1. Lernzielkontrolle / Stegreifaufgabe - Mathe-Physik
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Gymnasium 1. Lernzielkontrolle / Stegreifaufgabe Klasse 9 (G8) Magnetisches und elektrisches Feld, elektrische Ladungen 1. Ein Stabmagnet mit Nord- und Südpol wird ungefähr in der Mitte durchtrennt (siehe Abb.). a) Welche Aussagen sind zutreffend ? O Jedes Teilstück hat nur noch einen Pol. O Die magnetische Wirkung ist nicht mehr vorhanden. O Jedes der beiden Teilstücke hat wieder einen Nordpol und einen Südpol. O Die gesamte magnetische Wirkung geht auf das längere Teilstück über; das andere Teilstück ist ohne magnetische Kraft. b) Begründe ausführlich die getroffene Entscheidung. 2. a) Was versteht man unter magnetischer Influenz? b) Gib zwei Methoden an, um einen Permanentmagneten zu entmagnetisieren. Kurze Begründung! 3. a) Was sind magnetische Feldlinien? Wie ist ihre Richtung festgelegt? b) Zeichne das Feldlinienbild eines Hufeisenmagneten. Wie bezeichnet man den Teil des Feldes, der sich zwischen den beiden Polen des Hufeisenmagneten befindet ? c) Was versteht man unter einem Magnetfeld? d) Beschreibe ein homogenes Magnetfeld. Wo tritt es (annähernd) auf? 4. Erstelle eine saubere Zeichnung, die das Feldlinienbild für die beiden ungleichnamigen Ladungen zeigen. Beide Ladungen haben den gleichen Betrag (sind gleich groß). 5. Die beiden Abbildungen zeigen links den Querschnitt eines stromdurchflossenen Leiters und rechts eine kleine positiv geladene Kugel. Welche Art des Magnetfeldes (elektrisch oder magnetisch) entsteht jeweils in der Nähe? Zeichne jeweils die Feldlinien sauber ein. GP_A0160 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0160) 1 (2) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 1. Lernzielkontrolle / Stegreifaufgabe Klasse 9 (G8) 6. a) Ein gerades Leiterstück wird vom Strom durchflossen. Ergänze die Zeichnung durch die Angabe der Stromrichtung (Pfeil) und die Polung der Leiterenden. b) Mit welcher Regel kann die Richtung der Magnetfeldlinien bestimmt werden? Wie lautet diese Regel? 7. Zwei gerade parallele Leiter sind nahe beieinander in der Weise angeordnet, dass beim Schließen eines Schalters durch die beiden Leiter ein Strom in die gleiche Richtung fließt. a) Fertige eine Zeichnung (Schaltplan) an. b) Was kann man beim Schließen des Schalters beobachten? c) Wie kann diese Beobachtung erklärt werden? GP_A0160 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0160) 2 (2) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 1. Lernzielkontrolle / Stegreifaufgabe Klasse 9 (G8) Magnetisches und elektrisches Feld, elektrische Ladungen 1. a) b) c) d) Wie kann man ein magnetisches Feld nachweisen? Wie kann man ein elektrisches Feld nachweisen? Wie kann man Feldlinien eines elektrischen Feldes „sichtbar“ machen? Wie kann man nachweisen, ob ein Körper positiv oder negativ geladen ist? 2. a) Fertige eine saubere Zeichnung an, die das Feldlinienbild zweier positiv geladener Metallkugeln darstellt. Der Ladungsbetrag ist jeweils gleich. b) Die Abbildung rechts zeigt ein elektrisches Feld. Welche Fehler in der Darstellung erkennst du? 3. Zeichne das Feldlinienbild eines Stabmagneten und beschrifte seine Pole. 4. a) Benenne die Teile 1 bis 7 des nebenstehend abgebildeten Elektroskops. b) Wie funktioniert dieses Elektroskop prinzipiell? 5. Ein positiv geladener Plastikstab wird in die Nähe eines ungeladenen Elektroskops gebracht ohne jedoch seinen Kopf zu berühren. Bereits dadurch zeigt das Instrument einen Zeigerausschlag. Erkläre und begründe, was dabei geschehen ist. Welche Ladungsart trägt dabei der Zeiger des Elektroskops? Was passiert, wenn der Plastikstab wieder entfernt wird? GP_A0161 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0161) 1 (1) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 1. Lernzielkontrolle / Stegreifaufgabe Klasse 9 (G8) Magnetisches und elektrisches Feld, elektrische Ladungen 1. a) Was versteht man unter einem elektrischen Feld? b) Begründe, warum sich (nichtleitende) Grießkörner die in Öl schwimmen, in einem starken elektrischen Feld zu Ketten anordnen? Ergänze deine Erklärung durch die Skizze einer solchen Kette. c) Zeichne ein Feldlinienbild für das elektrische Feld in untenstehender Anordnung. 2. Dem Kopf eines negativ geladenen Elektroskops (am Zeiger herrscht Elektronenüberschuss) wird eine positiv geladene Metallkugel genähert, deren Ladung größer ist, als die negative Ladung des Elektroskops. Wie ändert sich der Zeigerausschlag bei Annäherung der Metallkugel? Begründung angeben! 3. Eine Leiterschaukel hängt frei beweglich zwischen den Polen eines Hufeisenmagneten (vgl. Abb.). a) In welche Richtung bewegt sich die Leiterschaukel, wenn der Schalter S geschlossen wird? b) Ergänze die Zeichnung mit einem Pfeil für die Richtung der Leiterbewegung, gib auch die Richtung der Magnetfeldlinien an und trage die technische Stromrichtung ein. Ordne die entsprechenden Größen den Begriffen U…, V…, W… zu. c) Was ist mit UVW gemeint? d) Wovon hängt die Größe der Kraftwirkung auf den stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld ab? GP_A0162 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0162) 1 (2) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 1. Lernzielkontrolle / Stegreifaufgabe Klasse 9 (G8) 4. Um die Bahnen von kleinsten Teilchen zu beobachten, kann eine Nebelkammer eingesetzt werden (hier als Rechteck dargestellt). Ein Magnetfeld durchdringt die ganze Nebelkammer und es steht senkrecht auf dem Rechteckfeld. Drei verschiedene Teilchen A, B und C werden senkrecht zur Magnetfeldrichtung in die Nebelkammer eingeschossen. Zeichne jeweils die auf das Teilchen wirkende Kraft ein und gib seine Ladungsart an. Wie heißt diese Kraft? Kurze Begründung mitliefern! 