3. Klausur Physik-Leistungskurs Klasse 11 25. 3. 2011

3. Klausur Physik-Leistungskurs Klasse 11
25. 3. 2011
1.
Die Abbildung zeigt in mehreren
Schritten, wie ein Elektroskop aufgeladen
werden könnte. Welche Ladung trägt das
Elektroskop zu Schluss? (1)
a) keine Ladung, der Versuch funktioniert
so nicht.
b) positive Ladung
c) negative Ladung
2. Ein Kondensator wird aufgeladen. Durch Betätigung eines Umschalters zum Zeitpunkt
t = 0 wird er Kondensator über einen Widerstand mit R = 52,2 kΩ entladen und die
Stromstärke zu verschiedenen Zeitpunkten gemessen. Zum Zeitpunkt t = 0 beträgt die
Spannung am Kondensator 180 V. Es ergibt sich folgende Messreihe:
t in s
I in mA
2,0
2,2
4,0
1,4
6,0
0,86
8,0
0,54
10
0,34
12
0,22
14
0,14
16
0,086
18
0,054
a) Geben Sie die Stromstärke zum Zeitpunkt t = 0 an. (2)
b) Beschreiben Sie, wie aus den Messwerten die Größe der Ladung bestimmt werden kann,
die zu Beginn des Vorganges auf den Platten war. (Physikalische Beschreibung, keine
technische Beschreibung!) (3)
c) Ermitteln Sie die Gesamtladung des Kondensators und geben Sie dessen Kapazität an.
(2)
3. Der Zusammenhang zwischen der Kapazität eines Plattenkondensators und dem
Plattenabstand wird untersucht. Zu diesem Zweck wird bei jeder Messung eine Spannung
von 320 V an die Kondensatorplatten angelegt und die Ladung des Kondensators bestimmt.
Zwischen den Platten befindet sich Luft, das Feld zwischen ihnen ist homogen.
Es ergaben sich folgende Messwerte:
Plattenabstand in cm
3,00
3,50
4,00
5,00
6,00
7,00
Ladung in nC
2,97
2,55
2,23
1,78
1,48
1,27
a) Berechnen Sie aus den Messwerten jeweils die Kapazität. (2)
b) Welche Abhängigkeit der Kapazität vom Plattenabstand ist aus den Messwerten zu
erkennen? Begründen Sie Ihre Aussage. (3)
4.
a) Nehmen Sie die I-U-Kennlinie der Glühlampe auf.
Zeichnen Sie die dafür notwendige Schaltung. (4)
Nehmen Sie Messwerte auf und zeichnen Sie die Kennlinie. (4)
b) Bestimmen Sie aus Ihren Messwerten jeweils den Widerstand der Lampe und die
umgesetzte Leistung. (2)
Zeichnen Sie das R-P-Diagramm. (2)
20
0,034
Lösungen
1. b) positive Ladung
Bild1: Das Elektroskop ist neutral, die Anzahl der positiven und negativen Ladungsträger
ist gleich.
Bild2: Durch Influenz werden die Ladungsträger im Elektroskop getrennt, die Elektronen
werden durch Abstoßung nach unten gedrängt, oben herrscht Elektronenmangel.
Bild 3: Durch Berührung fließen die Elektronen ab.
Bild 4: Im unteren Bereich des Elektroskopes ist die Anzahl der positiven und negativen
Ladungsträger wieder gleich: neutral.
Bild 5: Die Elektronen aus dem unteren Bereich fließen in den oberen Bereich. Da durch
die Hand Elektronen entnommen wurden, reicht es nicht aus, das gesamte Elektroskop
neutral zu machen. Das Elektroskop ist positiv geladen.
2. a) Mit I=U/R erhält man einen Anfangsstrom von 3,4 mA.
b) Die Ladung ist das Produkt aus Stromstärke und Zeit. Da sich die Stromstärke
ändert, muss die Fläche unter der Kurve berechnet werden. Dazu kann man den
grafischen Taschenrechner zu Hilfe nehmen. Es lässt sich die Kurve auch zeichnen
und die Fläche auszählen.
c) Q = 14,84 * 10-3 C.
Mit C = Q/U erhält man als Kapazität C = 82 µF.
3. a) Aus der Gleichung für die Kapazität eines Kondensators kann für jeden
Messwert die Kapazität berechnet werden. Für den ersten Wert sieht das so aus:
Q
U
2,97 ⋅10 −9 C
C=
320V
C = 9,28 ⋅10 −12 F
C=
C = 9,28pF
Plattenabstand in
cm
Ladung in nC
Kapazität in pF
3,00
3,50
4,00
5,00
6,00
7,00
2,97
9,28
2,55
7,97
2,23
6,97
1,78
5,56
1,48
4,63
1,27
3,97
b) Wie zu erkennen ist, nimmt die Kapazität mit wachsendem Plattenabstand ab. Zur
Bestimmung des genauen Zusammenhanges kann ein Diagramm gezeichnet
werden. Man kann aber auch erst mal schauen, ob sich der Zusammenhang nicht so
erkennen lässt. Der Plattenabstand wird z.B. von 3,50 cm auf 7,00 cm vergrößert.
Dabei sinkt die Kapazität von etwa 8 pF auf etwa 4 pF. Der Abstand wird verdoppelt
und die Kapazität halbiert sich dadurch. Das sieht nach einer indirekten
Proportionalität aus.
Das kann man leicht prüfen, in dem man die Produkte der beiden Größen für alle
Messungen berechnet.
Plattenabstand in
3,00
3,50
4,00
5,00
6,00
7,00
cm
Kapazität in pF
9,28
7,97
6,97
5,56
4,63
3,97
d ⋅ Cin pF ⋅ C
27,8
27,9
27,9
27,8
27,8
27,8
Das Produkt ist für alle Messungen annähernd gleich, also liegt zwischen dem
Plattenabstand und der Kapazität eine indirekte Proportionalität vor.
3. Schaltung
Die Diagramme sind Beispiele und können
und den Werten abweichen. Die Tendenzen
sollten aber erkennbar sein.
I in mA
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
1
2
3
4
5
6
U in V
60
50
P in mW
40
30
20
10
0
0
50
100
150
200
250
R in Ohm
300
350
400
450
500