Prüfungsvorbereitung Physik: Elektrischer Strom und Elektromagnetismus

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1 Prüfungsvorbereitung Physik: Elektrischer Strom und Elektromagnetismus Alle Grundlagen aus den vorhergehenden Prüfungen werden vorausgesetzt. Das heisst: Gut repetieren! Theoriefragen: Diese Begriffe müssen Sie auswendig in ein bis zwei Sätzen erklären können. a) Vektor/Skalar b) Arbeit c) Energie d) Nennen Sie drei Einheiten für Energie e) Leistung f) Wozu verwenden wir den elektrischen Strom? g) Welche Regeln gelten bezüglich Spannung und Stromstärke in der Parallelschaltung? h) Welche Regeln gelten bezüglich Spannung und Stromstärke in der Serieschaltung? i) Wie schliesst man ein Ampèremeter an? Wie schliesst man ein Voltmeter an? j) Ab welcher Stromstärke (bei welcher Einwirkungsdauer) führt ein Stromunfall häufig zum Tod? k) Welche Schutzvorrichtungen gegen Stromunfälle gibt es? Wen/was schützen sie? Wie schützen sie? l) Was versteht man unter einem Kurzschluss? Was geschieht bei einem Kurzschluss mit der Stromstärke? m) Magnetfeld n) Feldlinienbild; Definition der Richtung des Magnetfeldes o) Wie sieht das Magnetfeld eines Stroms aus? (Beschreiben oder skizzieren) p) Wie sieht das Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule aus? (Beschreiben oder skizzieren) q) Wie verändert sich das Magnetfeld, wenn man einen Eisenkern in eine stromdurchflossene Spule schiebt? Warum? r) Nennen Sie Anwendungen von Elektromagneten. s) Welche Kraft wirkt auf bewegte Ladungen im Magnetfeld? In welche Richtung wirkt diese Kraft? Physikalische Grössen: Diese physikalischen Grössen müssen Sie kennen, mit Symbolen und Einheiten. Symbol Einheit Symbol Einheit Ladung Stromstärke Spannung Widerstand Elektrische Feldstärke Zeit Arbeit Energie Leistung Wirkungsgrad Lorentzkraft Magnetische Feldstärke

2 Formeln: An der Prüfung erhalten Sie ein Formelblatt. Auf dem Formelblatt finden Sie alle Formeln, die Sie brauchen, sowie Tabellenwerte und ein paar wichtige Formeln aus der Mathematik. Das Formelblatt können Sie auf ga.perihel.ch anschauen und herunterladen. Fähigkeiten: Ø Formeln umformen, Zahlenwerte mit Einheiten einsetzen und ausrechnen Ø Resultate auf die richtige Anzahl Ziffern runden Ø Mit Diagrammen umgehen Ø Elektrische und magnetische Feldlinienbilder interpretieren und zeichnen können Ø Elektrische Schaltpläne interpretieren und zeichnen können Ø Die Linke-Hand Regel richtig anwenden können Ø Die Drei-Finger-Regel richtig anwenden können Ø Joule in Elektronvolt umwandeln und umgekehrt Ø Joule in Kilowattstunden umwandeln und umgekehrt Ø Aufgaben mit vektoriellen Grössen zeichnerisch und rechnerisch lösen Übungsaufgaben: Bei allen Aufgaben muss der Lösungsweg klar ersichtlich sein (d.h. die Formel, mit der gerechnet wurde, gehört auch