Aufgabe A1

Hessisches Kultusministerium
Landesabitur 2007
Physik
Grundkurs
Thema und Aufgabenstellung
Aufgabe A1
Hinweise für den Prüfling
Einlese- und Auswahlzeit (insgesamt):
45 Minuten
Bearbeitungszeit (insgesamt):
180 Minuten
Auswahlverfahren
Es gibt drei Aufgabengruppen A, B und C. Aus jeder Gruppe stehen zwei Vorschläge zur Auswahl, von denen jeweils einer auszuwählen und zu bearbeiten ist. Der jeweils nicht ausgewählte Vorschlag muss am Ende der Einlesezeit der aufsichtsführenden Lehrkraft zurückgegeben
werden.
Erlaubte Hilfsmittel
1. Wörterbuch zur deutschen Rechtschreibung
2. der im Unterricht verwendete Taschenrechner
3. Formelsammlungen, die alle üblichen Formeln, aber keine Herleitungen oder weitergehende physikalische Erklärungen enthalten
Sonstige Hinweise
keine
In jedem Fall vom Prüfling auszufüllen
Name: __________________________________
Vorname: _____________________
Prüferin / Prüfer: __________________________
Datum: _____________
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Hessisches Kultusministerium
Physik
Grundkurs
Landesabitur 2007
Thema und Aufgabenstellung
Aufgabe A1
Elektrostatische Felder
Eine an ihrer Unterseite positiv geladene Gewitterwolke befindet sich in der Höhe h = 200 m
über der Erdoberfläche (vergl. Abb.). Zwischen der Wolke und dem Erdboden, die man beide
als geladene Platten (Fläche einer „Platte“ 10 km²) eines luftgefüllten Plattenkondensators
auffassen kann, besteht ein elektrisches Feld mit der Feldstärke E = 1,5⋅105 V/m, die so hoch
ist, dass eine Entladung durch die Luft (Blitz) unmittelbar bevorsteht.
a.
Übertragen Sie die Abbildung als Skizze in Ihre Unterlagen. Skizzieren Sie die Ladungsverteilung in der Wolke und dem Erdboden sowie die elektrischen Feldlinien.
Beachten Sie dabei auch den metallenen Turm am rechten Bildrand.
(4 BE)
Der Turm soll für die weiteren Betrachtungen keine Rolle mehr spielen.
b.
Berechnen Sie die Ladung an der Unterseite der Wolke und geben Sie die Spannung
an, die zwischen ihr und dem Boden herrscht.
(4 BE)
c.
Ein kleines kugelförmiges Nebeltröpfchen (ρWasser = 1 g/cm³) mit 1 mm Durchmesser
schwebt bei Windstille im Raum zwischen Wolke und Erde, bevor es zu einer Entladung kommt. Berechnen Sie die Ladung, die sich auf dem Tröpfchen befindet. (Der
Auftrieb in der Luft ist zu vernachlässigen.)
(7 BE)
d.
Untersuchungen mit Hochgeschwindigkeitskameras haben gezeigt, dass die meisten
Blitze aus vielen sehr kurzen Teilentladungen bestehen. Als Beispiel sollen Sie einen
Blitz betrachten, dessen gesamte Dauer 0,27 s beträgt und dessen Teilentladungen im
Abstand von 0,03 s erfolgen. Die Dauer einer Teilentladung beträgt 20 µs.
Berechnen Sie die mittlere Stromstärke, die in dem gesamten Blitz fließen würde,
wenn man annimmt, dass er die gesamte Wolke entlädt.
Berechnen Sie die mittlere Stromstärke, die in einer Teilentladung fließen würde, wenn
man annimmt, dass jede Teilentladung die gleiche Ladungsmenge transportiert.
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Physik
Grundkurs
Landesabitur 2007
Thema und Aufgabenstellung
Aufgabe A1
Berechnen Sie die Energiemenge, die in dem elektrischen Feld vor dem Blitz gespeichert war.
Ermitteln Sie, auf welchen prozentualen Anteil des Ausgangswertes die zwischen Erde
und Wolke gespeicherte Energiemenge nach der Hälfte der Teilentladungen gefallen
ist.
(9 BE)
e.
Noch bevor es zu einer Entladung kommt, drückt ein Fallwind die Wolke auf eine
niedrigere Höhe herab. Die Ladung der Wolke bleibe dabei konstant. Wie ändern sich
qualitativ die elektrische Feldstärke und die Spannung zwischen Wolke und Erde?
Wird eine Entladung der Wolke dadurch wahrscheinlicher? Begründen Sie ihre Antworten.
(6 BE)
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