5. a) Was ist die Lorentz-Kraft? b) Unter welchen Voraussetzungen erfährt ein Teilchen die Lorentz-Kraft? c) Wovon hängt der Betrag der Lorentz-Kraft ab? d) Zeichne die Lorentz-Kraft ein, die auf das untenstehende Elektron wirkt, welches sich in der eingezeichneten Richtung durch das Magnetfeld bewegt. GP_A0162 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0162) 2 (2) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 1. Lernzielkontrolle / Stegreifaufgabe Klasse 9 (G8) Magnetisches und elektrisches Feld, elektrische Ladungen 1. a) Zeichne das Feldlinienbild einer stromdurchflossenen Spule. Wie verlaufen die Feldlinien im Inneren und außerhalb der Spule? b) Gib eine Regel an, mit der die Richtung des Magnetfeldes einer stromdurchflossenen Spule in Abhängigkeit von der Stromrichtung bestimmt werden kann. c) Wovon hängt die Stärke des Magnetfeldes der Spule ab? 2. Skizziere das Feldlinienbild der folgenden Ladungsanordnung.: 3. Positiv und negativ geladene Teilchen werden jeweils in ein homogenes Magnetfeld eingeschossen. Zeichne den weiteren Bahnverlauf und skizziere für jede Ladung an einer beliebigen Stelle im Feld die auf sie wirkende Kraft. Schreibe einen kurzen Begründungstext. Hinweis: Die beiden Teilchen beeinflussen sich gegenseitig nicht. GP_A0163 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0163) 1 (2) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 1. Lernzielkontrolle / Stegreifaufgabe Klasse 9 (G8) 4. Worin besteht der Unterschied zwischen einem elektrischen Feld und den Feldlinien dieses Feldes? 5. Eine negativ geladene Metallkugel hängt an einem dünnen langen Faden nahe einer elektrisch neutralen, ortsfesten Metallplatte. Begründe, warum die Kugel ausgelenkt wird! 6. Ein einfaches Elektroskop ohne Glasgehäuse ist nach außen hin zunächst elektrisch neutral. a) Mit einer Kugel, die eine Ladung von 3,6 1012 trägt, wird der Kopf des Elektroskops berührt. Dabei fließen 40% der Ladungen innerhalb von 0,12 s auf das Elektroskop. e 1,602 10 19 C Berechne die Stromstärke des in diesem Zeitraum geflossenen Stroms. b) Wie kann man mit Hilfe einer negativ geladenen Kugel das Elektroskop positiv aufladen? GP_A0163 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0163) 2 (2) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 1. Lernzielkontrolle / Stegreifaufgabe Klasse 9 (G8) Magnetisches und elektrisches Feld, elektrische Ladungen 1. Die Lorentzkraft wirkt auf ein bewegliches Teilchen im Magnetfeld. Ergänze - wenn möglich - in den Bildern a) bis g) jeweils die fehlende Größe (Bewegungsrichtung, Richtung der Lorentzkraft, Vorzeichen des Ladungsträgers). TIPP: 3 - Finger Gymnastik Hier sind zwei Lösungen möglich! GP_A0164 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0164) 1 (2) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 1. Lernzielkontrolle / Stegreifaufgabe Klasse 9 (G8) 2. Die Lorentzkraft spielt eine wichtige Rolle bei Polarlichtern. Dort bewegen sich Elektronen auf schraubenlinienförmigen Bahnen. Erkläre wie eine solche Bahn entsteht. Eine Skizze ist hilfreich. 3. Im Folgenden ist jeweils die Sicht auf den Bildschirm einer Braun’schen Röhre dargestellt. Die Ablenkung des Elektronenstrahls wird dabei durch waagerecht oder senkrecht angeordnete Magnete erreicht, die von außen an die Elektronenstrahlröhre herangeführt werden. Zeichne die notwendigen Magnete jeweils so ein, dass der abgebildete Leuchtpunkt entsteht. (Hinweis: Wenn keine Ablenkung durch ein Magnetfeld erfolgt, trifft der Leuchtpunkt in Bildschirmmitte auf.) 4. 5. Zwischen zwei parallelen Platten existiert ein homogenes elektrisches Feld. Skizziere die Bewegung von geladenen Teilchen in diesem Feld. Beschreibe die Bahnkurve kurz mit Worten. Zwischen zwei Platten (Abstand 15 cm) liegt die elektrische Spannung 5 V an. a) Welche kinetische Energie erreicht ein einzelnes Elektron, das sich - bei einer Anfangsenergie von 0 eV - von der negativ zur positiv geladenen Platte bewegt? ( e 1,6 10 19 C ) b) Welche Geschwindigkeit erreicht dabei das Elektron am Ende? Masse des Elektrons: me 9,1 10 31 kg . GP_A0164 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0164) 2 (2) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 1. Lernzielkontrolle / Stegreifaufgabe Klasse 9 (G8) Magnetisches und elektrisches Feld, elektrische Ladungen 1. a) Eine negativ geladene Metallkugel wird dem Kopf eines Elektroskops genähert, das ebenfalls negativ geladen ist. Eine Berührung des Elektroskops findet dabei nicht statt. Anschließend wird die Kugel wieder entfernt. Was kann man beim Annähern bzw. beim Entfernen der Metallkugel beobachten? Erkläre in ganzen Sätzen! b) Das Elektroskop wird nun entladen. Dabei fließen 2,3 108 Elektronen innerhalb von 25 ms ab. Berechne die dabei auftretende Stromstärke. 2. a) Skizziere sauber das Feldlinienbild eines elektrischen Feldes zwischen einer Spitze (negativ geladen) und einer Platte (positiv geladen). Worauf sollte bei der Skizze geachtet werden? In welchem Bereich ist das Feld am stärksten? Begründung! 