Aufgabe A1
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Hessisches Kultusministerium Landesabitur 2007 Physik Grundkurs Thema und Aufgabenstellung Aufgabe A1 Hinweise für den Prüfling Einlese- und Auswahlzeit (insgesamt): 45 Minuten Bearbeitungszeit (insgesamt): 180 Minuten Auswahlverfahren Es gibt drei Aufgabengruppen A, B und C. Aus jeder Gruppe stehen zwei Vorschläge zur Auswahl, von denen jeweils einer auszuwählen und zu bearbeiten ist. Der jeweils nicht ausgewählte Vorschlag muss am Ende der Einlesezeit der aufsichtsführenden Lehrkraft zurückgegeben werden. Erlaubte Hilfsmittel 1. Wörterbuch zur deutschen Rechtschreibung 2. der im Unterricht verwendete Taschenrechner 3. Formelsammlungen, die alle üblichen Formeln, aber keine Herleitungen oder weitergehende physikalische Erklärungen enthalten Sonstige Hinweise keine In jedem Fall vom Prüfling auszufüllen Name: __________________________________ Vorname: _____________________ Prüferin / Prüfer: __________________________ Datum: _____________ Seite 1 von 3 Hessisches Kultusministerium Physik Grundkurs Landesabitur 2007 Thema und Aufgabenstellung Aufgabe A1 Elektrostatische Felder Eine an ihrer Unterseite positiv geladene Gewitterwolke befindet sich in der Höhe h = 200 m über der Erdoberfläche (vergl. Abb.). Zwischen der Wolke und dem Erdboden, die man beide als geladene Platten (Fläche einer „Platte“ 10 km²) eines luftgefüllten Plattenkondensators auffassen kann, besteht ein elektrisches Feld mit der Feldstärke E = 1,5⋅105 V/m, die so hoch ist, dass eine Entladung durch die Luft (Blitz) unmittelbar bevorsteht. a. Übertragen Sie die Abbildung als Skizze in Ihre Unterlagen. Skizzieren Sie die Ladungsverteilung in der Wolke und dem Erdboden sowie die elektrischen Feldlinien. Beachten Sie dabei auch den metallenen Turm am rechten Bildrand. (4 BE) Der Turm soll für die weiteren Betrachtungen keine Rolle mehr spielen. b. Berechnen Sie die Ladung an der Unterseite der Wolke und geben Sie die Spannung an, die zwischen ihr und dem Boden herrscht. (4 BE) c. Ein kleines kugelförmiges Nebeltröpfchen (ρWasser = 1 g/cm³) mit 1 mm Durchmesser schwebt bei Windstille im Raum zwischen Wolke und Erde, bevor es zu einer Entladung kommt. Berechnen Sie die Ladung, die sich auf dem Tröpfchen befindet. (Der Auftrieb in der Luft ist zu vernachlässigen.) (7 BE) d. Untersuchungen mit Hochgeschwindigkeitskameras haben gezeigt, dass die meisten Blitze aus vielen sehr kurzen Teilentladungen bestehen. Als Beispiel sollen Sie einen Blitz betrachten, dessen gesamte Dauer 0,27 s beträgt und dessen Teilentladungen im Abstand von 0,03 s erfolgen. Die Dauer einer Teilentladung beträgt 20 µs. Berechnen Sie die mittlere Stromstärke, die in dem gesamten Blitz fließen würde, wenn man annimmt, dass er die gesamte Wolke entlädt. Berechnen Sie die mittlere Stromstärke, die in einer Teilentladung fließen würde, wenn man annimmt, dass jede Teilentladung die gleiche Ladungsmenge transportiert. Seite 2 von 3 Hessisches Kultusministerium Physik Grundkurs Landesabitur 2007 Thema und Aufgabenstellung Aufgabe A1 Berechnen Sie die Energiemenge, die in dem elektrischen Feld vor dem Blitz gespeichert war. Ermitteln Sie, auf welchen prozentualen Anteil des Ausgangswertes die zwischen Erde und Wolke gespeicherte Energiemenge nach der Hälfte der Teilentladungen gefallen ist. (9 BE) e. Noch bevor es zu einer Entladung kommt, drückt ein Fallwind die Wolke auf eine niedrigere Höhe herab. Die Ladung der Wolke bleibe dabei konstant. Wie ändern sich qualitativ die elektrische Feldstärke und die Spannung zwischen Wolke und Erde? Wird eine Entladung der Wolke dadurch wahrscheinlicher? Begründen Sie ihre Antworten. (6 BE) Seite 3 von 3
