240 m.
5.2.2 Wie verändert
sich bei gleicher Länge der Widerstand des Drahtes, wenn die Querschnittsfläche nur halb
so groß ist?
Begründen Sie.
5.2.3 Beschreiben und begründen Sie das Widerstandsverhalten eines Eisendrahtes bei Erwärmung.
5.3 Vorwiderstand
Mit Hilfe eines Vorwiderstandes wird eine Glühlampe (3 V ; 0,1 A) mit einer 12 V-Spannungsquelle betrieben.
5.3.1 Begründen Sie die Notwendigkeit des Einsatzes eines Vorwiderstandes.
5.3.2 Berechnen Sie die Größe des zu verwendenden Widerstandes.
6.1 Bewegungen
Schienenfahrzeuge der Deutschen Bahn AG sind mit Fahrtenschreibern ausgerüstet. Bei einer Testfahrt werden folgende Daten aufgezeichnet:
Abschnitt I: Die Geschwindigkeit wächst innerhalb von 150 s gleichmäßig auf 54 km/h an.
Abschnitt II: Mit dieser Geschwindigkeit bewegt sich das Schienenfahrzeug 90 s weiter.
Abschnitt III: Das Fahrzeug wird in 30 s gleichmäßig bis zu einer Geschwindigkeit von 27 km/h abgebremst.
Abschnitt IV: Mit dieser Geschwindigkeit fährt es weiter.
6.1.1 Zeichnen Sie ein Geschwindigkeit-Zeit-Diagramm für die ersten sechs Minuten des Fahrtverlaufs.
6.1.2 Benennen Sie die Bewegungsarten in den einzelnen Abschnitten. Begründen Sie jeweils Ihre Entscheidung.
6.1.3 Berechnen Sie die Beschleunigung des Schienenfahrzeugs im Abschnitt I.
6.1 .4 Ermitteln Sie die Beschleunigung des Schienenfahrzeugs im Abschnitt II.
6.1 .5 Berechnen Sie den Weg, den das Schienenfahrzeug im Abschnitt II zurücklegt.
6.1.6 Das
Schienenfahrzeug hat die Masse 60 t.
Berechnen Sie die Bremskraft, die notwendig ist, um die Geschwindigkeit im Abschnitt III
zu vermindern.
6.2 Schwingungen
In den folgenden Diagrammen sind zwei mechanische Schwingungen dargestellt:
6.2.1 Geben Sie die Amplitude der Schwingung I an.
6.2.2 Vergleichen Sie die Periodendauer von Schwingung I mit der von Schwingung II.
6.2.3 Berechnen Sie die Frequenz von Schwingung II.
6.2.4 Geben Sie an, welche der beiden Schwingungen gedämpft ist. Begründen Sie Ihre Entscheidung.
6.2.5 Beschreiben Sie die auftretenden Energieumwandlungen bei gedämpften mechanischen Schwingungen.
6.2.6 Nennen Sie je ein Anwendungsbeispiel für eine ungedämpfte und für eine gedämpfte mechanische Schwingung.
Aufgabe 7 Energie, Umwelt, Mensch
7.1 In Deutschland waren 1998 ca. 51 Millionen PKW zugelassen, davon 87% mit einem Viertakt-Ottomotor.
7.1.1 Benennen Sie drei der im Bild gekennzeichneten Teile des Ottomotors.
7.1 .2 Geben Sie die Energieumwandlungen in einem Ottomotor an.
7.1 .3 Der Wirkungsgrad von Ottomotoren beträgt ca. 25% Erläutern Sie diese Angabe.
7.1.4 Trotz eines
wesentlich höheren Wirkungsgrades werden Elektromotoren bisher nur selten zum Antrieb von
Kraftfahrzeugen genutzt.
Nennen Sie einen Grund dafür.
7.1.5 Begründen Sie die besondere Eignung von Wasser als Kühlmittel für Ottomotoren.
7.2 Ein Dreipersonenhaushalt verbraucht jährlich ca. 3 000 kWh elektrische Energie.
7.2.1 Ein Staubsauger
mit der Leistung 2000 W wird täglich eine halbe Stunde genutzt.
Berechnen Sie die monatlichen Kosten (30 Tage). Eine Kilowattstunde kostet 25 Pfennige.
7.2.2 Geben Sie ein elektrisches Gerät an, das elektrische Energie in thermische Energie umwandelt.
7.2.3 Nennen Sie eine technische Entwicklung, die im Haushalt zur Energieeinsparung beitragen kann.
7.3 Für die Warmwasserversorgung von Häusern können Sonnenkollektoren genutzt werden. Es wird angenommen, dass ein Sonnenkollektor mit einer Fläche von 1 m² in einer Stunde etwa 1000 kJ an thermischer Energie von der Sonne aufnehmen kann und diese an das Wasser abgibt.
7.3.1 Berechnen Sie die thermische Energie, die bei 6 Stunden Sonneneinstrahlung von 5 Sonnenkollektoren an das Wasser abgegeben wird.
7.3.2 Überprüfen Sie durch Rechnung, ob mit dieser Energie 200 l Wasser von 20°C auf 50°C erwärmt werden können.
7.3.3 Nennen Sie einen Grund für den Einsatz von Sonnenkollektoren.
7.4 Schon vor langer Zeit haben die Menschen erkannt, dass Wasser mechanische Arbeit verrichten kann.
7.4.1 Erläutern Sie eine Nutzung dieser Eigenschaft aus der Vergangenheit oder der Gegenwart.
7.4.2 Begründen Sie die Zunahme der Energie der Flüsse bei Hochwasser.
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