Mecklenburg-Vorpommern Zentralabitur 2015 Physik Prüfungsaufgaben

Abitur 2015 Physik                                                                   Seite 2 von 8 Hinweise für Schülerinnen und Schüler Aufgabenwahl Die Prüfungsarbeit besteht aus einem Pflichtteil mit den Aufgaben A1 und A2 sowie aus einem Wahlteil mit den Aufgaben A3.1, A3.2, B1 und B2. Prüfungsteilnehmer, die die Prüfung auf grundlegendem Anforderungsniveau ablegen, bearbeiten die Pflichtaufgaben A1 und A2 sowie eine der Wahlaufgaben A3.1, A3.2, B1 oder B2. Prüfungsteilnehmer, die die Prüfung auf erhöhtem Anforderungsniveau ablegen, bearbeiten die Pflichtaufgaben A1 und A2 sowie zwei der Wahlaufgaben A3.1, A3.2, B1 und B2, wobei mindestens eine davon eine B- Aufgabe sein muss. Bearbeitungszeit Die Bearbeitungszeiten betragen 240 Minuten bzw. 300 Minuten für die Prü- fung unter erhöhten Anforderungen. Zusätzlich werdenallen Schülerinnen und Schülern 30 Minuten für die Entscheidung zu den Wahlaufgaben gewährt. Hilfsmittel ein an der Schule zugelassenes Tafelwerk (ohne Musterlösungen) ein an der Schule zugelassener Taschenrechner, auch mit CAS ein nichtelektronisches Wörterbuch der deutschen Rechtschreibung Schülerinnen und Schüler, deren Muttersprache nicht die deutsche Sprache ist, können als zusätzliches Hilfsmittel ein zweisprachiges nichtelektronisches Wörterbuch verwenden. Näheresregelt die Schule. Sonstiges Der Prüfungsteilnehmer vermerkt auf der Reinschrift, welche Aufgaben bearbeitet wurden und auf welchem Anforderungsniveau. Die Lösungen sind in einer sprachlich einwandfreien und mathematisch 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 Gesamtumfanges umfasst. Maximal zwei Bewertungseinheiten können zusätzlich vergeben werden bei sehr guter Notation und Darstellung, bei eleganten, kreativen und rationellen Lösungswegen sowiebei vollständiger Lösung einer zusätzlichen Wahlauf- gabe. Maximal zwei Bewertungseinheiten können bei mehrfachen Formverstößen abgezogen werden. Alle Prüfungsunterlagen sind geschlossen zurück zu geben.

Abitur 2015 Physik                                                                    Seite 3 von 8 Aufgabe A1 Atommodelle                                                          (15 BE) Das im Jahr 1911 aufgestellte RUTHERFORDSche Atommodell wurde auf der Grundla- ge von Streuversuchen entwickelt. Bereits 1913 wurde das Modell von BOHR wesent- lich erweitert. 1.     RUTHERFORD’s Assistenten GEIGER und MARSDEN                       4                   r beschossen eine sehr dünne Goldfolie mit           _—-                       o        S a-Teilchen. Nahezu alle a-Teilchen gingen gerad-                      ®               > linig durch die Goldfolie hindurch, nur etwa 1 von            ®              we       < 20 000 a-Teilchen wurde um einen Winkel von                           =               Z mehr als 90° abgelenkt.                            —eS> In der schematischen Darstellung ist die Anzahl                                       > der gestreuten Teilchen stark übertrieben.                 m          z     >> Geben Sie an, welche Schlussfolgerungen              u über i den Aufbau i des  Atoms  RUTHERFORD   aus     ee: reuung von Alphateilchen an diesem Experiment zog.                              Atomen 2       BoHRr ergänzte das RUTHERFORDSche Atommodell durch zwei wesentliche Postu- late. -Erklären Sie mit Hilfe der BoHRschen Postulate, wie die Emission und Absorption von Licht nach diesem Modell erfolgen. 3      Der Radius des Wasserstoffatoms lässt sich nach BOHR im Grundzustand mit 5,29:10°"' m theoretisch bestimmen. Berechnen Sie aus einem Kraftansatz die Geschwindigkeit des Elektrons auf der ersten Bahn. 4      Das BoHrsche Atommodell lässt sich ebenfalls auf den einfachionisierten Heli- umkern anwenden. Die Berechnungen ergeben mögliche Wertefür die Energien E„ des Elektrons auf seiner Kreisbahn um den Atomkern. me                   z         ar Allgemein gilt: E, =-13,6 eV -—-, wobei Z die Kernladungszahl und n die Quan- n tenzahl ist. 4.1        Berechnen Sie E;bis Es für den He*-Kern. 4.2        Im Spektrum des He*- Atomsist eine Linie bei 656 nm zufinden. Berechnen Sie die Energie des freigesetzten Fotons und ermitteln Sie die Quantenzahlen für den möglichen Elektronenübergang. 5       Erläutern Sie kurz eine Grenze des BoHrRschen Atommodells.

