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Art: Prüfungen
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Freie und Hansestadt Hamburg Behörde für Schule und Berufsbildung
Impressum
Herausgeber: Freie und Hansestadt Hamburg Behörde für Schule und Berufsbildung Hamburger Straße 31, 22083 Hamburg
Referat: Referatsleitung: Fachreferent Physik:
Redaktion:
Mathematisch-naturwissenschaftlich-technischer Unterricht Monika Seiffert, Britta Kieke (2021) Jay Wiese Heike Mickel (Aufgabe 4, 2021)
Tobias Schlegelmilch Ingke Menzel-Riebandt Thomas Michalsky Henning Sievers
Diese Veröffentlichung beinhaltet Teile von Werken, die nach ihrer Beschaffenheit nur für den Unterrichtsgebrauch in Hamburger Schulen sowie für Aus- und Weiterbildung am Hamburger Landesinstitut für Lehrerbildung und Schulentwicklung bestimmt sind.
Eine öffentliche Zugänglichmachung dieses für den Unterricht an Hamburger Schulen be- stimmten Werkes ist nur mit Einwilligung des Landesinstituts für Lehrerbildung und Schul- entwicklung zulässig.
Veröffentlicht auf: www.li.hamburg.de/publikationen/abiturpruefung
Hamburg 2016, überarbeitet 2021
Vorwort
Sehr geehrte Kolleginnen und Kollegen,
seit dem Schuljahr 2013/2014 ist die Zahl der Fächer mit zentral gestellten Aufgaben in der Abiturprüfung u.a. um die MINT-Fächer Biologie, Chemie, Informatik und Physik erweitert worden. Die schriftlichen Abituraufgaben für diese Fächer werden zentral von der Schulbehörde er- stellt. Sie beziehen sich auf Themen, die etwa 50 % des Unterrichts in der Studienstufe ausmachen und in den Rahmenplänen bereits verbindlich geregelt sind. Damit bleibt in der Profiloberstufe eine vernünftige Balance zwischen schulisch geprägten Themen und zentra- len Leistungsanforderungen erhalten. Die fachspezifischen Hinweise im so genannten A- Heft, den „Regelungen für die zentralen schriftlichen Prüfungen“ für das Abitur (für das Abitur 2017 siehe http://www.hamburg.de/contentblob/4428498/data/abitur-a-heft-2017.pdf) infor- mieren über die Schwerpunkte und Anforderungen der Prüfungsaufgaben. Sie ermöglichen damit eine langfristige Unterrichtsplanung.
Neu seit dem Abitur 2014 ist zudem die Wahlmöglichkeit für die zu bearbeitenden Prüfungs- aufgaben durch die Schülerinnen und Schüler in allen MINT-Fächern. In den naturwissen- schaftlichen Fächern und Informatik werden jeweils drei Aufgaben vorgelegt, von denen die Schülerinnen und Schüler zwei zur Bearbeitung auswählen.
Auf den nachfolgenden Seiten finden Sie zu Ihrer Orientierung Beispiele für zentrale Prü- fungsaufgaben im Fach Physik, in denen neben der Aufgabenstellung auch der Erwartungs- horizont und die zugeordneten Bewertungseinheiten beschrieben sind.
In der Hoffnung, dass die vorliegende Handreichung hilfreich für Sie und Ihre Unterrichtsar- beit ist, wünsche ich Ihnen und Ihren Schülerinnen und Schülern eine erfolgreiche Vorberei- tung auf die schriftliche Abiturprüfung.
Den Mitgliedern der Arbeitsgruppen, die diese Handreichung erstellten und um die Aufgabe 4 in 2021 ergänzten, danken wir herzlich für die geleistete Arbeit.
