d = 1, 5cm ) liegt eine Spannung von

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1 Aufgabe E-Feld Blau 1: Elektronen werden in einem Plattenkondensator von der Geschwindigkeit m v 0 s 0 auf die Geschwindigkeit beschleunigt. An den Platten (Abstand U 120V an. Wie groß ist v? = 1 d = 1, 5cm ) liegt eine Spannung von v 1 Aufgabe E-Feld Blau 2: Elektronen werden in einem Plattenkondensator von der Geschwindigkeit v0 0 auf die Geschwindigkeit v1 = 1,0 10 be- m 7 m s s schleunigt. An den Platten (Abstand d = 1, 5cm ) liegt eine Spannung von U an. Wie groß ist U? Aufgabe E-Feld Blau 3: Beschreiben Sie den vollständigen Bewegungsablauf eines Elektronenstrahls in der Brownschen Röhre mit Hilfe der Fachbegriffe.

2 Aufgabe E-Feld Grün 1: An einer Brownschen Röhre werden Beschleunigungsspannung und Ablenkspannung im selben Verhältnis geändert (z.b. beide Spannungen werden verdoppelt.) Wie ändert sich dadurch die Elektronenbahn?

3 Aufgabe E-Feld Gelb 1: Elektronen mit, die mit der Spannung U = 120V beschleunigt wurden, treten in ein elektrische Querfeld ein (siehe Skizze). Der Abstand zwischen den beiden Kondensatorplatten beträgt d = 1, 5cm und ihre Länge l = 6cm. 1. Wie lautet die Gleichung für die Bahnkurve der Elektronen? 2. Wie hoch darf die maximale Ablenkung y am Ende des Plattenkondensators sein, damit die Elektronen nicht auf eine Platte auftreffen? 3. Wie hoch darf die maximale Ablenkspannung sein, damit die Elektronen nicht auf eine Platte auftreffen? Aufgabe E-Feld Gelb 2: In einer Ablenkröhre haben die Platten des Ablenkkondensators den Abstand 6,0cm und die Länge 8,0cm. Der Elektronenstrahl wird mit U B = 2, 2kV beschleunigt und mit U A = 1, 8kV abgelenkt. 1. Bestimmen Sie die Gleichung für die Bahnkurve der Elektronen. 2. Wie groß ist die Ablenkung der Elektronen, wenn sie den Ablenkkondensator verlassen? 3. Welchen Einfluss hat die Polung des Ablenkkondensators?

4 Aufgabe E-Feld Orange 1: 6 Eine kleine positiv geladene Kugel mit der Ladung Q = 5 10 C und der Masse m = 1, 0g befindet sich zwischen den waagrecht angeordneten Platten eines Plattenkondensators mit Abstand d = 1cm. Die zu Beginn ruhende Kugel bewegt sich in t = 0, 01s von der unteren zur oberen Platte. (Vernachlässigen Sie die Gewichtskraft.) 1. Fertigen Sie eine Skizze des Versuchsaufbaus an. 2. Wie ist die Polung der Platten des Kondensators? 3. Welche Art der Bewegung führt die Kugel aus? 4. Berechnen Sie die am Kondensator anliegende Spannung.

5 Aufgabe E-Feld Rot 1: Ein Protonenstrahl durchquert eine Anordnung aus drei Plattenkondensatoren. Die Protonen ( m p 27 = 1,67 10 kg, Q P = 1, C ) treten mit vernachlässigbarer Anfangsgeschwindigkeit durch die Lochblende in den ersten Kondensator ein und dann entsprechend der Zeichnung die Anordnung durchqueren. Die Kondensatoren befinden sich im Vakuum. a) Berechnen Sie die Geschwindigkeit v 2 der Protonen beim Verlassen des zweiten Kondensators. Die Protonen (siehe Skizze) treten nun mit der Geschwindigkeit v 2 parallel zu den Platten in das Feld des dritten Kondensators ein, den sie mit einer Ablenkung um den Winkel α aus der ursprünglichen Richtung wieder verlassen. Zwischen den Platten liege die Spannung U A = 5, 0kV b) Wie groß ist die Geschwindigkeit, mit der die Protonen den dritten Kondensator verlassen? c) Wie groß ist der Winkel α?

