Probeprüfung Physik, Leistungskurs, Nr. 384
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 · 31 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 = 4 µC die Arbeit W = 1,6 mJ. Berechnen Sie die Spannung zwischen Start und Ziel. (5 BE)
- A 2 Ein Kondensator (C = 100 µF) wird über R = 47 kΩ an U₀ = 12 V geladen. Berechnen Sie den Ladestrom nach t = 2,35 s, drei gültige Ziffern. (5 BE)
- A 3 Stromwaage mit l = 4 cm: bei I₁ = 1 A zeigt der Kraftmesser 6 mN, bei I₂ = 3 A 14 mN. Bestimmen Sie B aus der Steigung. (5 BE)
- A 4 Zwei Punktladungen ziehen sich mit F = 6 mN an. Der Abstand wird verdoppelt, die Ladung Q₁ verdreifacht. Berechnen Sie die neue Kraft. (5 BE, Leistungskurs)
- A 5 Ein Elektron tritt mit v = 4 · 10⁶ m/s unter α = 70° zu den Feldlinien in B = 0,5 mT ein. Berechnen Sie die Ganghöhe der Schraubenbahn in cm. (5 BE, Leistungskurs)
- A 6 Jemand behauptet: Halbiert man den Plattenabstand eines Kondensators, speichert er doppelt so viel Energie. Beurteilen Sie die Aussage für zwei Fälle: Der Kondensator bleibt an der Spannungsquelle, oder er wird vorher von ihr getrennt. (6 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 500 g schwingt an einer Feder mit der Periodendauer T = 1 s. Berechnen Sie die Federkonstante D. (5 BE)
- B 2 Ein Wagen mit 400 g schwingt reibungsfrei zwischen Federn mit D = 80 N/m und ŷ = 6 cm. Berechnen Sie seine größte Geschwindigkeit. (5 BE)
- B 3 Ein Schwingkreis schwingt mit 1600 Hz. Der Kondensator wird gegen einen mit 2-facher Kapazität getauscht, die Spule bleibt. Berechnen Sie die neue Frequenz. (5 BE)
- B 4 Ein Radio hat eine Spule mit L = 100 µH und einen Drehkondensator von 50 pF bis 600 pF. Berechnen Sie die höchste Frequenz, auf die es sich abstimmen lässt. (5 BE, Leistungskurs)
- B 5 Eine Spule (L = 300 mH, R = 50 Ω) wird an 4 V geschaltet. Berechnen Sie die Stromstärke 12 ms nach dem Einschalten. (5 BE, Leistungskurs)
- B 6 Im Diagramm schwingen zwei Pendel: A durchgezogen mit ŷ = 4 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 Eine Wasserwelle läuft mit c₁ = 50 cm/s und λ₁ = 6 cm in flacheres Wasser, wo c₂ = 10 cm/s ist. Berechnen Sie λ₂. (5 BE)
- C 2 Hinter einem Doppelspalt mit b = 0,4 mm liegen die beiden Maxima 1. Ordnung auf dem Schirm in e = 2 m genau 4 mm auseinander. Bestimmen Sie λ. (5 BE)
- C 3 Eine Saite von 50 cm Länge schwingt mit 1 Bauch und 220 Hz. Berechnen Sie die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle auf der Saite. (5 BE)
- C 4 Momentaufnahme einer Welle: y(x) = y₀ · sin(2π · x : λ) mit y₀ = 2 cm, λ = 20 cm. Wo ist erstmals für x > 0 y = 1 cm? (5 BE, Leistungskurs)
- C 5 Die Resonanzkurve einer Autofederung hat ihre Spitze bei 0,5 Hz. Die Dämpfung wird schwächer eingestellt. Wie ändert sich die Resonanzkurve? (5 BE)
- C 6 Ein Erdbeben 500 km entfernt sorgt dafür, dass hier der Boden leicht zittert. Was ist vom Erdbebenherd bis hierher gewandert? Begründen Sie. (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 wird vom Zustand n = 4 in den Zustand n = 7 angeregt. Wie viel Energie muss es aufnehmen? Berechnen Sie in eV. (5 BE)
