Probeprüfung Physik, Leistungskurs, Nr. 190
Vier Aufgaben, je eine mit Schwerpunkt in einem Kurshalbjahr. Sie wählen drei. Eine Aufgabe enthält ein Experiment. Arbeitszeit wie im Abitur: 5 Stunden. Gespeichert wird nichts – die Nummer in der Adresse holt dieselbe Probe wieder.
Hinweise
- Wählen Sie drei der vier Aufgaben. Die Wahl treffen allein Sie und können sie bis zum Ende der Arbeitszeit ändern – bei der Aufgabe mit Experiment nur bis zum Ende der regulären Arbeitszeit.
- Hilfsmittel: Wörterbuch der deutschen Rechtschreibung, die eingeführte Formelsammlung, der eingeführte Taschenrechner, beim Experiment die Messwerterfassung aus dem Unterricht.
- Dokumentieren Sie jede Rechnung und Herleitung nachvollziehbar, auch die Auswertung der Messwerte.
- Die Bewertungseinheiten dieser Probe sind ein Richtwert nach dem Anforderungsbereich, kein amtlicher Erwartungshorizont.
Aufgabe A: Felder im Kondensator und in der Spule
Schwerpunkt Q1 · Elektrische und magnetische Felder · 26 Bewertungseinheiten
In der Technik werden Ladungen und Ströme genutzt, um Energie zu speichern und Kräfte zu erzeugen. Die folgenden Teilaufgaben untersuchen elektrische und magnetische Felder an typischen Bauteilen.
- A 1 Das Feld verrichtet an der Ladung Q = 20 µC die Arbeit W = 5 mJ. Berechnen Sie die Spannung zwischen Start und Ziel. (5 BE)
- A 2 Ein Kondensator (C = 22 µF) wird über R = 1 kΩ an U₀ = 12 V geladen. Berechnen Sie den Ladestrom nach t = 22 ms, drei gültige Ziffern. (5 BE)
- A 3 Stromwaage mit l = 8 cm: bei I₁ = 2 A zeigt der Kraftmesser 7,4 mN, bei I₂ = 5 A 17 mN. Bestimmen Sie B aus der Steigung. (5 BE)
- A 4 Zwei parallele Leiter, 1 cm entfernt, führen gleichsinnig 8 A und 2 A. Warum ziehen sie sich an? (6 BE, Leistungskurs)
- A 5 Lehrerversuch am Fadenstrahlrohr, B = 1 mT: bei 150 V ist r = 4,1 cm, bei 200 V ist r = 4,8 cm. Bestimmen Sie e/m als Mittelwert. (5 BE)
Aufgabe B: Schwingende Systeme
Schwerpunkt Q2 · Mechanische und elektromagnetische Schwingungen und Wellen · 39 Bewertungseinheiten
Federn, Pendel und Schwingkreise schwingen nach denselben Gesetzen. Die Teilaufgaben verbinden mechanische und elektromagnetische Schwingungen; eine Teilaufgabe ist ein Experiment.
- B 1 Ein Körper mit 400 g schwingt an einer Feder mit der Periodendauer T = 0,8 s. Berechnen Sie die Federkonstante D. (5 BE)
- B 2 Ein Wagen mit 400 g schwingt reibungsfrei zwischen Federn mit D = 20 N/m und ŷ = 3 cm. Berechnen Sie seine größte Geschwindigkeit. (5 BE)
- B 3 Ein Schwingkreis schwingt mit 500 Hz. Der Kondensator wird gegen einen mit 9-facher Kapazität getauscht, die Spule bleibt. Berechnen Sie die neue Frequenz. (5 BE)
- B 4 Ein Radio hat eine Spule mit L = 200 µH und einen Drehkondensator von 50 pF bis 400 pF. Berechnen Sie die höchste Frequenz, auf die es sich abstimmen lässt. (5 BE, Leistungskurs)
- B 5 Eine lange Spule hat L = 4 mH. Sie wird gleich lang mit 2-mal so vielen Windungen neu gewickelt und bekommt einen Kern mit µ_r = 50. Berechnen Sie L. (5 BE)
- B 6 Im Diagramm schwingen zwei Pendel: A durchgezogen mit ŷ = 3 cm, B gestrichelt. Was unterscheidet die beiden Schwingungen? Begründen Sie am Diagramm. (6 BE)
Experiment: Federpendel mit Sensor
- Führen Sie das Experiment durch: Wovon hängt die Periodendauer eines Federpendels ab?