3. a) In Braun’schen Röhren (Elektronenstrahlröhren) sind für die Ablenkung des Elektronenstrahls Systeme eingebaut, die entweder aus Ablenkplatten (elektrisches Feld) oder aus Magnetspulen (magnetisches Feld) bestehen. Im Folgenden ist jeweils die Blickrichtung von außen auf den Leuchtschirm dargestellt. Wie müssen die Ablenkplatten bzw. Magnetspulen angeordnet sein, damit der abgebildete Leuchtpunkt entsteht? Gib eine Kurzbeschreibung! (Hinweis: Wenn keine Ablenkung erfolgt, trifft der Leuchtpunkt in Bildschirmmitte auf.) Ablenkplatten Magnetspulen GP_A0165 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0165) 1 (2) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 1. Lernzielkontrolle / Stegreifaufgabe Klasse 9 (G8) b) Erkläre, was mit dem Leuchtpunkt in der Elektronenstrahlröhre geschieht, wenn (i) die Heizspannung erhöht wird? (ii) die Anodenspannung umgepolt wird? c) Die Elektronen werden in der Braun’schen Röhre durch eine Spannung von 2,8 kV beschleunigt. Berechne die Geschwindigkeit der Elektronen auf ihrem Weg zum Leuchtschirm. (Masse des Elektrons: me 9,1 10 31 kg ; Elementarladung: e 1,6 10 19 C ) 4. Eine kurze Spule ist zwischen den Polen eines Dauermagneten vertikal drehbar gelagert (vergl. Abb. rechts). Was geschieht mit der Spule, wenn durch die Wicklung Gleichstrom fließt ( ) ? Die technische Stromrichtung ist durch Pfeile angegeben. (Kurze) Antwort mit Begründung in ganzen Sätzen! 5. a) Eine Metallkugel besitzt eine negative Ladung von 0,01 C. Um wie viel Elektronen handelt es sich bei diesem Ladungsüberschuss? b) Über einen Bandgenerator werden 2 1015 Elektronen auf einen Metallstab übertragen. Wie groß ist die zusätzliche Ladung des Stabes? c) In einem homogenen elektrischen Feld werden Protonen aus der Ruhe heraus beschleunigt. Die Beschleunigungskraft auf ein Proton beträgt FP 1,6 10 16 N . Wie groß ist die Beschleunigung a der Protonen, wenn die Masse eines Protons m P 1,67 10 27 kg beträgt? GP_A0165 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0165) 2 (2) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 1. Lernzielkontrolle / Stegreifaufgabe Klasse 9 (G8) Magnetisches und elektrisches Feld, elektrische Ladungen 1. a) Was ist ein elektrisches Feld? b) Was zeigen die Feldlinien (mit Pfeilrichtung) eines elektrischen Feldes an? c) Wann heißt ein Feld homogen? d) Bestimme für die Ladungen in den untenstehenden Skizzen jeweils die Richtung der Lorentzkraft und zeichne die Bahnkurven ein. 2. In den folgenden Abbildungen fehlen Beschriftungen. Ergänze die Zeichnungen durch die Angaben der Polung der Stromquelle bzw. des Magnets, wenn die Leiterschaukel wie dargestellt ausgelenkt wird. GP_A0166 **** Lösungen 4 Seiten (GP_L0166) 1 (2) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 1. Lernzielkontrolle / Stegreifaufgabe Klasse 9 (G8) 3. Leiterschleife im Magnetfeld a) In einem Magnetfeld befindet sich eine Leiterschleife. Welche beiden Bedingungen müssen erfüllt sein, damit auf die Leiterschleife eine Kraft wirkt, die zu einer Drehbewegung der Leiterschleife führt? b) Zeichne in beide Abbildungen jeweils die Kräfte auf die Leiterschleife ein, wenn ein Gleichstrom fließt. Gib auch die Drehrichtung der Leiterschleife an. c) Welche der beiden Abbildungen (1) oder (2) stellt den sog. Totpunkt dar? Begründung! d) Umpolen des Stromes führt zu einer kontinuierlichen Drehbewegung der Leiterschleife. Wie wirkt sich das Umpolen auf die Kräfte aus? e) In welcher Stellung muss die Leiterschleife umgepolt werden, damit sie sich kontinuierlich dreht? Zeichne die Leiterschleife in Abb. 3 ein und erkläre kurz deine Skizze. 4. Gleichstrom-Elektromotor a) Ein Elektromotor ist ein Energiewandler Begründe! b) Nenne vier Hauptbestandteile eines einfachen Gleichstrommotors. c) Erkläre die Wirkungsweise dieses Gleichstrommotors anhand nebenstehender Prinzipzeichnung. Was bewirkt der Kommutator? Was würde ohne Kommutator geschehen? 5. Ein Gleichstrommotor ist an einer 12 V - Batterie angeschlossen. a) Durch den Motor fließt ein Strom der Stärke 100 mA. Wie viele Elektronen bewegen sich innerhalb von 10 min. durch den Motor? e 1,602 10 19 C b) Wie groß ist der elektrische Widerstand des Motors? c) Welchen Zweck hat der Kommutator? Kurze Antwort! GP_A0166 **** Lösungen 4 Seiten (GP_L0166) 2 (2) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 1. Lernzielkontrolle / Stegreifaufgabe Klasse 9 (G8) Magnetisches und elektrisches Feld, elektrische Ladungen 1. Beschreibe und skizziere das magnetische Feld in der Umgebung eines geraden stromdurchflossenen Leiters. Zeichne auch eine Kompassnadel, die sich in der Nähe des Leiters an den Feldlinien ausrichtet. Mit welcher Regel ermittelt man die Feldlinienrichtung? 2. Ein gerades Leiterstück wird losgelassen und fällt durch ein homogenes Magnetfeld (siehe nebenstehende Skizze). In welche Richtung bewegen sich die Leitungselektronen? Begründe deine Aussage. 3. Eine stromdurchflossene Leiterschaukel befindet sich jeweils in einem Magnetfeld. a) Zeichne jeweils die Kraftrichtung auf den Leiter ein. GP_A0167 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0167) 1 (3) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 1. Lernzielkontrolle / Stegreifaufgabe Klasse 9 (G8) b) Kennzeichne Nord- und Südpol c) In welche Richtung fließt der Strom? Gib den Plus- und Minuspol an. 4. Ein geladenes Teilchen tritt in ein Magnetfeld ein. Skizziere zwei Möglichkeiten, damit das Teilchen nach oben abgelenkt wird. 5. In der skizzierten Spule fließt ein Strom. Das Magnetfeld im Spuleninneren ist durch Pfeile dargestellt. Beschrifte die Spule mit: Plus- und Minuspol der Anschlüsse, Nord- und Südpol (wie bei einem Stabmagnet), Richtung des Stromflusses (technische Stromrichtung) in den Windungen. GP_A0167 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0167) 2 (3) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 1. Lernzielkontrolle / Stegreifaufgabe Klasse 9 (G8) 6. Der Nordpol einer Kompassnadel wird vor einem Elektromagneten bei Stromfluss in Richtung Spulenachse gedreht. Trage in die Skizze die Stromrichtung der Spule ein (technische Stromrichtung). Begründe deine Angaben. 7. Beim Verschrotten von alten Autos wird ein Elektromagnet zum Heben der Blechteile eingesetzt. a) Aus welchen Bauteilen besteht so ein Elektromagnet? b) Wie kann der Elektromagnet seine Blechteile wieder loslassen? c) Welchen Einfluss hat es für den Betrieb des Elektromagneten, wenn der Strom seine Richtung wechselt? 