Mecklenburg-Vorpommern Zentralabitur 2013 Physik Aufgaben

Abitur 2013 Physik                                                                 Seite 2 Hinweisefür die Schülerinnen und Schüler Aufgabenwahl Die vorliegende Arbeit besteht aus den Prüfungsteilen A und B. Alle Prüfungsteilnehmerbearbeiten denTeil A. Es besteht die Wahlmöglichkeit zwischen den Aufgaben A3.1 und A3.2. Prüfungsteilnehmer, die die Prüfung unter erhöhten Anforde- rungen ablegen, bearbeiten zusätzlich den Prüfungsteil B. Hier besteht die Wahlmöglichkeit zwischen den Aufgaben B1 und B2. Bearbeitungszeit Die Bearbeitungszeit beträgt 240 Minuten für den Teil A und weitere 60 Minutenfür den Teil B. Es werden zusätzlich 30 Minuten für die Wahl der Aufgaben gewährt. Hilfsmittel ein an der Schule zugelassenesTafelwerk ein an der Schule zugelassener Taschenrechner ein Wörterbuchder deutschen Rechtschreibung Schülerinnen und Schüler, deren Muttersprachenicht die deutsche Spracheist, können als zusätzliches Hilfsmittel ein zweisprachiges Wörterbuch in gedruckter Form verwenden. Näheresregelt die Schule. Sonstiges e   Die Lösungensindin einer sprachlich einwandfreien und mathematisch exakten Form darzustellen. e   Alle Lösungswege müssen erkennbarsein. e   Grafische Darstellungen sind auf Millimeterpapier anzufertigen. e   Entwürfe können ergänzend zur Bewertung nur herangezogen werden, wenn sie zusammenhängendkonzipiert sind und die Reinschrift etwa drei Viertel des erkennbar angestrebten Gesamtumfanges umfasst. e   Maximal zwei Bewertungseinheiten könnenzusätzlich vergeben werden bei sehr guter Notation und Darstellung, bei eleganten, kreativen und rationellen Lösungswegen sowiebeivollständiger Lösung einer zusätzlichen Wahlaufgabe. e   Maximal zwei Bewertungseinheiten können bei mehrfachen Formverstößen abgezogen werden. Alle Prüfungsunterlagen sind geschlossen zurück zu geben.

Abitur 2013 Physik                                                                   Seite 3 Aufgabe A1                HELMHOLTZspulen                                    (15 BE) 1    Zwei Spulen, deren Abstand zueinander gleich     ihrem     Radius    ist,   werden    als HELMHOLTZspulen bezeichnet (Abb. 1). In einem          Experiment          wird     deren magnetisches Feld untersucht. Dazu wird mittels einer HaLısonde die magnetische Flussdichte B entlang der Spulenachse gemessen. Der Punkt mit der Koordinate x=0 liegt in der Mitte zwischen den Spulen. Abbildung 1 Es ergebensich folgende Messwerte. xincm       |-10,0   -8,0   -6,0     -4,0  -2,0      0  2,0  4,0   6,0     8,0     10,0 BEnmi)       33      3,3    4,6       5,9   6,1     6,1 6,0  5,8   4,5     32       2,6 1.1 Zeichnen Sie das B(x)-Diagramm. Interpretieren Sie das Diagramm. 1.2 Skizzieren Sie das Feldlinienbild für die HELMHOLTZspulen.        &-         :&: ÜbernehmenSie dazu die Abbildung 2.                          er nd ee Im ii Das Symbol © bedeutet: Elektronenbewegung aus der                 m         _ Zeichenebene heraus.                                             9          "@:: In einem zweiten Experiment wird zwischen beide Spulen eine Elektronenstrahlröhre gebracht. In der Röhre befindet sich ein Leuchtschirm, der die Bahn der Elektronen sichtbar macht. Die Elektronen werden durch die Spannung U, = 3,50 kV beschleunigt und treten      senkrecht      zur      Richtung      der magnetischen Flussdichte B = 0,64 mT in die HELMHOLTZspulen ein. Die Abbildung 3 zeigt die Ablenkung des Elektronenstrahls. Abbildung 3 2.1 Berechnen Sie die Geschwindigkeit, mit der die Elektronen in das magnetische Feld eintreten. 2.2 Der Elektronenstrahl in der Abbildung 3 bildet den Teil einer Kreisbahn. Erklären Sie die Entstehung der Kreisbahn. 2:m,-U 2.3 Für den Radius der Bahnkurvegilt r = Var Leiten Sie die Gleichung her. Begründen Sie Ihren Ansatz. BerechnenSie den Radius der Bahnkurve.

