induktion - Universität Regensburg
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F AKULTÄT FÜR P HYSIK Universität Regensburg Arbeitsgruppe Didaktik der Physik INDUKTION GRUPPE 1: INDUKTION 1.1 Demonstrieren Sie mit Hilfe einer geeigneten Spule und eines Stabmagneten, dass bei der wechselseitigen Bewegung von Spule und Magnet eine Spannung induziert wird! Zeigen Sie, dass die Polung der Induktionsspannung von der Bewegungsrichtung der Spule bzw. des Magneten abhängt! Verwenden Sie unterschiedliche Anzeigeinstrumente: • ein Zeigermessgerät • ein Oszilloskop • zwei Leuchtdioden. Wann ist die Verwendung eines Oszilloskops unverzichtbar? 1.2 Demonstrieren Sie, von welchen Parametern die Höhe der Induktionsspannung abhängt! 1.3 Versuchen Sie mit Hilfe einer Spule (600 bzw. 1200 Windungen) und eines Hufeisenmagneten ein Glühbirnchen (3,8V) zum Leuchten zu bringen 1.4 Zeigen Sie, dass bei Rotation einer Spule im Erdmagnetfeld Spannung erzeugt wird. GRUPPE 2: LENZ’SCHE REGEL 2.1 Hängen Sie einen Hufeisenmagneten waagrecht an Fäden auf, so dass er frei schwingen kann und lassen Sie ihn durch eine Spule (1200 Windungen) schwingen. Die Spulenanschlüsse werden a) offen gelassen b) über einen 500Ω Widerstand verbunden c) mit einem Kabel kurzgeschlossen Stellen Sie zuerst Hypothesen auf, wann der Magnet länger bzw. kürzer schwingt und überprüfen Sie diese dann experimentell. Erklären Sie anschließend Ihre Beobachtungen. 2.2 Die abgebildete Versuchsanordnung liegt in zwei Ausführungen vor: Einmal ist die Kupferblechschleife geschlossen und einmal durch eine isolierende Folie unterbrochen. Bewegen Sie einen Pol eines Hufeisenmagneten möglichst schnell in den Blechring hinein (oder ziehen Sie ihn schnell heraus), ohne der Ring dabei zu berühren. Was erwarten Sie bei den beiden Anordnungen? Überprüfen Sie Ihre Vermutung und geben Sie eine Erklärung (ausführliche sprachliche Formulierung!)! 2.3 Zeigen Sie, dass bei Bewegung einer Leiterschaukel im Feld eines Hufeisenmagneten eine Spannung induziert wird! Geben Sie eine Regel für die theoretische Ermittlung der Polung der Induktionsspannung an. Verändern Sie diesen Versuch so, dass er zu einem Demonstrationsversuch zur Regel von Lenz wird! Geben Sie anhand einer sauberen Skizze eine Erklärung für die Entstehung von Induktionsspannung auf der Basis eines geeigneten Modells vom mikroskopischen Aufbau der Materie ab. GRUPPE 3: GENERATOREN 3.1 Bauen Sie die Schaltung gemäß nebenstehender Skizze auf. Vorsicht: Wählen sie die Spannungen für Motor, Lämp-chen und Batterie passen! Lassen Sie zuerst den Motor in Schalterstellung (a) laufen und schalM ten Sie kurz darauf die Stromquelle ab. Was ist zu beobachten? Wiederholen Sie nun den Versuch, schalten Sie jedoch nicht die Stromquelle ab, sondern wechseln Sie zu Schalterstellung (b), die den Stromkreis ebenfalls trennt. Was erwarten Sie jetzt? Geben Sie eine Begründung! Welche didaktische Funktion hat dieser Versuch im Unterricht? g:\d1\expsem\esemufp2\sw11\induktion.docx a b Seite 1 von 3 induktion Seite 2 von 3 3.2 Bauen Sie nun einen Generator auf und treiben Sie ihn mit einem Riemen und einem mechanischen Getriebe