1 Elektromag(net)ischer Raum

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1 Elektromag(net)ischer Raum
1.1 Schau hin, mach mit
Fertige bei jeder Teilaufgabe eine gut beschriftete Skizze an. Sie sollte entweder ungefähr maßstabsgetreu
sein oder wenigstens Längenangaben enthalten. Beschreibe jeweils ganz knapp deine Beobachtungen und
(getrennt davon) deine Erklärungen.
a) Hänge zwei gleich große Luftballone an Schnüren nebeneinander auf und reibe sie in gleicher Art mit
Wolle oder einem Fleecestoff.
Auf zwei gleichnamig geladene Luftballons wirken
entgegengesetzt gerichtete elektrische Kräfte. Sie sind
umso größer, je größer jeder der beiden Ladungen
und je kleiner der Abstand zwischen den
(Mittelpunkten der) Ballons ist. Der Zwischenwinkel
bzw. der Abstand bei fester Schnurlänge sind aussagekräftig bzgl. der Stärke der Kraft.
b) Stelle dich vor einen Spiegel und halte einen gut aufgeladenen Luftballon
über deine frisch gewaschenen und sehr gut getrockneten Haare.
Der geladene Ballon über dem Kopf zieht einige Haare
an. Die Anziehung zwischen Ballon und Haaren kann daher kommen, dass die Haare zufällig entgegengesetzt zum
Ballon geladen sind. Es kann auch sein, dass sich bewegliche Ladungen auf den Haaren verschieben, die Haarspitzen so entgegengesetzt geladen sind wie der Luftballon
und damit angezogen werden.
Auch die Hände und der Ballon müssen möglichst trocken sein, denn ein
Wasserfilm verhindert eine anhaltende Aufladung.
c) Nimm einen Pinnwandmagneten. Hänge daran möglichst viele Büroklammern untereinander. Gibt es am
Magneten Stellen unterschiedlicher Stärke?
Die Anzahl von (gleichen) Büroklammern, die man untereinander hängen
kann, ist ein Maß für die Stärke der magnetischen
Kraft.
An der Unterseite des Pinnwandmagneten findet man
z. B. zwei Halbkreise mit einem Trennbereich, der
nicht magnetisch ist. In den Halbkreisen weist die Mitte die stärksten magnetischen Kräfte auf. Brücken aus
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Kapitel 1 – Lösungsskizzen
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Büroklammern zwischen den Halbkreisen halten besonders gut.
d) Nimm zwei gleiche Pinnwandmagnete. Füge die beiden Magnete aneinander und verdrehe dann einen
um 90°, 180° und 270°. Was fällt dir auf? Erkläre!
Zuerst „kleben“ beide Magneten deckungsgleich; bei einer Drehung
größer 90° werden sie abgestoßen
und versetzen sich. Bei Drehung um
180° sind sie wieder deckungsgleich.
Zylinderförmige Pinnwandmagnet werden in Halbkreisen oder Sektoren
magnetisiert, weil dann das magnetische Feld besser innerhalb des Materials verläuft und der Magnetismus über lange Zeiträume besser erhalten bleibt.
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1.2 Elektrizität und Magnetismus im Alltag
Im alltäglichen Sprachgebrauch werden gerne Begriffe aus der Elektrizitätslehre verwendet, weil die so
schön „dramatisch“ klingen: „geladen“, „gepolt“, „unter Strom/Spannung“. Finde einige konkrete Beispiele
und stelle eine Beziehung her zwischen der physikalischen Bedeutung und der sprachlichen Absicht.
Einige Beispiele:
„Unser Lehrer ist heute wieder einmal mächtig geladen. Besser Abstand halten,
sonst blitzt es.“
Vergleiche mit einer Gewitterwolke – bei größerem Abstand ist die Gefahr eines
Ladungsausgleichs geringer.