8. Die nebenstehende Skizze zeigt einen Schnitt durch eine von Gleichstrom durchflossene Spule. Gegeben sind die magnetischen Pole. a) Zeichne das Magnetfeld der Spule und die technische Stromrichtung ein ( bzw. ). b) Wovon hängt die Stärke des Magnetfeldes einer stromdurchflossenen Spule ab? 9. Gib bei folgenden Aussagen an, ob sie richtig „r“ oder ob sie falsch „f“ sind. Ungleichnamige elektrische Ladungen stoßen sich gegenseitig ab. Fliegt ein Elektron parallel zum Magnetfeld, so wirkt keine Lorentz-Kraft auf das Elektron. Schließt man einen Gleichstrommotor an eine 1,5V- Batterie an, so dreht er sich etwa halb so schnell wie bei einer 3V-Batterie. Ändert man bei einem Bandgenerator die Drehrichtung, so lädt er sich entgegengesetzt auf. In einem magnetischen Feld richten sich Magnetnadeln senkrecht zu den Feldlinien aus. In einem elektrischen Feld erfahren positive Probeladungen eine Kraftwirkung in Richtung der Feldlinien. Auf negative Ladungen wirkt die Kraft in die entgegengesetzte Richtung. GP_A0167 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0167) 3 (3) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 1. Lernzielkontrolle / Stegreifaufgabe Klasse 9 (G8) Magnetisches und elektrisches Feld, elektrische Ladungen 1. a) Skizziert sind die Feldlinien eines homogenen elektrischen Feldes E und eines Magnetfeldes B . Ergänze die Skizzen mit dem Plattenpaar einschl. Ladungen bzw. die Spule (mit zwei Windungen) einschl. Stromrichtung. Zeichne den Bahnverlauf des Elektronenstrahls (Geschwindigkeit v ), der in das elektrische Feld bzw. in das Magnetfeld eintritt. Beschreibe die Bahnkurve jeweils kurz mit Worten. b) Beim Durchfliegen des elektrischen Feldes eines Plattenpaares längs dessen Feldlinien hat ein Elektron beim Auftreffen auf einer Platte eine Geschwindigkeit von 1,4 106 m / s . Wie groß ist seine kinetische Energie in eV? Welche Spannung war zwischen den Platten angelegt? me 9,11 10 31... 2. a) Ist eine herkömmliche Glühlampe vom Prinzip her mit einer Vakuumröhre oder einer Braunschen Röhre vergleichbar? b) Was versteht man unter der Elementarladung? Rechne um: Q 80 mC in Anzahl e 3. Eine positiv geladene Kugel nähert sich schnell dem Körper K ohne ihn jedoch zu berühren. Eine geerdete Glimmlampe liegt mit einer Kontaktseite am Körper an. Welche Beobachtung kann man machen? Begründung! 4. Beim Blick auf den Leuchtschirm einer Elektronenstrahlröhre ist ein Leuchtpunkt sichtbar, der aus der Mitte abgelenkt wurde. Um den Elektronenstrahl aus der Mitte nach unten links abzulenken, sind ein oder mehrere Magnete verwendet worden. Welcher der acht vorgegebenen Magnete könnte (jeweils unabhängig voneinander) die Ablenkung verursacht haben? Schreibe die Pole (N oder S) an die jeweils zutreffenden Magnete. GP_A0168 **** Lösungen 4 Seiten (GP_L0168) 1 (2) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 1. Lernzielkontrolle / Stegreifaufgabe Klasse 9 (G8) 5. Elektronenstrahlröhre (Braunsche Röhre, Katodenstrahlröhre) Die folgende Zeichnung zeigt den schematischen Aufbau einer Elektronenstrahlröhre. (Dargestellt ist nur ein Schema von mehreren Möglichkeiten) a) Benenne die Hauptbestandteile 1 bis 7. b) Erkläre anhand der entsprechenden Bauteile, wie der Elektronenstrahl erzeugt wird und an der richtigen Stelle auf den Bildschirm trifft. c) Gib die Polung der Spannungen an den Ablenkplatten, sowie die Polung der Beschleunigungsspannung an, damit der Strahl am Schirm an der Stelle a auftrifft. d) An Stelle des Plattenpaares 2 sollen Magnete verwendet werden. Wie müssen die Pole angeordnet sein, damit die gleiche Ablenkung (zur Stelle a hin) erfolgt? e) Wie kann man den Elektronenstrahl von der Stelle a zur Stelle b führen? f) 6. Gib eine Anwendung der Elektronenstrahlröhre an. Wir verwenden die Braunsche Röhre als Oszilloskop. Erkläre die Entstehung der beiden Bilder am Leuchtschirm. GP_A0168 **** Lösungen 4 Seiten (GP_L0168) 2 (2) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 1. Lernzielkontrolle / Stegreifaufgabe Klasse 9 (G8) Elektromagnetismus, Induktion - Grundlagen Die folgenden Aufgaben sollen einen kleinen Einblick hinter die Kulissen der Induktion geben. Einige Details gehen über den Stoff der 9. Klasse hinaus, dies wird hoffentlich keine bleibenden Schäden hinterlassen! 1. Ein gerades Leiterstück wird in einem örtlich konstanten homogenen Magnetfeld durch eine äußere Kraft bewegt. Die Bewegung v erfolgt senkrecht zu den Magnetfeldlinien (siehe Abb. rechts). Was passiert im Leiterstück? 2. Auf einem U-förmigen Leiterbügel liegt als Leiterbrücke eine gerade Stange (runder Querschnitt). Die Anordnung befindet sich in einem homogenen, örtlich konstanten Magnetfeld, dessen Richtung senkrecht zu Leiterbügel und Leiterbrücke angeordnet ist (siehe Abb. rechts). Nun wird die Leiterbrücke nahezu reibungsfrei auf dem Leiterbügel nach rechts gerollt. Die magnetischen Feldlinien werden dabei senkrecht „geschnitten“. Beschreibe die physikalischen Effekte, wenn sich die Leiterbrücke nach rechts bewegt. 3. Im homogenen Magnetfeld eines Hufeisenmagneten ist ein gerades Leiterstück an zwei Drähten so aufgehängt, dass es frei hinund herschwingen kann wenn man es mit der Hand aus der Ruhelage auslenkt und dann loslässt (siehe Abb. rechts). Beschreibe und begründe mithilfe physikalischer Fachbegriffe die Auswirkungen auf das Leiterstück (Ladung, Polarität, Induktion). GP_A0170 **** Lösungen 5 Seiten (GP_L0170) 1 (2) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 1. Lernzielkontrolle / Stegreifaufgabe Klasse 9 (G8) 4. a) Eine Leiterschleife wird senkrecht zu den Feldlinien durch ein räumlich begrenztes Magnetfeld bewegt (siehe zwei „Momentaufnahmen“ unten). Zeichne jeweils an den entscheidenden Stellen der Leiterschleife den Elektronenüberschuss, den Elektronenmangel sowie die Richtung eines möglichen Induktionsstroms ein b) Nenne drei Möglichkeiten, wie man im obigen Versuch eine besonders große Induktionsspannung erzeugen kann. 5. Eine rechteckige Leiterschleife der Seitenlänge a wird mit konstanter Geschwindigkeit senkrecht durch zwei räumlich begrenzte Magnetfelder gezogen. Beide Felder sind entgegengesetzt gerichtet, aber vom Betrag gleich stark. Zeigt das Messgerät in der gezeichneten Position eine Spannung an? Begründe ausführlich. 