3. Klausur Physik-Leistungskurs Klasse 11 4. 4. 2011

3. Klausur Physik-Leistungskurs Klasse 11
4. 4. 2011
Dauer: 90 min
1. Die Abbildung zeigt in mehreren Schritten, wie ein Elektroskop aufgeladen wird. Welche Ladung trägt das
Elektroskop zu Schluss? Begründen Sie Ihre Antwort. (3)
2. Ein Kondensator wird aufgeladen. Durch Betätigung eines Umschalters zum Zeitpunkt t = 0 wird er
Kondensator über ein ohmsches Bauelement mit R = 52,2 k entladen und die Stromstärke zu
verschiedenen Zeitpunkten gemessen. Zum Zeitpunkt t = 0 beträgt die Spannung am Kondensator 180 V. Es
ergibt sich folgende Messreihe:
t in s
2,0
4,0
6,0
8,0
10
12
14
16
18
I in mA 2,2
1,4
0,86
0,54
0,34
0,22
0,14
0,086
0,054
a) Geben Sie die Stromstärke zum Zeitpunkt t = 0 an. (2)
b) Ermitteln Sie die Gesamtladung des Kondensators und geben Sie dessen Kapazität an. (4)
20
0,034
3. Millikan-Versuch
Zwischen zwei horizontalen Kondensatorplatten werden elektrisch negativ geladene Öltröpfchen gesprüht.
Bei einer angelegten Spannung steigen die Tröpfchen gleichförmig nach oben, beim Umpolen der Spannung
sinken sie gleichförmig nach unten.
a) Begründen Sie, warum die Tröpfchen in beiden Fällen eine gleichförmige Bewegung durchführen. (2)
b) Zeichnen Sie für beide Fälle je ein Bild, in dem die auf das Tröpfchen wirkende Kräfte erkennbar sind. (4)
c) Stellen sie für beide Fälle je eine Kräftegleichung auf. (4)
d) Erklären sie, weshalb es möglich ist, aus einer großen Anzahl von Steig- und Sinkgeschwindigkeiten für
viele Tröpfchen die Elementarladung zu bestimmen. (3)
4. Eine Pappröhre ist mit mehreren Windungen Kupferdraht umwickelt, die an einer konstanten
Spannungsquelle angeschlossen sind. Im Innern der Spule entsteht durch den fließenden Strom ein
homogenes Magnetfeld der Flussdichte B. (1)
Nun wird mit weiterem Draht der gleichen Qualität die Windungszahl der Spule verdoppelt. Die Spannung
bleibt konstant.
Wie ändert sich die Flussdichte B im Innern der Spule?
a) Sie vervierfacht sich.
b) Sie verdoppelt sich.
c) Sie halbiert sich.
d) Sie viertelt sich.
e) Sie ändert sich gar nicht.
5. Um zu messen, wie stark das homogene Magnetfeld eines Elektromagneten ist, wird ein 3,0 cm langer,
waagerechter Leiter an zwei flexiblen Drähten so in das horizontal verlaufende Magnetfeld gehängt, dass er
senkrecht zu den Magnetfeldlinien steht. Der Leiter hängt an einer empfindlichen Waage. Wenn die
Stromstärke im Leiter 1,00 A beträgt, zeigt die Waage 1,04 g mehr an als ohne Strom. Wie groß ist die
magnetische Flussdichte des Magnetfeldes? (4)
Lösungen
1.
Bild1: Das Elektroskop ist neutral, die Anzahl der positiven und negativen Ladungsträger ist gleich.
Bild2: Durch Influenz werden die Ladungsträger im Elektroskop getrennt, die Elektronen werden durch
Abstoßung nach unten gedrängt, oben herrscht Elektronenmangel.
Bild 3: Durch Berührung fließen die Elektronen ab.
Bild 4: Im unteren Bereich des Elektroskopes ist die Anzahl der positiven und negativen Ladungsträger
wieder gleich: neutral.
Bild 5: Die Elektronen aus dem unteren Bereich fließen in den oberen Bereich. Da durch die Hand
Elektronen entnommen wurden, reicht es nicht aus, das gesamte Elektroskop neutral zu machen. Das
Elektroskop ist positiv geladen.
