Musterabitur_Loesungen_EM-Felder_Relativitaet

–1–
Musterabitur
Bewertungsschlüssel und Korrekturhinweise
Physik
Aufgabe Ph 11 – 1
Aufgabe
1a)
BE
6
Hinweise
Siehe Lehrbuch, Geschwindigkeitsfilter
Die Magnetfeldrichtung ist senkrecht in die Zeichenebene hinein orientiert; die Polung der Platten ist oben positiv und unten negativ.
b)
4
FE = FB → e E = e v B →
E = v B = 6,0 ⋅ 104
c)
7
V
m
Messgrößen sind E (bzw. U und d), B und r.
2
eBr
FB = FZ → e v B= m v → m =
mit v = E/B (ggf. E = U/d)
v
r
d)
5
m rel =
m0
⎛v⎞
1- ⎜ ⎟
⎝c⎠
2
= 1,10m 0 → v = 0, 42c
2a)
3
Die Spulenachse muss parallel zu den Magnetfeldlinien gerichtet sein.
b)
8
Wegen der konstanten Hangabtriebskraft auf der schiefen Ebene handelt
es sich um eine Bewegung mit konstanter Beschleunigung, was zu einer
Geraden im t-v-Diagramm führt.
Während die Spule in das Magnetfeld ein- bzw. austritt, ergibt sich jeweils eine Induktionsspannung, die proportional zur Geschwindigkeit ist.
Deshalb ist beim Ausfahren die induzierte Spannung größer, dauert aber
nur kürzer an. Da einmal der magnetische Fluss in der Spule zunimmt,
das andere Mal abnimmt, haben die Spannungen unterschiedliches Vorzeichen.
c)
5
Nun fließt während des Feldeintritts und -austritts der Spule ein Strom.
Dieser ist nach der Regel von Lenz so gerichtet, dass das entstehende
Magnetfeld der Ursache entgegen wirkt, also die Beschleunigung während dieser Zeitabschnitte abnimmt. Während dieser beiden Zeitabschnitte ist jeweils ein Zeigerausschlag zu erwarten.
3a)
8
Auf der Seite von c bildet sich eine stehende Welle aus, bei der sich Orte
mit Knoten bzw. Bäuchen im Abstand der halben Wellenlänge vor der
Wand abwechseln. Anfangs steht der Sportler genau an einem Ort mit
Knoten und hat keinen Empfang. Wenn er sich etwas weiter weg vom
Zaun entfernt, gelangt er zu einem Bauch mit optimalem Empfang.
d bekommt hinter dem Zaun kein Signal, da der Zaun wegen des leitenden Materials die Welle reflektiert.
–2–
Musterabitur
b)
11
Bewertungsschlüssel und Korrekturhinweise
P liegt auf einer Linie für das 2. Minimum. Das bedeutet, dass der Wegunterschied Δs = 3/2 λ ist.
Aus der Zeichnung:
T2 P = 16,0 m
T1P = 10,4 m
Δs = 5,6 m → λ = 3,7 m → f = c = 8 ⋅ 107 Hz
λ
Besonders guter Empfang herrscht an Orten, wo sich die Wellen konstruktiv überlagern. Diese liegen etwa in der Mitte zwischen den Linien
für die Minima.
c)
3
Summe
60
l=
λ
= 1,9 m
2
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Physik
Aufgabe Ph 11 – 2
Aufgabe
1a)
BE
Hinweise
G
E2
7
1
r
A
r = 10 cm; Q1 = 3, 2 ⋅10−9 As
2
G
E1
| Q 2 |=
Q1
2
Q1
Q2
E2 =
2
4πε 0 r
4πε 0 r 2
G
G
E1 und E 2 sind beide nach rechts gerichtet.
