Illustrierende Aufgaben zum LehrplanPLUS. Induktion Diagramme

Transkript

1 Jahrgangsstufen FOS 12, BOS 12 Induktion Diagramme Stand: Fach Physik Übergreifende Bildungs- und Erziehungsziele Benötigtes Material Kompetenzerwartungen Lehrplan Physik FOS 12 (T) LB 4 Lehrplan Physik BOS 12 (T) LB 7 Die Schülerinnen und Schüler ermitteln aus vorgegebenen und experimentell gewonnenen t-φ-diagrammen den zeitlichen Verlauf der Induktionsspannung. Sie nutzen dabei das Induktionsgesetz und ihre mathematischen Kenntnisse hinsichtlich der Differenzialrechnung. Seite 1 von 10

2 Aufgabe 1 Kennzeichnen Sie die folgenden Aussagen mit richtig (r) oder falsch (f). ( ) Ein stromdurchflossenes gerades Leiterstück erfährt in einem homogenen Magnetfeld eine Kraft. Wird dagegen das Leiterstück von der Stromquelle getrennt und in einem homogenen Magnetfeld bewegt, tritt an den Leiterenden eine Induktionsspannung auf. ( ) Ist eine Leiterschleife in einem zeitlich und räumlich konstanten Magnetfeld vollständig eingetaucht und wird dort mit der konstanten Geschwindigkeit bewegt, wird eine Induktionsspannung erzeugt. ( ) Eine Änderung des magnetischen Flusses kann durch Änderung des Inhalts der Fläche einer Leiterschleife, die von den Feldlinien des Magnetfeldes senkrecht durchsetzt wird, oder durch Änderung des Betrags der magnetischen Flussdichte erreicht werden. ( ) Der magnetische Fluss besitzt die Einheit: ( ) Der Betrag der Induktionsspannung ist abhängig von der zeitlichen Änderung des magnetischen Flusses. Je kleiner die Änderung des magnetischen Flusses pro Zeiteinheit ist, desto größer ist die Induktionsspannung. ( ) Je größer die Windungszahl einer Induktionsspule ist, desto kleiner ist die Induktionsspannung. ( ) Die durch Änderung der magnetischen Flussdichte induzierte Spannung ist so gepolt, dass der dadurch entstehende Strom ein Magnetfeld erzeugt, welches der Änderung des magnetischen Flusses entgegenwirkt. 2 Vergleichen Sie Ihre Lösungen aus Aufgabe 1 mit denen eines Mitschülers und erklären Sie sich gegenseitig Ihre Entscheidungen. 3 Verbessern Sie mit einem Farbstift die von Ihnen als falsch gekennzeichneten Aussagen, damit sie physikalisch korrekt wiedergegeben werden. Seite 2 von 10

3 4 Im Inneren einer Spule wird ein magnetischer Fluss erzeugt, dessen zeitliche Abhängigkeit das folgende zeigt: Abbildung 1: Geben Sie an, welches der folgenden vier e die passende zeitliche Abhängigkeit der zwischen den Spulenenden messbaren Induktionsspannung für das oben gegebene wiedergibt. Formulieren Sie für jedes der drei anderen e mindestens ein Ausschlusskriterium. t in s Abbildung 2: Diagramm 1 Abbildung 3: Diagramm 2 Abbildung 4: Diagramm 3 Abbildung 5: Diagramm 4 Seite 3 von 10

4 5 Beschreiben Sie mündlich Ihrem Nachbarn einen möglichen Versuchsaufbau, um den Verlauf der Induktionsspannung aus Aufgabe 4 zu bestätigen. Bitten Sie Ihren Nachbarn Ihre Beschreibung auf Richtigkeit zu überprüfen und gegebenenfalls zu verbessern. 6 Im Inneren einer Spule wird ein magnetischer Fluss erzeugt. Die zeitliche Abhängigkeit der zwischen den Spulenenden gemessenen Induktionsspannung gibt das in Abbildung 6 wieder. Das in Abbildung 7 soll die zeitliche Abhängigkeit des magnetischen Flusses darstellen. Hier haben sich allerdings Fehler eingeschlichen. Bessern Sie diese mit einem Farbstift so aus, dass die beiden Diagramme zueinander passen. Abbildung 6: Abbildung 7: Seite 4 von 10

5 7 In einem Versuchsaufbau wurde folgender Verlauf der Induktionsspannung in Abhängigkeit von der Zeit aufgezeichnet: Abbildung 8: Beschreiben Sie einen geeigneten Versuchsaufbau für die Erzeugung dieses Spannungsverlaufs. 8 In einer erneuten Versuchsdurchführung wurde mit dem Versuchsaufbau aus Aufgabe 7 ein weiterer Spannungsverlauf aufgezeichnet. Dieser ist im folgenden Diagramm als dicke Linie dargestellt: Abbildung 9: Geben Sie die Unterschiede zwischen den beiden Spannungsverläufen an. Erklären Sie die wesentlichen Änderungen bei der Versuchsdurchführung, um den als dicke Linie dargestellten Spannungsverlauf zu erzeugen. Seite 5 von 10

