2014-mv-physik-aufgaben
Dieses Dokument ist Teil der Anfrage „[IFG] Abituraufgaben der Fächer Mathe, Deutsch und Physik 2012 - 2017“
Diese Anfrage wurde als Teil der Kampagne „Frag sie Abi!“ gestellt.
Mecklenburg-Vorpommern Zentralabitur 2014 Physik Aufgaben
Abitur 2014 Physik Seite 2 Hinweise für die Schülerinnen und Schüler Aufgabenwahl Die vorliegende Arbeit besteht aus den Prüfungsteilen A und B. Alle Prüfungsteilnehmer bearbeiten den Teil 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 ge- währt. Hilfsmittel ein an der Schule zugelassenes Tafelwerk ein an der Schule zugelassener Taschenrechner, auch mit CAS ein Wörterbuch der deutschen Rechtschreibung Schülerinnen und Schüler, deren Muttersprache nicht die deut- sche Sprache ist, könnenals zusätzliches Hilfsmittel ein zweispra- chiges Wörterbuch in gedruckter Form verwenden. Näheres regelt die Schule. Sonstiges Die Lösungen sind in einer sprachlich einwandfreien und mathe- matisch exakten Form darzustellen. Alle Lösungswege müssen erkennbar sein. Grafische Darstellungen sind auf Millimeterpapier anzufertigen. Entwürfe können ergänzend zur Bewertung nur herangezogen werden, wenn sie zusammenhängend konzipiert sind und die Reinschrift etwa drei Viertel des erkennbar angestrebten Gesamt- umfanges umfasst. Maximal zwei Bewertungseinheiten können zusätzlich vergeben werden bei sehr guter Notation und Darstellung, bei eleganten, kreativen und rationellen Lösungswegen sowie bei vollständiger Lösung einer zusätzlichen Wahlaufgabe. Maximal zwei Bewertungseinheiten können bei mehrfachen Form- verstößen abgezogen werden. Alle Prüfungsunterlagen sind geschlossen zurück zu geben.
Abitur 2014 Physik Seite 3 Aufgabe A1 KIRCHHOFFSche Spannungswaage MS:BE) Die KIRCHHOFFSche Spannungswaage diente historisch der experimentellen Bestim- mung der elektrischen Feldkontanten £o. Die Waage besteht aus einem Konden- sator mit dem Dielektrikum Luft, dessen kreisförmige Platten Pı und P; (Radius r= 15 cm) waagerecht angeordnetsind. Die obere Platte Pı ist an einem Feder- kraftmesser aufgehängt; die untere Plat- te P; ist fixiert. Der Abstand zwischen den Platten (d= 20 mm) wird während wer x des gesamten Experiments konstant de: areN ml gehalten. ! Mit Hilfe des Federkraftmessers wird die Kraft F des elektrischen Feldes auf P; in Abhängigkeit von der Spannung U gemessen. UinkV |0,0 2,5 3,0 3,9 4,0 4,5 5,0 FinmN |0,0 4,9 7,0 9,6 12,5 15,8 19,6 1 Stellen Sie die Messwerte in einem F(U)-Diagramm grafisch dar. Interpretieren Sie die Darstellung und ermitteln Sie den Zusammenhang zwi- schen diesen Größen. Für die Kraft F auf die kreisförmige Platte Pı des Kondensators mit dem Radius r gilt die Gleichung z Peg A[O) ö 2 d Bestimmen Sie auf geeignete Weise den Wert für die elektrische Feldkontante &o, der sich aus dieser Messung ergibt. Aus Energiebetrachtungen für das homogene elektrische Feld eines Plattenkon- densators mit der Ladung Q und der elektrischen Feldstärke E ergibt sich für die Kraft zwischen denPlatten des Kondensators die Gleichung Fe-oE1 2 SE, Leiten Sie daraus die Gleichung in der Teilaufgabe 2 her. Erläutern Sie, welche Schwierigkeit sich bei der Durchführung des Experiments ergibt.