Monika Seiffert, Britta Kieke
Der Fachlehrerin, dem Fachlehrer werden drei Aufgaben (I, II und III) zu unterschiedlichen Schwerpunkten (s. u.) vorgelegt. Die Abiturientin, der Abiturient
Arbeitszeit: Grundlegendes Anforderungsniveau: 240 Minuten Erhöhtes Anforderungsniveau: 300 Minuten Eine Lese- und Auswahlzeit von 30 Minuten ist der Arbeitszeit vorgeschal- tet. In dieser Zeit darf noch nicht mit der Bearbeitung begonnen werden. Hilfsmittel: Taschenrechner (nicht programmierbar, nicht grafikfähig), Formelsamm- lung „Das große Tafelwerk interaktiv“ (Cornelsen-Verlag), Zeichenhilfsmit- tel, Rechtschreibwörterbuch Die in den zentralen schriftlichen Abituraufgaben verwendeten Operatoren werden im nächsten Abschnitt genannt und erläutert. Grundlage der schriftlichen Abiturprüfung ist der Rahmenplan Physik, gymnasiale Oberstufe, in der Fassung von 2009 mit den folgenden curricularen Vorgaben, Konkretisierungen und Schwerpunktsetzungen. Für die Schwerpunktthemen ist jeweils eine Unterrichtszeit von der Hälfte, höchstens aber von zwei Dritteln eines Semesters vorgesehen. Es besteht grundsätzlich Themengleichheit zwischen Kursen auf grundlegendem und erhöh- tem Niveau. Für das erhöhte Niveau wird ein – auch qualitatives – Additum angegeben. Es werden drei Schwerpunktthemen benannt, die verschiedene Bereiche der Physik abde- cken. Eine Prüfungsaufgabe erstreckt sich auf alle vier im Rahmenplan Physik beschriebe- nen Kompetenzbereiche. Die Aufgaben gehen von möglichst lebensnahen Kontexten aus, von denen sich die physikalisch relevanten Themen und Fragestellungen ableiten.
Die in den zentralen schriftlichen Abituraufgaben verwendeten Operatoren werden in der folgenden Tabelle definiert. Entsprechende Formulierungen in den Klausuren der Studienstu- fe sind ein wichtiger Teil der Vorbereitung der Schülerinnen und Schüler auf das Abitur. Neben Definitionen und Beispielen enthält die Tabelle auch Zuordnungen zu den Anforde- rungsbereichen (AB) I, II und III, wobei die konkrete Zuordnung auch vom Kontext der Auf- gabenstellung abhängen kann und eine scharfe Trennung der Anforderungsbereiche nicht immer möglich ist.
Operatoren AB Definitionen abschätzen II-III Durch begründete Überlegungen Größenordnungen physikali- scher Größen angeben analysieren, untersuchen
II-III Unter gezielten Fragestellungen Elemente und Strukturmerkmale herausarbeiten und als Ergebnis darstellen angeben, nennen
I Ohne nähere Erläuterungen wiedergeben oder aufzählen anwenden, übertragen
II Einen bekannten Sachverhalt, eine bekannte Methode auf eine neue Problemstellung beziehen aufbauen II-III Objekte und Geräte zielgerichtet anordnen und kombinieren
a) ● Benennen Sie die drei Kepler‘schen Gesetze und ● erläutern Sie diese kurz mit eigenen Worten. (9 BE)
Experimentelle Aufgabe: Im hinteren Teil des Raums finden Sie Experimentiermaterial: verschiedene Schraubenfedern (Federkonstante bekannt), Fäden, Massestücke, eine Waa- ge, Stativmaterial, Messmaterial, eine Stoppuhr...
b) ● Bestimmen Sie auf mindestens einem Weg experimentell den Ortsfaktor g in Ihrem Prüfungsraum. Dokumentieren Sie Ihr Vorgehen in angemessener Form und diskutieren Sie Fehlerquellen. (10 BE)
2006 definierte die Internationale Astronomische Union (IAU) den Begriff des Planeten neu: Demnach bewegen sich Planeten auf einer Bahn um die Sonne, besitzen genügend Masse, um die Form einer Kugel anzunehmen, und haben alle Objekte um sich herum angezogen, so dass ihre Bahn bereinigt ist. Lesen Sie den Text in der Anlage und
c) ● diskutieren Sie, ob es sich bei dem 2002 entdeckten Himmelskörper Quaoar um einen Planeten handelt. (4 BE)
Erde und Quaoar umrunden beide die Sonne. Die Erde braucht für eine Umrundung nur 365,25 Tage, der neue Planet wesentlich länger.
d) ● Bestimmen Sie mit Hilfe der Daten von Quaoar und Erde den Abstand von Quaoar zur Sonne und die Masse der Sonne. (Falls Sie kein Ergebnis für den Abstand Quaoar- Sonne finden, rechnen Sie mit dem Wert r = 6,5·10 12 m weiter.) (9 BE)
Ein Astronaut ( m (^) A = 75 kg) besucht den neuen Himmelskörper. Eine mitgebrachte Waage zeigt auf dem Äquator eine andere Gewichtskraft an als auf dem Pol.