- D 2 Berechnen Sie die längste Wellenlänge der Paschen-Serie des Wasserstoffs (Sprünge nach n = 3). In welchem Spektralbereich liegt sie? (5 BE)
- D 3 Im Spektrum der Sonne fehlt Licht bei 588 nm: eine dunkle Linie von Helium. Die Atome senden die aufgenommene Energie doch wieder aus. Warum bleibt die Linie dunkel? Begründen Sie. (6 BE)
- D 4 Unter welchem Glanzwinkel θ erscheint die Kα-Linie von Kupfer (λ = 154 pm) mit einem Lithiumfluorid-Kristall (d = 201 pm) in zweiter Ordnung? Berechnen Sie θ in Grad. (5 BE, Leistungskurs)
- D 5 Licht mit f = 11 · 10¹⁴ Hz löst Elektronen aus Natrium (W_A = 2,28 eV). Wie schnell sind die schnellsten Elektronen? Berechnen Sie v in km/s. (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): 400 V
- U = W : Q
- U = 1,6 · 10⁻³ J : (4 · 10⁻⁶ C)
- U = 400 V
- A 2 (Anforderungsbereich II, 5 BE): 0,155 mA
- I₀ = U₀ : R
- I₀ = 12 V : 47 kΩ = 0,255 mA, τ = R · C = 4700 ms
- I = 0,255 mA · e^(−0,5) = 0,155 mA
- A 3 (Anforderungsbereich II, 5 BE): 100 mT
- B = ΔF : (ΔI · l)
- ΔF = 8 mN, ΔI = 2 A, l = 0,04 m
- B = 8 · 10⁻³ N : (2 A · 0,04 m) = 100 mT
- A 4 (Anforderungsbereich II, 5 BE): 4,5 mN
- F = Q₁ · Q₂ : (4π · ε₀ · r²)
- Q₁: mal 3, Abstand: geteilt durch 2² = 4
- F = 6 mN · 3 : 4 = 4,5 mN
- A 5 (Anforderungsbereich II, 5 BE): 9,78 cm
- Ganghöhe p = v · cos α · T mit T = 2π · m : (e · B)
- T = 7,15 · 10⁻⁸ s, v · cos α = 1,37 · 10⁶ m/s
- p = 9,78 cm
- A 6 (Anforderungsbereich III, 6 BE): Die Aussage stimmt nur, solange der Kondensator an der Quelle bleibt. Getrennt halbiert sich die Energie.
- C = ε₀ · A / d: Bei halbem Abstand verdoppelt sich die Kapazität.
- An der Quelle bleibt U gleich: W = ½ · C · U² verdoppelt sich.
- Getrennt bleibt Q gleich: W = Q² / (2C) halbiert sich.
Aufgabe B
- B 1 (Anforderungsbereich II, 5 BE): 19,7 N/m
- T = 2π · √m : D, quadriert und umgestellt: D = 4π² · m : T²
- m = 0,5 kg, T² = 1 s²
- D = 4π² · 0,5 kg : 1 s² = 19,7 N/m
- B 2 (Anforderungsbereich II, 5 BE): 0,849 m/s
- In der Ruhelage ist die ganze Spannenergie Bewegungsenergie: ½ · D · ŷ² = ½ · m · v²
- umgestellt: v = ŷ · √D : m
- v = 0,06 m · √80 N/m : 0,4 kg = 0,849 m/s
- B 3 (Anforderungsbereich II, 5 BE): 1130 Hz
- f = 1 : (2π · √L · C), also f wächst mit 1 : √C
- C wird 2-mal so groß: f wird durch √2 = 1,414 geteilt
- f = 1600 Hz : 1,414 ≈ 1130 Hz
- B 4 (Anforderungsbereich II, 5 BE): 2250 kHz
- f = 1 : (2π · √L · C): die höchste Frequenz bei der kleinsten Kapazität
- L · C = 1 · 10⁻⁴ H · 5 · 10⁻¹¹ F
- f = 1 : (2π · √L · C) = 2250 kHz
- B 5 (Anforderungsbereich II, 5 BE): 0,0692 A
- I(t) = I_max · (1 − e^(−t : τ)) mit I_max = U : R und τ = L : R
- I_max = 4 V : 50 Ω = 0,08 A, τ = 300 mH : 50 Ω = 6 ms
- I = 0,08 A · (1 − e^(−12 : 6)) = 0,0692 A
- B 6 (Anforderungsbereich III, 6 BE): B hat die halbe Periodendauer, also die doppelte Frequenz, beide haben dieselbe Amplitude.