- Federkonstante aus Kraft und Verlängerung bestimmen.
- T für verschiedene Massen messen.
- T bei gleicher Masse und verschiedenen Amplituden vergleichen.
- Werten Sie aus: Ergibt T² über m eine Ursprungsgerade?
- Werten Sie aus: Hängt T von der Amplitude ab?
| m in kg | Amplitude in cm | T in s | T² in s² |
|---|---|---|---|
Sicherheit: Feder nicht überdehnen, Wägestücke sichern. Schülerversuch.
Gelingt die Messung nicht, gibt die Lehrkraft Ersatzmesswerte aus. Dann entfallen 4 Bewertungseinheiten.
Aufgabe C: Licht als Welle
Schwerpunkt Q3 · Mechanische und elektromagnetische Schwingungen und Wellen · 31 Bewertungseinheiten
Interferenz und Beugung zeigen, dass Licht sich wie eine Welle ausbreitet. Die Teilaufgaben werten Muster am Doppelspalt und am Gitter aus.
- C 1 Punkt P ist 3 m von Lautsprecher A und 3,5 m von Lautsprecher B entfernt. Beide senden gleichphasig, c = 340 m/s. Berechnen Sie die kleinste Frequenz für Auslöschung in P. (5 BE)
- C 2 Am Doppelspalt (b = 0,1 mm, Schirm in 2,5 m) liegen zwischen dem 1. und dem 3. Maximum derselben Seite 31,6 mm. Bestimmen Sie λ. (5 BE)
- C 3 Ein Wetterradar empfängt das Echo eines Pulses 50 µs nach dem Senden. Berechnen Sie die Entfernung des Ziels. Die Pulse laufen mit Lichtgeschwindigkeit. (5 BE)
- C 4 Ein grüner Laser (532 nm) beleuchtet einen Einfachspalt der Breite 20 µm. Der Schirm steht 1 m entfernt. Berechnen Sie die Breite des hellen Hauptmaximums. (5 BE, Leistungskurs)
- C 5 Die Resonanzkurve einer Autofederung hat ihre Spitze bei 1 Hz. Die Dämpfung wird stärker eingestellt. Wie ändert sich die Resonanzkurve? (5 BE)
- C 6 Ein violetter Laser (405 nm) beleuchtet einen Doppelspalt mit 0,5 mm Spaltabstand, der Schirm steht 1,5 m dahinter. Warum ist es genau hinter dem Steg am hellsten? (6 BE)
Aufgabe D: Licht und Atome
Schwerpunkt Q4 · Quantenphysik und Materie · 26 Bewertungseinheiten
Spektrallinien verraten, welche Energien ein Atom annehmen kann. Die Teilaufgaben verbinden das Photonenmodell mit dem Aufbau der Atomhülle.
- D 1 Ein Wasserstoffatom in einer Spektralröhre wird vom Zustand n = 4 in den Zustand n = 6 angeregt. Wie viel Energie muss es aufnehmen? Berechnen Sie in eV. (5 BE)
- D 2 Berechnen Sie die kürzeste Wellenlänge der Lyman-Serie des Wasserstoffs (Sprünge nach n = 1, Seriengrenze). In welchem Spektralbereich liegt sie? (5 BE)
- D 3 Im Licht eines Sterns hinter einer Gaswolke fehlt Licht bei 486 nm: eine dunkle Linie von Wasserstoff. Die Atome senden die aufgenommene Energie doch wieder aus. Warum bleibt die Linie dunkel? Begründen Sie. (6 BE)
- D 4 In einer Neonröhre liegt das erste Strommaximum bei 20,5 V, der Abstand der Maxima ist 18,4 V. Wie viele leuchtende Schichten sind bei U = 60 V zu erwarten? Berechnen Sie mit Einheit. (5 BE, Leistungskurs)
- D 5 An einer Fotozelle misst man bei 450 nm die Gegenspannung U_0 = 0,48 V. Bestimmen Sie U_0 bei 350 nm an derselben Kathode. (5 BE)
Erwartungshorizont
Erst nach dem Schreiben lesen. Wer zuerst selbst abruft und dann vergleicht, behält mehr (Roediger & Karpicke 2006).
