Vorbereitungsblatt zur 1

Vorbereitungsblatt zur Schulaufgabe
1. Physikalische Grundlagen
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Elektrische Felder
Um die unter 2. genannten Gerätschaften besser verstehen zu können, haben wir zunächst
elektrische und magnetische Felder wiederholt und genauer untersucht.
Du solltest einfache Feldlinienbilder zeichnen können (-> Simulationen im Internet) und
wichtige Eigenschaften von elektrischen Feldern und Feldlinien kennen. Wichtige
elektrische Größen wie die Ladung und das el. Potential solltest du samt Einheiten
beherrschen. Bei den Berechnungen haben wir uns auf homogene (-> Plattenkondensator,
1 Q
U
⋅
E=
) und radialsymmetrische Felder (-> geladene Kugel, E=
) beschränkt.
4 π ϵ0 r 2
d
Für den Plattenkondensator wurde auch dessen Kapazität berechnet, die man sowohl aus den
elektrischen Größen, als auch aus geometrischen Maßen bestimmen kann. Auch diese
Formeln solltest du kennen und sicher anwenden können.
Da häufig Energieumwandlungen eine Rolle spielen, musst du auch mit der elektrischen
Energie Eel=U⋅I⋅t und mit der in einem Kondensator gespeicherten Energie
1
EKond = ⋅U 0⋅Q 0 vertraut sein (inkl.: Woher kommt der Faktor 0,5?).
2
Aufgaben findest du im Buch auf den Seiten 89 und 90.
-
Magnetische Felder
Analog zum elektrischen Feld haben wir zunächst einige wichtige Feldlinienbilder
wiederholt. Aus der 9. Klasse ist dir auch die Drei-Finger-Regel bekannt, die du für dieses
F
Kapitel wieder benötigst. Mit Hilfe der Definition der magnetischen Flussdichte B=
I⋅l
können wir nun auch die Lorentzkraft auf ein geladenes Teilchen mit bekannter
v ×⃗
B)
Geschwindigkeit berechnen: F L=q⋅v⋅B , bzw. F⃗L=q⋅( ⃗
Da es sich bei der Lorentzkraft um eine Zentralkraft handelt, haben wir uns die entstehende
Kreisbahn mit Hilfe eines Fadenstrahlrohrs angesehen. Den Aufbau dieses Gerätes solltest
du skizzieren und beschreiben können.
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Massenspektroskopie
Kombiniert man elektrische und magnetische Felder in geeigneter Weise, so heben sich die
Kraftwirkungen dieser Felder für gleiche Teilchen bei einer bestimmten Geschwindigkeit
genau auf. Auf diese Weise kann man einen Teilchenstrahl erzeugen, bei dem verschieden
schwere Ionen mit für jede Ionensorte gleicher Geschwindigkeit erzeugt wurde.
Gelangt dieser Strahl nun erneut in ein homogenes Magnetfeld, so werden die verschiedenen
Ionen auf Kreisbahnen mit unterschiedlichen Radien gelenkt. Aus dem ermittelten Radius
lassen sich Rückschlüsse auf die Art der Ionen herleiten.
Sowohl die Skizze eines Massenspektrometers als auch die rechnerische Behandlung solltest
du sicher beherrschen.
Aufgaben findest du im Buch auf den Seiten 106 und 107.
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Materiewellen nicht-relativistisch und relativistisch
Louis de Broglie behauptete, dass man auch Elektronen eine Wellenlänge zuordnen können
und konnte über Beugungs- und Interferenzerscheinungen den Nachweis erbringen, dass
diese Elektronen tatsächlich Wellencharakter aufweisen. Bleibt man bei „kleinen“
h
Geschwindigkeiten der Elektronen, so ergibt sich mittels λ=
und den Überlegungen aus
p
dem Kapitel „Elektrische Felder“ eine relativ einfache Formel für die Wellenlänge eines
Elektrons, das durch ein elektrisches Feld beschleunigt wurde.