„Da haben wir richtig heftig gestritten und dann hat es gefunkt – es war ein reinigendes Gewitter.“
Fortsetzung von oben – nach einem Gewitter sind die Wolken entladen und damit die Gefahr gebannt.
„He, du stehst ja schlimm unter Spannung, entlade dich erst mal!“
Wenn Ladungen getrennt sind, dann kann man von Spannung sprechen. Beim
Entladen kann noch ein Strom fließen, der natürlich auch etwas anrichten kann.
In Galileo 10/I, Ausgabe 2001, S. 18 findet sich unter dem Titel: „Blitze
altgriechisch“ ein Ausschnitt aus der Komödie „Die Wolken“ von Aristophanes (445 - 380? v. Chr.). Im Verzeichnis Teil D der CD ist der Text in
der Datei „Aristophanes-Text zu Gewitter.doc“ enthalten.
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1.3 Elektrische Ballspiele
Zwischen zwei geladenen Platten hängt an einem isolierenden Faden ein
Tischtennisball mit einer elektrisch leitenden Oberfläche. Beschreibe jeweils, was zu beobachten ist, und begründe deine Aussage.
a) Der Tischtennisball ist erst neutral, wird dann mit der linken Platte in Berührung gebracht und anschließend losgelassen.
Wenn der Tischtennisball die linke Platte berührt,
lädt er sich positiv auf. Deshalb wird er sofort wieder
von der Platte abgestoßen (die Schwerkraft hilft dabei) und von der rechten, negativ geladenen Platte
angezogen. Dort entlädt er sich erst und lädt sich
dann negativ auf – der Effekt von links wiederholt
sich in analoger Weise. Der Ball pendelt hin und her.
b) Der Tischtennisball ist erst neutral, wird dann mit der rechten Platte in Berührung gebracht und anschließend losgelassen.
Optisch passiert genau das gleich wie bei a). Ob die Pendelbewegung mit einer
positiven oder negativen Aufladung beginnt, ändert nichts am folgenden Ablauf: Aufladung, Abstoßung gleichnamiger Ladungen, Anziehung zur ungleichnamigen, gegenüberliegenden Platte, dort Entladung und umgekehrte
Aufladung usw.
c) Der Tischtennisball ist positiv geladen, wird dann mit der rechten Platte in Berührung gebracht und anschließend losgelassen.
Kein Unterschied zu a) oder b): Der Tischtennisball entlädt an der negativen
Platte zuerst seine positive Ladung, lädt sich dann positiv und es geht weiter
wie bei b).
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1.4 Staubiges Feld
Zwischen zwei geladenen Platten befinden sich zwei Staubkörnchen. Das eine Staubkörnchen hat eine doppelt so große Masse wie das andere. Beschreibe für die vorgegebenen Situationen, wie sich die zu
a) Die Staubteilchen sind gleich negativ geladen; beim größeren Teilchen ist die elektrische Kraft so groß
wie die Gewichtskraft.
Beim größeren Staubteilchen ist der Betrag der Gewichtskraft nach unten gleich dem der elektrische Kraft
nach oben. Deshalb kann das größere Teilchen schweben.
Beim kleineren Staubteilchen ist der Betrag der Gewichtskraft nach unten kleiner, der Betrag der elektrische
Kraft nach oben ist gleich dem des größeren teilchens.
Das kleinere Teilchen wird nach oben beschleunigt.
b) Die Staubteilchen sind gleich negativ geladen; beim kleineren Teilchen ist die elektrische Kraft so groß
wie die Gewichtskraft.
Beim kleineren Staubteilchen wirken beide Kräfte nach
unten und deshalb wird es stark nach unten beschleunigt.
Beim größeren Staubteilchen ist der Betrag der Gewichtskraft nach unten größer als der der nach oben
wirkenden elektrischen Kraft. Das größere Teilchen
wird auch nach unten beschleunigt.
Bei den folgenden Aufgaben musst du zuerst eine Kräfteaddition durchführen.
c) Die Staubteilchen sind gleich positiv geladen; die elektrische Kraft ist viel größer als die Gewichtskraft.