Abitur 2015 Physik                                                                Seite 4 von 8 Aufgabe A2 Elektromagnetische Induktion                                       (15 BE) 1      Ein einfacher Fahrraddynamobesteht aus einer Spule mit Eisenkern und einem drehbar gelagerten Dauermagneten(siehe Skizze). Erklären Sie die Wirkungsweise. 2      Im Folgenden soll eine Leiterschleife in einem homogenen Magnetfeld rotieren. 21       Vergleichen Sie dieses Prinzip kurz mit dem des Fahrraddynamos. 2.2      Eine quadratische Leiterschleife der Kantenlänge 5 cm rotiert mit einer konstan- ten Frequenz von 20 Hz in einem homogenen Magnetfeld der Flussdichte 2 mT. Die dabei induzierte Spannung berechnetsich mit folgender Formel U=B A w sin(w t), (U;-Induktionsspannung, A-Querschnittsfläche, B-magnetische Flussdichte, &-Kreisfrequenz). Berechnen Sie die Periodendauer und die maximale induzierte Spannung. 2.8      Zeichnen Sie das zugehörige U;ft)-Diagramm. 2.4      Die Frequenz hat Einfluss auf die induzierte Spannung. Ergänzen Sie die Zeichnung aus Aufgabe2.3 für den Fall, dass die Frequenz verdoppelt wird. 3      Mit Hilfe eines Fahrraddynamoswird eine Lampe mit einer maximalen Spannung von 6 V betrieben. Berechnen Sie die notwendige Drehzahl bei einer magnetischen Flussdichte von 0,65 7, 100 Windungen und einer maximal durchsetzten Fläche von 5 cm?.

Abitur 2015 Physik                                                              Seite 5 von 8 Aufgabe A3.1            LED mit Schülerexperiment                           (15 BE) Seit 1980 werdenin der Technik immer häufiger Leuchtdioden (LED) eingesetzt. Hier wird in einer Umkehrungdes Fotoeffekts Licht abgestrahlt. Die LED beginnt bei einer Spannung U) zu leuchten, dabei wird kinetische Energie der Elektronenin Strahlungsenergie umgewandelt. 1      Ermitteln Sie in einem Interferenzversuch die Wellenlänge der gegebenen LED. Beschreiben Sie die Versuchsdurchführung. Messen und protokollieren Sie die entsprechenden Größen. (Hinweise zum Aufbau finden Sie am Arbeitsplatz.) In einem Experiment werden von verschiedenen LED, deren Wellenlängen bekannt sind, die Kennlinien aufgenommen. Darauslässt sich für jede LED U, bestimmen. Die Spannung Un ist erreicht, wenn der Stromfluss einen Wert von 5 mA überschreitet. Ziel dieses Experimentesist es, das PLANCKsche Wirkungsquantum zu ermit- teln. | inA 1180 nm ı  g4onm |  750.nm | |        |         700 nm 650 nm F       410 nm u          |          1                                       TEIETTz ei, a        Leiten Sie die hier gültige Gleichung h=      .} aus einem Energieansatz her. 22       Bestimmen Sie das PLANCKsche Wirkungsquantum möglichst genau und be- rechnen Sie die prozentuale Abweichung vom Tabellenwert.

Abitur 2015 Physik                                                              Seite 6 von 8 Aufgabe A3.2            Bewegung auf der Luftkissenbahn                    (15 BE) Eine gerade Luftkissenbahn ist gegenüber der Horizontalen unter einem Neigungs- winkel von 3° aufgestellt. Der Gleiter wird am Fußpunkt der Bahn mit einer Anfangs- geschwindigkeit vo abgestoßen. Mit einer Videokamera wird seine Bewegung aufge- zeichnet. Aus der Aufzeichnung wird zu bestimmten Zeitpunkten derjeweilige Ort des Mittelpunktes des Gleiters rekonstruiert. Die Messwerte beginnen unmittelbar nach dem Abstoß am Fußpunkt. Zeittins           0,00 |0,50 |1,00  1,50   2,00  2,50   3,00  3,50   4,00   4,50       5,00 Ortxinm           0,00 10,61 1,09   |145   [168  |179   |1,77 |163   |136   |0,97      0,45 Für die Auswertung ist der Einfluss von Reibungsvorgängen zu vernachlässigen. 1      Beschreiben Sie die Bewegung desGleiters. 2      _Begründen Sie, dass es sich um eine gleichmäßig beschleunigte Bewegung handelt und berechnen Sie den Wert für die Beschleunigung. Berechnen Sie ebenso die Anfangsgeschwindigkeit. 3      Bestimmen Sie die größte Entfernung desGleitermittelpunktes vom Start und die zugehörige Zeit, wenn die Beschleunigung — 0,50 = und die Anfangsgeschwindigkeit 1,35 = betragen. 4      Zeichnen Sie das v(f)-Diagramm der Bewegung, bis der Gleiter seine Ausgangsposition wieder erreicht hat.

