35493 Physik.qxp

PHYSIK
TELEKOLLEG MULTIMEDIAL
Autor: E. Huber
Arbeitsbogen 1 - 3
ELEK TRIZITÄT SLEHRE
© 2006 by TR-Verlagsunion GmbH, München
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Name
1.
Straße
Ort
Kolleggruppe
Reibt man einen Celluloid-Kamm mit einem Baumwoll-Taschentuch und nähert ihn
dann einigen Papierschnitzeln, so werden diese erst angezogen, nach der Berührung
des Kamms aber abgestoßen.
Erklären Sie diesen Vorgang!
2.
Eine Metallkugel ( r1 = 2,5 cm ) trägt die positive Ladung Q1 = 40 nC . Nähert man
dieser Kugel eine zweite ( r2 = 1,5 cm ) so weit, dass ihre Oberflächen einen Abstand a = 6,0 cm haben, so lässt sich eine Abstoßungskraft F = 1,0 mN messen.
Wie groß und von welcher Art ist die Ladung auf der zweiten Kugel?
3.
In ein homogenes elektrisches Feld werden zwei sich berührende quadratische
Metallplättchen ( Kantenlänge a = 4,0 cm ) senkrecht zur Feldrichtung eingeführt,
im Feld getrennt und herausgenommen. Mit einem Ladungsmessgerät lässt sich auf
den Plättchen eine influenzierte Ladung von je 2,0 nC ermitteln.
Berechnen Sie daraus die Feldstärke des homogenen Feldes!
( ε0 = 8,9 · 10–12 C2/Nm2 )
4.
Auf ein Keramikröhrchen ( Außendurchmesser D = 5,0 mm, εr = 10 ) von
d = 0,10 mm Wandstärke ist außen und innen ein Silberbelag aufgebracht.
Wie groß muss die Länge l des Röhrchens gewählt werden, damit dieser
keramische Kondensator eine Kapazität C = 0,22 nF erhält?
( Die Innenfläche wird gleich groß wie die Außenfläche angenommen,
ε0 = 8,9 · 10–12 C2/Nm2 )
Seite 1
5.
Zwei parallele quadratische Metallplatten ( Kantenlänge a = 20 cm, d1 = 1,0 cm )
werden durch ein Hochspannungsgerät auf eine Spannung U1 = 7,5 kV aufgeladen.
a) Berechnen Sie die in diesem Kondensator gespeicherte Ladung!
( ε0 = 8,9 · 10–12 C2/Nm2 )
b) Das Hochspannungsgerät wird nun abgetrennt und die Platten werden auf
d2 = 3,0 cm auseinander gezogen.
Berechnen Sie die nun zwischen den Platten herrschende Spannung!
6.
In einer Kathodenstrahlröhre sollen Elektronen ( me = 9,1 · 10–31 kg ,
– e = 1,6 · 10–19 C ) auf eine Geschwindigkeit ve = 2,0 · 107 m/s
beschleunigt werden.
Wie groß muss dafür die Anodenspannung eingestellt werden?
Seite 2
PHYSIK
TELEKOLLEG MULTIMEDIAL
Autor: E. Huber
Arbeitsbogen 4 - 6
ELEK TRIZITÄT SLEHRE
© 2006 by TR-Verlagsunion GmbH, München
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Name
1.
Straße
Ort
Kolleggruppe
Erklären Sie in kurzen Worten, warum der spezifische Widerstand
a) von elementaren Metallen mit zunehmender Temperatur ansteigt.
b) von Halbleitern mit zunehmender Temperatur absinkt.
2.
Legt man an die Enden eines Drahtstücks von 10 m Länge und 0,10 mm Durchmesser eine Spannung von 1,5 V , so lässt sich eine Stromstärke von 69 mA messen.
a) Bestimmen Sie aus diesen Messwerten den spezifischen Widerstand des
Drahtmaterials!
b) Misst man wieder bei U = 1,5 V die Stromstärke in einem nur 0,50 m langen
Drahtstück, so erhält man eine Anzeige von 1,2 A . Welchen Rückschluss auf
das Verhalten des spezifischen Widerstands lässt diese Messung zu?
3.
An ein Stromnetz ( U = 230 V ) wird ein Bügeleisen ( P = 1,00 · 103 W )
angeschlossen.
a) Berechnen Sie den Widerstand der Heizwicklung!
b) Wie groß ist die Stromstärke in der Heizwicklung?
c) Das Bügeleisen ist täglich im Durchschnitt 10,0 min eingeschaltet. Wie hoch sind
die Stromarbeitskosten im Jahr? ( 1 a = 360 d ; Arbeitspreis: 0,157 Euro/kWh )
4.