dazu). Resultate müssen unterstrichen sein (Einheiten nicht vergessen!). Alle Arbeitsblätter, Theorieblätter sowie Aufgabenblätter A12 bis A15 und A1 Aufgaben und Informationen im Internet wählen Sie unter «Inhalte nach Teilgebieten der Physik» Elektrizitätslehre Komplexere Schaltkreise Elektromagnetismus Magnetisches Feld - Spule Bewegte Ladungen in Feldern Weitere Aufgaben 1. Hier sehen Sie ein Bügeleisen mit Sicherung. Durch einen Isolationsdefekt berührt ein stromführendes Kabel das Gehäuse des Bügeleisens. a) Zeichnen Sie den Verlauf aller Stromflüsse in die Abbildung ein. b) Berechnen Sie die Stromstärken (Frau, Bügeleisen, Sicherung). c) Erleidet die Frau einen Stromschlag, wenn sie das Gehäuse des Bügeleisens berührt? Begründen Sie Ihre Antwort. d) Brennt die Sicherung durch? Begründen Sie Ihre Antwort. e) Es gibt zwei weitere mögliche Schutzvorrichtungen. Nennen Sie eine davon und erklären Sie, wie diese funktioniert. Sicherung (10 A) Steckdose (230 V) 2. Markieren Sie die signifikanten Ziffern durch Punkte. Geben Sie jeweils an, wie viele signifikante Ziffern die einzelnen Zahlen besitzen. a) km b) kg c) N d) mm e) C 3. Rechnen Sie aus, und runden Sie auf die richtige Anzahl signifikanter Ziffern. a) C : s b) m m c) 0.7 cm N 3.47 cm Bügeleisen (1000 W) Frau (3000 Ω) Isolationsdefekt LG Rämibühl, 5.Klasse: Prüfungsvorbereitung 4 2 sgamper

3 4. An einem kleinen Glühbirnchen liegt eine Spannung von kv, der Widerstand beträgt Ω. Die Stromstärke soll berechnet werden. a) Wie viele signifikante Ziffern besitzen die beiden Zahlenwerte? Wie viele Ziffern sollte das Resultat besitzen? b) Rechnen Sie aus, wie gross die Stromstärke ist und runden Sie das Resultat auf die richtige Anzahl signifikanter Ziffern. c) Notieren Sie das Resultat mit einer Zehnerpotenz in der wissenschaftlichen Schreibweise. 5. Hier sehen Sie verschiedene Lämpchen in einem Schaltplan dargestellt. a) Welches Lämpchen muss man herausdrehen, damit - nur ein Lämpchen - alle drei Lämpchen erlöschen? b) Welche Lampen sind hier parallel, welche in Serie zueinander geschaltet? c) Schreiben Sie die fehlenden Grössen hinein. I 0? a c P a? U a? R c? P c 0.40 W U 0? I a? I c 0.10 A R b 12 Ω U b 3.0 V b 6. Drei Widerstände R Ω, R Ω und R Ω sind parallel an eine Spannungsquelle von 12 V angeschlossen. a) Wie gross sind die Spannungen an den einzelnen Widerständen? b) Wie gross ist die gesamte Spannung? c) Wie gross sind die Stromstärken, die durch die einzelnen Widerstände fliessen? d) Wie gross ist die gesamte Stromstärke? e) Wie gross sind die einzelnen Leistungen der drei Widerstände? f) Wie gross ist die gesamte Leistung? g) Wie gross ist der gesamte Widerstand? 