Die elektrischen Kräfte wirken hier waagrecht, die Gewichtskräfte senkrecht. Wenn die elektrischen Kräfte viel
größer sind als die Gewichtskräfte, dann kann die senkrechte Bewegung nahezu vernachlässigt werden.
Bei beiden Teilchen sind die elektrischen Kräfte gleich
(Betrag und Richtung), da sie gleich geladen sind (Betrag
und Vorzeichen).
In senkrechter Richtung gelten bei Vernachlässigung von Reibung die Regeln
des freien Falls: Alle Körper werden unabhängig von ihrer Masse gleich beschleunigt.
Beide Bewegungskurven sind gleich.
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Die Bewegungskurven sind keine Parabeln (auch die waagrechte Bewegung
ist beschleunigt), sondern leicht schräg nach unten verlaufende Geraden!
d) Die Staubteilchen sind gleich positiv geladen; die elektrische Kraft ist beim kleineren Teilchen genauso
groß wie die Gewichtskraft.
Die Verhältnisse sind ähnlich wie bei c), allerdings kann
die senkrechte Bewegung nicht vernachlässigt werden.
Bei beiden Teilchen sind die elektrischen Kräfte gleich
(Betrag und Richtung), da sie gleich geladen sind (Betrag und Vorzeichen).
In senkrechter Richtung gelten bei Vernachlässigung
von Reibung die Regeln des freien Falls: Alle Körper werden unabhängig von
ihrer Masse gleich beschleunigt.
Beide Bewegungskurven sind gleich. Es sind abfallende Geraden mit einem
Winkel von 45° gegen die Waagrechte.
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1.5 Elektrische Teilchen im Ph-Hörsaal
Stell dir vor, dass in deinem Ph-Hörsaal ein homogenes elektrisches Feld herrscht: Die Decke ist positiv und
der Boden negativ geladen. Die Gewichtskraft, die auf das Teilchen wirkt, soll dabei berücksichtigt werden.
a) Skizziere und beschreibe präzise die Bewegung eines positiv geladenen Teilchens (Richtung, Beschleunigung), das c in der Mitte des Zimmers ruht, das d sich von der Tafel zur Rückwand bewegt.
c Start aus der Ruhe:
Das Teilchen wird in senkrechter Richtung zum Boden hin beschleunigt.
In waagrechter Richtung findet
keine Bewegung statt.
d Start in Richtung Rückwand:
Das Teilchen fliegt in waagrechter Richtung gebremst durch
die Reibung in Richtung Rückwand.
Es fliegt somit auf einer schrägen Bahn nach unten.
b) Bearbeite a) für ein negativ geladenes Teilchen.
c Start aus der Ruhe:
Wenn die elektrische Kraft
groß genug ist, wird das Teilchen in senkrechter Richtung
nach oben beschleunigt.
d Start in Richtung Rückwand:
Das Teilchen fliegt in waagrechter Richtung gebremst durch
die Reibung in Richtung Rückwand.
Es fliegt somit auf einer schrägen Bahn nach oben.
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c) Betrachte ein positiv geladenes Teilchen, das sich anfangs längs einer Raumdiagonale bewegt.
Das Teilchen wird nach oben hin immer langsamer und kehrt dann nach unten um. Es ergibt sich eine gekrümmte Bahnkurve.
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1.6 Elektroskop
Das abgebildete Ladungsmessgerät (Elektroskop) besteht
aus einem Metallring, an dem davon isoliert eine metallene
Halterung mit einem Zeiger angebracht ist.
a) Erkläre die Funktionsweise und begründe, warum das
Gerät nur die Ladungsmenge, jedoch nicht das Vorzeichen der Ladung anzeigen kann.
