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Lösung der 1. Schulaufgabe aus der Physik 17.02.2009 Klasse 9d Gruppe A Aufgabe 1: Eine stromdurchflossene Leiterschleife befindet sich drehbar gelagert in waagrechter Lage in einem waagrecht verlaufenden Magnetfeld: 1a) Wie heißt die Kraft, die auf die Leiterschleife wirkt (zusätzlich zur Schwerkraft)? [1 BE] b N b S b 1b) Übertrage die Zeichnung auf dein Blatt und trage an den drei mit einem Punkt markierten Stellen die Kraftpfeile ein. [2 BE] 1c) Zeichne nun die Anordnung erneut, und zwar so, dass die Leiterschleife sich in ihrer Endstellung befindet. Trage auch hier die zugehörigen Kraftpfeile ein. [3 BE] + − 1a) Lorentzkraft 1b) b N b b S + − Auf den hinteren Teil wirkt keine Lorentzkraft, da hier die Stromrichtung parallel zur Richtung der magnetischen Feldlinien verläuft. 1c) b b N S − b + Hier wirkt auf jeden der drei Teile die Lorentzkraft, da in jedem Fall die Stromrichtung senkrecht zur Richtung der magnetischen Feldlinien verläuft. Aufgabe 2: In der unteren Zeichnung sind zwei Metallplatten ungleichnamig geladen: + + + + + 1,2 · 10−5 C − − − − − −1,2 · 10−5 C Die Ladung eines Elektrons beträgt −1,6022 · 10−19 C. Wieviele Elektronen sind auf der unteren Platte zuviel gegenüber der Ladung von 0 C? Wieviele Elektronen sind das etwa, in Worten ausgedrückt? [4 BE] Man muss ausrechnen, wie oft die Ladung eines Elektrons in die Ladung Q = −1,2 · 10−5 C der unteren Platte „passt“. Das macht man, indem man Q durch die Elementarladung Qe = −1,6022 · 10−19 C dividiert: −1,2 · 10−5 C TR Q = ≈ 7,4897 · 1013 ≈ 75 000 000 000 000 Qe −1,6022 · 10−19 C In Worten: Fünfundsiebzig Billionen Elektronen. (Die Minuszeichen und die Einheit Coulomb kürzen sich weg.) Aufgabe 3: Gegeben seien zwei äußerlich nicht unterscheidbare Eisenstäbe, von denen einer ein Magnet ist und der andere nicht. Erkläre, wie man ohne weitere Hilfsmittel herausfinden kann, welcher der Stäbe der Magnet ist. Fertige dazu auch eine Skizze an. [3 BE] Man legt einen Stab (ab jetzt: Stab 1) z.B. auf einen Tisch und führt ein Ende des anderen (ab jetzt: Stab 2) im 90◦ -Winkel an die Mitte von Stab 1 heran. Falls eine Anziehungskraft spürbar ist, ist Stab 2 der Magnet, denn: Ein Magnet zieht Körper aus Eisen an. Dabei ist es egal, wohin genau an das Eisen man den Magneten hält. Falls keine Anziehungskraft spürbar ist, ist Stab 1 der Magnet. Denn in der Nähe des mittleren Bereichs zwischen den zwei Polen eines Stabmagneten verlaufen die Feldlinien „parallel zum Stab“. Dort zieht der Nordpol des Magneten das unmagnetische Ende des Eisenstabes genauso stark an wie der Südpol, so dass in der Summe gar keine magnetische Kraft auf den Eisenstab wirkt. Aufgabe 4: Rechne 1 MAh um in die für die Ladung übliche Einheit. (1 MA=1 · 106 A; ein Megaampere) [2 BE] Man muss wissen: 1 C = 1 As („ein Coulomb ist eine Amperesekunde“) bzw. genauer: 1 C = „ein Ampere mal eine Sekunde“ = 1 A · 1 s. Außerdem muss man wissen: 1 MAh ist eine Megaamperestunde, dabei steht „Mega“ für 106 = 1 000 000 und 1 MAh = 1 MA · 1 h. Wenn man die eine Stunde nun in Sekunden umrechnet, erhält man: 1 MAh = 1 MA · 1 h = 1 000 000 A · 3600 s = 3 600 000 000 C Aufgabe 5: Gegeben seien zwei ungleichnamig geladene Metallplatten, zwischen denen ein homogenes elektrisches Feld herrscht. 5a) Welche physikalische Größe symbolisieren die Feldlinien? Die Richtung der elektrischen Kraft auf positiv geladene Körper. [1 BE] 5b) Betrachte nun ein geeignetes „Objekt“, welches sich in diesem Feld befindet. Dieses Objekt soll sich in dem elektrischen Feld anders verhalten, als in einem homogenen Magnetfeld. Welches Objekt könnte das sein und welches Verhalten wird man bei welchem der zwei Feldtypen beobachten? [3 BE] Möglichkeit (i): Ein Elektron (Proton), welches sich zuerst in Ruhe befindet. Im elektrischen Feld wird es zum Pluspol (Minuspol) hin beschleunigt. Im magnetischen Feld wirkt darauf keine Kraft (abgesehen von der Schwerkraft). Möglichkeit (ii): Eine drehbar gelagerte Magnetnadel. Im magnetischen Feld richtet sie sich in Nord-Süd-Richtung aus. Im elektrischen Feld wirkt auf sie keine Kraft (abgesehen von der Schwerkraft). B Aufgabe 6: Wie muss ein Magnetfeld gerichtet sein, damit durch Bewegen des Leiters mit Enden A und B in der Ebene des Blattes nach rechts bei A ein Elektronenüberschuss entsteht? (Es wird eine Antwort mit Erklärung/Begründung und Skizze verlangt!) [4 BE] A Das Magnetfeld muss senkrecht zur Zeichenebene verlaufen, und zwar in die Blattmitte hinein. Das wird wie üblich durch Kreuze veranschaulicht, die die Enden von Pfeilen darstellen sollen. Begründung: • Stab nach rechts =⇒ Elektronen im Stab bewegen sich nach rechts mit. • Elektronen bewegen sich nach rechts =⇒ technische Stromrichtung nach links. • Also wegen UVW-Regel: Daumen nach links. • Zeigefinger: In Richtung des Magnetfeldes (vorerst unbekannt, Richtung ist gesucht). • Mittelfinger: Nach unten (von B nach A), da die Lorentzkraft die Elektronen im Leiter nach unten „drücken“ muss, damit unten ein Elektronenüberschuss entsteht. • Wenn die Richtungen für den Daumen und den Mittelfinger festgelegt sind, folgt daraus mit der UVW-Regel eindeutig die Richtung, in die der Zeigefinger zeigt. × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × − − × − × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × ×