6. Durch eine Leiterschleife fließt Strom. Sie wird dadurch mit einer Kraft F in ein Magnetfeld hineingezogen. Ergänze die Zeichnung mit den Angaben zur Kraftrichtung, der technischen Stromrichtung, sowie Plus- und Minuspol. (Die Feldlinien verlaufen senkrecht zur Leiterschleifenebene) GP_A0170 **** Lösungen 5 Seiten (GP_L0170) 2 (2) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 1. Lernzielkontrolle / Stegreifaufgabe Klasse 9 (G8) Elektromagnetismus, Induktion 1. An eine Spule mit Eisenkern (Elektromagnet) wird eine Spannung angelegt. Eine Kompassnadel richtet sich nach dem Magnetfeld der Spule aus. Zeichne die Pole des Elektromagneten sowie die Pole der Spannungsquelle ein. Hinweis: Die dunkle Spitze der Kompassnadel ist der Nordpol. 2. Die Skizze zeigt eine drehbar gelagerte Leiterschleife im Magnetfeld eines Drehspulinstruments. a) In welche Richtung bewegt sich der Zeiger? b) Trage an den Stellen a bis c jeweils dort Kraftpfeile ein, wo Kräfte auf den Leiter wirken. c) Was könnte man ändern, damit der Zeiger in die entgegengesetzte Richtung ausschlägt. 3. Die nebenstehend abgebildete Leiterschleife ist drehbar gelagert. In der gezeichneten Position steht sie parallel zu den Polflächen eines Magneten. Gib für die Leiterstücke a bis d jeweils die Richtung der Kraft an, die an dieser Stelle auf den Leiter wirkt (Kraftpfeile einzeichnen). Entscheide dann, ob und in welche Richtung sich die Leiterschleife dreht. 4. Formuliere das Induktionsgesetz kurz, aber in ganzen Sätzen. GP_A0171 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0171) 1 (2) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 1. Lernzielkontrolle / Stegreifaufgabe Klasse 9 (G8) 5. Ein geschlossener Ring aus Aluminium ist an zwei langen Fäden aufgehängt. Nun wird ein weit entfernter Stabmagnet zügig bis zum Ring geschoben; der Magnet bewegt sich danach nicht mehr. a) Beschreibe ausführlich was geschieht. b) Erkläre die Beobachtung und begründe eine Bewegung des Alu-Rings mithilfe einer zutreffenden physikalischen Regel. c) Trage in die Zeichnung rechts Feldlinien und Stromrichtung für die gezeichnete Position des Alu-Rings ein. d) Was würde passieren, wenn der Ring aus Kupfer anstatt aus Aluminium wäre? e) Der Ring wird an einer Stelle so durchtrennt, dass ein schmaler Spalt entsteht. Obiger Versuch wird nun wiederholt. Beschreibe und erkläre kurz, was bei diesem Versuch beobachtet werden kann. 6. Pendelversuch in Anlehnung an das Waltenhofen-Pendel*: Ein Kupferring wird über eine lange Stange so aufgehängt, dass er frei pendeln kann. Senkrecht zur Pendelebene ist ein starkes, räumlich begrenztes Magnetfeld vorhanden (hier in die Blattebene hinein gerichtet). a) Welches Verhalten des Pendels kann man beim Durchqueren des Magnetfeldes beobachten? Erkläre und begründe das Verhalten des Pendels vom Eintritt bis zum Verlassen des Magnetfeldes Stichwörter: Induktion, Lorentz-Kraft, Lenz’sche Regel, Wirbelstrom b) Was würde passieren, wenn der Ring aus Aluminium anstatt aus Kupfer wäre? c) Nenne zwei technische Anwendungen, bei denen das hier besprochene physikalische Prinzip umgesetzt wird. (*Professor Adalbert von Waltenhofen, 1828 – 1914; österreichischer Physiker) GP_A0171 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0171) 2 (2) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 1. Lernzielkontrolle / Stegreifaufgabe Klasse 9 (G8) Elektromagnetismus, Induktion 1. a) Unter welcher Voraussetzung tritt in einer Spule eine Induktionsspannung auf? b) Wovon hängt die in einer Spule auftretende Induktionsspannung ab? 2. a) Wie lautet die Lenzsche Regel? b) Die Lenzsche Regel stimmt mit dem Energieerhaltungssatz überein. Warum? 3. a) Was sind Wirbelströme und wie entstehen sie im Allgemeinen? Kurze Definition! b) Nenne Beispiele für technische Anwendungen bei denen das Auftreten von Wirbelströmen genutzt wird. c) Wo sind Wirbelströme unerwünscht und durch welche Maßnahmen kann erreicht werden, dass nur geringe Wirbelströme entstehen? 4. Was versteht man unter einer Feldspule, was unter einer Induktionsspule? 5. Dir stehen 5 m isolierter Kupferdraht, ein kleines Lämpchen und ein Stabmagnet zur Verfügung. Wie kannst du damit das Lämpchen kurzzeitig zum Leuchten bringen? Skizziere die Anordnung. 