Bei Berührung der Metallplatte verteilen
sich die negativen Ladungen über den
Zeiger, seine Metallhalterung, die Metallplatte und die Kugel. Beim Zeiger
und seinem Halter stoßen sich gleichnamige Ladungen gegenseitig ab. Deshalb kommt es zu einem Zeigerausschlag, der umso größer ist, je mehr Ladungen sich verteilt haben. Dabei ist vorausgesetzt, dass der Zeiger ohne Ladung in die senkrechte Nullstellung zurückklappt.
Wenn die Kugel positiv geladen ist, wandern negativ geladenen Elektronen
vom Elektroskop auf die Kugel. Die Elektronen wandern so, dass insgesamt
ein gleichmäßig verteilter Elektronenmangel herrscht und somit alle Teile positiv geladen sind und sich deshalb ebenso der Zeiger vom Halter abstößt.
b) Erkläre, wie du mit dem Gerät trotzdem herausfinden kannst, ob zwei Gegenstände gleichnamig oder
ungleichnamig geladen sind.
Ich berühre das Elektroskop mit dem ersten geladenen Gegenstand. Das Elektroskop schlägt aus. Dann berühre ich das Elektroskop mit dem zweiten
Gegenstand. Vermindert sich der Zeigerausschlag, dann waren beide Gegenstände ungleichnamig geladen. Bei gleichnamigen Ladungen vergrößert sich
der Zeigerausschlag.
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1.7 Man nehme Grieß und Öl*
Grießkörner sind elektrische Isolatoren, die in elektrischen Feldern zu Dipolen werden. Ein Ende ist dann
positiv, das andere negativ geladen. Deshalb kann man mit Grießkörnern, die in Rizinusöl schwimmen, elektrische Feldlinien sichtbar machen.
a) Erkläre mit den Eigenschaften von Grieß, warum sich
im elektrischen Feld Ketten von Grießkörnern bilden.
Beschreibe und erkläre das Feldlinienbild rechts (vgl.
mit S. 8).
In einem elektrischen Feld werden viele Grieskörner zu „Dipolen“. Dann ziehen sich jeweils der Pluspol eines Korns und der Minuspol eines anderen
Korns an. Mit diesem Mechanismus bilden sich zwischen den Ladungen, die
das Feld erzeugen, Ketten aus Grieskörnern.
Es ist in der Aufgabe nicht verlangt, aber
Skizzen machen die Erklärung noch deutli-
+
-
+
-
+
-
cher.
Die beiden folgenden Feldlinienbilder zeigen zwei geladene Platten (Plattenkondensator, hier: oben plus,
unten minus) und das elektrische Feld zwischen einer positiv geladenen „Wolke“ und einem negativ
geladenen „Auto mit Antenne“. Zeichne die Bilder ab und gib den Feldlinien Richtungen.
b) Erkläre mithilfe des elektrischen Feldes von Punktladungen, warum es beim
Plattenkondensator einen homogenen Bereich und „Streufelder“ an den Plattenenden gibt.
In der Mitte der Platten sind die Ladungen gleich verteilt
(homogener Bereich), am Rand liegen sie etwas enger
(Streufeld).
c) Erkläre mithilfe des elektrischen Feldes von Punktladungen, warum im Auto
kein elektrisches Feld vorhanden ist und warum sich an der Autoantenne
sehr viele Linien bündeln.
Innerhalb vom Auto fehlt ein Pluspol. Deshalb können
sich keine Feldlinie und kein Feld ausbilden.
Die Antenne verläuft besonders nahe zu den positiven
Ladungen der Wolke.
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1.8 Elektrische Feldlinien erkunden (Projektmöglichkeit)
Mithilfe von Papierstreifen kannst du elektrische
Feldlinien erkunden. Steche Stecknadeln an mehreren Stellen von unten nach oben durch ein Stück
festen Karton hindurch. Lege die dachförmig gefalteten Papierstreifen (ca. 5 cm lang) so auf die Spitzen
der Nadeln, dass sie sich leicht drehen lassen.