Eine Bohrmaschine nimmt bei Volllast aus dem Stromnetz ( U = 230 V ) einen
Strom der Stärke 4,35 A auf. Dabei wird an den Bohrer eine mechanische
Leistung von 570 W abgegeben.
a) Berechnen Sie den Wirkungsgrad der Maschine!
b) In welche Energieform wird die „verschwundene“ Leistung umgewandelt?
In welchen Teilen der Maschine tritt Ihrer Meinung nach diese unerwünschte
Energieumwandlung überwiegend auf ?
Seite 3
5.
Ein Gleichstrom-Messgerät mit dem Vollausschlag Imax = 10µA und einem Innenwiderstand Ri = 1,0 kΩ soll als Voltmeter und auch als Amperemeter verwendet
werden.
a) Skizzieren Sie eine geeignete Schaltung für ein Voltmeter mit dem Vollausschlag
Umax = 10V !
Welchen Wert hat der erforderliche Zusatzwiderstand?
b) Skizzieren Sie die Schaltung für ein Amperemeter mit dem Vollausschlag
Imax = 50 mA !
Welchen Wert hat diesmal der Zusatzwiderstand?
6.
Die nebenstehende Schaltung weist
zwischen den Klemmen a und b einen
Gesamtwiderstand von 4,7 Ω auf.
a
2,2 Ω
a) Welchen Wert hat der Widerstand Rx ?
b) An den Anschlüssen a und b liegt
eine Spannung U = 6,0 V .
Berechnen Sie die Stromstärke in Rx !
c) Welcher der drei Widerstände nimmt die
größte Leistung auf? Wie groß ist diese
Leistung in diesem Widerstand?
Seite 4
Rx
3,3 Ω
b
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Autor: E. Huber
Arbeitsbogen 7 - 9
ELEK TRIZITÄT SLEHRE
© 2006 by TR-Verlagsunion GmbH, München
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Name
1.
Straße
Ort
Kolleggruppe
Mit einer zylindrischen Luftspule von 10 cm Durchmesser, 50 cm Länge und
2,5 · 102 Windungen soll ein Magnetfeld der Stärke H = 3,5 · 103 A/m erzeugt
werden.
a) Berechnen Sie die dazu erforderliche Spulenstromstärke!
b) An die obige Spule wird eine zweite mit 11 cm Durchmesser – aber sonst
baugleich – mit gleicher Achse angefügt. Die Spulen werden so hintereinandergeschaltet, dass sie vom gleichen Strom wie oben im gleichen Umlaufsinn
durchflossen werden.
Wie groß ist nun die Feldstärke in den Spulen?
c) Die zweite Spule wird nun bei gleicher Reihenschaltung wie vorher über die
erste geschoben.
Wie groß ist nun die Feldstärke in dieser zweilagigen Spule?
Begründen Sie jeweils Ihre Meinung!
2.
Durch die Achse der in Aufgabe 1a) gegebenen Spule verläuft senkrecht ein Draht, der
in Reihe zu der Spulenwicklung geschaltet
ist.
a) Welche Stärke muss der Strom durch
diese Reihenschaltung haben, damit auf
das Drahtstück in der Spule eine Kraft
von 0,5 mN wirkt?
b) In welche Richtung wirkt diese Kraft?
(Zeichnen Sie die Richtung in die
Skizze ein!)
c) Ändert sich die Kraftrichtung, wenn man die Stromrichtung umpolt?
Begründen Sie Ihre Antwort.
( µ0 = 4π · 10–7 Tm/A )
Seite 5
3.
In einer Spule mit 1,00 · 103 Windungen und 10,0 cm Länge soll mit einem
Gleichstrom von 200 mA Stärke eine magnetische Flussdichte von 0,251 T
erzeugt werden.
a) Kann diese Flussdichte mit einer Luftspule erreicht werden?
b) Falls ein Eisenkern erforderlich ist, berechnen Sie seine Permeabilitätszahl!
4.
Um die Geschwindigkeit der Leitungselektronen in einem Kupferblech zu
ermitteln, bringt man einen Streifen von
5,0 cm Breite und 10 cm Länge parallel
zu den Spulenebenen in das homogene
Feld eines Helmholtz-Spulenpaars mit
5,0 · 102 Windungen und 30 cm Durchmesser, das von einem Strom mit 10 A
Stärke durchflossen wird.
Zwischen der oberen und der unteren
Kante des Kupferstreifens lässt sich eine
Hall-Spannung von 1,5 µV messen.