6. Für einen Versuch sind auf einem Weicheisenkern zwei Spulen - Feldspule A und Induktionsspule B - angeordnet (vgl. Skizze). Der Schalter S ist zunächst geschlossen. Spule A ist beweglich, Spule B feststehend. a) Nenne drei Möglichkeiten der Erzeugung einer Induktionsspannung in Spule B. Begründe deine Vorschläge. b) Wie kann in der Induktionsspule B eine möglichst hohe Spannung induziert werden? GP_A0172 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0172) 1 (1) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 1. Lernzielkontrolle / Stegreifaufgabe Klasse 9 (G8) Elektromagnetismus, Induktion 1. a) Auf einem Laborwagen ist eine Spule befestigt. Ihre Wicklungsenden sind miteinander verbunden (sie ist also kurzgeschlossen). Der nahezu reibungsfrei rollende Wagen wird von Hand schnell auf einen ortsfesten Hufeisenmagneten zubewegt und über den freien Schenkel geschoben. Formuliere deine Beobachtungen bei diesem Versuch (mit Begründungen). b) Welche Energieumwandlungen finden während der Annäherung der Spule an den Magneten statt? c) Nachdem sich die Spule über dem Schenkel des Hufeisenmagneten befindet, wird sie (aus der Ruhe) in die entgegengesetzte Richtung bewegt und in ihre alte Position zurück geschoben. Beschreibe und erkläre was dabei passiert. d) Was würde sich ändern, wenn bei den Versuchen in Abschnitt a) und c) jeweils der Schalter S geöffnet wäre? e) Welche Änderungen beim Versuchsaufbau oder der Versuchsdurchführung könnten zu einer höheren Induktionsspannung führen? Gib drei Möglichkeiten an. f) 2. Auf welcher Seite der Spule entsteht beim Annähern der Spule an den Magneten ein Nordpol? Begründung angeben! Auf welcher Seite der Spule entsteht beim Trennen von Spule und Magnet ein Südpol? Begründung angeben! Generatorprinzip (linkes Bild) und elektromotorisches Prinzip (rechtes Bild): In einem Magnetfeld wird durch eine In einem Magnetfeld bewegen sich mechanische äußere Kraft ein Leiter Elektronen eines Leiters infolge einer quer zur Magnetfeldrichtung bewegt. Spannung quer zur Magnetfeldrichtung. Daraus entsteht eine elektr. Spannung. Daraus entsteht eine Bewegung des Leiters! Zeichne jeweils die magnetischen Feldlinien ein und kennzeichne die Richtung des Stromflusses (linkes Bild) bzw. die Bewegungsrichtung des Leiters (rechtes Bild). GP_A0173 **** Lösungen 4 Seiten (GP_L0173) 1 (2) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 1. Lernzielkontrolle / Stegreifaufgabe Klasse 9 (G8) 3. Ein Stabmagnet fällt durch die mit einem Strommessgerät kurzgeschlossene Spule. Kreuze alle richtigen Aussagen an. Durch das Messgerät fließt ein Strom. Durch das Messgerät fließt kein Strom. Der Magnet wird in der Spule abgebremst. Der Magnet wird in der Spule nicht abgebremst. Welche Aussagen über die Stromrichtung und das magnetische Verhalten der Spule beim Durchfallen des Magneten sind richtig? Bei A entsteht an der Spule beim Eintauchen des Magneten ein Südpol. Bei A entsteht an der Spule beim Eintauchen des Magneten ein Nordpol. Beim Eintauchen des Magneten in die Spule fließt Strom von A nach B, beim Verlassen des Magneten von B nach A. Beim Eintauchen des Magneten in die Spule fließt Strom von A nach B, beim Verlassen des Magneten von B nach A. 4. Generator – Spannungserzeugung durch Bewegung Das Bild zeigt den Versuchsaufbau eines Generators. Die Leiterschleife wird durch eine Kraft von außen (als Kurbel angedeutet) zwischen den Polen eines Magneten gleichmäßig um eine Achse im Uhrzeigersinn gedreht. a) Ergänze die Zeichnung durch Feldlinien und die technische Stromrichtung in der Leiterschleife. b) Warum muss beim Drehen der Kurbel mechanische Arbeit verrichtet werden? c) Skizziere die zeitliche Veränderung der Spannung als Graph einer Funktion. d) Erläutere und begründe, in welcher besonderen Stellung der Leiterschleife die induzierte Spannung maximal bzw. null ist (Skizze anfertigen!). GP_A0173 **** Lösungen 4 Seiten (GP_L0173) 2 (2) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 1. Lernzielkontrolle / Stegreifaufgabe Klasse 9 (G8) Elektromagnetismus, Induktion 1. Elektromotor Beschreibe den Aufbau und die Funktionsweise eines Gleichstrommotors. Welchen Zweck hat der Kommutator? Erkläre seine Funktion anhand einer Skizze. 2. Transformator a) Welchen Zweck hat ein Transformator? b) Erkläre die Funktionsweise eines Transformators. Fertige dazu eine beschriftete Skizze zum Aufbau eines Trafos an. c) Was versteht man unter einem unbelasteten, was unter einem belasteten Trafo? d) Die Primärspule mit n P 400 liegt an 230 V Wechselspannung. Berechne jeweils die Sekundärspannung für folgende Sekundärspulen (i) n S 12 000 (ii) n S 30 Gib für jede Variante ein Anwendungsbeispiel. 3. Ein idealer Transformator ist an das Stromnetz (230 V) angeschlossen. Die Primärspule besitzt 1840 Windungen. a) Berechne die Zahl der Windungen auf der Sekundärseite, wenn an diesen Trafo ein 4,0 V-Lämpchen angeschlossen werden soll. b) Berechne die Stromstärke durch dieses Lämpchen, wenn sein Widerstand 40 ist. c) Wie groß ist die Stromstärke auf der Primärseite? 4. a) Die Induktionsspannung in einer Spule ist von verschiedenen Einflussgrößen abhängig. Gib drei dieser Größen an und lege dar, in welcher Weise die Induktionsspannung von den Größen abhängt. b) Für einen Versuch ist eine Spule neben einem Elektromagneten angeordnet. Die Induktionsspule ist beweglich, der Elektromagnet ist feststehend (vgl. Skizze). Welche Möglichkeiten hast du bei diesem Versuch, in der Spule eine Induktionsspannung zu erzeugen? Begründe kurz deine Aussagen. c) In einem weiteren Versuchsaufbau lassen wir durch zwei gleich große, senkrecht aufgestellt Röhren mit jeweils 1m Länge - die eine ist aus Plexiglas, die andere aus Kupfer - einen starken Magneten fallen. Formuliere deine Beobachtungen und nimm dazu Stellung. GP_A0174 **** Lösungen 4 Seiten (GP_L0174) 1 (1) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 1. Lernzielkontrolle / Stegreifaufgabe Klasse 9 (G8) Elektromagnetismus, Induktion 1. Versuch: Auf einem sehr leicht beweglichen Wagen ist ein Stabmagnet mit starkem Magnetfeld montiert. Dicht am Stabmagnet liegt eine Spule mit geschlossenem Stromkreis. Spulenachse und Achse des Magneten fluchten. Formuliere die möglichen Beobachtungen beim raschen Entfernen des Stabmagneten unter Verwendung physikalischer Fachbegriffe und Regeln. Ergänze die Skizze sinnvoll. 2. Welche der vier Elektromotor-Varianten läuft kontinuierlich? Kurze Begründung! 