Für v > 0,1c muss man relativistische Effekte berücksichtigen, wie du sie in der 10. Klasse
kennengelernt hast. Mit Hilfe der Massenzunahme
2
2
2 2
E=m⋅c und der Gleichung Eges=E0 + p c
relativistisch berechnen können.
2
m=
√
m0
v 2 , der einsteinschen Formel
2
c
musst du die deBroglie-Wellenlänge auch
1−
2. Untersuchungsmethoden der Biophysik
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Lichtmikroskop
Wir haben uns zunächst die Vergrößerung V definiert und anhand einer Lupe einfache
Betrachtungen durchgeführt.
Das Lichtmikroskop solltest du skizzieren können. Die Herleitung der Vergrößerung eines
Lichtmikroskops ist nicht verlangt, wohl aber das Ergebnis V =V Okular⋅V Objektiv .
Analog zum Auge ist das Auflösungsvermögen des Lichtmikroskops durch Beugungseffekte
beschränkt. Du solltest wissen, durch welche Maßnahmen man das Auflösungsvermögen in
gewissen Grenzen verbessern kann.
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Elektronenmikroskope
Um deutlich höhere Auflösungen zu erreichen, bleibt nur der Übergang zu den unter 1.
genannten Materiewellen, da deren Wellenlänge deutlich kleiner ist, als die des sichtbaren
Lichts.
Analog zum Aufbau des Lichtmikroskops solltest du den Aufbau eines TransmissionsElektronenmikroskops skizzieren können und die Funktionsweise magnetischer Linsen
erläutern können.
Weitere Varianten wie das Rasterelektronenmikroskop und das Rasterkraftmikroskop solltest
du soweit beschreiben können, wie wir das im Unterricht behandelt haben.
Aufgaben zu Mikroskopen und Materiewellen findest du auf den Seiten 122 und 123.
3. Neuronale Signalverarbeitung
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Aufbau einer Nervenzelle, Membranpotential und Aktionspotential
Du solltest in der Lage sein, den Aufbau einer Nervenzelle wiederzugeben und die
Vorgänge, die zur Entstehung des Membranpotentials führen, beschreiben können.
Die aktive Reizleitung erfolgt bei Überschreitung einer vordefinierten Reizschwelle. Auch
hier solltest du die verschiedenen Phasen und die an deren Entstehung beteiligten Vorgänge
in der Zelle beschreiben können.
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Elektrischer Schaltkreis als Modell
Um die Vorgänge innerhalb einer Nervenzelle genauer verstehen zu können, haben wir uns
einen elektrischen Schaltkreis, der die wichtigsten Bestandteile der Zellmembran (hier:
Membran selbst und die beiden wichtigsten Ionenkanäle) modelliert, angesehen.
Die Herleitung, die zur Formel für die (zeitabhängige) Spannung am Kondensator bei
dessen Ladung, bzw. Endladung führt, sollte dir keine Probleme bereiten.
Durch eine Glimmlampe als veränderlicher Widerstand Ri wurde anschließend in einem
Gedankenexperiment die Erkenntnis gefunden, dass ein stärkerer ankommender Reiz an der
Nervenzelle nicht etwa die Amplitude des am Axon ausgesandten Reizes verändert sondern
die Frequenz der neu ausgesandten Reize erhöht.
Aufgaben zur Nervenzelle findest du im Buch auf den Seiten 155 und 161 (keine
Sternchenaufgaben).
Generell gilt:
•
Lies dir die Aufgaben zunächst ganz durch, damit du nichts übersiehst.
•
Die Lösungswege müssen erkennbar sein. Es genügt nicht, das Ergebnis hinzuschreiben
(auch wenn du glaubst, dass „man das doch sieht“)!
•
Fragen bitte an [email protected]. Weitere Infos zu den Themen unter leifiphysik.de.