Abitur 2014 Physik Seite 4 Aufgabe A2 Radioaktivität und Röntgenstrahlung (15 BE) Ein radioaktives Präparat sendet «-, ß"- und y-Strahlen aus. Diese treten in ein mag- netisches Feld senkrecht zu dessen Feldlinien ein. 1 Skizzieren Sie den weiteren Strahlenverlauf. Bei der Spaltung von “U -Kernen (m u.235 = 234,993455 u) durch thermische Neu- tronen (m „n = 1,008665 u) können die beiden instabilen Nuklide X+ und Xz sowie drei Spaltneutronen entstehen. Dabei wird Energie frei. Xı (m xı = 143,892119 u) besitzt die Massenzahl 144 und X; (m x2 = 88,897891 u) die Ordnungszahl 36. 2 Geben Sie die vollständige Reaktionsgleichung für diesen Spaltprozess an und berechnen Sie die dabei frei werdende Energie. 3 Thermische Neutronen sind sogenannte langsame Neutronen. Ihre Geschwin- digkeit und ihre kinetische Energie sind vergleichbar mit den Werten, die Mole- küle der Luft aufgrund ihrer Wärmebewegung bei Zimmertemperatur besitzen. Berechnen Sie die Geschwindigkeit dieser Neutronen, wenn ihre kinetische Energie 0,039 eV beträgt. Nach Entdeckung der Röntgenstrahlung waren von 1923 bis in die 1960-er Jahrein vielen Schuhgeschäften sogenannte Pedoskope populär. Dabei handelte es sich um Röntgengeräte, bei denen die Eltern und der Verkäufer auf einem Bildschirm die Passform von Kinderschuhen am Fuß des Kindes begutachten konnten. 4 Begründen Sie mit typischen Eigenschaften der Röntgenstrahlen das notwendi- ge Verbot der Pedoskopein den 60-er Jahren des vorigen Jahrhunderts. Die Photonen der Röntgen- röhr unterschiedlich N in Als Ohre haben zn Röntgenspektrum für 42,4 kV Energien. Im Diagramm ist Sn die Intensität (Impulsrate N) SAER der Strahlung einer Röntgen- m | röhre in Abhängigkeit vonder 800 ; - Wellenlänge X beieiner be- | il TIII TIRFET stimmten Beschleunigungs- 200 | Seanard dargestellt. gr 2,00 4,00 6.00 8,00 10.00 r in 10°"!m 5 Erläutern Sie die Vorgänge in der Anode, die zur Entstehung der charakteristi- schen Strahlung führen. Erklären Sie die Existenz einer kurzwelligen Grenzwellenlänge. Berechnen Sie diese Grenzwellenlänge des Röntgenbremsspektrums.
Abitur 2014 Physik Seite 5 Aufgabe A3.1 Federschwinger mit Schülerexperiment MSBE) In einem Schülerexperiment sollen Untersuchungen an vertikalen Federschwingern durchgeführt werden. 1 Beschreiben Sie die Energieumwandlungen, die bei einem realen Federschwin- ger während einer Periode auftreten. 2 Erläutern Sie eine Möglichkeit zur Bestimmung der Federkonstanten einer Schraubenfeder. Bestimmen Sie die Federkonstante der am Arbeitsplatz vorgegebenen Schrau- benfeder mit diesem Verfahren möglichst genau. Protokollieren Sie Ihre Mess- werte. 3 Fürein ideales System aus zwei hintereinander angeordneten masselosen Schraubenfedern mit den Federkonstanten D; und Dz Feder 1 gilt für die resultierende Federkonstante Dges die Gleichung l l 1 = + Does D, D; \ Feder 2 3.1 Leiten Sie die Gleichung her. 3.2 Bestätigen Sie diese Gleichung für den Sonderfall zweier baugleicher Federn durch Messung der Schwingungsdauer experimentell. Beachten Sie die Hin- weise am Arbeitsplatz. Protokollieren Sie Ihre Messwerte. Vergleichen Sie die rechnerisch und experimentell ermittelten Werte für die resultierende Federkonstante miteinander.
Abitur 2014 Physik Seite 6 Aufgabe A3.2 _HEISENBERGSche Unschärferelation (15 BE) 1 Die HEISENBERGsSche Unschärferelation kann in der vereinfachten Form Ax-Ap = h angegebenwerden. Erläutern Sie die wesentlichen physikalischen Aussagen, die sich daraus ableiten lassen. Die weiteren Aufgaben sind mit der Computersimulation „Doppelspaltexperi- ment“ zu lösen. Wählen Sie als Quelle Elektronen aus und stellen Sie für die kinetische Energie der Elektronen einen Wert von Exin < 10 keV ein. Für die folgenden Aufgaben bleibt dieser Wert unverändert. Relativistische Effekte werden nicht berücksich- tigt. 2 BerechnenSie für den gewählten Energiebetrag die Wellenlänge und den Im- puls der Elektronen und vergleichen Sie die Wellenlänge mit dem Wert, der in der Simulation angegeben wird. 2 Wählen Sie unter Blende einen Einfachspalt aus, indem entweder nur Spalt 1 oder nur Spalt 2 aktiviert ist. Für den Spaltabstand kann ein mittlerer Wert (ca. 1000 nm) eingestellt werden, der dann auch für 2.3 unverändert bleibt. Verändern Sie beliebig die Spaltbreite und beobachten Sie die Veränderungen auf dem Bildschirm. Beschreiben Sie die Beobachtungen. Geben Sie eine physikalische Erklärung. 2.3 Stellen Sie nun einen festen Wert der Spaltbreite Ax ein und protokollieren Sie diesen. Berechnen Sie dafür die entsprechende Impulsunschärfe Ap. Lesen Sie die Werte für die Breite Ab des Maxi- mums 0. Ordnung und den 1—. Abstand e zwischen Spalt | und Bildschirm aus der Simulation ab. Bestimmen Sie die Im- pulsunschärfe Ap auch mit Hilfe dieser Werte. Vergleichen Sie beide Er- gebnisse. Hinweis zur Abbildung: Die beiden eingetragenen Pfeile stellen den Impuls d sowie die Impulsunschärfe AD dar.