7. Drei Widerstände R Ω, R Ω und R Ω sind in Serie an eine Spannungsquelle angeschlossen. Sie werden von einer Stromstärke von 1.0 A durchflossen. a) Wie gross sind die Spannungen an den einzelnen Widerständen? b) Wie gross ist die gesamte Spannung? c) Wie gross sind die Stromstärken, die durch die einzelnen Widerstände fliessen? d) Wie gross sind die einzelnen Leistungen der drei Widerstände? e) Wie gross ist die gesamte Leistung? f) Wie gross ist der gesamte Widerstand? 8. U 22 V a) Wie gross ist der Ersatzwiderstand dieser Schaltung? b) Wie gross ist die Stromstärke, die durch 5 Ω den 16 Ω-Widerstand fliesst? c) Wie gross ist die Spannung, die am 16 Ω 5 Ω-Widerstand anliegt? 20 Ω d) Wie gross müsste ein Widerstand an der Stelle des 5 Ω-Widerstandes sein, damit gleich viel Strom durch den 16 Ω-Widerstand 32 Ω wie durch den 32 Ω-Widerstand fliesst? 9. Wir betrachten einen unendlich langen und geraden stromdurchflossenen Leiter. Die Stärke des Magnetfeldes um den Leiter herum hängt bekanntlich vom Abstand ab. Stellen Sie diese Abhängigkeit in einem Diagramm dar - für Abstände zwischen 0 und 1.00 m, für einen Strom der Stärke 1.00 A. Tipp: Berechnen Sie die Stärke des Magnetfeldes für r m, m, m und 1.00 m. Übertragen Sie diese Wertepaare in ein Diagramm (x-achse: r, y-achse: B). LG Rämibühl, 5.Klasse: Prüfungsvorbereitung 4 3 sgamper

4 10. Bei Trams werden Elektromagnete als zusätzliche Bremsen verwendet (siehe Bild). Solange der Strom für diese Bremsen nicht eingeschaltet ist, werden sie von starken Federn dicht über der Schiene gehalten. Wie funktioniert eine solche Magnetschienenbremse? 11. Wir betrachten eine lange schlanke Zylinderspule der Länge l, die n Windungen hat und von einem Strom der Stärke I durchflossen wird. Vervollständigen Sie die folgenden Sätze: a) Wenn man I verdreifacht, ohne l und n zu verändern, dann wird das Magnetfeld im Innern... so gross. b) Wenn man l durch vier teilt, ohne I und n zu verändern, dann wird das Magnetfeld im Innern... so gross. c) Wenn man n durch fünf teilt, ohne l und I zu verändern, dann wird das Magnetfeld im Innern... so gross. 12. In einem Draht, der sich zwischen den Polen eines Hufeisenmagneten befindet, fliesst ein elektrischer Strom (I 2.07 A). Auf die Elektronen im Draht wirkt eine Kraft von 1.75 mn. a) Zeichnen Sie ein, in welche Richtung diese Kraft wirkt. b) Wie gross ist die Stärke des Magnetfeldes zwischen den Polen des Hufeisenmagneten? 4.7 cm N S 25 cm 13. a) Zeichnen Sie das Magnetfeld dieser Spule. b) Wie richtet sich eine Kompassnadel in diesem Magnetfeld aus? Zeichnen Sie es an der mit x bezeichneten Stelle ein. (Kompassnadel: N S) c) Bei einer Stromstärke von 0.13 A beträgt die Feldstärke x im Innern 25 µt. Wie lang ist die Spule? 14. Zwei parallele Drähte der Länge 37.5 m haben einen Abstand von 12.4 cm. Durch den einen Draht fliesst ein Strom der Stärke I A, durch den anderen ein Strom der Stärke I A. Die Elektronen fliessen in beiden Drähten in die gleiche Richtung. a) Wie gross ist die Kraft der Ströme aufeinander? b) Stossen sie sich ab oder ziehen sie sich an? (Begründung mit einer Skizze) c) Wie gross sind Betrag und Richtung des Magnetfeldes genau in der Mitte zwischen den beiden Strömen? d) An welcher Stelle ist B 0? LG Rämibühl, 5.Klasse: Prüfungsvorbereitung 4 4 sgamper

