Gruppe 1: Reihenschaltung Gruppe 2
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D IDAKTIK DER P HYSIK EXPERIMENTELLES SEMINAR II FÜR LA SEMESTERWOCHE 10 MIT UNTERRICHTSFACH PHYSIK (RS, HS, GS) THEMA: REIHEN- UND PARALLELSCHALTUNG Gruppe 1: Reihenschaltung 1.1 Bauen Sie nebenstehende Schaltung auf und stellen Sie die Spannung so ein, dass das Lämpchen leuchtet! (Wenn ein Lämpchen mit den angegebenen Daten nicht zur Verfügung steht, verwenden Sie eines mit vergleichbarem el. Widerstand!) Dunkeln Sie dann den Fotowiderstand mehr und mehr ab und beobachten Sie die Spannungsanzeige! Erklären Sie das Meßergebnis! Formulieren Sie für die Reihenschaltung den Zusammenhang zwischen den Widerständen und den daran anliegenden Spannungen in Worten und in mathematischer Kurzschreibung! 1.2 Betreiben Sie ein Lämpchen (12V / 0,1A) bei voller Leistung. Schalten Sie nun ohne die Spannung zu verändern eine zweite, baugleiche Lampe in Reihe! Wie hell werden die beiden Lampen jetzt im Vergleich zu vorher leuchten? Begründen Sie Ihre Voraussage und überprüfen Sie diese experimentell! 1.3 Ein Lämpchen mit den Kenndaten 6V / 0,3A soll betrieben werden. Es steht aber nur eine Spannungsquelle mit einer Spannung von 12 V zur Verfügung. Betreiben Sie das Lämpchen mit einem geeigneten Vorwiderstand und berechnen Sie den Wirkungsgrad dieser Schaltung! Gruppe 2: Spannungsteiler 2.1 Demonstrieren Sie in geeigneten Versuchen, warum Lampen und Geräte im Haushalt parallel geschaltet sein müssen! 2.2 Demonstrieren Sie – zuerst mit Hilfe eines Drahtes und dann mit einem Schiebewiderstand – das Prinzip der Spannungsteilung! 2.3 Ein Lämpchen mit den Kenndaten 6V / 0,3A soll betrieben werden. Es steht aber nur eine Stromquelle mit einer Spannung von 12 V zur Verfügung. Lösen Sie das „Lämpchenproblem“ mit Hilfe einer Spannungsteilerschaltung! Gehen Sie so vor, dass Sie zuerst mit Hilfe eines Spannungsteilers die erforderliche Spannung herstellen und schließen Sie dann das Lämpchen an! Verwenden Sie zur Spannungsteilung einmal einen Schiebewiderstand von 11Ω und dann einen mit 320Ω und erklären Sie die unterschiedlichen Beobachtungen! Welche der beiden Alternativen ist die günstigere und warum? Welche Regel ergibt sich daraus für die Dimensionierung von Spannungsteilerschaltungen! Berechnungen Sie ausgehend von der Regel, dass der Spannungsteilerwiederstand, an dem die Last hängt höchstens ein Zehntel des Lastwiderstandes betragen soll die erforderliche Größe des zweiten Spannungsteilerwiderstandes! 2.4 Ein Gerät mit der Betriebsspannung UG und dem Betriebsstrom IG wird an einem Spannungsteilerwiderstand betrieben, dessen Widerstand gerade ein Zehntel des Gerätewiderstandes betragen soll. Die zur Verfügung stehende Spannung betrage Uo . Berechnen Sie die Werte der Spannungsteilerwiderstände R1 und R2 in Abhängigkeit von den Gerätedaten und der Spannung U0. ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ G:\D1\ExpSem\ESemUFP2\SW10\ESemUFP2-SW10-Reihen- und Parallelschaltung (Grundl).docx Seite 1 von 2 ESemUFP2-SW10-Reihen- und Parallelschaltung (Grundl).docx Gruppe 3: Wagenscheins 3-Lampen-Versuch 3.1 Drei gleiche Lampen werden entsprechend der Abbildung an eine Quelle angeschlossen. Zunächst ist der Schalter offen. Überlegen Sie was passiert wenn der Schalter geschlossen wird. Argumentieren Sie qualitativ! Überprüfen Sie ihre Hypothese durch schließen des Schalters! 3.2 Wie verhalten sich bei geschlossenem Schalter max. 10V - I1 zu I2 - I2 zu I3 - U1 zu U2 - U2 zu U3 Begründen Sie Ihre Ergebnisse ohne schriftliche Rechnung! 3.3 Wie verhalten sich die Stromstärken durch Lämpchen 1 bei offenem und geschlossenem Schalter? (QS=7 Gruppe 4: Innenwiderstand einer Stromquelle 4.1 Messen Sie die Leerlaufspannung einer 9V-Batterie. Betreiben Sie nun ein Lämpchen mit der Batterie und messen Sie dabei die Spannung am Ausgang der Batterie und den Lämpchenstrom! Erklären Sie die Messergebnisse anhand eines Ersatzschaltbildes und bestimmen Sie den Innenwiderstand der Batterie! 4.2 Bereiten Sie eine Präsentation vor (übersichtlichen Tafelanschrieb überlegen!), in der Sie auf zwei verschiedene Arten erklären, wie die Ausgangsspannung einer Stromquelle von der Belastung der Stromquelle abhängt! Gruppe 5: Widerstandsmessbrücke und Dehnungsmessstreifen 5.1 Informieren Sie sich über den Aufbau und die Funktionsweise eines Dehnungsmeßstreifens! 5.2 Messen Sie mit einem Widerstandsmesser den el. Widerstand des auf einen Plexiglasstab aufgeklebten Dehnungsmeßstreifens und messen Sie, in welchem Bereich sich der el. Widerstand des Meßstreifens verändert, wenn der Stab gebogen und damit der Meßstreifen gedehnt wird! 5.3 Bauen Sie aus dem Dehnungsmeßstreifen, zwei 2,2 kOhm-Widerständen und einem Drehpotentiometer (1 kOhm) eine Meßbrückenschaltung (Info siehe unten!) auf, legen Sie eine Gleichspannung von max. 10V an und bringen Sie mit Hilfe des Potentiometers die Meßbrücke zum Abgleich! 5.4 Verbiegen Sie jetzt das Kunststofflineal und stellen Sie die Differenzspannung mit Hilfe eines Zeigerinstruments dar! Wie kann man diese Anordnung als Kraftmesser kalibrieren? Info: WIDERSTANDSMEßBRÜCKE Verhalten sich die Widerstände R1 und R2 so, wie die Widerstände R3 und R4, so tritt keine Ausgangsspannung UA auf. Die Brücke ist abgeglichen. Dies ist unabhängig von einer etwaigen Schwankung von UE der Fall. Überlegen Sie dies, mit Hilfe der Maschenregel! Verändert sich nun der Widerstand R1 um einen Wert dR, dann ergibt sich eine Ausgangsspannung UA, die linear mit dR wächst. Empfehlung für alle: Arbeiten Sie mit den Programmen Telektra und Crocodile Clips und simulieren Sie damit Experimente, wie Sie sie auf diesem Anleitungsblatt finden! ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ UNIVERSITÄ T R EGENSBURG – F ACHDIDAKTIK P HYSIK – J.R. G:\D1\ExpSem\ESemUFP2\SW10\ESemUFP2-SW10-Reihen- und Parallelschaltung (Grundl).docx Seite 2 von 2