Aufgabe A
- A 1 (Anforderungsbereich II, 5 BE): 250 V
- U = W : Q
- U = 5 · 10⁻³ J : (20 · 10⁻⁶ C)
- U = 250 V
- A 2 (Anforderungsbereich II, 5 BE): 4,41 mA
- I₀ = U₀ : R
- I₀ = 12 V : 1 kΩ = 12 mA, τ = R · C = 22 ms
- I = 12 mA · e^(−1) = 4,41 mA
- A 3 (Anforderungsbereich II, 5 BE): 40 mT
- B = ΔF : (ΔI · l)
- ΔF = 9,6 mN, ΔI = 3 A, l = 0,08 m
- B = 9,6 · 10⁻³ N : (3 A · 0,08 m) = 40 mT
- A 4 (Anforderungsbereich III, 6 BE): Leiter 1 erzeugt ein Magnetfeld, darin wirkt auf Leiter 2 eine Lorentzkraft.
- Jeder Strom ist von einem Magnetfeld umgeben.
- Der Strom in Leiter 2 fließt quer zu diesem Feld: Auf ihn wirkt F = I · l · B.
- Also: Leiter 1 erzeugt ein Magnetfeld, darin wirkt auf Leiter 2 eine Lorentzkraft.
- A 5 (Anforderungsbereich II, 5 BE): e/m = 1,76 · 10¹¹ C/kg
- e : m = 2 · U_B : (B² · r²) für jede Messung
- Messung 1: 1,78 · 10¹¹ C/kg, Messung 2: 1,74 · 10¹¹ C/kg
- Also: e/m = 1,76 · 10¹¹ C/kg
Aufgabe B
- B 1 (Anforderungsbereich II, 5 BE): 24,7 N/m
- T = 2π · √m : D, quadriert und umgestellt: D = 4π² · m : T²
- m = 0,4 kg, T² = 0,64 s²
- D = 4π² · 0,4 kg : 0,64 s² = 24,7 N/m
- B 2 (Anforderungsbereich II, 5 BE): 0,212 m/s
- In der Ruhelage ist die ganze Spannenergie Bewegungsenergie: ½ · D · ŷ² = ½ · m · v²
- umgestellt: v = ŷ · √D : m
- v = 0,03 m · √20 N/m : 0,4 kg = 0,212 m/s
- B 3 (Anforderungsbereich II, 5 BE): 167 Hz
- f = 1 : (2π · √L · C), also f wächst mit 1 : √C
- C wird 9-mal so groß: f wird durch √9 = 3 geteilt
- f = 500 Hz : 3 ≈ 167 Hz
- B 4 (Anforderungsbereich II, 5 BE): 1590 kHz
- f = 1 : (2π · √L · C): die höchste Frequenz bei der kleinsten Kapazität
- L · C = 2 · 10⁻⁴ H · 5 · 10⁻¹¹ F
- f = 1 : (2π · √L · C) = 1590 kHz
- B 5 (Anforderungsbereich II, 5 BE): 800 mH
- L = µ₀ · µ_r · N² · A : l, also L wächst mit N² und mit µ_r
- N wird 2-mal so groß: L wird 4-mal so groß, der Kern bringt mal 50
- L = 4 mH · 4 · 50 = 800 mH
- B 6 (Anforderungsbereich III, 6 BE): B hat die doppelte Amplitude, beide haben dieselbe Periodendauer.
- Die Amplitude ist der größte Ausschlag von der Mittellinie aus.
- Die Periodendauer liest man waagerecht ab.
- B schlägt doppelt so weit aus, kommt aber zur selben Zeit wieder an.