6 9 Das folgende beschreibt den Verlauf des magnetischen Flusses in Abhängigkeit von der Zeit für einen der beiden in Abbildung 9 dargestellten, induzierten Spannungsverläufe. Ergänzen Sie das folgende Diagramm so, damit die Kurvenverläufe zur Erzeugung der beiden in Abbildung 9 gegebenen Spannungsverläufe abgebildet sind. Abbildung 10: Seite 6 von 10

7 Hinweise zum Unterricht Die Lösungshinweise unter den Hinweisen zum Unterricht erfolgen stichpunktartig. Diese sind nicht als vollständige, alternativlose Lösungserwartung zu sehen. Auch von einer strengen physikalischen Fachnotation wird hier abgesehen. Zu Aufgabe 1: ( r ) Ein stromdurchflossenes gerades Leiterstück erfährt in einem homogenen Magnetfeld eine Kraft. Wird dagegen das Leiterstück von der Stromquelle getrennt und in einem homogenen Magnetfeld bewegt, tritt an den Leiterenden eine Induktionsspannung auf. Hinweis: Diese Aussage könnte auch als falsch gekennzeichnet werden. Die Lage sowie die Bewegungsrichtung des Leiterstücks in Bezug zu den Feldlinien ist mit entscheidend. ( f ) Ist eine Leiterschleife in einem zeitlich und räumlich konstanten Magnetfeld vollständig eingetaucht und wird dort mit der konstanten Geschwindigkeit bewegt, wird eine keine Induktionsspannung erzeugt. ( r ) Eine Änderung des magnetischen Flusses kann durch Änderung des Inhalts der Fläche einer Leiterschleife, die von den Feldlinien des Magnetfeldes senkrecht durchsetzt wird, oder durch Änderung des Betrags der magnetischen Flussdichte erreicht werden. ( f ) Der magnetische Fluss besitzt die Einheit: ( f ) Der Betrag der Induktionsspannung ist abhängig von der zeitlichen Änderung des magnetischen Flusses. Je kleiner die Änderung des magnetischen Flusses pro Zeiteinheit ist, desto größer kleiner ist die Induktionsspannung. ( f ) Je größer die Windungszahl einer Induktionsspule ist, desto kleiner größer ist die Induktionsspannung. ( r ) Die durch Änderung der magnetischen Flussdichte induzierte Spannung ist so gepolt, dass der dadurch entstehende Strom ein Magnetfeld erzeugt, welches der Änderung des magnetischen Flusses entgegenwirkt. Seite 7 von 10

8 Zu Aufgabe 3: Siehe Zu Aufgabe 1 Hinweis: Hier besteht auch die Möglichkeit, die Lösungen der falschen und richtigen Aussagen vorzugeben. Damit wird den Schülerinnen und Schülern, die bei der Kennzeichnung der Aussagen falsche Entscheidungen getroffen haben, die weitere Bearbeitung der Aufgabe erleichtert. Zu Aufgabe 4: Diagramm 3: Diagramm 1: Richtig Eine Induktionsspannung wird nur bei einer zeitlichen Änderung des magnetischen Flusses erzeugt. Dies trifft bei diesem Diagramm nicht zu. Diagramm 2: Im Zeitintervall [ ] dürfte die Induktionsspannung das Vorzeichen nicht wechseln. Diagramm 4: Im sind alle drei zeitlichen Änderungen des magnetischen Flusses betragsmäßig gleich. Daher müsste die Spannung im Zu Aufgabe 5: vall [ ] betragen. Eine langgestreckte Feldspule wird an einer regelbaren Stromquelle betrieben. In die Feldspule wird eine Induktionsspule gebracht. Die Leiterenden der Induktionsspule werden mit einem davor geschalteten Messverstärker an ein Voltmeter angeschlossen. Mit der regelbaren Stromquelle wird der zeitlich linear ansteigende und abfallende Verlauf des magnetischen Flusses realisiert. Seite 8 von 10

9 Zu Aufgabe 6: Abbildung 11: Zu Aufgabe 7: In einem räumlich und zeitlich konstanten Magnetfeld wird eine Induktionsspule mit konstanter Winkelgeschwindigkeit so um ihre eigene Achse gedreht, dass sich der magnetische Fluss durch die Spule periodisch ändert. Zu Aufgabe 8: Der weitere Spannungsverlauf (dicke Linie) hat den doppelten Maximalwert der nung und die halbe Periodendauer. Die Änderung in der Versuchsdurchführung besteht darin, dass für die Erzeugung des weiteren Spannungsverlauf (dicke Linie) die Induktionsspule mit der doppelten Winkelgeschwindigkeit gedreht wurde. Mit wird die Periodendauer halbiert. Mit der maximale Wert der Spannung verdoppelt. Zu Aufgabe 9: Abbildung 12: Seite 9 von 10

10 Hinweise zum Unterricht Im Unterricht bietet es sich an, die Aufgaben in drei Teilen zu bearbeiten. Teil 1: Aufgaben 1-3 Teil 2: Aufgaben 4-6 Teil 3: Aufgaben 7-9 Seite 10 von 10