e) ● Erläutern Sie dieses Phänomen und berechnen Sie die Anzeige der Waage an beiden Orten. (8 BE)
Quaoar besitzt einen 2006 entdeckten Mond namens Weywot. Dieser befindet sich auf einer Bahn mit dem Radius 11000 km. Er umrundet Quaoar in 12,4 Tage und er hat eine Masse von 8,5·10^17 kg. Es gibt die Theorie, Quaoar habe früher Ringe wie der Saturn besessen, aus denen der Mond entstanden sei.
f) ● Erläutern Sie, wie und unter welchen Umständen dieser Entstehungsprozess hätte stattfinden können. (10 BE)
Die Astronomen Michael Brown und Chadwick Trujillo vom California Institute of Technology (Pasadena, USA) entdeckten das lichtschwache Gebilde erst mit dem Teleskop auf dem Mount Palomar. Später nutzten sie die "Advanced Camera for Surveys" des Hubble- Weltraum-Teleskops, das den Durchmesser des Objekts bestimmen konnte. Das kugelför- mige Objekt mit dem offiziellen Namen "2002 LM60" hat einen Durchmesser von 1300 km (mehr als die Hälfte des Pluto-Durchmessers). Seine Umlaufbahn ist fast exakt kreisförmig (im Gegensatz zu der extrem exzentrischen Bahn von Pluto), und der Planet umrundet die Sonne in 288 Jahren (Pluto: 248 Jahre). Er dreht sich um sich selbst in 6 Stunden. Der Him- melskörper ist das größte Objekt im Kuiper-Gürtel, der aus Eis- und Gesteinsobjekten be- steht. Es ist noch unbekannt, aus welchem Material der neue Planet besteht, es wird jedoch ver- mutet, dass er eine Masse von etwa 2,5·10^22 kg besitzt. Mit Quaoar wurde zum ersten Mal seit der Entdeckung Plutos im Jahre 1930 ein Himmelskörper mit vergleichbarer Größe ge- funden – ein zehnter Planet.
Lösungsskizze
Zuordnung, Bewertung I II III f) Die Entstehung von Himmelskörpern aus Staubwolken ist eine gängige Theorie zur Entstehung etwas der Planeten des Sonnensystems. Die Über- legungen zur Verklumpung von Materie werden sinnvoll dargestellt, die Ar- gumentation ist nachvollziehbar.
Insgesamt 50 BE 13 25 12
In den Abbildungen 1 - 8 sind Momente verschiedener Bewegungen erkennbar festgehalten worden.
a) ● Beschreiben Sie die zugrunde liegenden Bewegungen, indem Sie insbesondere auf deren Gemeinsamkeiten eingehen. ● Erläutern Sie die Bewegungsvorgänge anhand eines Beispiels und verwenden Sie da- zu die Begriffe harmonische Bewegung, Periode, Auslenkung, Frequenz, Amplitude, Rückstellkraft und Ruhelage. (7 BE)
Ein Fahrzeug (Abb. 3) der Masse m = 0,1 kg ist an einer Feder mit der Federkonstanten D = 7,5 N/m befestigt. Feder und Fahrzeug sind so abgestimmt, dass das Fahrzeug in hori- zontaler Richtung eine reibungsfreie harmonische Schwingung vollzieht.
b) Die Feder wird um s = 0,05 m aus der Gleichgewichtslage ausgelenkt.
● Berechnen Sie die Kraft, die dazu erforderlich ist. Wird der Körper freigegeben, setzt eine Schwingung ein. ● Begründen Sie, weshalb es sich um eine harmonische Schwingung handelt. ● Berechnen Sie die Geschwindigkeit des Körpers beim Durchgang durch die Ruhelage. ● Bestimmen Sie, um wie viel Prozent sich die Schwingungsdauer des Pendels verlän- gert, wenn die Masse des schwingenden Körpers um 0,02 kg vergrößert wird. (13 BE)
An einem Fadenpendel hängt ein Massestücke mit der Masse m = 2 kg, der Faden ist l = 2,40 m lang. Das Pendel wird nur wenig ausgelenkt.
c) ● Berechne die Periodendauer für einen Ort, an dem die Erdbeschleunigung g = 9,81 m/s^2 beträgt.
An einem anderen Ort misst man mit demselben Pendel eine Schwingungsdauer von T = 3,12 s.