Aufgabe C
- C 1 (Anforderungsbereich II, 5 BE): 340 Hz
- Kleinste Auslöschung: Δs = λ : 2, also λ = 2 · Δs
- Δs = 3,5 m − 3 m = 0,5 m, λ = 1 m
- f = c : λ = 340 m/s : 1 m = 340 Hz
- C 2 (Anforderungsbereich II, 5 BE): 632 nm
- Zwischen dem 1. und 3. Maximum liegen 2 gleiche Abstände: Δa = 31,6 mm : 2 = 15,8 mm
- λ = b · Δa : e für benachbarte Maxima
- λ = 0,0001 m · 0,0158 m : 2,5 m = 632 nm
- C 3 (Anforderungsbereich II, 5 BE): 7,5 km
- Der Puls läuft hin und zurück: s = c · t : 2
- c = 300.000 km/s, t = 0,00005 s
- s = 300.000 km/s · 0,00005 s : 2 = 7,5 km
- C 4 (Anforderungsbereich II, 5 BE): 5,32 cm
- Das Hauptmaximum reicht vom 1. Minimum links bis zum 1. rechts: sin α₁ = λ : b
- sin α₁ = 532 nm : 20.000 nm = 0,0266, α₁ = 1,52°
- Breite = 2 · e · tan α₁ = 2 · 1 m · 0,0266 ≈ 5,32 cm
- C 5 (Anforderungsbereich II, 5 BE): Die Spitze wird niedriger und breiter, sie bleibt fast bei derselben Frequenz.
- Bei Resonanz wird im Takt der Eigenfrequenz Energie zugeführt.
- Die Amplitude wächst, bis die Dämpfung so viel Energie abführt, wie dazukommt.
- Stärkere Dämpfung: Die Amplitude bleibt kleiner, die Spitze flacher und breiter.
- C 6 (Anforderungsbereich III, 6 BE): Die Wege von beiden Spalten dorthin sind gleich lang: Δs = 0, die Wellen verstärken sich.
- Hinter dem Doppelspalt überlagern sich die Wellen aus beiden Spalten.
- Zur Mitte des Schirms sind beide Wege gleich lang.
- Ohne Gangunterschied trifft Berg auf Berg: hellstes Maximum.
Aufgabe D
- D 1 (Anforderungsbereich II, 5 BE): 0,47 eV
- ΔE = E_m − E_n mit E_n = −13,6 eV : n²
- E_4 = −0,85 eV, E_6 = −0,378 eV
- ΔE = −0,378 eV − (−0,85 eV) = 0,47 eV
- D 2 (Anforderungsbereich II, 5 BE): 91,2 nm
- Kürzeste Wellenlänge: größter Sprung, von E = 0 nach n
- ΔE = 13,6 eV : 1 = 13,6 eV
- λ = 1240 eV · nm : 13,6 eV = 91,2 nm, ultraviolett
- D 3 (Anforderungsbereich III, 6 BE): Die Atome senden in alle Richtungen, nach vorn fehlt es.
- Atome in der kühleren Schicht absorbieren genau Photonen mit 486 nm.
- Beim Zurückfallen senden sie Photonen derselben Energie aus, aber in alle Richtungen.
- In der ursprünglichen Richtung kommt deshalb viel weniger an: eine dunkle Linie.
- D 4 (Anforderungsbereich II, 5 BE): 3 Schichten
- Jede Schicht ist ein Ort, an dem die Elektronen Neonatome anregen.
- Bis 60 V: erstes Maximum bei 20,5 V, dann alle 18,4 V ein weiteres
- 20,5 V + 2 · 18,4 V liegt unter 60 V: 3 Schichten
- D 5 (Anforderungsbereich II, 5 BE): 1,27 V
- W_A bleibt gleich: e · ΔU_0 = ΔE_Ph
- E_Ph: 1240 eV · nm : 450 nm = 2,76 eV, 1240 eV · nm : 350 nm = 3,54 eV
- U_0 = 0,48 V + 0,79 V = 1,27 V
Punkte in Notenpunkte umrechnen: Abitur-Training Physik. Was nicht gelang, in der Übungsstrecke nacharbeiten: Üben.