S4 Seminar Elektrizität (12.06.2010)

S4 Seminar Elektrizität
(12.06.2010)
1. Aufgaben
1.) Elementarladung
Im Elektronenstrahl in einem Fernseher fließt typisch ein Strom von 100 mA. Wie viel Elektronen pro
Sekunde sind das?
2.) Elektrische Arbeit
Ein Blitz hat eine Spannung von vielleicht 1 GV, führt einen Strom der Größenordnung 105 A und
dauert ungefähr 100 µs an. Welche Energie setzt er dann um?
3.) Elektrische Leistung
a) Welche Wärmeleistung kann eine Heizplatte entwickeln? Gegeben seien die angelegte Spannung
U=220 V und der durchfließende Strom I=5 A.
b) Welche Wärmeleistung kann eine Heizplatte entwickeln? Gegeben seien die angelegte Spannung
U=220 V und der elektrische Widerstand der Heizplatte R=5 kΩ .
c) Welche Wärmeleistung kann eine Heizplatte entwickeln? Gegeben seien der durchfließende Strom
I=5 A und der elektrische Widerstand der Heizplatte R=5 kΩ .
4.) Kirchoff'sche Regeln
a) Der Strom I3 brträgt 2 Ampere. Bestimmen sie I1, I2 und
U!
1Ω
b) die Spannung zwischen den Punkten A und
2
5Ω
2Ω
10Ω
1
3
5
A
B
2Ω
B beträgt 20 Volt. Bestimmen Sie den
Gesamtwiderstand der Schaltung und die
Stromgröße durch die Widerstände 1, 2, 3 und
4!
4
5.) Plattenkondensator
S 4.1
+ 2V
B
4 cm
A
1 cm
- 2V
2,5 c m
a)
Obiger Plattenkondensator habe einen Plattenabstand von 4 cm und eine Plattenkantenlänge von
4 cm. Das Dielektrikum ist Luft und ε0 =8,854 . 10-12 [C/(Vm)] . Welche Kapazität besitzt der
Kondensator?
b) An der oberen Platte liegt ein Potential von + 2 Volt und an der unteren eines von - 2 Volt an.
Geben Sie die negative Ladungsmenge an.
c) Wie groß ist die Arbeit, die aufgebracht werden muß, um eine positive Ladung mit Q = 1 [C] von
A nach B zu verschieben?
6.) Der Plattenkondensator als Energiespeicher
Ein elektronisches Blitzgerät speichert die Energie für den Blitz in einem 150-µF-Kondensator mit
einer Ladespannung von 200 V. Ein Blitz dauert 0.5 ms. Welche Leistung wird in dieser Zeit erreicht?
7.) Ladungsverschiebung an einer Zelle, charakteristische Zeitkonstante einer Membran
a) Um die Membran einer Zelle zu beschreiben, wird das Ersatzschaltbild unten benutz. Typische
Werte für eine Säugetierzelle sind: Kapazität der Zellmembran C = 10 pF, Membranwiderstand R = 1
GΩ und Transmembranspannung U= -90 mV. Berechnen sie die Zeit, die nach Schließen des
Schalters S für eine 95% Beladung der Zellmembran von (ausgehend von 0 mV) benötigt wird!
b) Wie groß ist die Ladungsmenge, die benötigt wird,
um die Spannung einer Zelle mit einer Kapazität von
50 pF von +20 mV auf -80 mV zu ändern? Berechnen
Sie daraus die Anzahl einwertiger Kationen, die aus
dem Zellinneren nach außen fließen müssen, um diese
Ladungsmenge aufzubringen.
8.) Konzentrationsmessung
In einem elektrolytischen Trog, der durch eine semipermeable Wand in zwei Kammern geteilt ist,
befindet sich NaCl-Lösung in unterschiedlicher Konzentration bei 25 °C. Die Konzentration in der
Kammer 1 ist mit C1 = 0,1 Mol / l bekannt. Mit zwei Elektroden wird gemäß Abbildung zwischen den
Kammern eine Spannung von U21 = -96,5 mV gemessen.
Einige Daten:
Elementarladung
e0 = 1,6 . 10-19 [C] ,
Boltzmann-Konstante k = 1,38 . 10-23 [J/K] ,
Ionenwertigkeit :
z Na =
+ 1 und
z Cl =
Gaskonstante R = 8,3144 [J/(mol . K)]
Faraday-Konstante F = 96 484 [C/mol]
S 4.2
-1
a)
b)
Wurden die Kammern durch eine kationen- oder eine anionenpermeable Membran getrennt?
Erklären Sie Ihre Aussage.
Welche Konzentration besitzt die Lösung in Kammer 2?
M ultim eter
mV
-
+
E lek trod en
1
2
M eß k am m e r 1 & 2
S 4.3
S4 Seminar Optik
(12.06.2010)
9.) Spektrum der elektromagnetischen Strahlung
Ordnen Sie die Bereiche des elektromagnetischen Spektrums (alphabetische Reihenfolge:
Gammastrahlung, Infrarotstrahlung, Mikrowellen, Radiowellen, Röntgenstrahlung, sichtbares Licht,
ultraviolette Strahlung) von hoher zu niedriger Energie! Welche Prozesse verbinden Sie mit den
genannten Spektralbereichen?
10.) Sammellinse
Gegeben ist eine Sammellinse der Brennweite f.
a) Konstruieren Sie das Bild eines Gegenstandes, der sich in einem Abstand von 3/2 f befindet!
b) Konstruieren Sie das Bild eines Gegenstandes, der sich in einem Abstand von 1/2 f befindet!
c) Führen sie die Konstruktion aus a für eine Zerstreuungslinse durch!
d) Was ist der Unterschied zwischen einem reellen und einem virtuellen Bild?
11.) Sammellinse
Ein Diaprojektor projiziert ein 3m großes Bild auf eine Leinwand. Das Dia, das von der
Projektorlampe durchleuchtet wird, ist 2cm groß. Die Brechkraft der Linse ist 20dpt. Wie
weit ist die Leinwand von dem Diaprojektor entfernt?
12.) Auge
Wie korrigieren Sie Kurzsichtigkeit, wie korrigieren Sie Weitsichtigkeit? Was versteht man
unter Astigmatismus?
13.) Abbildungsgleichung
Für welche Bedingungen gilt die Abbildungsgleichung? Welche Abbildungsfehler kennen Sie
und wodurch werden diese verursacht?
S 4.4