6 Aufgabe B-Feld Blau 1: Ein positiv geladenes Ion trifft auf ein senkrecht zur Bewegungsrichtung stehendes Magnetfeld. Beschreiben Sie seine Bahnkurve, wenn das Feld homogen ist. Fertigen Sie auch eine Skizze an. Machen Sie die hierbei notwendigen Annahmen. Aufgabe B-Feld Blau 2: 6 m Ein Elektron gelangt mit einer Geschwindigkeit v0 = 9,4 10 s senkrecht in ein homogenes magnetisches Feld der Flussdichte 2,2mT. Wie groß ist der Betrag der Lorenzkraft die auf das Elektron wirkt? Welchen Durchmesser hat die entstehende Kreisbahn? Wie groß ist die Periodendauer der Bewegung?

7 Aufgabe B-Feld Grün 1: Eine Kreisbewegung in einem Magnetfeld wird als Watt-frei ΔE bezeichnet, d.h. die Leistung P = ( = E& ) Δt ist gleich 0. Diskutieren und begründen Sie diese Aussage in der Gruppe. Gilt eine analoge Aussage auch für Bewegungen im E-Feld? Aufgabe B-Feld Grün 2: In einem Fadenstrahlrohr werden Elektronen mit 280V beschleunigt. Diese treten senkrecht in ein homogenes Magnetfeld der Stärke 1,1mT ein und beschreiben eine Kreisbahn mit Radius 5,1cm. Erklären Sie präzise mit Hilfe einer Skizze, warum es zu einer Kreisbahn der Elektronen kommt. Bestimmen Sie aus den angegebenen Daten die spezifische Ladung der Elektronen.

8 Aufgabe B-Feld Grün 3: Negativ geladene Chlor-Ionen treten mit einer Anfangsgeschwindigkeit v 0 in ein homogenes Magnetfeld so ein, wie es in den Skizzen a)-d) angegeben ist. Formulieren Sie jeweils eine präzise Aussage über die Bahnform und die Bewegungsart der Ionen.

9 Aufgabe B-Feld Gelb 1: Nach einer Beschleunigung mit einer Spannung von 4 kv durchlaufen Elektronen eine 40cm lange Fernsehröhre. Berechnen Sie die Geschwindigkeit der Elektronen. Bestimmen Sie die Beschleunigung, die die Elektronen im Magnetfeld der Erde (B=50µT) erfahren. Schätzen Sie aus der Laufzeit der Elektronen die Ablenkung durch das Erdmagnetfeld ab.

10 Aufgabe B-Feld Gelb 2: Sie sollen den Einschusswinkel eines Elektronenstrahls in ein (fast) homogenes Magnetfeld bestimmen. Nehmen Sie ein Lineal mit, gehen in den Nebenraum und machen Sie sich mit dem aufgebauten Versuch vertraut. Der Versuch ist schülersicher aufgebaut, ABER ENTFERNEN SIE KEINE KABEL, STECKEN SIE KEINE KABEL UM ODER STECKEN SIE ANDERE KABEL IN FREIE BUCHSEN! Klären Sie, was die beiden aufgebauten Messgeräte messen. BEVOR Sie die Netzgeräte einschalten holen Sie mich! Schalten Sie das Netzgerät für die Elektronenkanone ein. Drehen Sie den Glaskörper VORSICHTIG so, dass der Elektronenstrahl ohne Magnetfeld senkrecht nach oben verläuft. Schalten Sie nun die Stromversorgung für die Spulen ein und regeln die Stromstärke so, dass die Elektronen eine volle Kreisbahn durchlaufen. Drehen Sie nun VORSICHTIG den Glaskörper so, dass die Elektronenbahn exakt eine Windung einer Schraubenbahn beschreibt. Messen Sie die notwendigen Größen um den Einschusswinkel zu bestimmen. Überlegen Sie sich, welche Größen dies sind BEVOR Sie die Netzgeräte ausschalten und den Versuch in den Anfangszustand zurückversetzten. [Die Formel für das Magnetfeld eines Helmholtzspulenpaares finden Sie in Ihrem Heft. Setzen Sie die spezifische Ladung der Elektronen als bekannt voraus.]