Fertige zu den Teilaufgaben sorgfältige Skizzen der Ergebnisse an.
a) Untersuche das elektrische Feld eines geladenen Luftballons.
Antwort je nach Schüler
b) Bringe verschiedene geladene Gegenstände in die Nähe der Anordnung (z. B. eine Kunststofffolie oder
ein Stück Styropor) und untersuche das elektrische Feld.
Antwort je nach Schüler
Es ist günstig, die Anordnung jeweils zu fotografieren und dann eine vereinfachte, klare Skizze zu fertigen.
Die Qualität der Feldbilder hängt sehr davon ab, dass sich die Papierdächer sehr leicht drehen. Dies ist nach den Erfahrungen der Autoren kaum
für alle Dächer der Anordnung gleich gut zu schaffen, sodass die Ergebnisse nicht den idealisierten Abbildungen in Schulbüchern entsprechen.
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1.9 Ladungen groß und klein
Die kleinste Ladungsmenge ist die Elementarladung e = 1,6 · 10-19 C. Darüber hast du im letzten Schuljahr
einiges erfahren.
Siehe Galileo 8, Seite 122
a) Was bedeutet die Einheit 1 Coulomb? Wie viele Elektronen haben zusammen die Ladung 1 C?
1 C = 1 As, d. h. ein Ampere fließt genau eine Sekunde lang.
1 C : e = 1 C : 1,6 · 10-19 C = 6,25 ⋅ 1018 (Stück)
(6,25 ⋅ 1018 = 1 Mrd. mal 1 Mrd. mal 6,25)
b) Nenne Beispiele aus der Physik oder Chemie, bei denen die Ladungsmengen ± 1 e, ± 2 e bzw. ± 5 e vorkommen.
Wasserstoffatom H: Kernladung +1e; Hüllenladung –1e
Heliumatom He: Kernladung +3e; Hüllenladung –2e
Boratom B: Kernladung +5e; Hüllenladung – 5e
oder (z. B.) Sauerstoffatom mit Kernladung +8e:
Gesamtladung –1e (–2e, –5e) bedeutet: Elektronenüberschuss mit 1 (2, 5)
Elektronen. Gesamtladung +1e (+2e, +5e) bedeutet: Elektronenmangel mit 1
(2, 5) Elektronen.
Möglicherweise können die Schüler hier auf Vorwissen aus der Chemie
zurückgreifen.
c) Somebody walked on dry carpet tiles for a while and now he is charged with Q = +10 nC. How many
electrons are missing?
10 nC : 1e = 10 ⋅ 10-9 C : 1,6 · 10-19 C = 6,25 ⋅ 1010 (Stück) = 62,5 Mrd.
d) Unter einer negativ geladenen Wolke (Q = 25 mC) fliegt ein Luftballon mit 0,7 Billionen überschüssigen
Elektronen. Vergleiche die Ladungsmengen und begründe, warum man den Luftballon als „Probeladung“
bezeichnen darf.
q = 700 000 000 000 ⋅ e = 700 000 000 000 ⋅ 1,6 · 10-19 C = 1,12 ⋅ 10-07 C
Q = 25 mC = 2,5 ⋅ 10-2 C
Q : q ≈ 200 000; deshalb kann der Luftballon als Probeladung gelten, die eine
Kraft verspürt, aber das Feld zwischen Wolke und Boden praktisch nicht verändert.
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1.10 Rauchgasfilter*
Eine Anordnung mit einem negativ geladenen Draht (Sprühelektrode) und einer positiv geladenen Röhre
(Niederschlagselektrode) dient dazu, Rußpartikel aus Rauchgas zu entfernen. Für die Funktionsweise ist ein
starkes elektrisches Feld entscheidend.
a) Zeichne den Längsschnitt durch das Rauchgasfilter
in dein Heft ab. Trage zusätzlich die elektrischen
Feldlinien zwischen der Sprühelektrode und der
Niederschlagselektrode ein. Gib jeweils auch die
Feldrichtung an.