Abitur 2013 Physik                                                                 Seite 4 Aufgabe A2             Das Linienspektrum des Wasserstoffatoms               (15 BE) In der nebenstehenden Abbildung sind einige                            H, Linien des Emissionsspektrums eines Wasserstoffatoms dargestellt.                           ||  |           |            | 0.5       1          1.5        2 1      Erläutern Sie, dass Linienspektren ein                  Yj experimenteller Beleg für die Existenz von                 ns diskreten Energieniveaus in der Atomhülle sind. Für alle weiteren Überlegungen kann der nebenstehende                  EineV Auszug des Energieniveauschemas vom Wasserstoffatom                        2 verwendet werden. -0,54 -            n=5 .       .        .                    R                  -0,85 -            ae 2     Ermitteln Sie durch eine Berechnung den Übergang, der zur Linie H, mit A = 1,278 um führt.                           La                 Ru 3     In einem Experimenttreffen Elektronen der Energie             -340-              aut 12,6 eV auf Wasserstoffatome im Grundzustand.                                     . 3.1       Begründen Sie, dass mit dieser Energie ein Wasserstoffatom nicht ionisiert werden kann. 3.2       Bestimmen Sie die Energieniveaus des Wasserstoffs, die durch Absorption von Energie aus dem                - 13,61              n=1 Grundzustand erreicht werden können. 3.3      Vergleichen Sie qualitativ die Beträge der Geschwindigkeiten der Elektronen nach diesen möglichen Absorptionsvorgängen. BegründenSie. 3.4       Wasserstoffatome des Zustands n = 3 könnenbei Übergängenin niedrigere Zustände Energie als Strahlung abgeben. Berechnen Sie die möglichen Wellenlängen. OrdnenSie diesen Wellenlängen jeweils einen Spektralbereich zu.

Abitur 2013 Physik                                                                Seite 5 Aufgabe A3.1                  Wellenoptik (mit Schülerexperiment)         (15 BE) (Wahlaufgabe,alternativ zu A3.2) 1       Betrachten Sie eine Kerzenflammedurch ein optischesGitter. Beschreiben und erklären Sie Ihre Beobachtung. Bestimmen Sie experimentell die Wellenlänge einfarbigen Lichts mit Hilfe eines optischen Gitters. Einzelheiten zum Versuchsaufbau und zu den verwendeten Geräten werden Ihnen am Arbeitsplatz mitgeteilt. a       Beschreiben Sie anhand einer Skizze den Versuchsaufbau sowie die Durchführung der Messungen. Protokollieren Sie diese. 2.2     Berechnen Sie die Wellenlänge des einfarbigen Lichtes möglichst genau. Vergleichen Sie das Ergebnis mit Angaben im Tafelwerk und gebenSie mögliche Fehlerquellen an. Ein Spalt wird mit weißem Licht einer Glühlampe beleuchtet und durch ein optisches Gitter betrachtet. Das weiße Licht hat einen spektralen Wellenlängenbereich von 390 nm bis 770 nm. Die Gitterkonstanteist 0,0035 mm. UntersuchenSie rechnerisch, - ob sich die Maxima 2. und 3. Ordnung überlappen und - ob eine Überlappung von der Gitterkonstanten abhängijgist.

Abitur 2013 Physik                                                                Seite 6 Aufgabe A 3.2           Doppelspaltversuch mit Computersimulation          (15 BE) (Wahlaufgabe,alternativ A 3.1) Der Doppelspaltversuchist geeignet, typische Erscheinungen der Quantenphysik zu diskutieren. Das Simulationsprogramm "Doppelspalt" kann als Hilfsmittel dazu verwendet werden. Es ermöglicht die Auswahl verschiedener Quantenobjekte wie Photonen oder Elektronen, aber auch klassischer Teilchen wie Farbtröpfchen oder Kugeln. Auf einem Bildschirm wird hinter dem Doppelspalt das Auftreffen der Objekte registriert. Häufigkeitsverteilungen werden bei längerem Versuchsablauf, der mit dem Button speed beschleunigt werden kann, sichtbar. 1.   Vergleich der Schirmbilder bei Kugeln und bei Photonen Führen Sie das Simulationsprogramm zum Doppelspalt nacheinander mit Kugeln und Photonen durch. Wählen Sie als Blickrichtung vorn. NehmenSie die folgenden Einstellungen vor: Einstellung 1 Quelle: Kugeln Blende: Spalt 1 und 2 geöffnet, Spaltbreite 5 mm, Spaltabstand 25 mm Schirm: Zoom 1x, bei theoretischer Verlauf und Auswertung Häkchensetzen Einstellung 2 Quelle: Photonen, Energie 4 eV Blende: Spalt 1 und 2 geöffnet, Spaltbreite 650 um, Spaltabstand 1800 um Schirm: Zoom 1000 x, bei theoretischer Verlauf und Auswertung Häkchen setzen Beschreiben Sie für jede Einstellung die Beobachtungen während des Versuchsablaufes. Skizzieren Sie jeweils das Schirmbild des theoretischen Verlaufes mit Achseneinteilung. Formulieren Sie Gemeinsamkeiten und Unterschiede der beiden Darstellungen. Erklären Sie die wesentlichen Unterschiede. 2    Versuch mit Photonen 2.1 Die Energie der Photonenlässt sich im Dialogfeld Quelle in Schritten von 1 eV im Bereich von 1 eV bis 500 eV verändern. Der Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichtspektrumsreicht von ungefähr 390 nm bis 770 nm. Ermitteln Sie die Wellenlängen im sichtbaren Bereich, die sich in der Simulation am Schiebereglereinstellen lassen. Kontrollieren Sie die angegebenen Wellenlängen durch eine Berechnung und formulieren Sie einen Vergleich. 2.2 Stellen Sie folgende Werteein: Spaltbreite 100 um, Spaltabstand 240 um, Zoom 100x. Wählen Sie eine der Wellenlängen im sichtbaren Bereich aus. EntnehmenSie der Darstellung norm des Versuchsablaufes den Abstand zwischen Doppelspalt und Schirm. Ermitteln Sie mit der Simulation den mittleren Abstand der Maxima. Protokollieren Sie alle gegebenen und ermittelten Werte. Kontrollieren Sie den experimentell ermittelten Abstand der Maxima durch eine Berechnung undvergleichen Sie.

