Teil A – Fragen zu allen Bereichen

Bewegung

Ein Körper führt einen waagerechten Wurf aus.

Das nachfolgend abgebildete $y(x)$ -Diagramm zeigt die Wurfbahn des Körpers.

Die Abwurfgeschwindigkeit beträgt $6,0\,\text m \cdot \text s ^{-1}$ .
Reibungsverluste sind vernachlässigbar.

sachsen physik abi gk 2021 teil a abbildung 1

1.1

Erläutere das Superpositionsprinzip am Beispiel des waagerechten Wurfs.

Erreichbare BE-Anzahl: 02

1.2

Der Vektorpfeil für die Geschwindigkeit des Körpers am Ort A ist im Diagramm maßstäblich eingezeichnet.
Ermittle zeichnerisch für den Ort B den Vektorpfeil für die Bahngeschwindigkeit und gib deren Betrag an.

Erreichbare BE-Anzahl: 03

Elektrisches Feld

Elektrische Felder werden durch Feldlinienbilder beschrieben.
Die Abbildung zeigt einen Plattenkondensator, der auf die Spannung $\text U$ aufgeladen ist. Zwei Protonen werden an der positiven Platte freigegeben. Zu einem späteren Zeitpunkt durchläuft ein Proton den Ort A, das andere den Ort B.

2.1

Skizziere in die Abbildung ein Feldlinienbild für das elektrische Feld des Plattenkondensators für den homogenen Bereich und den inhomogenen Bereich oberhalb bzw. unterhalb des Kondensators.

Erreichbare BE-Anzahl: 02

2.2

Auf jedes Proton wirkt durch das elektrische Feld eine Kraft.
Trage für die Orte A und B in die Abbildung je einen Vektorpfeil für diese Kraft ein.

Erreichbare BE-Anzahl: 02

2.3

Charakterisiere die Bewegung des Protons, welches den Ort B durchläuft, bezüglich Bahnform und Beschleunigung.

Erreichbare BE-Anzahl: 02

Quantenhafte Emission von Licht

3.1

Erläutere das Prinzip der Entstehung von Laserstrahlung.
Nutze dazu die Skizze eines Energietermschemas.

Erreichbare BE-Anzahl: 03

3.2

Nenne zwei charakteristische Eigenschaften der Laserstrahlung.

Erreichbare BE-Anzahl: 01

1.1

Das Prinzip der ungestörten Überlagerung, auch Superpositionsprinzip genannt, besagt, dass die horizontale Bewegung eines Körpers unabhängig von seiner vertikalen Bewegung ist und umgekehrt. Bei einem waagerechten Wurf bewegt sich der Körper horizontal gleichmäßig mit konstanter Geschwindigkeit, während er in vertikaler Richtung wie im freien Fall gleichmäßig beschleunigt fällt. Die horizontalen und vertikalen Bewegungen beeinflussen sich nicht gegenseitig, und die Gesamtbewegung ergibt sich durch die Überlagerung dieser unabhängigen Bewegungen.

1.2

Zeichnerische Ermittlung der Bahngeschwindigkeit

Erklärung (zum Verständnis):

Die Anfangsgeschwindigkeit $v$ wirkt in $v_x$ -Richtung und bleibt konstant. Daher wird ein parallelen Vektor gleicher Länge an Punkt B in $v_x$ -Richtung gezeichnet. Die senkrechte Komponente $v_y$ schneidet die Tangente an der Bewegungsfunktion durch B. Der Vektor zwischen B und dem Schnittpunkt der Tangente mit $v_y$ repräsentiert die Bahngeschwindigkeit an Punkt B.

Angabe des Betrags

Das Abmessen der Länge des Geschwindigkeitsvektors an Punkt B ergibt $3,3.$ Da der Vektor der Anfangsgeschwindigkeit die Länge $2$ hat und $6 \, \frac{\text{m}}{\text{s}}$ entspricht, bedeutet dies, dass die Länge $3,3$ einer Geschwindigkeit von $3 \cdot 3,3 \, \frac{\text{m}}{\text{s}} = 10 \, \frac{\text{m}}{\text{s}}$ entspricht.