● Bestimme die Erdbeschleunigung an diesem Ort. (7 BE)
Experimentelle Aufgabe: Im Experimentierraum finden Sie Experimentiermaterial zum Thema Schwingungen.
d) ● Bestimmen Sie experimentell die Federkonstante einer der Federn auf zwei verschie- denen Wegen. ● Bestimmen Sie experimentell die Masse der Figur. (Ersatzwert für die Federkonstante: 3,5 N/m). Dokumentieren Sie Ihr Vorgehen in angemessener Form und diskutieren Sie Fehlerquellen. (11 BE)
In Abb. 4 sieht man ein Pendel mit der Länge l = 0,5 m. 0,30 m unter dem Aufhängepunkt befindet sich ein fester Stift im Punkt P , an den sich der Faden während des Schwingens vorübergehend anlegt.
e) ● Bestimmen Sie, wie viele Schwingungen das Pendel in einer Sekunde ausführt. (12 BE)
Lösungsskizze
Zuordnung, Bewertung I II III a) Die Periodizität aller Vorgänge soll diskutiert werden, die Begriffe harmoni- sche Bewegung, Periode, Auslenkung, Frequenz, Amplitude, Rückstellkraft und Ruhelage werden an den Beispielen in angemessener Weise erläutert.
b) (1) F = D∙s = 0,375 N (2) Eine harmonische Schwingung liegt vor, wenn die rücktreibende Kraft proportional zur Auslenkung ist. Für das Federpendel gilt F = D ∙ s , also gilt bei konstantem D : F ~ s. (3) Diese Aufgabe lässt sich über eine Energiebetrachtung (Spannenergie ist gleich kinetischer Energie: 12 D s ⋅ 2^ = 12 m v ⋅ (^) m^2 ,
= ⋅ ω = π= ) lösen.
beide Werte errechnet und verglichen werden, oder über einen direk- ten Vergleich
den.
c) (1) Die Periodendauer beträgt T 2 l g = ⋅ = 3,108 s
(2) Die Erdbeschleunigung beträgt an dem anderen Ort g^42 l T
∙= 9,73 m/s^2
d) Die Schülerinnen und Schüler sollen die Federkonstante einerseits über T 2 m D = ⋅ andererseits über F = D ∙ s bestimmen. Eine Fehlerrechnung wird nicht erwartet. Die Masse der Figur kann dann mit der bekannten Federkonstante bestimmen. Neben einer angemessenen Dokumentation ist eine möglichst genaue Bestimmung der Federkonstante und der Masse der Figur erforderlich. Anmerkung: Verwendet wird eine in der Schule vorhandene Feder (z.B. D = 3 N/m). Als Figur wird ein beliebiger, in der Schule vorhandener Gegenstand (z.B. der Masse 50g – 100g) gewählt, der an der Feder befestigt werden kann.
Lösungsskizze
Zuordnung, Bewertung I II III e) Um die gesuchte Frequenz zu erhalten, ist die Schwingungsdauer einer Schwingung zu bestimmen. Eine Schwingung setzt sich aus zwei halben Schwingungen zusammen: die mit der langen Fadenlänge und die mit der kurzen Fadenlänge. 1 2
Mit der Gleichung für die Schwingungsdauer eines Fadenpendels erhält man dann die Gesamtschwingungsdauer: 1 2 2 2
1 2 1 2
l l T g^ g^ l^ l g g
⋅ π ⋅ π (^) = + = π ⋅ (^) + T = π g ⋅ (^) ( l 1 + l 2 (^) )=1,158 s
Damit kann nun die Frequenz berechnet werden:
Insgesamt 50 BE 13 26 11
Ein Doppelspalt mit dem Spaltabstand 1,2 mm wird mit monochromatischem Licht beleuch- tet. Auf dem 2,70 m entfernten Schirm können 5 helle Streifen auf einer Strecke von 6,3mm beobachtet werden. c) ● Berechnen Sie die Wellenlänge des Lichts. (6 BE)
Im Anhang finden Sie Messdaten zu einem Doppelspaltversuch. Gemessen wird die Intensi- tät des Lichts (als Ausgangsspannung einer Fotodiode) in Abhängigkeit von der Position auf dem Schirm. Die Mitte des Schirms befindet sich bei 4,5 cm. Der Spaltabstand beträgt d = 0,15 mm, die Wellenlänge des Lichts λ = 635 nm.
