Prüfungsvorbereitung Physik: Elektrischer Strom

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1 Prüfungsvorbereitung Physik: Elektrischer Strom 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) Elektrischer Strom b) Wozu verwenden wir den elektrischen Strom? c) Unter welchen Bedingungen fliesst ein Strom? d) Energieeinheiten: Nennen Sie drei Einheiten für Energie Wofür verwendet man die verschiedenen Energieeinheiten? Wie rechnet man die verschiedenen Energieeinheiten ineinander um? e) Arbeit f) Leistung g) Wirkungsgrad h) Parallelschaltung/Serieschaltung i) Gleichstrom/Wechselstrom j) Stromstärke k) Spannung l) Widerstand m) Wovon hängt der elektrische Widerstand ab? n) Kennlinie o) Nennen Sie die drei Wirkungen des elektrischen Stroms p) Welche Regeln gelten bezüglich Spannung und Stromstärke in der Parallelschaltung? q) Welche Regeln gelten bezüglich Spannung und Stromstärke in der Serieschaltung? r) Wie schliesst man ein Ampèremeter an? Wie schliesst man ein Voltmeter an? Physikalische Grössen: Diese physikalischen Grössen müssen Sie kennen, mit Symbolen und Einheiten. Symbol Einheit Symbol Einheit Ladung Stromstärke Spannung spezifischer elektrischer Widerstand Arbeit Widerstand Elektrische Feldstärke Energie Leistung Zeit Wirkungsgrad Querschnittsfläche 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. LG Rämibühl, 5.Klasse: Prüfungsvorbereitung 2 1 sgamper

2 Fähigkeiten: Formeln umformen, Zahlenwerte mit Einheiten einsetzen und ausrechnen Mit Diagrammen umgehen Elektrische und magnetische Feldlinienbilder interpretieren und zeichnen können Elektrische Schaltpläne interpretieren und zeichnen können Joule in Elektronvolt umwandeln können und umgekehrt Joule in Kilowattstunden umwandeln können und umgekehrt Resultate auf die richtige Anzahl Ziffern runden Fehlerschranken ausrechnen und korrekt angeben für Resultate, die aus Messwerten (mit Fehlerschranken) berechnet wurden 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 A7 A10 Aufgaben und Informationen im Internet wählen Sie unter «Inhalte nach Teilgebieten der Physik» Elektrizitätslehre Stromwirkungen Elektrische Grundgrössen Komplexere Schaltkreise Widerstand & spez. Widerstand Elektrische Arbeit und Leistung Weitere Aufgaben 1. Durch ein Glühlampe fliesst bei kv ein Strom der Stärke A. a) Wie viele signifikante Ziffern besitzen die beiden Zahlenwerte? Wie viele Ziffern sollte das Resultat besitzen? b) Rechnen Sie aus, wie gross der Widerstand der Lampe ist und runden Sie das Resultat auf die richtige Anzahl signifikanter Ziffern. c) Rechnen Sie aus, wie gross die elektrische Leistung ist und runden Sie das Resultat auf die richtige Anzahl signifikanter Ziffern. d) Notieren Sie die Resultate mit einer Zehnerpotenz in der wissenschaftlichen Schreibweise. 2. Berechnen Sie jeweils die fehlenden Grössen. Formel nicht vergessen! Spannung Stromstärke Widerstand Ladung Zeit Leistung Arbeit Stromkosten 2'500 C 1.0 h 4.6 kj 220 V 245 W 700 kj 490 ma 45 min 0.07 kwh 380 V 7.9 kw 6.0 Rp. LG Rämibühl, 5.Klasse: Prüfungsvorbereitung 2 2 sgamper