Siehe Skizze.
b) Zeichne nun einen Querschnitt durch das Rauchgasfilter und trage die Feldlinien
ein. Erkläre mithilfe dieses Bildes, dass die elektrischen Kräfte in der Mitte besonders groß sind.
In der Mitte verlaufen die Feldlinien viel „dichter“ als am
Rand. Deshalb sind in der Mitte die Stärke des Feldes und
damit auch die elektrischen Kräfte besonders groß und
wirksam.
c) Erkläre die Funktionsweise des Rauchgasfilters. Nimm dazu an, dass die Sprühelektrode Elektronen
„versprüht“, die von den Rauchteilchen aufgenommen werden und diese laden.
Die Sprühelektrode sorgt dafür, dass die Rauchteilchen negativ geladen werden. Deshalb werden sie von der positiv geladenen Zylinderwand angezogen.
Bei Auftreffen bleiben sie dort „kleben“ und fallen später als Staubansammlungen nach unten, wo sie als Ruß gesammelt und entsorgt werden.
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1.11 Oszilloskop*
Lies zuerst den Text „Das Oszilloskop“ in „Zum Weiterlesen“.
Siehe Schülerbuch S. 17.
Nun kannst du überprüfen, ob du die Funktionsweise verstanden hast:
a) Du erkennst auf dem Schirm einer Braun’schen Röhre einen einzigen Leuchtpunkt. Was bedeutet dies
für die Spannungen an den Ablenkplatten?
Ein einziger Leuchtpunkt bedeutet, dass die Ablenkspannungen in waagrechte und senkrechte Richtung entweder null sind oder einen festen Wert haben.
Spannung
null
positiv zwischen oberer und unterer Platte
positiv zwischen linker und rechter Platte
negativ zwischen oberer und unterer Platte
negativ zwischen linker und rechter Platte
Lage am Bildschirm
Mitte
obere Hälfte
rechte Hälfte
untere Hälfte
linke Hälfte
b) Gib für jedes der Bilder vom Leuchtschirm eines
Oszilloskops die Polung des Plattenpaars zur xAblenkung und y-Ablenkung an. Vergleiche dazu
die Beträge der Spannungen miteinander.
linkes Oszilloskop:
Ux = –1 Einheit
Uy = +4 Einheiten
mittleres Oszilloskop: Ux = +4 Einheiten
Uy = –4 Einheiten
rechtes Oszilloskop:
Uy = –4 Einheiten
Ux = +1 Einheit
c) Warum wird an die x-Ablenkung meistens eine Spannung angelegt, deren zeitlicher Verlauf die Form eines Sägezahns hat? Wie sehen die entsprechenden Oszilloskop-Bilder mit einem Sägezahn aus, wenn
die Ablenkspannung in y-Richtung jeweils wie in Aufgabe b) ist?
Damit „läuft“ der Elektronenstrahl gleichmäßig von links nach rechts und
zeigt die y-Spannung so an, wie sie sich zeitlich verändert.
Bei den Leuchtpunkten von b) entstehen mit einem „Ablenk-Sägezahn“ waagrechte Linien.
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1.12 Praktikum* (Projektmöglichkeit)
Die Einstellungen an den Drehknöpfen eines Oszilloskops geben jeweils an, welchen Wert eine Kästchenbreite auf dem Bildschirm darstellt. In horizontaler Richtung werden dabei die Zeitangaben abgelesen, in
vertikaler Richtung die Spannungsangaben.
a) Gib für folgende Oszilloskop-Bilder die typischen Werte an: Extremwerte der Spannung U, Periodendauer T, Frequenz f. Es
gilt der Zusammenhang: f = 1/T.
