K12 LK Physik 1 - Hans-Carossa

K12
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LK Physik
3. Klausur
am 18.04.2004
1. Aluminium-Ring
Wie die Skizze zeigt ist der Aluminium-Ring frei
beweglich aufgehängt. Beim Schließen des
Schalters übt der Eisenkern eine Kraft auf den
Ring aus.
Geben Sie die Richtung dieser Kraft an und
erklären Sie Schrott für Schrott , welche
physikalischen Vorgänge dies bewirken.
2. Leiterschleife im Magnetfeld
Eine rechteckige, geschlossene Leiterschleife mit den Abmessungen l und b und der
Masse m befindet sich mit ihrem rechten Rand unmittelbar vor einem homogenen
begrenzten Magnetfeld der Flussdichte Bo und der Längenausdehnung s. Der Ohmsche
Widerstand der Leiterschleife ist R. Sie wird von einem Motor M reibungsfrei in das
Magnetfeld hineingezogen (siehe Skizze i).
Ab der in Skizze ii) gezeichneten Stellung (linker Schleifenrand hat gerade den
Feldbereich erreicht) wird die Leiterschleife vom Motor getrennt und läuft dann
reibungsfrei weiter. Außerdem wird ab diesem Zeitpunkt bis zu dem Zeitpunkt, wo der
rechte Schleifenrand das Feld gerade wieder zu verlassen beginnt, die Flussdichte B vom
Ausgangswert Bo linear auf den Wert 0 verringert.
Verwenden Sie zur Lösung der folgenden Aufgaben so weit notwendig die gegebenen
Größen l, b, m, Bo , s und R.
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a) Berechnen Sie die Stromstärke I(t) in der geschlossenen Leiterschleife, die während des
Eintauchvorgangs der Schleife in das Feld zu beobachten ist, wenn der Motor die Schleife
mit der konstanten Geschwindigkeit v in das Feld hinein zieht.
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b) Welchen Kraftbetrag muss der Motor aufbringen, um die Leiterschleife mit konstanter
Geschwindigkeit v in das Feld hinein zu ziehen ?
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c) Welchen Kraftbetrag FM(t) muss der Motor aufbringen, wenn er die Leiterschleife aus der
Ruhelage mit konstanter Beschleunigung a in das Feld hinein zieht ?
11 d) Begründen Sie, dass auch beim anschließenden Durchqueren des Magnetfeldes gemäß
Situation ii) ein Induktionsstrom zu beobachten ist und berechnen Sie seine Stärke.
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3. Elektronen im Magnetfeld
Im Bereich eines homogenen Magnetfeldes
( B = 0,30 mT) befindet sich ein
Plattenkondensator K mit quadratischen
Platten (Plattenlänge = 40 cm,
Plattenabstand = 20 mm).
Elektronen fliegen mit 8,0 % der
Lichtgeschwindigkeit unabgelenkt durch
diesen Plattenkondensator K.
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a) Bestimmen Sie die Spannung zwischen den Platten des Kondensators K.
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b) Berechnen Sie den Abstand b zwischen dem Kondensator K und dem Auffangschirm S, wenn der Auftreffwinkel der Elektronen am Schirm α = 80o beträgt.
4. Das Zyklotron
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a) Berechnen Sie (nichtrelativistisch) die
Frequenz fo der an den Duanden anliegenden
Wechselspannung, um in einem Zyklotron
Protonen von einer vernachlässigbaren
Anfangsgeschwindigkeit auf 10 % der
Lichtgeschwindigkeit zu bringen, wenn die
magnetische Flussdichte Bo = 0,40 T beträgt.
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b) In einem Zyklotron seien r1 , r2 und r3 die Radien der Halbkreisbahnen im oberen
Duanden D1 bei dem 1, , 2. , 3. Umlauf.
Ein Teilchen tritt in den oberen Duanden D1 mit der kinetischen Anfangsenergie W1 ein
und beschreibt dort eine Halbkreisbahn mit Radius r1 .
Bei jedem Durchlaufen des Spalts nimmt es die Energie ΔW = W1 auf.
Zeigen Sie, dass gilt: r1 : r2 = Wurzel aus (1 : 3) und r2 : r3 = Wurzel aus (3 : 5)
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5.
Eine Natrium-Bombe für die Wissenschaft
In einem nicht allzu großen Raumgebiet in der
oberen Atmosphäre über dem Erdäquator kann man
das Erdmagnetfeld annähernd als homogen
betrachten. Dort wurde eine Natriumkugel mit Hilfe
eines Sprengsatzes zur Explosion gebracht.
Die dabei ionisierten Natriumatome flogen nach
allen Seiten mit gleicher Geschwindigkeit weg.
Welche Form nahm die entstehende Natriumwolke nach einiger Zeit an ?
Beschreiben Sie diese Form kurz aber möglichst genau.
Begründen Sie Ihre Antwort mit geeigneten Skizzen.
(Hinweis: Betrachten Sie die – positiven - Ionen Nr. 1 , 2 und 3 !)
(Gravitations- und Reibungskräfte sind nicht zu berücksichtigen.)