3. Generator und Gleichstrommotor sind einander ähnlich. Vergleiche ihren Aufbau und ihre Funktionsweise anhand einer Tabelle nach folgendem Schema. Übertrage die Tabelle auf dein Arbeitsblatt. Gleichstrommotor Generator Aufbau Ursache Wirkung Energieumwandlung GP_A0175 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0175) 1 (2) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 1. Lernzielkontrolle / Stegreifaufgabe Klasse 9 (G8) 4. a) Der Wirkungsgrad eines Transformators beträgt 96%. Bestimme die Stromstärke im Primärkreis, wenn die Primärspannung 230 V beträgt und der Sekundärseite die Leistung 1,2 kW entnommen wird. b) Der Wirkungsgrad realer Transformatoren liegt unter 100% ( 1). Gib drei mögliche Ursachen für auftretende Energieverluste beim Betrieb eines Transformators an. Welche Maßnahmen können die Energieverluste verringern? c) Wie verändert sich die Sekundärspannung, wenn man den Primärstromkreis an eine Batterie anschließt? Begründung! 5. Ein Trafo (Primärspule 800 Windungen) ist an 230 V Wechselspannung angeschlossen. Die Spannung an der Sekundärspule beträgt 2,5 kV. a) Skizziere einen Schaltplan. b) Berechne die Windungszahl der Sekundärspule. 6. Erkläre kurz die folgenden Begriffe: a) idealer Transformator, b) realer Transformator, c) unbelasteter Transformator, d) belasteter Transformator, e) Hochstromtransformator, f) Hochspannungstransformator, g) Niederspannungstransformator. GP_A0175 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0175) 2 (2) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 1. Lernzielkontrolle / Stegreifaufgabe Klasse 9 (G8) Elektromagnetismus, Induktion 1. Eine Spule enthält einen Weicheisenkern und ist an ein empfindliches Strommessgerät angeschlossen. Welche Beobachtungen kann man am Strommessgerät machen, a) während sich der Hufeisenmagnet mit konstanter Geschwindigkeit der Spule nähert? b) solange der Hufeisenmagnet am Weicheisenkern anliegt? c) Beim Abziehen des Hufeisenmagneten vom Weicheisenkern? Begründe jeweils deine Antworten. 2. Grundversuch zur Selbstinduktion An eine Gleichspannungsquelle sind zwei Glühlämpchen L1 und L 2 parallel geschaltet. In Reihe mit L2 befindet sich eine Spule mit hoher Windungszahl und geschlossenem Eisenkern. In Reihe mit L1 liegt ein regelbarer Widerstand. Der Widerstand wird so eingestellt, dass bei geschlossenem Schalter S beide Lämpchen gleich hell leuchten. Zu Beginn des Versuchs ist der Schalter offen. a) Der Schalter S wird geschlossen. Welche Beobachtungen kann man an den Lämpchen machen? b) Der Schalter S wird geöffnet. Was kannst du an den Lämpchen beobachten? c) Erkläre jeweils deine Beobachtungen. 3. Die Leistung, die ein belasteter Transformator aus der Haushaltssteckdose aufnimmt, beträgt auf der Primärseite 12,0 W. Die Windungszahlen sind n P 600 und n S 40 . a) Berechne die Sekundärspannung U S , wenn die Stromstärke I S 0,85 A und der Wirkungsgrad mit 92% angegeben sind. b) Berechne die Stromstärke IP der Primärseite. c) Wie groß ist die Sekundärspannung U S , wenn der Trafo wieder unbelastet ist? GP_A0176 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0176) 1 (2) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 1. Lernzielkontrolle / Stegreifaufgabe Klasse 9 (G8) 4. Eine Weihnachtsbeleuchtung (Gesamtwiderstand R) wird über einen Transformator an das Haushaltsnetz angeschlossen. Die entsprechenden Daten können nebenstehender Abbildung entnommen werden. a) Berechne die Stromstärke im Primärstromkreis bei einem Wirkungsgrad des Trafos von 90%. b) Berechne die Anzahl der Windungen der Sekundärspule sowie die Leistungsaufnahme des Trafos. 5. Die elektrische Leistung eines Kraftwerks von 75 MW wird über eine Hochspannungsleitung übertragen. Der gesamte Leitungswiderstand ist 8,0 . Die hochtransformierte Spannung in der Leitung beträgt 220 kV. Wie hoch ist der „Verlust“ an elektrischer Energie in % in der Hochspannungsleitung? GP_A0176 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0176) 2 (2) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 1. Lernzielkontrolle / Übungsaufgaben Klasse 9 (G8) Der Transformator 1. Der Transformator eines 230 V - Schweißgerätes hat einen Wirkungsgrad von 96%. Er liefert auf der Sekundärseite bei einer Spannung von 11 V einen Strom der Stärke 240 A. Kann das Schweißgerät an einer mit 16 A abgesicherten Leitung betrieben werden? 2. In einen Transformator (Wirkungsgrad 95%) werden auf der Primärseite 2,8 kW eingespeist. Die Sekundärspannung beträgt 24 V. Welche Stromstärke steht in diesem Fall an der Sekundärseite zur Verfügung? 3. Ein Transformator soll zum Schmelzen eines dünnen Eisennagels eingesetzt werden. Verwendet wird ein Hochstromtransformator mit einer Sekundärwicklung aus massivem, dickem Kupferdraht. Die entsprechenden Daten können der nebenstehenden Zeichnung entnommen werden. a) Berechne die Stromstärke durch den Nagel unter der Annahme, dass der Trafo verlustfrei arbeitet. b) Warum ist der Primärstrom kurz nach dem Einschalten höher als 4,0 A? c) Warum schmilzt nur der Nagel und nicht auch die Spule? d) Berechne die Sekundärstromstärke, wenn der Trafo 15% Leistungsverlust aufweist. e) Der schlaue Max möchte die Primärspule an 460 V Gleichspannung anschließen damit der Nagel schneller schmilzt. Ist diese höhere Spannung der Primärseite gleichbedeutend mit einer proportional höheren Stromstärke der Sekundärseite? 