Abitur 2013 Physik                                                                     Seite 7 Aufgabe B1              Elektronen undihre spezifische Ladung                  M5:BE) (Wahlaufgabe,alternativ B2) In eine Elektronenstrahlröhre ist ein Plattenkondensator so eingebaut, dass die beschleunigten Elektronen senkrecht zur Feldrichtung in ein homogenes elektrisches Feld eintreten. Zwischen den Platten befindet sich ein Leuchtschirm, auf dem der Verlauf des Elektronenstrahls sichtbar wird (Skizze). A         UH     Heizspannung der Katode Gl — IS EEE          Id     N ea               K      Kathode mit Heizwendel Un                                             A       Lochanode KTaa      e     ;             Un     Anodenspannung —Hl d       Abstand der Kondensatorplatten U      Ablenkspannung =               U         X       Länge der Kondensatorplatten %       senkrechte Ablenkung der Elektronen Es werden Heizspannung, Anodenspannung und Ablenkspannung angelegt. 11       Erläutern Sie die Entstehung derfrei beweglichen Elektronen an der Kathode. 12       Beschreiben Sie die Bewegung der Elektronen von der Kathode bis zum Verlassen des Plattenkondensators. Die Elektronentreten mit der Geschwindigkeit v in das homogeneelektrische Feld ein. Ihre Ablenkung kann mit der folgenden Gleichung berechnet werden. 2.1      Leiten Sie diese Gleichung her. 22       Elektronen mit einer Energie von 420 eV treten senkrecht zu den Feldlinien in ein homogeneselektrisches Feld ein. Dieses Feld existiert zwischen zwei Platten, die 5,0 cm lang sind und einen Abstand von 2,6 cm voneinander haben. Die Ablenkspannung beträgt 210 V. Berechnen Sie die        Ablenkung    y    der   Elektronen     am     Ende     des Plattenkondensators.

Abitur 2013 Physik                                                                   Seite 8 Aufgabe B2              Impuls- und Energieerhaltung                   (15 BE) (Wahlaufgabe,alternativ B1) 1     Auf einer horizontalen Luftkissen- bahn befinden sich zwei Gleiter, die durch      eine    gespannte     Feder miteinander verbunden sind. Ein Faden hält zunächst die Feder-                     Gleiter 1         Gleiter 2 spannung aufrecht. Das System der beiden Gleiter ruht jeweils zu Beginn des Experiments. Nach dem Durchbrennen des Fadens entspanntsich die Feder undfällt zu Boden. 1.1.     Die Massen der beiden Gleiter sind im ersten Fall gleich groß. Beschreiben Sie, was passiert, wenn die Feder entspanntwird. Begründen Sie. 1.2      Die Massen der beiden Gleiter sind im zweiten Fall beliebig und werden mit m; und mz bezeichnet. 1.2.1 Die Feder wird entspannt. Die Gleiter bewegensich mit den Geschwindigkeiten v; und v». Ermitteln Sie das Verhältnis der Geschwindigkeiten. 1.2.2 Für das Verhältnis der kinetischen Energien der beiden Gleiter nach dem Entspannen derFedergilt Eu Ee kin 2 m, Leiten Sie diesen Zusammenhangher. 2 Ein Wagender Masse 150 g bewegt sich mit einer Geschwindigkeit von 2,02 auf einer horizontalen Bahn. Er rollt danach eine geneigte Ebene der Höhe 0,30 m hinab und stößt auf einen zweiten zunächst ruhenden Wagen der Masse 300 g. Die Wagenführen einen zentralen elastischen Stoß aus. Der gesamte Vorgang wird als reibungsfrei angenommen, die Rotationsenergie der Räder ist zu vernachlässigen. Betrachten Sie die Wagenals Punktmassen. 2.1      Beschreiben Sie die auftretenden Energieumwandlungen. 2.2      BerechnenSie die Geschwindigkeiten der beiden Wagennach dem Stoß. 2.3      Ermitteln Sie, bis zu welcher Höhe der Wagen 1 nach dem Stoß die geneigte Ebene wieder hinauf rollt. Wagen 1 Wagen2