Einheit der Frequenz:
[f] = 1/s = 1 Hertz = 1 Hz
Umax = 2,0 Volt;
T = 8 ⋅ 2 ms = 16 ms;
f = 62,5 Hz
mittleres Oszilloskop: Umax = 1,0 Volt;
T = 4 ⋅ 2 ms = 8,0 ms;
f = 125 Hz
rechtes Oszilloskop:
T = 4 ⋅ 0,5 ms = 2,0 ms; f = 500 Hz
linkes Oszilloskop:
Umax = 15 Volt;
b) Mache dich in einem Praktikum mit der Beschreibung des Oszilloskops vertraut. Gehe auf Intensität, Fokussierung, Zeitablenkung, Frequenz und Triggerung ein. Mögliche Untersuchungsthemen sind: Ausgangsspannung eines Funktionsgenerators, Darstellung akustischer Schwingungen mithilfe eines Mikrofons, Qualität der Gleichspannung von Netzgeräten.
Antwort je nach Schüler
Einfache Messaufgaben, wie sie in den Physik-Lehrplänen vorkommen,
reichen aus. Für „Fortgeschrittene“ sind Lissajous-Figuren attraktiv.
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1.13 Magnete „zaubern“ Bilder (Projektmöglichkeit)
Stelle mit nachfolgenden experimentellen Methoden magnetische Feldlinien dar:
a) mit vielen kleinen Magnetnadeln;
Antwort je nach Schüler
b) mit Eisenfeilspänen (sie entstehen beim Feilen
von Eisenstücken), die auf ein Stück Papier über
einen Magneten gestreut werden. Tipp: Du kannst
das Bild anschließend mit Haarspray fixieren und
verhindern, dass die Eisenstückchen rosten.
Antwort je nach Schüler
c) Mit einer magnetisierten Nadel, die in einem Korken steckt und im Wasser schwimmt. Begründe,
warum die Bewegungslinie nur bei sehr kleinen
Geschwindigkeiten mit einer Feldlinie übereinstimmt und warum die Nadel möglichst lang sein
sollte.
Antwort je nach Schüler
Bei allen drei Experimenten ist es günstig, wenn die Lehrkraft bei der Gerätebeschaffung mithilft und dazu die Möglichkeiten der Physik-Sammlung
nutzt.
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1.14 Eiserne Bilder
Die beiden Bilder wurden nach der Methode
von Aufgabe 13 b) hergestellt. Erkläre mit den
Eigenschaften von Eisen, warum sich in einem
magnetischen Feld Ketten von Eisenkörnern
bilden. Beschreibe und erkläre die beiden Feldlinienbilder.
In einem Magnetfeld wird ein Eisenstück zu einem
Magneten mit Nord- und Südpol. Dies passiert mit N S N S N
S
den vielen „Eisenfeilspänen“ eines Eisenpulvers
gleichzeitig. Dann ziehen sich jeweils der Nordpol
eines Korns und der Südpol eines anderen Korns an. Mit diesem Mechanismus
bilden sich, ausgehend von den Polen (Orte stärkster Kraftwirkung), Ketten aus
Eisenkörnern.
Linkes Bild:
Das Eisenpulver macht das Dipolfeld eines Stabmagneten sichtbar. Die Feldlinien verlaufen in Bögen vom Nord- zum Südpol. Links und rechts verlaufen
Feldlinien scheinbar in Unendliche (um sich dort zu schließen).
Rechtes Bild:
Das Eisenpulver macht das homogene Feld und das Streufeld eines Hufeisenmagneten sichtbar. Die Feldlinien verlaufen zwischen den Schenkeln nahezu gerade und in gleichen Abständen. Außen sind Bögen vom Nord- zum Südpol erkennbar.
Es bietet sich an, die Eisenfeilbilder mit den Abbildungen im Schülerbuch
S. 10 zu vergleichen. Darüber hinaus können noch die Parallelen zur Aufgabe 1.7 angesprochen werden.
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1.15 Geheimnisvolle Schaukel (Projektmöglichkeit)
Für diesen Versuch benötigst du zwei sogenannte
Reed-Kontakte aus dem Elektronikfachhandel. Das
sind elektronische Schalter, die durch magnetische
Wirkung geschlossen werden. Mithilfe zweier solcher
Kontakte kannst du eine Schaukel bauen, die nie zu
schwingen aufhört. Die Skizze zeigt dir den prinzipiellen Aufbau einer solchen Schaukel.
a) Beschreibe und erkläre die Funktionsweise der Schaukel.