2.1

2.2

2.3

In einem homogenen elektrischen Feld zwischen den Platten eines Kondensators erfährt ein positiv geladenes Teilchen eine konstante elektrische Feldkraft $F_{\text{el}}.$ Gemäß dem zweiten Newtonschen Gesetz gilt für die resultierende Beschleunigung $a,$ die auf das Teilchen wirkt:

$\begin{array}[t]{rll} F&=& m\cdot a &\quad \scriptsize \mid\; F=F_{\text{el}}\\[5pt] F_{\text{el}}&=& m \cdot a &\quad \scriptsize \mid\; \cdot \dfrac{1}{m}\\[5pt] \dfrac{F_{\text{el}}}{m}&=& a &\quad \scriptsize \mid\; F_{\text{el}}=q\cdot E \\[5pt] \dfrac{q\cdot E }{m}&=& a &\quad \scriptsize \mid\; F_{\text{el}}=q\cdot E \\[5pt] a &=& \dfrac{q\cdot E }{m} &\quad \scriptsize \mid\;q,E,m \;\text{konstant} \\[5pt] a &=&\text{konstant} \end{array}$

Bahnform:

Die Bahn des Protons ist geradlinig und verläuft entlang der Feldlinien zwischen den Kondensatorplatten.
Da das Proton positiv geladen ist, zeigt die Richtung der Feldlinien (von der positiven zur negativen Platte) die Richtung der Bahn an.

Beschleunigung:

Die Beschleunigung $a$ des Protons ist konstant und zeigt in Richtung des elektrischen Feldes.
$a= \dfrac{q\cdot E }{m}$

Das Proton bewegt sich geradlinig und gleichmäßig beschleunigt zwischen den Platten des Kondensators aufgrund der konstanten elektrischen Feldkraft.

3.1

Laserlicht besteht aus Photonen, kleinen Paketen elektromagnetischer Strahlung. Diese Photonen entstehen durch die Emission von Elektronen, wenn sie von höheren zu tieferen Energieniveaus übergehen. In beiden Fällen entsteht kohärentes Laserlicht.

Spontane Emission

Wenn Atome durch Energiezufuhr angeregt werden, bewegen sich ihre Außenelektronen auf ein höheres Energieniveau $E_1$ und nehmen dabei zusätzliche Energie auf. Die Elektronen verbleiben nicht dauerhaft auf diesem Niveau, sondern kehren spontan zum Grundzustand $E_0$ zurück. Während dieses Rückgangs wird die "überschüssige Energie" $\Delta E = E_1-E_0$ in Form von Licht abgegeben. Die Frequenz $f$ des emittierten Lichts ist direkt proportional zur Energiedifferenz $\Delta E$ zwischen den Energiezuständen der Elektronen:

$\begin{array}[t]{rll} \Delta E&=& h\cdot f &\quad \scriptsize f = \;\text{Frequenz der Photonen} \\[5pt] \end{array}$

Induzierte Emission

Induzierte Emission tritt in Atomen mit mehreren Elektronen auf, bei denen angeregte Zustände über längere Zeiträume bestehen können. Nach der Anregung auf das Niveau $E_2$ fallen die Elektronen auf das Energieniveau $E_1,$ wo sie zunächst verweilen. Wenn ein solches angeregtes Atom auf Licht trifft, das von einem ebenfalls angeregten Atom stammt, kehrt auch dieses angeregte Atom in den Grundzustand $E_0$ zurück. Dabei wird die überschüssige Energie $\Delta E = E_1 - E_0$ wieder in Form von Licht abgegeben.

Im Laser

Durch eine Energiequelle werden die Atome des Energiespeichers in einen angeregten Zustand versetzt. Geeignetes Licht löst die induzierte Emission aus. Das dabei erzeugte Licht bewegt sich zwischen zwei Spiegeln im Laser hin und her und verstärkt dabei die induzierte Emission. Einer der beiden Spiegel ist halbdurchlässig, sodass durch diesen kontinuierlich ein Teil des Lichts den Laser als Laserstrahlung verlassen kann.

3.2

Kohärenz: Laserlicht ist kohärent, was bedeutet, dass die Wellenlängen der Photonen miteinander in Phase sind. Diese kohärente Eigenschaft ermöglicht die Bildung eines stark fokussierten und stabilen Strahls.
Monochromatizität: Laserlicht ist monochromatisch, was bedeutet, dass es aus Photonen mit einer engen Bandbreite von Wellenlängen besteht. Im Gegensatz zu herkömmlichem Licht, das aus einem breiten Spektrum von Wellenlängen besteht, weist Laserlicht eine sehr spezifische Farbe auf.