d) ● Skizzieren Sie die im Anhang dargestellten Messdaten in einem angemessenen Graphen. (6 BE) e) ● Geben Sie an, auf wieviel Prozent der Intensität des 0. Maximums die Intensität des
∆ = ⋅^ lberechnet werden
kann. ● Prüfen Sie, ob dieser Zusammenhang die Messdaten angemessen beschreibt. ● Berechnen Sie, wie weit der Schirm vom Doppelspalt entfernt ist. (13 BE)
Quellen: McDermott, Shaffer: Tutorien zur Physik. Pearson Studium, 2008. Claus Jönsson: Elektroneninterferenzen an mehreren künstlich hergestellten Feinspalten. Zeitschrift für Physik 161 S. 454-474, 1961.
Intensität/Skalenteil 0,88 0,42 0,2 0,3 0,67 1,03 1,15 1,02 0,71 0,35 0,17 0, Intensität/Skalenteil 0,14 0,09 0,06 0,04 0,03 0,
Lösungsskizze
Zuordnung, Bewertung I II III d) ● Der Graph sollte etwa so aussehen:
Abbildung: BSB
e) ● Die Intensität kann in relativen Einheiten angegeben werden, die der Aus- gangsspannung der Photodiode entsprechen. 100% entsprechen dabei der Intensität beim 0. Maximum, also 1 , 78. Beim dritten Maximum ist die Intensität auf 33 , 7% abgefallen. ● Unter der genannten Voraussetzung ist der Winkelabstand α klein, unter dem die Maxima auf dem Schirm auftreten. Dann gilt
Differenz der Positionen des ( n + 1)ten und n ten Maximums ergibt sich
l l^ l
● In den Daten findet man einen konstanten Abstand von 0 , 8 cm zwischen den Maxima. Damit ist der Zusammenhang bestätigt. ● Man berechnet l zu:
l
Insgesamt 50 BE 15 22 13
Schwerpunktthema: Quantenphysik Abb. 1 Alfred Nobel www.gangalib.org/images/alfred_nobel_fig32.jpg 10.02.
Albert Einstein (1897 – 1955) erhielt 1921 den Nobelpreis für seine Arbeit zur Deutung des äußeren lichtelektrischen Effekts. Dabei übertrug er die von Max Planck bei der Emission von Licht entdeckte Quantelung der Strahlungsenergie auf die Ausbreitung von Licht im Raum und seine Wechselwirkung mit Materie. Die Deutsche Bundespost widmete dieser Tatsache 1979 eine Sonderbriefmarke (Abb. 2). Von links nach rechts wechseln dabei die Farbstreifen von rot über orange, gelb, hellgrün, dunkelgrün nach blau.
Durch seine Vorstellung vom Licht bestehend aus Lichtquanten (Photonen) konnte Einstein Versuchsergebnisse erklären, deren Deutung mit dem Wellenmodell nicht möglich war, und den Photonen Eigenschaften zuordnen, die zu klassischen Teilchen, z.B. Elektronen, gehören. Infolgedessen wurde den Photonen auch ein Impuls zugeordnet.
a) ● Geben Sie an , wie Energietransport und Helligkeit im Wellenmodel und in der
Vorstellung Einsteins vom Licht bestehend aus Photonen gedeutet werden. ● Vergleichen Sie die Energie eines Photons mit der kinetischen Energie eines Elek- trons, wenn diese jeweils einen Impuls von p = 1,1 ∙ 10 −^27 Ns besitzen. (Hinweis: Betrachten Sie dabei das Elektron als klassisches Teilchen.) (12 BE)
Zu Ehren Albert Einsteins wurde zu seinem 100. Geburtstag von der Deutschen Bundespost die Sonderbriefmarke „Lichtelektrischer Effekt“ herausgegeben (Abb. 2).
b) ● Beschreiben Sie kurz mithilfe einer Skizze eine mögliche Versuchsdurchführung mit zugehörigen Beobachtungen zum Nachweis des äußeren lichtelektrischen Effektes.
Bei genauer Betrachtung der Briefmarke (Abb. 2) fällt auf, dass bei Rot keine Pfeile ein- gezeichnet sind und die eingezeichneten Pfeile unterschiedliche Längen besitzen. ● Nennen Sie die damit dargestellten experimentellen Befunde bei der Untersuchung des äußeren lichtelektrischen Effekts und ● erklären Sie diese mithilfe von Einsteins Photonenvorstellung. (10 BE)