2. a) Mit I=U/R erhält man einen Anfangsstrom von 3,4 mA.
b) Die Ladung ist das Produkt aus Stromstärke und Zeit. Da sich die Stromstärke ändert, muß die Fläche
unter der Kurve berechnet werden. Dazu kann man den grafischen Taschenrechner zu Hilfe nehmen. Es läßt
sich die Kurve auch zeichnen und die Fläche auszählen.
Q = 14,84 * 10-3 C.
Mit C = Q/U erhält man als Kapazität C = 82 µF.
3. a) Ein Körper bewegt sich gleichförmig, wenn die Summe aller auf ihn wirkenden Kräfte Null ist.
Durch das elektrische Feld spürt das Tröpfchen eine beschleunigende Kraft. Die Luftreibung, die immer
entgegen der Bewegungsrichtung wirkt, wächst aber mit steigender Geschwindigkeit. Ab einer bestimmten
Geschwindigkeit ist die Reibungskraft der Luft genau so groß wie die beschleunigende Kraft des Feldes und
das Teilchen bewegt sich gleichförmig.
Auf den Einfluss von Gewichtskraft und Auftriebskraft wurde bei dieser Betrachtung verzichtet.
b)
Steigen
FA + Fel = − FG − FR
Sinken
FA + FR = − FG − Fel
d) Jedes Tröpfchen kann nur eine ganze Anzahl von Elementarladungen tragen. Wenn man eine große
Anzahl von Messwerten hat, muss jede bestimmte Ladung ein ganzzahliges Vielfaches der gesuchten
Elementarladung sein. Diese ergibt sich dann als kleinster gemeinsamer Teiler aller Ladungen.
4. e) ist richtig, die Flussdichte ändert sich nicht.
Verbale Begründung: Durch die doppelte Windungszahl verdoppelt sich der Widerstand des Drahtes. Da die
Spannung konstant bleibt, sinkt der fließende Strom auf die Hälfte. Die Stärke des Stromes und die
Windungszahl bestimmen die Stärke des Magnetfeldes. Wird die Windungszahl aber erhöht, steigt
gleichzeitig der Widerstand der Leitung. Das hat zur Folge, dass der Strom kleiner wird und die Wirkung der
Erhöhung der Windungszahl zunichte gemacht wird.
Formelmäßige Begründung:
Der magnetische Fluss im Innern einer Spule
Der Strom kann ersetzt werden:
berechnet sich mit:
U
B= µ 0 ⋅µ r ⋅
I=
N⋅ I
lS
µr ist durch die Luftfüllung 1 und kann wegfallen.
N⋅ U
lS ⋅ R
B= µ 0 ⋅
AD =
Kürzen:
B= µ 0 ⋅
lD
AD
π 2
⋅ dD
4
N⋅ U⋅ π ⋅ d
ρ ⋅ lS ⋅ lD ⋅ 4
Damit wird der Widerstand:
N ⋅ U ⋅ π ⋅ dD2
ρ ⋅ l S ⋅ π ⋅ dS ⋅ N ⋅ 4
Die Länge des Drahtes kann ersetzt werden:
2
D
R= ρ ⋅
Die Länge des Drahtes wird ersetzt:
B= µ 0 ⋅
R= ρ ⋅
Die Fläche kann ersetzt werden:
Der Widerstand wird ersetzt:
B= µ 0 ⋅
R
Der Widerstand kann ersetzt werden:
lD ⋅ 4
π ⋅ dD2
l D = US ⋅ N
l D = π ⋅ dS ⋅ N
U ⋅ dD2
ρ ⋅ l S ⋅ dS ⋅ 4
Die Windungszahl ist raus gefallen!
Die Flussdichte hängt von Größen ab, die sich bei
dieser Versuchsbeschreibung nicht ändern!
5.
geg.:
l = 3,0 ⋅ 10 − 2 m
I = 1,0 A
ges.:
B
∆ m = 1,04 ⋅ 10 − 3 kg
Lösungen:
Für die magnetische Flussdichte gilt allgemein:
B=
F
l⋅I
Die Kraft kann über die Massenänderung bestimmt werden:
F = ∆ m⋅ g
Damit erhält man die gesuchte Flussdichte
B=
m⋅ g
l⋅I
m
s2
B=
3,0 ⋅ 10− 2 m ⋅ 1,0 A
B = 0,34T
B = 340mT
1,04 ⋅ 10 − 3 kg ⋅ 9,81
Antwort:
Das Magnetfeld hat eine Flussdichte von 340 mT.