physik - SchulLV

Baden-Württemberg | Abitur
P HYSIK
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Dein Lernverzeichnis
◮ Abitur 2011 | Aufgabe 3
Aufgabenblatt
Der vereinfachte Aufbau eines Teilchenbeschleunigers ist auf Blatt 3 in Abbildung 1 maßstäblich
dargestellt. In den Bereichen I und III befindet sich ein homogenes Magnetfeld. Die magnetische
Flussdichte ist in den beiden Bereichen gleich gerichtet und hat jeweils den Betrag 524 mT. Im Bereich II befindet sich ein homogenes elektrisches Feld, dessen elektrische Feldstärke den Wert 524
kVm−1 hat. Die Richtung der elektrischen Feldstärke kann entweder in positive oder negative xRichtung zeigen.
Zum Zeitpunkt 0 s werden Protonen am Punkt P(0|2) mit vernachlässigbarer Anfangsgeschwindigkeit in den Teilchenbeschleuniger eingebracht. Die Protonen verlassen den Beschleuniger im Punkt
Q und werden dann mit einem Detektor nachgewiesen. Die gesamte Anordnung befindet sich im
Vakuum.
a)
Zunächst bewegen sich die Protonen durch den Bereich II vom Punkt P zum Punkt A(1|2) und
durchlaufen anschließend das Magnetfeld im Bereich III (siehe Abb.1).
(9VP)
• Geben Sie die Richtung der elektrischen Feldstärke an und berechnen Sie den Betrag der
Kraft auf die Protonen im Bereich II.
• Zeigen Sie, dass die Protonen im Punkt A eine Geschwindigkeit von 1,00·106 s−1 besitzen.
• Geben Sie die Richtung der magnetischen Flussdichte an.
• Bestätigen Sie rechnerisch den dargestellten Bahnradius.
• Vergleichen Sie die Wirkung der Kräfte auf die Protonen in den Bereichen II und III.
b)
Damit die Protonen von P bis zum Detektor gelangen, muss die Richtung der elektrischen
Feldstärke im Bereich II regelmäßig passend geändert werden.
Die Abbildung 2 auf Blatt 3 zeigt das Zeit-Geschwindigkeits-Diagramm der Bewegung der
(12VP)
Protonen von P bis zum Detektor.
• Geben Sie in Abbildung 2 auf Blatt 3 zu den einzelnen Abschnitten des Graphen jeweils
an, in welchem der drei Bereiche I, II oder III sich die Protonen gerade aufhalten.
• Skizzieren Sie auf Blatt 3 in Abbildung 1 den weiteren Verlauf der Bahn der Protonen von
P bis zum Detektor.
• Äußern Sie mithilfe von Abbildung 2 eine Vermutung über die jeweilige Verweildauer in
den Bereichen I und III und bestätigen Sie diese rechnerisch.
Die Zeitspannen, in denen die Geschwindigkeit zunimmt, werden immer kürzer Die Steigung
des Graphen bleibt jedoch in diesen Abschnitten gleich.
• Erklären Sie diese beiden Aspekte.
Schätzen Sie den insgesamt von den Protonen zurückgelegten Weg von P bis Q ab.
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◮ Abitur 2011 | Aufgabe 3
c)
Aufgabenblatt
In einem neuen Experiment kann in dem in Abbildung 3 markierten rechteckigen Bereich entweder nur ein homogenes magnetisches Feld oder nur ein homogenes elektrisches Feld er-
(9VP)
zeugt werden. Elektronen treten im Punkt (0|10) mit der Geschwindigkeit 2,00·107 ms−1 in xRichtung in den Feldbereich ein. In Abbildung 3 sind für drei Fälle jeweils das x-y-Diagramm
der Bahnkurve und das zugehörige Zeit-Bahngeschwindigkeits-Diagramm für die Bewegung
im Feldbereich abgebildet. Die Bewegung der Elektronen verläuft in allen drei Fällen in der
x-y-Ebene.
• Geben Sie für jeden der drei Fälle an:
– ob ein magnetisches Feld oder ein elektrisches Feld vorhanden ist,
– welchen Betrag und welche Richtung die magnetische Flussdichte bzw. die elektrische Feldstärke haben kann.
Fall 1
Fall 2
y in cm
Fall 3
y in cm
y in cm
20
20
20
15
15
15
10
10
10
5
5
5
x in cm
0
5
x in cm
0
10
v in 107 ms-1
5
10
v in 107 ms-1
x in cm
0
4
4
3
3
3
2
2
2
1
1
1
2,5
5 t in 10-9 s
0
2,5
10
5
10 t in 10-9 s
v in 107 ms-1
4
0
5
5 t in 10-9 s
0
Abb. 3
Lichtgeschwindigkeit im Vakuum: c = 3,00·108 ms−1
Elementarladung: e = 1,60·10−19 C
Elektronenmasse: me = 9,11·10−31 kg
Protonenmasse: mp = 1,67·10−27 kg
Von relativistischen Effekten wird abgesehen.
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y in cm
5
Detektor
Q
4
3
A
2
P
1
0
1
2
3
4
x in cm
-1
-2
I
II
III
Abb 1
v in 106 ms-1
2,50
2,00
1,50
1,00
0,50
0,00
0
100
200
300
t in ns
Abb. 2
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