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3. Physik LK Klausur
Name: __________________________________
PhyLKQ1, 06.03.2015
Fachlehrer: C. Schneider
Aufgabe 1 (Gewitter - Plattenkondensator, Millikan-Versuch, Coulombkraft)
Zur Beschreibung der elektrischen Vorgänge bei einem Gewitter soll eine geladene Gewitterwolke in
1200m Höhe zusammen mit dem Boden stark vereinfacht als „Naturplattenkondensator“ mit der
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Fläche 20km betrachtet werden. Die Wolkenunterseite besitzt gegenüber dem Boden die elek7
trische Spannung 3,0 ⋅10 V . Wegen der zunächst noch trockenen Luft kann die Kapazität wie bei
einem Kondensator im Vakuum berechnet werden.
a.) Ermitteln Sie die Kapazität und die Ladung dieses Kondensators sowie die elektrische Feldstärke
E. [Zur Kontrolle: E = 2,5 ⋅10 4 V m ]
b.) Berechnen Sie den Geldbetrag, den man erhalten würde, wenn man die im elektrischen Feld
dieses Kondensators gespeicherte Energie nach dem „Gesetz für erneuerbare Energien“ für
0, 36€ pro kWh ins Stromnetz einspeisen könnte.
Im gesamten Gewitterfeld kommt es nun zu einem Hagelschauer. Dabei fallen kugelförmige
Hagelkörnchen mit 0, 48g Masse senkrecht nach unten. Ein Hagelkörnchen trägt die Ladung
q = 1,07 ⋅10 −7 C .
c.) Berechnen sie sowohl die Gewichtskraft als auch die elektrische Kraft auf ein Hagelkörnchen.
d.) Erläutern Sie, warum die Fallgeschwindigkeit nicht beliebig groß wird und ob die Art der Ladung
auf den Hagelkörnchen dabei eine Rolle spielt.
e.) Berechnen Sie die elektrische Kraft zwischen zwei gleichnamig geladenen Hagelkörnchen, die
einen gegenseitigen Schwerpunktabstand von 3 cm haben.
f.) Erklären Sie, warum ein elektrisch neutraler Wasserstrahl sowohl von einem negativ als auch von
einem positiv geladenen Stab angezogen wird.
Aufgabe 2 (Elektronenbewegung in elektrischen und magnetischen Feldern, Wien-Filter)
Elektronen werden durch die Spannung
U 0 beschleunigt und treten dann mit der
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Geschwindigkeit v0 = 5,9 ⋅10
m
in ein
s
zur Zeichenebene senkrechtes Magnetfeld der Feldstärke B ein (siehe Abbildung). Nach Durchlaufen eines
Viertelkreises mit Radius r = 10cm
treten die Elektronen in x-Richtung in
einen Kondensator mit dem Plattenabstand d = 8,0cm ein. Die Anordnung
befindet sich im Vakuum.
a.) Leiten Sie die Formel U 0 =
m ⋅ v2
2e
unter Benutzung von Beziehungen her, die im Tafelwerk angegeben sind, und berechnen Sie die
Beschleunigungsspannung U 0 .
b.) Zeichnen Sie die Richtung des Magnetfelds in der Skizze ein, und bestimmen Sie die Feldstärke
B. [Zur Kontrolle: B = 0, 34mT ]
c.) Begründen Sie kurz, warum die Elektronen „beim Eintritt in den Kondensator“ den oben
angegebenen Geschwindigkeitsbetrag v0 besitzen.
Die Kondensatorspannung U ist so eingestellt, dass sich die Elektronen im Kondensator unabgelenkt
entlang der x-Achse bewegen.
d.) Zeichnen Sie die Richtung des elektrischen Feldes in der Skizze ein, und berechnen Sie U.
Aufgabe 3 (Erdmagnetfeld - Hall-Effekt, Lorentzkraft)
Mit Hilfe einer Hallsonde soll die Stärke des Erdmagnetfelds
ermittelt werden. An einer Silberfolie ( b = 1cm , d = 0,1mm )
misst man die Hallspannung U H = 0,51µV . Die Folie führt
Strom der Stärke I = 1,9A und wird von einem Magnetfeld
mit B = 0, 3T senkrecht durchsetzt.
a.) Erläutern Sie anhand einer beschrifteten Skizze den Aufbau und das Funktionsprinzip einer Hallsonde, und leiten
Sie die Formel für die Hall-Spannung U H = v ⋅b ⋅ B her.
b) Berechnen Sie die Geschwindigkeit der am Stromfluss beteiligten Elektronen.
c.) Leiten sie die Formel n =
I ⋅B
her und berechnen Sie die Dichte n der freien Elektronen.
d ⋅ e ⋅U H
d.) Skizzieren Sie das Erdmagnetfeld, und beschreiben Sie, was bei der Ausrichtung der Hall-Sonde
in Nümbrecht beachtet werden muss, um die Stärke des Erdmagnetfelds zu bestimmen.
e.) Die Stärke des Erdmagnetfelds beträgt ungefähr B = 44 µT . Berechnen Sie die Kraft auf eine
Freilandstromleitung mit I = 100A und einem Abstand zwischen zwei Masten von 120m .
Aufgabe 4 (Millikan-Experiment - Elementarladung)
Skizzieren oder erläutern Sie mit wenigen Worten den
experimentellen Aufbau für das berühmte Millikan-Experiment. Erklären Sie, warum Herr Millikan aus den
dargestellten Ergebnissen auf die Existenz einer Elementarladung schließen konnte.
Aufgabe 5 (Fadenpendel - Geladene Kugel im Plattenkondensator)
Im homogenen Feld eines Plattenkondensators, an dem die Gleichspannung U anliegt, hängt eine
sehr kleine negativ geladene Kugel mit der Landung q und mit der Masse m an einem Faden. Es
stellt sich der Auslenkwinkel α ein. [Vereinfachend wird angenommen, das die Kugel die Platten
niemals berührt, keine Selbstentladung stattfindet, der Faden masselos ist und Influenzeffekte vernachlässsigbar sind.]
a.) Stellen Sie die auf die Kugel wirkenden Kräfte in einer Skizze dar. Immer von diesem Zustand
ausgehend werden mehrere Veränderungen vorgenommen. Geben Sie jeweils an, wie sich der
Auslenkwinkel α verändert. Begründen Sie Ihre Aussagen.
a1.) Die Spannung U am Kondensator wird verringert.
a2.) Der Betrag der Ladung der Kugel wird vergrößert.
a3.) Der Plattenabstand wird bei konstanter Spannung vergrößert.
a4.) Der Kondensator wird von der Spannungsquelle getrennt und
der Plattenabstand wird vergrößert.
b.) Berechnen Sie für die folgenden Daten den Auslenkwinkel α und
die Plattenfläche A. Prüfen Sie die Richtigkeit der Einheiten.
Plattenabstand:
d = 30cm C = 5,0 pF Kapazität:
Dielektrikum:
ε r = 1,0006 angelegte Spannung:
Probelandung:
U = 100kV q = 2,0nC Masse der Kugel:
m = 0,5g c.) Vergrößert man den Plattenabstand eines von der Spannungsquelle getrennten Kondensators,
nimmt die Energie Wel des elektrischen Feldes im Kondensator zu. Es gilt: Wel =
Bestimmen Sie das Verhältnis der Energien
Wel nach
Wel vor
1 Q2
.
⋅
2 C
des Plattenkondensators, wenn der Platten-
abstand verdoppelt wird. Erklären Sie, woher diese Energiezunahme kommt.