11 Aufgabe B-Feld Rot 1: Ein Teilchen der Masse m und der Ladung q trete unter einem Winkel in ein homogenes Magnetfeld ein. Das Magnetfeld verlaufe parallel zur y-achse. a. Zeigen Sie, dass für den Radius der Bahn gilt: m v0, x r = q B b. Zeigen Sie, dass das Teilchen nach der Zeit m t = 2π q B wieder die gleiche Bewegungsrichtung hat, wie beim Eintritt in das Magnetfeld.

12 Aufgabe E- und B-Feld Blau 1: Ein positives Teilchen wird in verschiedenartige Felder geschossen. Charakterisieren Sie die Bahnkurve und den Bewegungstyp des Teilchens im jeweiligen Feld. Fertigen Sie passende Skizzen in Ihrem Heft an

13 Aufgabe E- und B-Feld Grün 1: In der abgebildeten Anordnung stehen ein elektrisches und ein magnetische Feld senkrecht zueinander. Begründen Sie warum nur geladene Teilchen mit einer bestimmten Geschwindigkeit die Anordnung durchlaufen können. E Zeigen Sie, dass für diese Geschwindigkeit gilt: v = B Geben Sie eine sinnvolle Kombination von elektrischer Feldstärke und magnetischer Flussdichte an, wenn Ionen mit der 6 m Geschwindigkeit v = 2,5 10 s die Anordnung durchlaufen können sollen.

14 Aufgabe E- und B-Feld Gelb 1: In der abgebildeten Anordnung werden für den Fall, dass die auf das Teilchen resultierende Kraft F res = 0 ist, für Elektronen folgende Werte gemessen: B = 0,40mT ; U = 550V ; d = 5, 4cm Berechnen Sie die Geschwindigkeit der Elektronen. Die Beschleunigungsspannung betrug 2kV. Berechnen Sie damit die spezifische Ladung der Elektronen.

15 Aufgabe E- und B-Feld Orange 1: Ein Protonenstrahl mit kontinuierlicher Geschwindigkeitsverteilung tritt in das elektrische Feld eines Plattenkondensators ein. Der gesamte Raum rechts von der Lochblende L 2 wird von einem homogenen Magnetfeld der Flussdichte B durchsetzt. Am anderen Ende des Kondensators befindet sich ein Auffangschirm mit der Lochblende L 3. a. Erläutern Sie, warum man durch geeignete Wahl der beiden Felder erreichen kann, dass nur Protonen einer bestimmten Geschwindigkeit den Kondensator geradlinig passieren und danach nach unten abgelenkt werden. Geben Sie dazu die Orientierung des magnetischen Feldes und die Polung des Kondensators an. b. Die Geschwindigkeit der geradlinig durchfliegenden Protonen beträgt v = 5, m/s, für die Flussdichte gilt B = 75,0 mt. Berechnen Sie die Feldstärke E im Kondensator. In welcher Entfernung vom Loch der Blende L 3 treffen die Protonen auf den Schirm auf? c. Verkleinert man die Kondensatorspannung unter Beibehaltung der magnetischen Flussdichte, so ändert sich die in Teilaufgabe b. berechnete Entfernung des Auftreffpunkts. Begründen Sie dies. Geben Sie insbesondere an, wie sich die Lage des Auftreffpunkts verändert.

16 Aufgabe E- und B-Feld Rot 1: Elektronen treten mit der Geschwindigkeit v 0 = 2, m/s bei P senkrecht in ein homogenes Magnetfeld ein und durchlaufen einen Kreisbogen mit dem Radius r = 24 cm und dem Mittelpunktswinkel α = 30. Bei Q verlassen sie das Magnetfeld und treten senkrecht in das homogene elektrische Feld eines Plattenkondensators mit der Plattenlänge l = 28 cm ein. Die Felder sollen als scharf begrenzt angenommen werden. a. Bestimmen Sie die Flugzeit eines Elektrons auf der Bahn von P nach Q. b. Berechnen Sie die magnetische Flussdichte B des Magnetfeldes Der Abstand d des Plattenkondensators und der Betrag der Feldstärke E werden im Folgenden so eingestellt, dass der aus dem Kondensator austretende Elektronenstrahl parallel zur Richtung der Anfangsbewegung verläuft. c. Berechnen Sie die elektrische Feldstärke E. [zur Kontrolle: E = 4, V/m] d. Welchen Plattenabstand d min muss der Kondensator mindestens haben?