Wie groß ist demnach die Driftgeschwindigkeit der Leitungselektronen?
5.
a) Berechnen Sie mit den Daten der Aufgabe 4 den magnetischen Fluss im Inneren
des Helmholtz-Spulenpaars!
b) Der Spulenstrom wird nun gleichmäßig in 2,0 s von 10 A auf 0 A verringert.
Wie groß ist die dabei an den Wicklungsenden des Spulenpaars entstehende
Induktionsspannung?
c) Wie schnell muss der Kupferstreifen von Aufgabe 4 parallel zu seiner Schmalseite durch das Feld des Helmholtz-Spulenpaars bewegt werden ( bei I = 10 A ),
damit in ihm eine gleich große Induktionsspannung erzeugt wird, wie in den
Spulen in Aufgabe 5b) ?
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Autor: E. Huber
Arbeitsbogen 10 - 13
SC HWIN GUN GSLEHRE
© 2006 by TR-Verlagsunion GmbH, München
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1.
Straße
Ort
Kolleggruppe
Eine zylindrische Spule mit dem Durchmesser
d = 6,0 cm und der Windungszahl N = 1,0 · 103
rotiert mit einer Drehzahl n = 3,6 · 103 U/min
um die aus der Grafik ersichtliche Achse, die
senkrecht zu einem homogenen Magnetfeld der
Stärke H = 1,0 · 103 A/m verläuft.
a) Wie groß ist der Scheitelwert U0 der
induzierten Spannung?
b) Geben Sie die Funktionsgleichung U = f(t)
der Induktionsspannung an!
c) Wie groß ist der Betrag des Momentanwertes der Induktionsspannung 2,0 ms
nach einem Nulldurchgang?
2.
Um die Dielektrizitätszahl εr einer isolierenden Flüssigkeit zu ermitteln,
taucht man zwei parallele rechteckige Metallplatten mit den Maßen a = 10 cm
und b = 15 cm und einem Abstand d = 5,0 mm vollständig in die Flüssigkeit.
Beim Anschluss einer Hochfrequenzspannung ( Ueff = 10 V, f = 1,0 MHz ) fließt
ein Blindstrom Ieff = 1,4 · 102 mA .
a) Berechnen Sie die Dielektrizitätszahl εr der Flüssigkeit!
b) Wie groß ist die Stromstärke ohne Flüssigkeit? ( ε0 = 8,9 · 10–12 C2/Nm2 )
3.
Auf einem zylindrischen Kunststoffkern ( µr = 1,0 ) soll eine Spule mit 6,0 mm
Durchmesser und 30 mm Länge gewickelt werden, die bei f = 1,0 MHz den
gleichen Betrag des Blindwiderstands aufweist, wie der Kondensator in Aufgabe 3a).
Berechnen Sie die erforderliche Windungszahl! ( µ0 = 4π · 10–7 Tm/A )
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4.
An einer Feder ( D = 15,8 N/m ) hängt ein Stabmagnet ( m = 100 g ), der um
5,0 cm nach oben aus seiner Ruhelage ausgelenkt und dann freigegeben wird.
a) Geben Sie die Gleichung an, durch die die anschließende Bewegung des
Magneten beschrieben wird. Setzen Sie dazu die Werte in die Funktionsgleichung ein.
b) Wie groß ist die maximale Geschwindigkeit des Magneten?
5.
Der Magnet taucht in eine Luftspule, die in Reihe zu
einer Spule mit Eisenkern geschaltet ist (Gesamtinduktivität der beiden Spulen L = 500 H )
a) Den Spulen wird ein Kondensator parallelgeschaltet. Wie groß muss seine Kapazität gewählt werden,
damit in diesem Schwingkreis Resonanzschwingungen entstehen?
L = L 1 + L2
D
L1
m
C
L2
b) Am Kondensator lässt sich eine Scheitelspannung
Umax = 1 mV messen.
Wie groß ist die in den Spulen maximal entstehende Feldenergie?
c) Wie groß ist die Scheitelstromstärke Imax in den Spulen?
6.
Die nebenstehend gezeichnete Verstärkerschaltung soll so umgebaut werden,
dass am Schwingkreis eine ungedämpfte
Sinusschwingung entsteht.
0,1 µF
a) Ergänzen Sie die Schaltung
durch geeignete Bauelemente.
b) Wie groß ist die Frequenz der
Sinusschwingung?
+ 12 V
0,1 H
100 kΩ
0,1 µF
A
E
FET
100 kΩ
– 12 V
c) Mit welchem weiteren Bauelement können die Schwingungen hörbar gemacht
werden?
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