Zählrohr mit Nullrate
AFB I–IIIm Physikunterricht wird die Zählrate einer frisch gewonnenen Barium-137m-Probe mit einem Zählrohr gemessen. Auch ohne Probe registriert das Gerät Impulse aus der natürlichen Umgebungsstrahlung, die sogenannte Nullrate. Die gemessene Zählrate lässt sich beschreiben durch
\(Z(t)=400\cdot0{,}76^t+25\)
mit \(t\) in Minuten nach Messbeginn und \(Z\) in Impulsen pro Minute.
- Interpretieren Sie die Parameter \(a=400\), \(b=0{,}76\) und \(c=25\) im Sachzusammenhang.
- Berechnen Sie die Zählrate nach \(5\) Minuten.
- Skizzieren Sie den Graphen von \(Z\) für \(0\le t\le15\) mit Asymptote und Schnittpunkt mit der Hochachse.
- Die Probe gilt als „abgeklungen“, sobald die Zählrate unter die doppelte Nullrate fällt. Ermitteln Sie mit der Tabellenfunktion des GTR, nach wie vielen Minuten das der Fall ist (auf \(0{,}1\) min genau).
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
400×0.76^X+25, F5 (SET), F6 (TABLE) — erst Step 1, dann Step 0.1.Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(c=25\): die Nullrate — so viele Impulse pro Minute zählt das Gerät auch ohne Probe; Asymptote \(y=25\).
\(a=400\): die Zählrate, die zu Beginn von der Probe stammt; zusammen mit der Nullrate zeigt das Gerät \(Z(0)=a+c=425\) Impulse pro Minute.
\(b=0{,}76\): Der Anteil der Probe sinkt jede Minute auf \(76\,\%\), nimmt also um \(24\,\%\) pro Minute ab.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(Z(5)=400\cdot0{,}76^5+25\approx400\cdot0{,}2536+25\approx101{,}4+25\approx126\).
Nach \(5\) Minuten zeigt das Gerät etwa \(126\) Impulse pro Minute an.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Asymptote \(y=25\) gestrichelt; Schnittpunkt mit der Hochachse \((0\,|\,425)\).
Stützwerte: \(Z(5)\approx126\), \(Z(10)\approx51\), \(Z(15)\approx31{,}5\). Der Graph fällt, links steil, und nähert sich von oben der Geraden \(y=25\), ohne sie zu erreichen. Bewertet werden Achsenbeschriftung mit Einheiten, Asymptote, Startpunkt und Verlauf.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Grob: \(Z(10)\approx50{,}7\), \(Z(11)\approx44{,}5\) — die Grenze liegt zwischen \(10\) und \(11\) min.
Fein: \(Z(10{,}1)\approx50{,}02\), \(Z(10{,}2)\approx49{,}3\). Die Zählrate fällt zwischen \(10{,}1\) und \(10{,}2\) min unter \(50\) Impulse pro Minute (genauer bei \(10{,}10\) min) — nach gut \(10{,}1\) Minuten gilt die Probe als abgeklungen.
Pegel im Rückhaltebecken
AFB II–IIINach einem Starkregen ist der Wasserstand in einem Regenrückhaltebecken auf \(4{,}2\,\mathrm m\) gestiegen. Durch einen Bach fließt dem Becken ständig Wasser zu, sodass sein Normalpegel \(2{,}4\,\mathrm m\) beträgt. Ab \(3\,\mathrm m\) gilt eine Warnstufe für den Radweg am Ufer.
Zwei Mitarbeiterinnen schlagen Modelle für den Pegel \(P\) (in m) \(t\) Stunden nach dem Höchststand vor:
Modell A: \(P_A(t)=1{,}8\cdot0{,}8^t+2{,}4\) Modell B: \(P_B(t)=4{,}2\cdot0{,}8^t\)
- Vergleichen Sie die beiden Modelle hinsichtlich Anfangswert, Asymptote und Verlauf.
- Bestimmen Sie für beide Modelle, nach welcher Zeit die Warnstufe aufgehoben werden kann (auf \(0{,}1\,\mathrm h\) genau).
- Beurteilen Sie, welches Modell die Situation besser beschreibt.
- Ein Stadtrat meint: „Nach Modell A ist der Pegel nach einem Tag wieder genau auf Normalniveau.“ Nehmen Sie Stellung zu dieser Aussage.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
1.8×0.8^X+2.4 und Y2 4.2×0.8^X, erst Step 1, dann Step 0.1.Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Gemeinsamkeiten: Beide starten bei \(4{,}2\,\mathrm m\) (\(1{,}8+2{,}4\) bzw. \(4{,}2+0\)) und fallen mit demselben Faktor \(0{,}8\) pro Stunde.
Unterschied: Bei A nimmt nur der Überstand \(1{,}8\,\mathrm m\) über dem Normalpegel ab, die Asymptote ist \(y=2{,}4\). Bei B nimmt der ganze Pegel ab, die Asymptote ist \(y=0\) — B fällt deshalb schneller und weiter.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Modell A: \(P_A(4)\approx3{,}14\), \(P_A(5)\approx2{,}99\); fein \(P_A(4{,}9)\approx3{,}003\), \(P_A(5{,}0)\approx2{,}990\). Der Pegel sinkt zwischen \(4{,}9\) und \(5{,}0\,\mathrm h\) unter \(3\,\mathrm m\) (genauer bei \(4{,}92\,\mathrm h\)) — die Warnstufe kann nach etwa \(4{,}9\,\mathrm h\) aufgehoben werden.
Modell B: \(P_B(1)=3{,}36\), \(P_B(2)\approx2{,}69\); fein \(P_B(1{,}5)\approx3{,}005\), \(P_B(1{,}6)\approx2{,}94\). Unterschreitung knapp nach \(1{,}5\,\mathrm h\) (genauer \(1{,}51\,\mathrm h\)), also nach etwa \(1{,}5\,\mathrm h\).
B würde die Warnung also mehr als drei Stunden früher aufheben.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Modell B sagt voraus, dass das Becken langfristig leer läuft (\(P_B\to0\)), z. B. \(P_B(24)\approx0{,}02\,\mathrm m\). Das widerspricht dem ständigen Zufluss, der den Normalpegel von \(2{,}4\,\mathrm m\) hält.
Modell A nähert sich genau diesem Normalpegel — es beschreibt die Situation besser. Folge für b): Die Warnstufe darf erst nach knapp \(5\) Stunden aufgehoben werden; B würde zu früh Entwarnung geben.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
\(P_A(24)=1{,}8\cdot0{,}8^{24}+2{,}4\approx0{,}008+2{,}4\approx2{,}41\,\mathrm m\).
Mathematisch erreicht der Graph die Asymptote nie; „genau“ ist also falsch. Praktisch liegt der Pegel nach einem Tag aber weniger als \(1\,\mathrm{cm}\) über dem Normalwert — kleiner als jede Messgenauigkeit. Im Sachzusammenhang ist die Aussage daher vertretbar, wenn man „genau“ durch „praktisch“ ersetzt. Einschränkung: Neuer Regen oder ein veränderter Zufluss würden das Modell ungültig machen.
