Abschnitt 4, 3. Übungsstunde

Übungen Physik, FF2
SS 2017
Abschnitt 4, 3. Übungsstunde
4.3.1. Zwei unbekannte elektrische Ladungen im Abstand r stoßen sich mit der Kraft F ab.
a) Welche Ladungen stoßen sich ab, welche ziehen sich an?
b) Welches Gesetz beschreibt die Kraft zwischen zwei elektrischen Ladungen und wie lautet es?
c) Um welchen Faktor ändert sich die Kraft F, wenn man . . .
. . . eine der beiden Ladungen halbiert?
. . . eine der Ladungen halbiert und den Abstand verdreifacht?
. . . beide Ladungen halbiert und den Abstand verdoppelt?
4.3.2. Um eine Vorstellung von der Größe der Ladungseinheit 1 Coulomb (C) zu bekommen, berechnen Sie die
Kraft FC , mit der sich zwei Kugeln mit der Ladung von je 1 C in einer Entfernung von 100 m anziehen
bzw. abstoßen!
Wie groß muß eine Masse m gewählt werden, damit sie mit derselben Kraft Fg = FC von der Erde angezogen wird?
4.3.3. Berechnen Sie die Gravitationskraft und die Coulombkraft zwischen dem Proton und dem Elektron im
Wasserstoffatom, wenn deren Abstand 5, 3 · 10−11 m beträgt. In welchem Verhältnis stehen die beiden
Kräfte?
4.3.4. Eine negativ geladene Kugel (Masse m = 2 g) rotiert auf einem Kreis (r = 2 m) um
eine gleich große positive Ladung, die im Mittelpunkt fixiert ist, mit der Umlaufzeit
T = 2 s. Wir vernachlässigen die Gravitationskräfte.
a) Welche Kräfte wirken auf die rotierende negative Ladung?
b) Bestimmen Sie die Größe der elektrischen Ladung Q!
4.3.5.
a) Sind die folgenden Aussagen richtig oder falsch? Korrigieren Sie falsche Aussagen!
i)
ii)
iii)
iv)
Das elektrische Feld einer Punktladung zeigt immer von der Ladung weg.
Elektrische Feldlinien, die von einer Ladung stammen, schneiden sich nie.
Ungleichnamige elektrische Ladungen stoßen sich gegenseitig ab.
Die Pfeile der magnetischen Feldlinien geben die Kraftrichtung auf eine negative Probeladung
an.
v) Das elektrische Feld eines radialsymmetrischen Feldes ist überall gleich groß.
vi) Eine höhere Feldliniendichte kennzeichnet ein stärkeres elektrisches Feld.
vii) In einem elektrischen Feld erfahren positive Probeladungen eine Kraftwirkung in Richtung der
Feldlinien. Auf negative Ladungen wirkt die Kraft in die entgegengesetzte Richtung.
b)
c)
Die Abbildung zeigt die Feldlinien eines elektrischen Feldes.
Welche Fehler finden Sie in der Darstellung? Begründen Sie ihre Wahl!
Die Abbildung zeigt eine elektrische Feldlinie.
Zeichnen Sie an den drei (rot) markierten Punkten den Vektor
~ des elektrischen Feldes ein!
(Richtungspfeil) E
4.3.6. Zwischen zwei elektrisch geladenen Platten im Abstand von 12 cm gibt es ein
homogenes elektrisches Feld (E = 900 N/C). Am rechten Rand des Feldes befindet
sich ein Elektron.
a) Zeichnen Sie den Weg des Elektrons im elektrischen Feld ein!
b) Wie lange benötigt das Elektron zum Durchlaufen des Feldes?
c) Berechnen Sie die Geschwindigkeit des Elektrons beim Erreichen des linken Randes.
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4.3.7. a) Berechnen Sie die elektrische Feldstärke in einer Entfernung r = 10 m von einer Punktladung mit
Q = 10−5 C.
b) Bei welcher Feldstärke wirkt auf ein Elektron die Kraft von 10−18 N?
c) An einer Stelle in der Nähe einer Punktladung beträgt die Feldstärke 2, 7 · 105 N/C. Wie groß ist sie in
dreifachem Abstand?
4.3.8. a) Was versteht man unter einem homogenen elektrischen Feld? Skizzieren Sie die Feldlinien!
b) Welche Regeln muss man bei der Summe von zwei elektrischen Feldern beachten?
c) Unter welchen Bedingungen gilt die Formel: Φ = E · A ?
d) Was sagt der Satz von Gauß?
4.3.9. Durch eine schiefe Ebene mit Fläche A = 4 m2 mit dem Neigungswinkel φ = 20◦
läuft ein homogenes vertikales elektrisches Feld mit dem Betrag E = 5 N/C.
a) Wie viele Feldlinien gehen durch die schiefe ebene Fläche?
b) Wie viele Feldlinien gehen durch die schiefe Fläche, wenn das elektrische Feld
horizontal verläuft?
(Achten Sie auf die richtigen Winkel!)
4.3.10. Durch die Fläche A = 0, 5 m2 gehen 30 elektrische Feldlinien eines homogenen Feldes. Die Linien bilden
mit der Fläche einen Winkel α = 60◦ .
a) Zeichnen Sie die Fläche und die Feldlinien!
b) Wie stark ist das elektrische Feld auf dieser Fläche?
c) Wie groß ist die Kraft auf die Ladung ∆Q = −50 µC in diesem Feld? In welche Richtung bewegt sich
diese Ladung (in Richtung des Feldes / gegen die Richtung des Feldes)?
Auszug aus der Formelsammlung:
2
2
2
C
1
10 Nm
ε0 = 8, 854 · 10−12 Nm
G = 6, 67 · 10−11 Nm
2,
4πε0 ≈ 10
C2 ,
kg2
|Qp | = |Qe | = 1, 6 · 10−19 C, me = 9, 1 · 10−31 kg, mp = 1, 67 · 10−27 kg ,
1 Q
E(r) = 4πε
2
0 r