a) Bei einem luftgefüllten Plattenkondensator wird die

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a)
Bei einem luftgefüllten Plattenkondensator wird die Ladung Q in Abhängigkeit von der angelegten Spannung U gemessen (siehe Tabelle 1).
U in V
50
100
150
200
Q in nC
19
40
58
80
Tabelle 1
ˆ Ermitteln Sie unter Verwendung aller Messwerte die Kapazität des Plattenkondensa-
tors.
Bei diesem Kondensator wird der Plattenzwischenraum vollständig mit einem Dielektrikum
von εr = 6 ausgefüllt und der Kondensator an eine Spannungsquelle angeschlossen. Die
Spannung am Kondensator beträgt 200 V.
ˆ Geben Sie an, welche Auswirkung das Dielektrikum auf die Kapazität eines Kondensa-
tors hat.
ˆ Bestimmen Sie die im Kondensator gespeicherte Ladung.
Nun trennt man den Kondensator von der Quelle und entfernt anschließend das Dielektrikum.
ˆ Bestimmen Sie die dann am Kondensator anliegende Spannung.
(7P)
b)
In einem Praktikumsversuch stehen drei unbekannte Bauteile zur Verfügung. Diese werden nachein-
Position 1
Position 2
ander in drei Versuchen in die Schaltung gemäß
Abbildung 1 eingebaut. Zum Zeitpunkt 0 s wird
der Schalter in Position 1 gebracht. Der zeitliche
Verlauf der Stromstärke wird jeweils mit einem
Messwerterfassungssystem aufgezeichnet. Es er-
A
geben sich die Schaubilder in den Abbildungen 2a
bis 2c (siehe Arbeitsblatt).
R0
ˆ Geben Sie zu jedem Schaubild ein mögliches
Bauteil an und begründen Sie Ihre Auswahl.
Bei dem Versuchsaufbau wird nun der Widerstand
R0 durch einen Widerstand mit höherem Wert er-
unbekanntes
Bauteil
setzt (siehe Abbildung 1).
ˆ Skizzieren Sie qualitativ die sich dann ergeben-
den Stromstärkeverläufe in den jeweiligen Ab-
Abbildung 1
bildungen auf dem Arbeitsblatt.
(10P)
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c)
In einem weiteren Experiment soll die Kapazität eines Kondensators mithilfe der Schaltung
aus Abbildung 1 bestimmt werden. Der Kondensator wird an der Stelle des unbekannten
Bauteils eingebaut und in Schalterposition 1 geladen. Durch Umlegen des Schalters in Position 2 entlädt sich der Kondensator über den Widerstand.
Zu Beginn des Entladevorgangs beträgt die Spannung am Kondensator 2,0 V.
Laut Herstellerangaben hat der Widerstand den Wert 270 kΩ mit einer Toleranz von 10 %.
Der zeitliche Verlauf der Stromstärke ist in Abbildung 3 dargestellt (siehe Arbeitsblatt).
ˆ Zeigen Sie unter Verwendung der Abbildung 3 des Arbeitsblatts, dass der Widerstands-
wert den Herstellerangaben entspricht.
Die Entladestromstärke (t) des Kondensators wird durch die folgende Differenzialgleichung
beschrieben:
̇(t) = −
1
R·C
· (t)
ˆ Bestimmen Sie zu einem von Ihnen gewählten Zeitpunkt t1 aus der Abbildung 3 die
Werte von (t1 ) und ̇(t1 ) sowie die Kapazität des Kondensators.
(7P)
d)
Der Nobelpreisträger Richard Feynman schreibt zu Doppelspaltexperimenten mit einzelnen
Elektronen:
„Wir haben vorausgesetzt, dass es in unserem experimentellen Aufbau (oder sogar in dem
bestmöglichen) unmöglich sein würde, genau vorherzusagen, was passiert. Wir können nur
die Chance voraussagen! [...]
Wir wissen nicht, wie man vorhersagen könnte, was unter vorgegebenen Umständen passieren würde, und wir glauben heute, dass es unmöglich ist und dass das einzige, was
vorhergesagt werden kann, die Wahrscheinlichkeit verschiedener Ereignisse ist.“
(Feynman, Leighton, Sands: Feynman Vorlesungen über Physik, Band 1, Oldenbourg Verlag, 5. Auflage 2007, Seite 532)
ˆ Erläutern Sie Feynmans Aussage am Beispiel der Interferenz von Elektronen.
ˆ Beurteilen Sie, ob die folgenden Bedingungen erfüllt sein müssen, damit beim Dop-
pelspaltexperiment mit einzelnen Elektronen Interferenzerscheinungen beobachtbar
sind:
– Der Impuls der einzelnen Elektronen muss möglichst gleich sein.
– Die Elektronen müssen mit möglichst großer Spannung beschleunigt worden sein.
– Die Apparatur muss sich im Vakuum befinden.
(6P)
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Arbeitsblatt zu Aufgabe 3
(t)
(t)
(t)
t
t
Abbildung 2a
Abbildung 2b
t
Abbildung 2c
(t) in μA
t in s
10
20
30
40
50
60
70
−1
−2
−3
−4
−5
−6
−7
Abbildung 3
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