mit Kurbel oder mit einem anderen Elektromotor an. Stellen Sie die induzierte Spannung mit einem Oszilloskop dar! Demonstrieren Sie den Unterschied zwischen einem Wechselstromgenerator und einem Gleichstromgenerator und erklären Sie insbesondere, welche Funktion ein Kommutator hat! GRUPPE 4: WIRBELSTRÖME 4.1 Auf einer schräg gestellten Alu-Platte starten zwei gleich schwere Zylinder; einer besteht aus unmagnetischem Eisen, der andere ist ein Magnet. Kommen beide gleichzeitig unten an? Begründen Sie Ihre Antwort und geben Sie eine Erklärung für den beobachteten Effekt. 4.2 Lassen Sie einen Zylindermagnet α) durch ein Kupferrohr β) durch ein geschlitztes Kupferrohr fallen. Geben Sie eine Erklärung für den beobachteten Unterschied! 4.3 Eine Metallplatte schwingt zwischen den Polschuhen eines (nicht eingeschalteten) Elektromagneten hin und her. Schließen Sie nun den Elektromagneten an eine geeignete Spannungsquelle und lassen Sie folgende Gegenstände zwischen den Polschuhen schwingen: ▪ eine Metallplatte ▪ einen Metallring ▪ einen Metallkreis ▪ eine kammartig geschlitzte Metallplatte. Erklären Sie Ihre Beobachtungen! GRUPPE 5: SELBSTINDUKTION 5.1 Bauen Sie den Versuch gemäß Abb. 1 auf. Schließen Sie den Schalter und beobachten Sie dabei die Lämpchen 1 und 2. Was erwarten, was beobachten Sie? 5.2 Wechseln Sie nun wie in Abb. 2 gezeigt den Widerstand bei L gegen eine 2 Spule mit Eisenkern aus und führen Sie den Einschaltvorgang erneut durch. Stellen Sie eine Vermutung darüber auf wie jetzt der Einschaltvorgang verläuft! Überprüfen Sie Ihre Vermutung und geben Sie eine Erklärung! 5.3 Nun wird der Ausschaltvorgang in einem Stromkreis (vgl. Abb. 3) mit einer Spule (600 Windungen mit Eisenkern) näher beobachtet. Lassen Sie zunächst die in der Zeichnung dargestellte Glimmlampe weg und stellen Sie die Spannung so ein, dass eine Stromstärke von I=1A fließt. a) Öffnen Sie nun den Schalter und beobachten Sie den Strommesser! Was beobachten Sie? Untersuchen Sie, ob sich beim Schließen des Schalters etwas Ähnliches beobachten lässt! b) Schalten Sie nun die Glimmlampe parallel zur Spule und wiederholen sie Versuch a)! c) Entfernen Sie nun den Eisenkern und wiederholen Sie a)! d) In welcher Richtung fließt der Strom beim Ausschalten? Geben Sie geeignete Erklärungen für Ihre Beobachtungen! g:\d1\expsem\esemufp2\sw11\induktion.docx F AKULTÄT FÜR P HYSIK – AG F ACHDIDAKTIK P HYSIK – J.R. induktion Seite 3 von 3 GRUPPE 6: SPULEN IM WECHSELSTROMKREIS 6.1 In nebenstehender Schaltung wird bei angelegter Gleichspannung der Schiebewiderstand so eingestellt, dass beide Lämpchen gleich hell leuchten. Was passiert, wenn man nun den Wechselstromkreis schließt? Überlegen Sie zuerst und verifizieren Sie dann Ihre Hypothese experimentell. Wiederholen Sie nun den Versuch mit verschieden Spulen (mit Eisenkern) Erklären Sie das Zustandekommen von Selbstinduktion im Wechselstromkreis. 6.2 Wie kann man mit einer 4,5V-Batterie eine Glimmlampe zünden, die normalerweise erst bei 100V reagiert? – Zeichen Sie hierzu eine geeignete Schaltung! 6V~ g:\d1\expsem\esemufp2\sw11\induktion.docx F AKULTÄT FÜR P HYSIK – AG F ACHDIDAKTIK P HYSIK – J.R.