Der Magnet pendelt unaufhörlich hin und her, im Umkehrpunkt blinkt die
Lampe auf dieser Seite kurz auf. Man könnte an ein Perpetuum mobile denken.
Es handelt sich um zwei getrennte Stromkreise mit jeweils einer Lampe, einem Reed-Kontakt und einem Elektromagneten (Spule). Die Reedschalter
sind so montiert, dass sie bei Annäherung des Magneten schließen. Damit
leuchtet das Lämpchen und es wird der entsprechende Elektromagnet aktiviert, der den Pendelmagnet anzieht und beschleunigt. Wenn der Pendelmagnet über dem Elektromagnet ist, hat der Reed-Kontakt wieder geöffnet.
b) Normalerweise kommt die Schaukel durch Reibung nach einiger Zeit zum Stillstand. Beschreibe den Vorgang unter Verwendung des Energiebegriffs.
Lageenergie wird in Bewegungsenergie gewandelt und umgekehrt. Reibungsverluste werden durch die Beschleunigung mittels des Elektromagnets ausgeglichen.
c) Woher kommt die Energie, die die Reibungsverluste ausgleicht?
Die (erstaunliche) Erhaltung der mechanischen Energie wird durch die elektrische Energie der Batterie gesichert.
d) Baue eine solche Schaukel.
Lampen, Batterie, Reed-Kontakte und Zubehör gibt es im Elektronikfachhandel. Spulen könnte man auch selbst wickeln, wenn man einige Meter dünnen Kupferdraht besorgt.
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Kapitel 1 – Lösungsskizzen
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1.16 Elektrisch oder magnetisch?
a) Beschreibe die Gemeinsamkeiten und Unterschiede von elektrischen und magnetischen Feldern.
Gemeinsamkeiten:
• Kraftwirkung auf Probekörper
• Feldvorstellung
• Es gibt Pole.
• Große Bedeutung in der Natur und der Technik
Unterschiede
• Es gibt unterschiedliche Probekörper. Ladungen beim elektrischen Feld
und bei stromdurchflossenen Leitern bzw. magnetisierbare Stoffe beim
magnetischen Feld.
• Plus- bzw. Minuspol und Nord- bzw. Südpol sind völlig andersartig.
• Elektrische Feldlinien haben Anfang und Ende. Sie beginnen und enden bei
Ladungen. Magnetische Feldlinien sind geschlossen.
• Materialien können auf magnetische Felder reagieren oder magnetisiert
werden. Unabhängig davon können Materialien gute oder schlechte elektrische Leiter sein.
b) Wie kannst du experimentell entscheiden, ob eine Kraftwirkung von einem elektrischen oder magnetischen Feld herrührt?
„Test auf Kraftwirkung“: Wirkt sie nur auf Ladungen oder nur auf Ströme/Magneten oder auf beides?
„Test auf Materialwirkung“: Wirkt sie nur auf elektrisch leitende Materialien
oder magnetisierbare oder auf beide Sorten?
„Test auf Abschirmbarkeit“: Elektrische Felder lassen sich leicht mit metallischen Folien abschirmen, magnetische Felder in der Praxis nicht.
Das Kapitel 1 im Schülerbuch ist mit Bedacht so angelegt, dass von Anfang
an elektrische und magnetische Felder in Abschnitten vergleichend dargestellt werden. Die sichere Wahrnehmung von Gemeinsamkeiten und Unterschieden ist bedeutsam für ein gefestigtes Grundwissen.
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Kapitel 1 – Lösungsskizzen