Abitur 2009 Physik 1. Klausur Hannover, 25.09.2007 © arei

Abitur 2009
© arei
Physik
LK
Thema: Das elektrische Feld
1. Klausur
1. Semester
Hannover, 25.09.2007
Bearbeitungszeit: 90 min
Grundlage: 11 Unterrichtsstunden
Aufgabe 1
Vor dir steht eine positiv geladene Metallkugel. Sie trägt die Ladungsmenge Q + . Mit Hilfe eines Ladungsmessgerätes soll die Ladung der Metallkugel gemessen werden, ohne sie zu verändern.
1.1 Beschreibe und erläutere einen möglichen experimentellen Lösungsweg!
1.2 Ergänze deine Erläuterungen durch geeignete Zeichnungen!
Aufgabe 2
Wir messen in der Mitte zwischen den Platten des großen Kondensators mit Hilfe des elektronischen
Kraftsensors und CASSY die elektrische Kraft Fel , die auf das mit der Ladungsmenge q geladene Metallplättchen wirkt. Der Versuchsaufbau entspricht dem im Unterricht durchgeführten Experiment. Im
Anhang findest du das Material zu drei durchgeführten Versuchsreihen.
2.1 Bestimme für jede Versuchsreihe den funktionalen Zusammenhang zwischen den dargestellten
Größen! Formuliere deine Ergebnisse jeweils als physikalische Gleichung!
2.2 Fasse die drei gefundenen Ergebnisse in einer allgemeinen Formel zusammen!
Aufgabe 3
3.1 Berechne den Ausschlag d einer Probekugel der Masse m = 0, 25 g , die an einem Faden der Länge l =1,5 m
in einem elektrischen Feld der Stärke E = 560
Q = 60 nC trägt!
N
C
hängt, wenn sie die Ladung
3.2 Zeichne zu deiner Lösung eine Planfigur und erläutere deine Überlegungen!
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Material zur Aufgabe 2
Messungen
(1) d = 5 cm, U = 6,8 kV
q in 10 − 9 C
0,3
0,8
1,05
1,30
1,40
1,85
Fel in 10 − 5 N
4,0
11,0
14,0
17,0
18,5
24,5
(2) q = 1, 05 ⋅10 − 9 C , U = 6,8 kV
d in cm
4,0
5
7
10
12
Fel in 10 − 5 N
18,0
14,0
10,1
7,25
6,0
(3) q =1, 05 ⋅10 − 9 C , d = 5 cm
U in kV
3,2
4,4
4,9
5,6
6,3
6,8
Fel in 10 − 5 N
6,5
9,1
10,25
11,75
13,25
14,0
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Bearbeitungszeit: 90 min
Lösungen
Aufgabe 1
Vor dir steht eine positiv geladene Metallkugel. Sie trägt die Ladungsmenge Q + . Mit Hilfe eines Ladungsmessgerätes soll die Ladung der Metallkugel gemessen werden, ohne sie zu verändern.
1.1 Beschreibe und erläutere einen möglichen experimentellen Lösungsweg!
+
Man stellt neben die mit Q geladene Kugel eine el. neutrale (aus Metall). Auf ihr trennen sich aufgrund el. In−
+
fluenz die Ladungen in zwei gleichgroße Ladungsmengen Q und Q . Die negativen Ladungen sind in ihrer
Wirkung durch die positiven Ladungen auf der zu messenden Kugel gebunden (neutralisiert), so dass die da+
zu gestellte Kugel jetzt positiv geladen erscheint mit der Ladungsmenge Q . Über ein Ladungsmessgerät
kann man diese Ladung messen – die Kugel erhält aus der Erde so viele negative Ladungen wie positive auf
der zu messenden Kugel sind.
1.2 Ergänze deine Erläuterungen durch geeignete Zeichnungen!
Q
+
Q
−
Q
+
Q−
Aufgabe 2
Wir messen in der Mitte zwischen den Platten des großen Kondensators mit Hilfe des elektronischen
Kraftsensors und CASSY die elektrische Kraft Fel , die auf das mit der Ladungsmenge q geladene Metallplättchen wirkt. Der Versuchsaufbau entspricht dem im Unterricht durchgeführten Experiment. Im
Anhang findest du das Material zu drei durchgeführten Versuchsreihen.
2.1 Bestimme für jede Versuchsreihe den funktionalen Zusammenhang zwischen den dargestellten
Größen! Formuliere deine Ergebnisse jeweils als physikalische Gleichung!
(1) y = 130971,897 ⋅ x + 2, 0813817 ⋅10−6
N
⇒ Fel = 130971,897 ⋅ q + 0 ( Nullpunktsfehler )
C
(2) y = 7, 4172992 ⋅10−6 ⋅ x − 0,9858505759
1
d
−8
(3) y = 2,1154734 ⋅10 ⋅ x − 1,921286 ⋅10−6
N
⇒ Fel = 2,1154734 ⋅10−8 ⋅U − 0 ( Nullpunktsfehler )
V
⇒ Fel = 7, 4172992 ⋅10−6 ⋅ Nm ⋅
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2.2 Fasse die drei gefundenen Ergebnisse in einer allgemeinen Formel zusammen!
(1) Fel ∼ q
1
d
(3) Fel ∼ U
(2) Fel ∼
⇒ Fel = k ⋅
q ⋅U
d
⇒
Fel
U
= E =k⋅
q
d
Aus allen drei Beziehungen lässt sich k bestimmen:
N U 6,8 ⋅103V
N
zu (1) E = 130971,897 ;
=
≈ 136000
⇒ k = 1.
−2
C
d
C
5 ⋅10 m
−6 N
zu (2) a = 7, 4172992 ⋅10
; q ⋅U = 1, 05 ⋅10−9 C ⋅ 6,8 ⋅103V ≈ 7,14 ⋅10−6 V ⋅ C ⇒ k = 1.
m
q 1, 05 ⋅10−9 C
C
−8 N
;
zu (3) a = 2,1154734 ⋅10
=
≈ 2,1⋅10−8
⇒ k = 1.
−2
V
d
m
5 ⋅10 m
Aufgabe 3
3.1 Berechne den Ausschlag d einer Probekugel der Masse m = 0, 25 g , die an einem Faden der Länge l =1,5 m
in einem elektrischen Feld der Stärke E = 560
Q = 60 nC trägt!
N
C
hängt, wenn sie die Ladung
siehe Planfigur in 3.2
d
⇒ d = l ⋅ sin(α ).
l
An der Masse m zieht die Gewichtskraft G = m ⋅ g nach unten und die elektrische Kraft Fel = Q ⋅ E nach rechts.
Im Dreieck ABC gilt: sin(α ) =
Im Kräfteparallelogramm kommt
α
als Stufenwinkel wieder vor, F el und G stehen senkrecht aufeinander und
F
Q⋅E
Q⋅E
es gilt: tan(α ) = el =
⇒ α = arctan(
).
G m⋅ g
m⋅ g
Also folgt für d: d = 1,5m ⋅ sin(arctan(
60 ⋅10−9 ⋅ 560
)) ≈ 0, 021m.
0, 25 ⋅10−3 ⋅ 9,81
Die Kugel wird also um ca. 2,1 cm ausgelenkt.
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3.2 Zeichne zu deiner Lösung eine Planfigur und erläutere deine Überlegungen!
A
α
E
l
C
d
B
Fel
α
G
m; Q
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