3 3. Jardar bestimmte den spezifischen elektrischen Widerstand eines Metalls. Dazu verwendete er einen Draht der Länge (389.7 ± 0.4) cm mit einem Durchmesser von (0.65 ± 0.01) mm. Der Widerstand des Drahtes betrug (1.351 ± 0.003) Ω. Geben Sie den spezifischen elektrischen Widerstand korrekt mit (absoluter) Fehlerschranke an. 4. Ergänzen Sie: a) Ein Ampèremeter wird... (parallel/in Serie) in den Stromkreis eingebaut. Der elektrische Strom soll praktisch... (ungehindert/gar nicht) durch das Messgerät fliessen. Sein Widerstand ist sehr... (gross/klein). b) Ein Voltmeter wird... (parallel/in Serie) in den Stromkreis eingebaut. Der elektrische Strom soll praktisch... (ungehindert/gar nicht) durch das Messgerät fliessen.sein Widerstand ist sehr... (gross/klein). 5. I [A] U [V] B A a) Welcher Konstantandraht hat den grösseren Widerstand: A oder B? b) Wie gross ist die Stromstärke im Draht A bei 30 V? c) Zeichnen Sie im Diagramm Draht C mit einem konstanten Widerstand von R = 0.50 Ω ein. d) Zeichnen Sie im Diagramm Draht D ein, dessen Widerstand sich verdoppelt, wenn man die Spannung vervierfacht. (Es gibt mehrere richtige Lösungen - eine davon genügt.) 6. Durch eine Glühlampe fliesst bei einer Spannung von 230 V die Stromstärke A. a) Wie gross ist der Widerstand der Glühlampe? b) Wieviel Ladung wird dabei in einer Minute transportiert? c) Wie lange dauert es, bis sich Elektronen durch die Lampe gequetscht haben? 7. In einer Schaltung wird ein Widerstand von 1057 Ω bei 3.4 mv angeschlossen. Wie viele Elektronen fliessen in 0.000'000'70 s durch den Widerstand? 8. 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 =? U 0 =? 9. Drei Widerstände R 1 = 3.0 Ω, R 2 = 4.0 Ω und R 3 = 5.0 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? a c P a =? U a =? R c =? P c = 0.40 W I a =? I c = 0.10 A R b = 12 Ω U b = 3.0 V b LG Rämibühl, 5.Klasse: Prüfungsvorbereitung 2 3 sgamper

4 10. Drei Widerstände R 1 = 3.0 Ω, R 2 = 4.0 Ω und R 3 = 5.0 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? 11. Ein Silberdraht (R = 25.3 mω) hat einen Durchmesser von 4.16 mm. Der aktuelle Silberpreis beträgt CHF je kg Silber. a) Wie gross ist seine Querschnittsfläche? b) Wie lang ist der Draht? c) Wie gross ist sein Volumen? d) Wie gross ist seine Masse? e) Wie viel kostet der Draht? 12. Beim Bau von Überlandleitungen spielen der Preis, die Masse und der Gesamtwiderstand der Leitung eine wesentliche Rolle. Der aktuelle Kupferpreis beträgt CHF pro Tonne und der aktuelle Aluminiumpreis beträgt 1' CHF pro Tonne. a) Welchen Widerstand und welche Masse hat eine Kupferleitung von 6.0 km Länge und 6.00 mm Durchmesser? b) Wie gross wären Durchmesser und Masse einer Aluminiumleitung gleicher Länge und gleichen Widerstandes? c) Was würde die Kupfer-, was würde die Aluminiumleitung kosten? 13. Fritzli brachte aus seinen Ferien in den USA einen Tauchsieder mit. Wenn man den Tauchsieder bei 110 V einsteckt, verbraucht er die «richtige» Leistung 530 W. Fritzli montiert daran einen passenden Stecker und steckt ihn in eine 220 V-Steckdose ein. Die Sicherung lässt maximal 10 A zu. Annahme: Der Widerstand des Tauchsieders ist konstant. Funktioniert der Tauchsieder? Wenn nein, warum nicht? Wenn ja, mit welcher Leistung? 14. 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- 32 Ω Widerstand wie durch den 32 Ω- Widerstand fliesst? 15. Ein Elektromoter hat einen Wirkungsgrad von 70 %. Wie gross ist die Nutzleistung, wenn er P auf = 50 kw aufnimmt? 16. Eine Glühlampe setzt etwa 5.0 % der elektrischen Energie in Lichtenergie um, eine Solarzelle hat einen Wirkungsgrad von 15 %. Wie gross ist der Wirkungsgrad einer Kombination aus beiden? LG Rämibühl, 5.Klasse: Prüfungsvorbereitung 2 4 sgamper