Abitur 2015 Physik                                                                              Seite 7 von 8 Aufgabe B1 Elektrische Felder                                                           (15 BE) 1:1      Definieren Sie den physikalischen Begriff elektrisches Feld. 12         In einem Experiment wird die Struktur von          | Auen seen en, elektrischen Feldern untersucht. Dazu wirdein                 Ri. Metallring in das elektrische Feld einesPlat-                                                    wernset tenkondensators gebracht.                                   .. . want . 5 “ nur“ ..r aurkue, Entscheiden Sie, welches der Feldlinienbilder        Tree   nn... .enunneanturdittten..., I zutreffend ist. BegründenSie.                                   Bild 1        ei? 1.3        Bei Gewitter sind Insassen eines Fahrzeugs mit metallischer Karosserie vorei- nem Blitzschlag geschützt. Erklären Sie. 2     Zur Untersuchung von elektrischen Feldern werden zwei                                N im Abstand von 15,0 cm parallel aufgestellte Metallplat- ten als Plattenkondensator verwendet. Durch Anlegen einer Spannung U wird ein elektrisches Feld erzeugt. Eine kleine, positiv geladene Metallkugel ist an einem isolierten Faden mit der Länge 1,50 m so an- gebracht, dass sie bei der Spannung von 0,0 V genau in der Mitte zwischen den Platten hängt. Bei einer Span- nung U # OV wird sie um die horizontale Strecke Ax zur Seite ausgelenkt. Die Skizze der Versuchsanordnung ist nicht maßstabsgetreu. Daselektrische Feld soll nun untersucht werden. Hierzu wird eine Kugel mit einer Masse von 2,50 g verwendet und die Spannung am Kondensator auf 18,5 kV eingestellt. Daraus ergibt sich für die Metallkugel eine horizontale Auslenkung von 5,30 cm. 2.1      Berechnen Sie den Auslenkwinkel «. 22       Skizzieren Sie die auf die geladene Metallkugel wirkenden Kräfte ohne quantitative Bestimmung der Beträge dieser Kräfte. 2.3      Zeigen Sie, dass die Ladung Q@ der Metallkugel näherungsweise durch folgende Gleichung bestimmt werden kann: _ 4X :m:9:0 u 2.4      Berechnen Sie die Ladung Q unter der Annahme, dass das elektrische Feld im Kondensator trotz der anwesenden Metallkugel homogenist.

Seite 8 von 8 Abitur 2015 Physik Aufgabe B2 Kernphysik - Die Alpha-Strahlung                                       (15 BE) Untersuchungsgegenstand der Kernphysik ist der aus Protonen und Neutronen zu- sammengesetzte Atomkern. Fragen nach der relativen Stabilität vieler Atomkerne, die aufgrund elektrostatischer Abstoßungskräfte zwischen Protonen zerfallen müss- ten, und den Masseunterschiedeneinzelner Nukleonen und des gesamten Kerns beantworteten Physiker auch durch die Entwicklung von Modellvorstellungen. Sie entwickelten dazu das Modell „Potentialtopf“. 1       Erläutern Sie dieses Modell und stellen Sie dar, wie die genannten Fragenbe- antwortet werden. 2      Die sog. „Tiefe“ des Potentialtopfes ergibt sich aus der mittleren Kernbindungs- energie je Nukleon. Zeigen Sie, dass für Ra-226 die Kernbindungsenergie je Nukleon ca. 7,66 MeV beträgt. Messungen der kinetischen Energie der freigesetzten a-Teilchen               Resikern ergaben für Ra-226 Werte von ca. 4,6 bis 4,8 MeV. Die theoreti-                             a sche Überprüfung dieser Ergebnisse führte historisch zu Deu- tungsproblemen. Für die Ermittlung der kinetischen Energie der a-Teilchen könnte das folgende "klassische" Modell betrachtet werden: Das «a -Teilchen beginnt gerade, sich vom Folgekern zu lösen. Beide Teilchen werdenals kugelförmig angenommenund befindensich in Ruhe. Aufgrund der abstoßenden Kräfte wandelt sich die potentielle Energie im 1     Q:Q radialen Coulombfeld Er. = -                          in kinetische Energie um. z&        fr 3      Zeigen Sie, dass mit dieser Rechnung die Messwerte für die kinetische Energie nicht bestätigt werden können. Der Vergleich der gemessenen und der berechneten Werte der kinetischen Energie führte zu der Hypothese, dass das «- Teilchen den „Potentialwall“ gar nicht überwunden haben kann, sondern diesen “durchtunnelt‘ haben muss(siehe Abb.). 4       Interpretieren Sie diese Aussage. Masse des Radiumnuklids Ra-226                    225,371 u Masse des a-Teilchens                               4,00151 u Masse des Protons                                   1,007276 u Masse des Neutrons                                  1,008665 u Abschätzung für den Radius eines Atomkerns mit der Massenzahl A: "Kern = A -1,46-10°"m