- Die Amplitude ist der größte Ausschlag von der Mittellinie aus.
- Die Periodendauer liest man waagerecht ab.
- B schlägt gleich weit aus, schafft aber zwei Schwingungen, während A eine schafft.
Aufgabe C
- C 1 (Anforderungsbereich II, 5 BE): 1,2 cm
- Die Frequenz gibt der Erreger vor, sie bleibt beim Übergang gleich: f = c₁ : λ₁
- f = 50 cm/s : 6 cm = 8,33 Hz
- λ₂ = c₂ : f = 10 cm/s : 8,33 Hz = 1,2 cm
- C 2 (Anforderungsbereich II, 5 BE): 400 nm
- a_1 ist der Abstand von der Mitte: a = 4 mm : 2 = 2 mm
- λ = b · a : (k · e) mit k = 1, kleine Winkel
- λ = 0,0004 m · 0,002 m : (1 · 2 m) = 400 nm
- C 3 (Anforderungsbereich II, 5 BE): 220 m/s
- 1 Bauch heißt L = 1 · λ : 2, also λ = 2 · L : 1
- λ = 2 · 0,5 m : 1 = 1 m
- c = λ · f = 1 m · 220 Hz = 220 m/s
- C 4 (Anforderungsbereich II, 5 BE): 1,67 cm
- sin(2π · x : λ) = y : y₀, also 2π · x : λ = arcsin(y : y₀), Bogenmaß
- arcsin(1 : 2) = 0,524
- x = 0,524 · 20 cm : 2π = 1,67 cm
- C 5 (Anforderungsbereich II, 5 BE): Die Spitze wird höher und schmaler, 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.
- Schwächere Dämpfung: Die Amplitude wächst weiter, die Spitze wird höher und schmaler.
- C 6 (Anforderungsbereich III, 6 BE): Energie in einer Welle: Das Gestein schwingt nur um seine Ruhelage, es wandert nicht mit.
- Eine Welle gibt eine Schwingung weiter.
- Jedes Teilchen schwingt nur um seinen Platz.
- Weitergegeben wird Energie, deshalb klirrt es hier.
Aufgabe D
- D 1 (Anforderungsbereich II, 5 BE): 0,57 eV
- ΔE = E_m − E_n mit E_n = −13,6 eV : n²
- E_4 = −0,85 eV, E_7 = −0,278 eV
- ΔE = −0,278 eV − (−0,85 eV) = 0,57 eV
- D 2 (Anforderungsbereich II, 5 BE): 1880 nm
- Längste Wellenlänge: kleinster Sprung, von n + 1 nach n
- ΔE = 13,6 eV · (1 : 9 − 1 : 16) = 0,661 eV
- λ = 1240 eV · nm : 0,661 eV = 1880 nm, infrarot
- 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 588 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): 50 °
- Bragg: 2 · d · sin θ = n · λ, also sin θ = n · λ : (2 · d)
- sin θ = 2 · 154 pm : (2 · 201 pm) = 0,7662
- θ = 50°
- D 5 (Anforderungsbereich II, 5 BE): 894 km/s
- E_kin = h · f − W_A
- h · f = 4,55 eV, E_kin = 2,27 eV
- E_kin = 2,27 eV = 3,64 · 10⁻¹⁹ J
- v = √2 · E_kin : m_e = 8,94 · 10⁵ m/s = 894 km/s
Punkte in Notenpunkte umrechnen: Abitur-Training Physik. Was nicht gelang, in der Übungsstrecke nacharbeiten: Üben.