5 Lösungen: 1. a) U: 6, I: 5, Resultat: 5 b) R = U = V I A = 7'242.0 Ω c) P = U I = V A = W d) R = Ω, P = W V 0.69 A 2.65 Ω 1.28 W 0.03 Rp. 1.1 A Ω C 47 min 37 s 3.9 Rp V Ω 1323 C 93.3 W 1.4 Rp A 18.3 Ω 2842 C s 0.3 kwh = 1080 kj 3. ρ el = R A ( ) 2 = R π d 2 = R π d 2 4 = Ω π ( m) m = Ωm ρ el(max) = R π d 2 max max = Ω π ( m) 2 = Ωm 4 min m ρ el = ρ el(max) - ρ el = Ωm Ωm = Ωm = Ωm ρ el = (11.5 ± 0.4) 10-8 Ωm 4. a) in Serie, ungehindert, klein b) parallel, gar nicht, gross 5. a) A I [A] b) 7.5 A C B c) Gerade durch 10 A/5 V, 20 A/10 V, etc. 20 d) z. B. gekrümmte Kurve durch 5 A/10V (2 Ω) und 10 A/40 V (4 Ω) A D U [V] 6. a) R = U I = 230 V A = 767 Ω b) Q = I t = A 60 s = 18 C c) Elektronen haben die Ladung Q = C = C t = Q = C = s I A 7. I = U R = V 1057 Ω = A = A Q = I t = A s = C das sind = 14'072'848 Elektronen 8. 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 R c = U 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 = 4.0 V 0.10 A = 40 Ω U 0 = U a + U b = 4.0 V V = 7.0 V LG Rämibühl, 5.Klasse: Prüfungsvorbereitung 2 5 sgamper

6 9. 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, d) I = I 1 + I 2 + I 3 = 4.0 A A A = 9.4 A e) R gesamt = U gesamt = 12 V 9.4 A = 1.3 Ω I gesamt I 3 = U R 3 = 12 V 5.0 Ω = 2.4 A 10. 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 3 = 3.0 V V V = 12 V c) I 1 = I 2 = I 3 = 1.0 A f) R gesamt = U gesamt I gesamt = 12 V 1.0 A = 12 Ω 2 " d % " m% 11. a) A = π $ ' = π # 2 $ & # 2 ' = m 2 & b) = R A = Ω m 2 = 20.8 m ρ el Ωm c) V = A = m m = m 3 d) m = ρ V = kg m m 3 = 2.98 kg e) 2.98 kg Fr kg 2 = 1' Fr. = 1'900 Fr. 12. a) A = π r 2 R = ρ el π r = m Ωm π m m = ρ V = ρ A = ρ π r 2 = 8'920 = 1.5 t b) r = ρ el π R = m = ρ V = ρ A = = ρ π r 2 = 2'700 kg m 3 ( ) 2 = 3.8 Ω Ωm m = m = 3.65 mm π 3.8 Ω kg m 3 6'000 m π ( m) 2 = 1'513 kg d = 2 r = 7.3 mm 6'000 m π ( m) 2 = 678 kg c) Kupferleitung: t 6' Fr = 9' Fr. = 9'900 Fr. t c) Aluminiumleitung: t 1' Fr = 1' Fr. = 1'200 Fr. t 13. I = P U = 530 W 110 V = 4.81 A R = U = 110 V = 22.8 Ω I = U I 4.81 A R = 220 V 22.8 Ω = 9.6 A ja P = U I = 2'120 W 5 Ω 20 Ω 32 Ω 20 Ω 14. a) = 4 Ω 16 Ω + 4 Ω = 20 Ω = 12.3 Ω 25 Ω 52 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 R = 80 Ω 20 Ω 15. P nutz = P auf η = 50 kw 0.70 = 35 kw 16 η gesamt = η 1 η 2 = = = 0.75 % LG Rämibühl, 5.Klasse: Prüfungsvorbereitung 2 6 sgamper