5 Lösungen: 1. a) b) I Frau U R 230 V 3000 Ω A I Bügeleisen P U 1000 W 230 V 4.35 A I Sicherung I gesamt I Bügeleisen + I Frau 4.35 A A 4.42 A c) Ja, die Stromstärke durch die Frau ist 77 ma, das ist mehr als 50 ma ( Tod) d) Nein; Stromstärke in der Sicherung: 4.4 A. Möglich sind 10 A. e) FI-Schalter und Erdung (Erklärung siehe L13) 2. a)! 2.! 9! 7! 0! 0 km (5) b) ! 5 kg (1) c)! 3! 0! 7! 8.! 0! 2! 0 N (7) d) 0.0! 6! 3! 0 mm (3) e) 5! 0! 0.! 0! C (4) 3. a) A b) m 2 c) 2 N 4. a) U: 4; R: 7; Resultat: 4 b) I U R V A A Ω c) A 5. a) nur eines: a oder c alle drei: b b) a und c parallel, in Serie zu b c) I 0 I b U b R b 3.0 V 12 Ω 0.25 A I a I 0 - I c 0.25 A A 0.15 A U a U c P c I c 0.40 W 0.10 A 4.0 V P a U a I a 4.0 V 0.15 A 0.60 W R c U c 4.0 V I c 0.10 A 40 Ω U 0 U a + U b 4.0 V V 7.0 V 6. a) U 1 U 2 U 3 12 V b) U 12 V c) I 1 U 12 V R Ω 4.0 A, I 2 U 12 V R Ω 3.0 A, I 3 U 12 V R Ω 2.4 A d) I I 1 + I 2 + I A A A 9.4 A e) R gesamt U gesamt I gesamt 12 V 9.4 A 1.3 Ω 7. a) U 1 R 1 I 3.0 Ω 1.0 A 3.0 V, U 2 R 2 I 4.0 Ω 1.0 A 4.0 V, U 3 R 3 I 5.0 Ω 1.0 A 5.0 V b) U U 1 + U 2 + U V V V 12 V c) I 1 I 2 I A f) R gesamt U gesamt I gesamt 8. a) 5 Ω 20 Ω 25 Ω 12 V 1.0 A 12 Ω 4 Ω 16 Ω + 4 Ω 20 Ω U b) I 22 V R mitte 20 Ω 1.1 A c) U R I 4 Ω 1.1 A 4.4 V 1 d) 32 Ω - 16 Ω 16 Ω R 1 16 Ω 1 20 Ω 32 Ω 20 Ω 12.3 Ω 52 Ω R 80 Ω LG Rämibühl, 5.Klasse: Prüfungsvorbereitung 4 5 sgamper

6 9. B 1 2π I 7 r 1 2π m B 2 2π I 7 r 2 2π m B 3 2π I 7 r 3 2π m B 4 2π I 7 r 4 2π 1.00 m 1.6 µt 0.80 µt 0.40 µt 0.20 µt B [µt] r [m] 10. Im Innern der Bremse befindet sich ein Elektromagnet. Wird ein starker Strom eingeschaltet, zieht sich die Bremse zur Schiene hin und schleift auf ihr entlang. Dadurch wird der Wagen abgebremst. 11. a) dreimal b) viermal c) ein fünftel 12. a) nach rechts b) B F I s N T 18.0 mt 2.07 A m 13. a) und b) N S c) n B I 4π Tm 10 7 A A m 3.9 cm T 14. a) F 2π I 1 I 2 s 4π 10 7 Tm A 2.35 A 1.05 A 37.5 m N mn r 2π m b) Magnetfeld des linken Stroms: Magnetfeld des rechten Stroms: Lorentzkraft auf den einen Strom im Magnetfeld des anderen Stroms: Sie ziehen sich an cm c) Die Magnetfelder sind entgegengesetzt gerichtet man muss sie voneinander abziehen: B B 1 B 2 2π I 1 r µ 0 2π I 2 µ 4π 10 0 ( I 1 I 2 ) 7 Tm A ( 2.35 A 1.05 A) r 2π r 2π m T 4.19 µt d) B B 1 - B 2 0 B 1 B 2 I 1 (r - r 1 ) I 2 r 1 r 1 I 1 I 1 + I 2 r µ 0 2π I 1 r 1 2π I 2 r 2 I 1 r 1 I 2 r 2 I 2 r r A 12.4 cm 8.57 cm 2.35 A A LG Rämibühl, 5.Klasse: Prüfungsvorbereitung 4 6 sgamper