2. Stegreifaufgabe aus der Physik Lösungshinweise
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2. Extemporale MSG Würzburg Klasse 9ab(WsW) (v0.01 26.11.09) Schuljahr 2009/2010 2. Stegreifaufgabe aus der Physik Lösungshinweise Gruppe A Aufgabe 1 (a) Im ersten Fall wirkt keine Kraft, da die Stromrichtung parallel zu den Magnetfeldlinien ist. In den anderen beiden Fällen sind Stromrichtung und Magnetfeldlinien senkrecht und die Kraftrichtung lässt sich mit der 3-Finger-Regel bestimmen: (2 Punkte) (b) Die gezeigte Ladung ist positiv. Wendet man die 3-Finger-Regel der rechten Hand an mit der gegebenene Bewegungsrichtung und dem gegebenen Magnetfeld (in die Zeichenebene!!) an, dann ergibt sich genau die gezeigte Richtung der Lorentzkraft. Also stimmen Bewegungsrichtung und technische Stromrichtung überein, das Teilchen ist positiv geladen. (2 Punkte) Aufgabe 2 Ein Gleichstrom-Elektromotor besteht aus einer Spule (Rotor) in ei- nem Magnetfeld. Das Magnetfeld wird von einem Dauermagneten erzeugt. Die Spule ist über einen Kommutator mit Schleifkontakten (Bürsten) an eine Stromquelle angeschlossen. Wenn durch die Spule Strom ieÿt, dann wirken auf die senkrecht zum Magnetfeld laufenden Leiterstücke Lorentzkräfte (bei entgegengesetzten Leiterstücken in entgegengesetzte Richtungen), wodurch sich die Spule dreht: N a) S - + N b) S - + c) Magnetfeld S N + techn. Stromrichtung Kraft Durch den Kommutator wird die Stromrichtung im richtigen Moment umgedreht, so dass sich die Spule immer in die gleiche Richtung dreht. 2. Extemporale Klasse 9ab(WsW) (v0.01 26.11.09) MSG Würzburg Schuljahr 2009/2010 (8 Punkte) Aufgabe 3 P = 520 W und der Spannung U = 230 V kann man die Stromstärke I mit Hilfe der Formel P = U · I für die elektrische Leistung sofort Mit der Leistung berechnen, es ist I= 520 W P = ≈ 2, 26 A. U 230 V (3 Punkte) Aufgabe 4 Es ergibt sich die in Bild I skizzierte Teilchenbahn. (Bei Eintritt in das Feld wirkt die Lorentzkraft nach oben, dadurch bewegt sich das Teilchen schräg nach rechts oben, bei dieser Bewegungsrichtung wirkt die Lorentzkraft dann nach links oben, usw. Da die Lorentzkraft vom Betrag her immer gleich bleibt, sich aber dreht entsteht eine gleichmäÿig gekrümmte Bahn, eine Kreisbahn.). Bei Eintritt in das Feld wird das Teilchen nach oben abgelenkt, also kann es nicht Bahn II sein. 2. Extemporale (v0.01 26.11.09) Klasse 9ab(WsW) MSG Würzburg Schuljahr 2009/2010 Die Ablenkung durch die Lorentzkraft bleibt immer gleich, deswegen kann es nicht Bild III sein. Die nach kurzer Strecke geradlinige Bahn würde nämlich bedeuten, dass gar keine Kraft wirkt. Bei Bahn IV ändert sich die Krümmung, das Teilchen beschreibt zuerst eine Linkskurve und dann eine Rechtskurve. Für die Änderung der Krümmung müsste die Lorentzkraft aber in die entgegengesetzte Richtung springen . Bei gleichem Magnetfeld ändert sie ihre Richtung aber natürlich nicht abrupt. 2. Extemporale MSG Würzburg Klasse 9ab(WsW) (v0.01 26.11.09) Schuljahr 2009/2010 Gruppe B Aufgabe 1 (a) Im ersten Fall wirkt keine Kraft, da die Stromrichtung parallel zu den Magnetfeldlinien ist. In den anderen beiden Fällen sind Stromrichtung und Magnetfeldlinien senkrecht und die Kraftrichtung lässt sich mit der 3-Finger-Regel bestimmen: (2 Punkte) (b) Die gezeigte Ladung ist negativ. Wendet man die 3-Finger-Regel der rechten Hand an mit der gegebenene Bewegungsrichtung und dem gegebenen Magnetfeld (in die Zeichenebene!!) an, dann ergibt sich genau die entgegengesetzte Richtung der gezeigten Lorentzkraft. Also stimmen Bewegungsrichtung und technische Stromrichtung nicht überein, das Teilchen ist negativ geladen. (2 Punkte) Aufgabe 2 Ein Gleichstrom-Elektromotor besteht aus einer Spule (Rotor) in ei- nem Magnetfeld. Das Magnetfeld wird von einem Dauermagneten erzeugt. Die Spule ist über einen Kommutator mit Schleifkontakten (Bürsten) an eine Stromquelle angeschlossen. Wenn durch die Spule Strom ieÿt, dann wirken auf die senkrecht zum Magnetfeld laufenden Leiterstücke Lorentzkräfte (bei entgegengesetzten Leiterstücken in entgegengesetzte Richtungen), wodurch sich die Spule dreht: N a) S - + N b) S - + c) Magnetfeld S N + techn. Stromrichtung Kraft Durch den Kommutator wird die Stromrichtung im richtigen Moment umgedreht, so dass sich die Spule immer in die gleiche Richtung dreht. 2. Extemporale Klasse 9ab(WsW) (v0.01 26.11.09) MSG Würzburg Schuljahr 2009/2010 (8 Punkte) Aufgabe 3 P = 500 W und der Spannung U = 230 V kann man die Stromstärke I mit Hilfe der Formel P = U · I für die elektrische Leistung sofort Mit der Leistung berechnen, es ist I= 500 W P = ≈ 2, 17 A. U 230 V (3 Punkte) Aufgabe 4 Es ergibt sich die in Bild IV skizzierte Teilchenbahn. (Bei Eintritt in das Feld wirkt die Lorentzkraft nach oben, dadurch bewegt sich das Teilchen schräg nach rechts oben, bei dieser Bewegungsrichtung wirkt die Lorentzkraft dann nach links oben, usw. Da die Lorentzkraft vom Betrag her immer gleich bleibt, sich aber dreht entsteht eine gleichmäÿig gekrümmte Bahn, eine Kreisbahn.). Bei Eintritt in das Feld wird das Teilchen nach oben abgelenkt, also kann es nicht Bahn I sein. 2. Extemporale (v0.01 26.11.09) Klasse 9ab(WsW) MSG Würzburg Schuljahr 2009/2010 Die Ablenkung durch die Lorentzkraft bleibt immer gleich, deswegen kann es nicht Bild II sein. Die nach kurzer Strecke geradlinige Bahn würde nämlich bedeuten, dass gar keine Kraft wirkt. Bei Bahn III ändert sich die Krümmung, das Teilchen beschreibt zuerst eine Linkskurve und dann eine Rechtskurve. Für die Änderung der Krümmung müsste die Lorentzkraft aber in die entgegengesetzte Richtung springen . Bei gleichem Magnetfeld ändert sie ihre Richtung aber natürlich nicht abrupt. 2. Extemporale Klasse 9ab(WsW) (v0.01 26.11.09) Punkteschlüssel: Punkte Note 16,519 1 13,516 2 10,513 3 810 4 47,5 5 03,5 6 MSG Würzburg Schuljahr 2009/2010