4. Elektrische Energie wird im Allgemeinen über große Entfernungen und ein weitverzweigtes Leitungsnetz vom Erzeuger (Kraftwerk / Elektrizitätswerk) zum Abnehmer (Haushalt) transportiert. Dafür werden u.a. auch Transformatoren eingesetzt. a) Fertige eine prinzipielle Schaltskizze für eine Fernübertragung von elektrischer Energie an (2 Trafos). b) Ein Kraftwerksgenerator gibt seine elektrische Energie über eine Hochspannungsleitung an einen Transformator ab. Die Sekundärleistung des Transformators liegt bei 6 MW, seine Primärspannung beträgt 24 kV. Die Hochspannungsleitung hat einen Gesamtwiderstand von 40 Ω . Der Wirkungsgrad des Transformators soll mit 100% angenommen werden. Berechne den Wirkungsgrad dieser Energieübertragung. GP_A0177 **** Lösungen 10 Seiten (GP_L0177) 1 (4) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 1. Lernzielkontrolle / Übungsaufgaben Klasse 9 (G8) 5. Ein abgelegener Ort in den Bergen ist über eine Hochspannungsleitung an ein kleines Wasserkraftwerk angeschlossen. Im Ort wird aktuell eine Leistung von 24 kW (Netzspannung 230 V) benötigt. An der Hochspannungsleitung vom Kraftwerk liegen 20 kV an, ihr Leitungswiderstand beträgt insgesamt 4,0 Ω . Der Transformator im Ort soll als verlustfrei angenommen werden. a) Zeichne eine Schaltskizze mit den gegebenen Werten. b) Berechne die Stromstärke im Ort (Sekundärseite des Transformators) bei der angegebenen Leistung. c) Berechne die Stromstärke in der Hochspannungsleitung (Primärseite des Transformators). d) Berechne diejenige Leistung, die nur für die Energieübertragung in der Hochspannungsleitung benötigt wird (Energieverlust). e) Um die abgegebene Leistung für den Ort zu erzeugen, müssen im Wasserkraftwerk aus 25 m Höhe pro Sekunde 150 Liter Wasser durch die Turbine fließen. Wie groß ist die Bewegungsenergie an der Turbine? Bestimme den Wirkungsgrad des Wasserkraftwerks. 6. Fred der Bastler möchte drei Lämpchen in Parallelschaltung an einen Transformator anschließen. Zeichne einen Schaltplan für die unten angegebenen Werte. Berechne den Sekundärstrom, den Primärstrom und die elektrische Leistung, die dem Netz entnommen wird für folgende technische Daten: Netzspannung: 230 V; Sekundärspannung 12 V; Trafo-Wirkungsgrad: 85% ; Lämpchen 1: 12 V / 0,40 A ; Lämpchen 2: 12 V / 9,6 W ; Lämpchen 3: 12 V / 40 Ω . 7. Übertragung elektrischer Energie mit einer Fernleitung a) ohne Transformatoren Für einen Stromkreis vom Kraftwerk zum Verbraucher sind folgende Daten bekannt: Elektrischer Widerstand des Verbrauchers R Verbr = 5,0 Ω , Spannung beim Verbraucher U = 230 V , Stromstärke im Stromkreis I = 80 A , Gesamter Leitungswiderstand R Leitung = 60 Ω (1) (2) (3) (4) (5) Zeichne einen Schaltplan. Berechne die Spannung, die das Kraftwerk bereitstellen muss. Berechne die Leistung, die beim Verbraucher anfällt. Berechne den Leistungsverlust am Leiterwiderstand. Welche Schlussfolgerung kann aus den Ergebnissen von (2) und (3) gezogen werden? GP_A0177 **** Lösungen 10 Seiten (GP_L0177) 2 (4) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 1. Lernzielkontrolle / Übungsaufgaben Klasse 9 (G8) b) mit Transformatoren Das Kraftwerk gibt eine Leistung von 3 MW bei einer Primärspannung von 12 kV an den Kraftwerkstransformator ab, der die Spannung auf 220 kV hochtransformiert. Der zweite Transformator ist am Ende der Fernleitung beim Verbraucher aufgestellt. Beide Trafos sollen als verlustfrei angenommen werden. Die weiteren (bekannten) Daten sind: Elektrischer Widerstand des Verbrauchers R Verbr = 5,0 Ω , Spannung beim Verbraucher U Verbr = 230 V , Gesamter Leitungswiderstand R Leitung = 60 Ω (1) Zeichne einen Schaltplan mit zwei Transformatoren. (2) Berechne die Stromstärke in der Fernleitung. (3) Berechne den Leistungsverlust am Leiterwiderstand. 8. Das Walchenseekraftwerk Zwischen Walchen- und Kochelsee wurde in den Jahren 1918 bis 1924 Deutschlands größtes Speicherkraftwerk gebaut. Wasser aus dem Walchensee kann durch sechs Röhren in den 200 m tiefer gelegenen Kochelsee strömen und dabei die potenzielle Energie des Walchenseewassers als mechanische Energie an Turbinen und Generatoren abgeben. Die Gesamtleistung aller 8 Generatoren beträgt maximal 124 MW. Dann strömen pro Sekunde 84 m3 Wasser durch die 8 Turbinen. Die effektive Fallhöhe des Wassers ist 185 m. a) Wie groß ist der Wirkungsgrad des Walchenseekraftwerks? b) Die Generatoren stellen eine Spannung von 6,6 kV zur Verfügung, die auf 110 kV hochtransformiert und ins Netz abgegeben wird. Die Weiterleitung der elektrischen Energie von 124 MW erfolgt über eine etwa 60 km lange Fernleitung (Doppelleitung) nach München. Der Widerstand in jeder Leitung beträgt 6,0 Ω . Berechne die Stromstärke in der Fernleitung. Wie hoch ist der Leistungsverlust in der Leitung? c) Für die 60 km lange Fernleitung wurde Aluminium verwendet. Berechne den Durchmesser der Leitung. Ω ⋅ mm2 ρ = 0,027 m d) Das Walchenseekraftwerk ist für eine elektrische Arbeit von durchschnittlich 300 Mio kWh pro Jahr ausgelegt (bei 124 MW). Wie viele Stunden „arbeitet“ das Kraftwerk im Durchschnitt am Tag? (365 Tage / Jahr) Hinweis: Elektrische Arbeit: W = P ⋅ t Umrechnung: 1kWh = 3600 Ws = 3 600 000 J GP_A0177 **** Lösungen 10 Seiten (GP_L0177) 3 (4) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 1. Lernzielkontrolle / Übungsaufgaben Klasse 9 (G8) 9. a) Von den Generatoren eines Kraftwerks wird die Leistung P1 = 6,5 MW bei einer Spannung von U1 = 12,0 kV an den Umspanntrafo abgegeben. Der Umspanntrafo transformiert die Primärspannung U1 auf die Sekundärspannung U2 = 110 kV hoch. Dabei soll angenommen werden, dass der Transformator verlustfrei arbeitet. Der Leitungswiderstand in der Fernleitung beträgt insgesamt 9,5 Ω . Wie groß ist die in der Fernleitung in Wärme umgesetzte elektrische Leistung? b) Eine bereits bestehende Fernleitung soll zukünftig die doppelte elektrische Leistung übertragen. Hierbei soll die Hochspannung - wie bisher - gleich bleiben. Wie ändert sich in diesem Fall der Leistungsverlust (Wärmeabgabe an die Umgebung) in der Fernleitung? Begründen Sie durch allgemeine Überlegungen. GP_A0177 **** Lösungen 10 Seiten (GP_L0177) 4 (4) www.mathe-physik-aufgaben.de