Abitur 2014 Physik Seite 7 Aufgabe B1 Modelle vom Licht (15-BE) 1 Das Licht eines Laserpointerstrifft auf ein Gitter mit 100 Strichen pro Millimeter und erzeugt auf einem davon 0,60 m entfernten Auffang- schirm das nebenstehende Bild. 1.1 Erklären Sie das Zustandekommen diesesBildes. 1.2 Zusätzlich wird nun ein zweites Gitter direkt vor das andere Gitter gehalten. Al- lerdings stehen die Gitterlinien dabei senkrecht zu denen des schon verwende- ten Gitters. Wählen Sie aus den folgenden Abbildungen diejenige aus, welche jetzt der Be- obachtung auf dem Auffangschirm entspricht. Begründen Sie. ®— ® ® "| 3,1cm 3,1cm ® @ 2 a en) e o ® » > 3,9 cm Abb. 1 Abb. 2 1.3 Weisen Sie rechnerisch nach, dass die Wellenlänge des verwendeten Laser- lichts 650 nm beträgt. Ermitteln Sie die Gitterkonstante des zweiten Gitters. 2 Inder Medizin werden sogenannte Excimerlaser unter anderem zur Behandlung von Augenkrankheiten eingesetzt. 2.1 Begründen Sie mit Hilfe der Eigenschaften von Laserlicht, warum diesesals „Skalpell“ verwendet werden kann. 2.2 Inder Industrie werden Excimerlaser mit einer Wellenlänge von 248 nm zur Ma- terialbearbeitung verwendet. Die ausgesandten Lichtpulse haben pro Puls eine Energie von 0,3 J bei einer Pulsdauer von 15 ns. Berechnen Sie die Anzahl der pro Puls ausgesandten Photonen. Vergleichen Sie die Leistung des Lasers mit der Wärmeleistung des 2013 in Greifswald neu errichteten Blockheizkraftwerks von 4,6 MW. 3 Für seine Lichtquantenhypothese, die 1905 veröffentlicht wurde, erhielt EINSTEIN 1921 den Nobelpreis. Im Jahre 1917 äußerte er: „Den Rest meines Lebens möchte ich damit zubringen, darüber nachzudenken, wasLicht ist.“ Erläutern Sie, warum esin der Physik unterschiedliche Modelle für das Licht gibt.
Abitur 2014 Physik Seite 8 Aufgabe B2 Schwerelosigkeit beim Parabelflug (15 BE) Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) führt regelmäßig Parabelflüge mit einem Airbus A300 desfranzösischen Unternehmens Novespace durch. Dabei können für kurze Zeiträume Experimente in der Schwerelosigkeit durchgeführt wer- den. Wichtige Flugdaten eines sol- injection point recovery point chen Manövers können der Grafik! entnommen werden. 8500 m 370 km/h Das Flugzeug hat eine Masse x7 von 137 t. d 7_ m N 570 km/h u 6 m 825 km/h Er LOFT - ä Su 13 url lael® 4 Schwerelosigkei D BR cz 1 In der ersten Phaseeiner Parabel geht der Pilot auf einer Höhe von 6 100 m aus dem Horizontalflug in einen Steigflug über, bis der Rumpf der Maschine einen Winkel von 47° erreicht hat(„injection point“). 1.1. Begründen Sie durch einen rechnerischen Vergleich der mechanischen Ener- gien, dass beim Übergang vom Horizontalflug zum „injection point“ die Schub- kraft der Triebwerke erhöht werden muss. 1.2 Ein Experimentator misst während dieser Phase für ein Fadenpendel der Länge 1,0 meine Schwingungsdauer von 1,5 s. Ermitteln Sie daraus, um welchen Faktor sich die Gewichtskraft eines Körpers im Flugzeug in dieser Hyperschwerkraft-Phase verändert. Ein zweiter Experimentator verwendet eine Schraubenfeder mit einem Haken- körper. Beschreiben Sie ein Experiment, das zum gleichen Ergebnis führt. 2 Im „injection point“ werden die Triebwerke soweit gedrosselt, dass die weitere Bahn des Flugzeugs einer Wurfparabel entspricht. Während der Bewegung auf dieser Parabelbahn sind alle Körper im Innern des Flugzeuges schwerelos. 2.1 Nennen Sie einen Grund, warum die Triebwerke auch während dieser Phase Schub erzeugen müssen. 2.2 In einer gewissen Umgebung desScheitelpunktes kann man die Flugbahn als Kreisbahn betrachten. Berechnen Sie den Radius des Kreisbogens. 2.3 In einer speziellen Parabel wird im Flugzeug die Fallbeschleunigung auf dem Mond, die etwa einem Sechstelderjenigen auf der Erde entspricht, simuliert. Geben Sie eine Möglichkeit für den Piloten an, eine solche Situation herbeizu- führen und begründen Sie. ' Quelle: DLR, Parabelflug-Forschung_D-GB_08/09