E1 =
E = E1 + E 2 = 4,3
b)
kV
m
7
B
C
1
A
2
c)
3
Aus sehr großer Entfernung sieht das Feld wie das einer einzelnen,
positiven Punktladung mit Q1/2 aus.
d)
6
Welches Beispiel zur Beantwortung herangezogen wird, hängt stark vom
Unterrichtsverlauf ab. Zur Orientierung drei mögliche Lösungen:
Gewitterentstehung:
Durch vertikale Luftströmungen von Wassertröpfchen und leichten Eisoder Staubpartikeln kommt es zur Ladungstrennung innerhalb einer Wol-
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Bewertungsschlüssel und Korrekturhinweise
ke, z. B. oben positiv und unten negativ. Die Erdoberfläche wird durch
Influenz entgegengesetzt zur Wolkenunterseite geladen. Durch die hohe
Feldstärke kommt es zu Entladungen in Form von Blitzen. Dabei weitet
sich ein anfangs sehr dünner Entladungskanal von oben und unten her zu
einem Plasmakanal mit sehr hoher Stromstärke.
Xerographie:
Eine Metalltrommel ist mit einem Halbleiter beschichtet, der bei Beleuchtung leitend wird.
1. Schritt: Die Beschichtung wird im Dunkeln über Sprühentladung bei
hoher Spannung geladen.
2. Schritt: Die Trommel wird über eine Optik je nach Schwärzung der
Vorlage belichtet und dabei werden die hellen Teile entladen.
3. Schritt: Geladene Tonerteilchen werden von den geladenen Trommelteilen angezogen.
4. Schritt: Das aufgedrückte Papier nimmt den Toner auf.
Piezoelektrischer Effekt:
Phänomen: Wenn ein Kristall (z. B. ein Quarz) zusammengedrückt wird,
entsteht zwischen den Druckflächen eine Spannung, die umso größer ist,
je stärker die Kontraktion ist.
Erklärung: Der Kristall ist aus unterschiedlichen Ionen aufgebaut, die
unterschiedlich geladen sind. Bei der Verformung werden die Ionen gegen ihre elektrische Gleichgewichtslage verschoben. Dadurch entsteht in
der Grenzschicht eine Raumladung.
2a)
3
b)
5
C = ε0
Ladung im Kondensator 1 vor dem Umschalten
C=
Q
→ QA = C ⋅ U0 = 20 As
U
EA =
c)
8
A
Cd
→ A=
= 1,1 ⋅ 107 m 2
d
ε0
1
C U 0 2 = 20 J
2
Lange Zeit nach Umlegen des Schalters ist die Ladung QA gleichmäßig
auf beide Kondensatoren verteilt.
Ladung in jedem Kondensator:
QB = QA / 2 = 10 As
Spannung an jedem Kondensator:
UB = QA / C = 1,0 V
Energie in jedem Kondensator:
E1 = E2 = ½ C U²B = 5,0 J
Gesamtenergie:
Eges = E1 + E2 = 10 J = ½ EA
Beim Umladen ist ein Strom durch den Widerstand R geflossen, der hier
die Hälfte der Energie in thermische Energie umsetzt.
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d)
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6
U
I
0
3a)
t
5
1.
0.
1.
Maximum
Die Spurlinien wirken am Auftreffpunkt des Lasers wie ein Beugungsgitter. Es ergibt sich das typische Interferenzmuster.
Man muss den Abstand a zwischen Gitter und Schirm sowie den Abstand
c zwischen dem 0. Maximum und einem 1. Maximum messen. Da man
die Gitterkonstante kennt, kann man die Wellenlänge des Lichts bestimmen.
b)
6
c
α1
a
a = 20 cm; c = 8,6 cm; g = 1,6 · 10-6 m
c
;
Maximum 1. Ordnung: g ⋅ sin α1 = λ
a
→ λ = 6,3 ⋅10−7 m
tan α1 =
c)
4
Summe
60
Die Wellenlänge des grünen Lasers ist kleiner als die des roten. Deshalb
liegen die entsprechenden Maxima beim grünen Laser weiter innen.
Bei der DVD wird die Gitterkonstante g kleiner, und entsprechend rücken
die Punkte für die Maxima wieder nach außen.