3. Physik LK Klausur PhyLKQ1, 06.03.2015 Name: __________________________________ Fachlehrer: C. Schneider

Aufgabe 1 (Gewitter - Plattenkondensator, Millikan-Versuch, Coulombkraft)

�

Zur Beschreibung der elektrischen Vorgänge bei einem Gewitter soll eine geladene Gewitterwolke in � Höhe zusammen mit dem Boden stark vereinfacht als „Naturplattenkondensator“ mit der Fläche � betrachtet werden. Die Wolkenunterseite besitzt gegenüber dem Boden die elek-trische Spannung � . Wegen der zunächst noch trockenen Luft kann die Kapazität wie bei einem Kondensator im Vakuum berechnet werden.

a.) Ermitteln Sie die Kapazität und die Ladung dieses Kondensators sowie die elektrische Feldstärke E. [Zur Kontrolle: � ]

b.) Berechnen Sie den Geldbetrag, den man erhalten würde, wenn man die im elektrischen Feld dieses Kondensators gespeicherte Energie nach dem „Gesetz für erneuerbare Energien“ für � pro kWh ins Stromnetz einspeisen könnte.

Im gesamten Gewitterfeld kommt es nun zu einem Hagelschauer. Dabei fallen kugelförmige Hagelkörnchen mit � Masse senkrecht nach unten. Ein Hagelkörnchen trägt die Ladung � .

c.) Berechnen sie sowohl die Gewichtskraft als auch die elektrische Kraft auf ein Hagelkörnchen. d.) Erläutern Sie, warum die Fallgeschwindigkeit nicht beliebig groß wird und ob die Art der Ladung

auf den Hagelkörnchen dabei eine Rolle spielt.e.) Berechnen Sie die elektrische Kraft zwischen zwei gleichnamig geladenen Hagelkörnchen, die

einen gegenseitigen Schwerpunktabstand von 3 cm haben.f.) Erklären Sie, warum ein elektrisch neutraler Wasserstrahl sowohl von einem negativ als auch von

einem positiv geladenen Stab angezogen wird.

1200m20km2

3,0 ⋅107V

E = 2,5 ⋅104V m

0,36€

0,48gq = 1,07 ⋅10−7C

Aufgabe 2 (Elektronenbewegung in elektrischen und magnetischen Feldern, Wien-Filter)

Elektronen werden durch die Spannung � beschleunigt und treten dann mit der

Geschwindigkeit � in ein

zur Zeichenebene senkrechtes Magnet-feld der Feldstärke B ein (siehe Abbil-dung ) . Nach Durch lau fen e ines Viertelkreises mit Radius � treten die Elektronen in x-Richtung in einen Kondensator mit dem Plattenab-stand � ein. Die Anordnung befindet sich im Vakuum.

a.) Leiten Sie die Formel �

unter Benutzung von Beziehungen her, die im Tafelwerk angegeben sind, und berechnen Sie die Beschleunigungsspannung � .

b.) Zeichnen Sie die Richtung des Magnetfelds in der Skizze ein, und bestimmen Sie die Feldstärke B. [Zur Kontrolle: � ]

c.) Begründen Sie kurz, warum die Elektronen „beim Eintritt in den Kondensator“ den oben angegebenen Geschwindigkeitsbetrag � besitzen.

Die Kondensatorspannung U ist so eingestellt, dass sich die Elektronen im Kondensator unabgelenkt entlang der x-Achse bewegen.d.) Zeichnen Sie die Richtung des elektrischen Feldes in der Skizze ein, und berechnen Sie U.

Aufgabe 3 (Erdmagnetfeld - Hall-Effekt, Lorentzkraft)

Mit Hilfe einer Hallsonde soll die Stärke des Erdmagnetfelds ermittelt werden. An einer Silberfolie ( � , � ) misst man die Hallspannung � . Die Folie führt Strom der Stärke � und wird von einem Magnetfeld mit � senkrecht durchsetzt.

a.) Erläutern Sie anhand einer beschrifteten Skizze den Auf -bau und das Funktionsprinzip einer Hallsonde, und leiten Sie die Formel für die Hall-Spannung � her.

b) Berechnen Sie die Geschwindigkeit der am Stromfluss beteiligten Elektronen.

c.) Leiten sie die Formel � her und berechnen Sie die Dichte n der freien Elektronen.

d.) Skizzieren Sie das Erdmagnetfeld, und beschreiben Sie, was bei der Ausrichtung der Hall-Sonde in Nümbrecht beachtet werden muss, um die Stärke des Erdmagnetfelds zu bestimmen.

e.) Die Stärke des Erdmagnetfelds beträgt ungefähr � . Berechnen Sie die Kraft auf eine Freilandstromleitung mit � und einem Abstand zwischen zwei Masten von � .

U0

v0 = 5,9 ⋅106 ms

r = 10cm

d = 8,0cm

U0 =m ⋅v2

2e

U0

B = 0,34mT

v0

b = 1cm d = 0,1mmUH = 0,51µV

I = 1,9AB = 0,3T

UH = v ⋅b ⋅B

n = I ⋅Bd ⋅e ⋅UH

B = 44µTI = 100A 120m

Aufgabe 4 (Millikan-Experiment - Elementarladung)

Skizzieren oder erläutern Sie mit wenigen Worten den experimentellen Aufbau für das berühmte Millikan-Exper-iment. Erklären Sie, warum Herr Millikan aus den dargestellten Ergebnissen auf die Existenz einer Elemen-tarladung schließen konnte.

Aufgabe 5 (Fadenpendel - Geladene Kugel im Plattenkondensator)

Im homogenen Feld eines Plattenkondensators, an dem die Gleichspannung U anliegt, hängt eine sehr kleine negativ geladene Kugel mit der Landung q und mit der Masse m an einem Faden. Es stellt sich der Auslenkwinkel � ein. [Vereinfachend wird angenommen, das die Kugel die Platten niemals berührt, keine Selbstentladung stattfindet, der Faden masselos ist und Influenzeffekte ver-nachlässsigbar sind.]

a.) Stellen Sie die auf die Kugel wirkenden Kräfte in einer Skizze dar. Immer von diesem Zustand ausgehend werden mehrere Veränderungen vorgenommen. Geben Sie jeweils an, wie sich der Auslenkwinkel � verändert. Begründen Sie Ihre Aussagen.

a1.)Die Spannung U am Kondensator wird verringert. a2.)Der Betrag der Ladung der Kugel wird vergrößert. a3.)Der Plattenabstand wird bei konstanter Spannung vergrößert. a4.)Der Kondensator wird von der Spannungsquelle getrennt und

der Plattenabstand wird vergrößert.

b.) Berechnen Sie für die folgenden Daten den Auslenkwinkel � und die Plattenfläche A. Prüfen Sie die Richtigkeit der Einheiten.

Plattenabstand: � Kapazität: � Dielektrikum: � angelegte Spannung: � Probelandung: � Masse der Kugel: �

c.) Vergrößert man den Plattenabstand eines von der Spannungsquelle getrennten Kondensators,

nimmt die Energie � des elektrischen Feldes im Kondensator zu. Es gilt: � .

Bestimmen Sie das Verhältnis der Energien � des Plattenkondensators, wenn der Platten-

abstand verdoppelt wird. Erklären Sie, woher diese Energiezunahme kommt.

α

α

α

d = 30cmC = 5,0pFε r = 1,0006U = 100kVq = 2,0nCm = 0,5g

Wel Wel =12⋅Q

2

CWel nach

Wel vor