Physik G8-Abitur 2011 Aufgabenteil Ph 11 LÖSUNG

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1 3 G8_Physik_2011_Ph11_Loe Seite 1 von 7 Ph 11-1 Physik G8-Abitur 2011 Aufgabenteil Ph 11 LÖSUNG 1) a) b) c) In einem Homogenen elektrischen Feld nimmt das Potential in etwa linear. D.h. Es sinkt von +200V an der Stelle der linken Platte auf -200V an der Stelle der rechten Platte. Der Plattenabstand beträgt lt. Zeichnung 8cm. Damit fällt das Potential pro cm um ca. 50V. Dies bedeutet, dass an der Stelle an der sich der Punkt A das Potential auf +100V abgesunken ist. d) Für den Zusammenhang von Potentialänderung und Ladung gilt: Lösen wir diesen Term nach der Arbeit W auf, so erhalten wir: Die rot gekennzeichnete Linie im Bild von a) und b) legt die Lage einer Äquipotentialfläche fest. Wird ein Ladungsträger entlang dieser Linie bewegt, so ändert sich (wie der Name äqui schon sagt) das Potential nicht, sodass gilt. Demnach ist. Es wird also keine Arbeit verrichtet!

2 G8_Physik_2011_Ph11_Loe Seite 2 von 7 2) a) Bewegen sich Ionen (=geladene Teilchen) in einem Magnetfeld, so wirkt auf diese die sog. Lorenzkraft. Diese bewirkt, dass die Ionen auf eine Kreisbahn gezwungen werden. Die Bewegungsrichtung ist dabei abhängig von der Richtung der Magnetfeldlinien und kann mit Hilfe der rechten Hand Regel bestimmt werden. Der Radius der Kreisbahn hingegen hängt ab von der Geschwindigkeit und er Masse der Ionen sowie von der Stärke des Magnetfeldes. Die Ablenkung erfolgt jedoch nur, wenn die Bewegungsrichtung der geladenen Teilchen eine Komponente (=Richtungsanteil) senkrecht zu den Magnetfeldlinien besitzt. b) Wegen der Geschwindigkeit muss relativistisch gerechnet werden! Deshalb gilt: Teilt man dieses Ergebnis durch die Elementarladung erhält man: c) Bewegt sich ein geladenes Teilchen auf einer Kreisbahn, so befinden sich zwei Kräfte im Gleichgeweicht. Einerseits ist dies die Zentrifugalkraft und andererseits ist dies die Lorenzkraft : Die Ladung eines vollständig ionisierten Kohlenstoff Ions beträgt. Damit gilt: Diese Gleichung müssen wir nun nach auflösen. Somit folgt:

3 G8_Physik_2011_Ph11_Loe Seite 3 von 7 d) Ohne die Verwendung einer Stripperfolie wäre die Ladung der Ionen geringer, sodass bei sonst gleichen Bedingungen der Bahnradius wegen deutlich größer wäre. Damit müsste das Synchrotron deutlich größer gebaut werden und damit natürlich höhere Kosten verursachen. Alternativ kann man auch argumentieren, dass für geladene Teilchen mi höherer Ladung Q ein geringerer magnetischer Fluss notwendig wäre. Somit könnten schwächere und damit kostengünstigere Magnetspulen eingesetzt werden. 3) a) Beim Einschaltvorgang erzeugt die Spule durch den sich zeitlich ändernden Stromfluss ein Magnetfeld. Dieses durchsetzt alle Windungen der Spule und induziert in sich selbst dabei eine Spannung, die sogenannte Selbstinduktionsspannung. Diese wirkt nach der Lenzschen Regel seiner Ursache entgegen. D.h. die Selbstinduktionsspannung verlangsamt das Anwachsen der Stromstärke durch die Magnetspule. Dies erklärt den langsamen Anstieg der Stromstärke im Diagramm. Der Verlauf des Graphen 2 entspricht der Spule mit Eisenkern. Dies liegt daran, dass die Induktivität der Spule auf Grund des Eisenkerns deutlich vergrößert wird. Damit erfolgt der Anstieg der Stromstärke langsamer als ohne Eisenkern. b) Nach einer ausreichend langen Zeit, wächst der Stromfluss durch die Spule nicht mehr an. Dadurch ändert sich schließlich auch das Magnetfeld das die Spule durchsetzt ist nicht mehr. Sodass keine Selbstinduktion mehr stattfindet. Das bedeutet, dass die Spule nicht mehr als Widerstand auftritt und somit die Stromstärke nur noch durch den Widerstand R bestimmt wird. Aus dem Diagramm liest man die Stromstärke ab. Mit der Spannung errechnet man mit den Widerstand der Schaltung. c) Mit Thomson folgt:

4 G8_Physik_2011_Ph11_Loe Seite 4 von 7 d) e) Wird der Eisenkern aus der Spule entfernt, so sinkt die Induktivität L der Spule. Demnach folgt mit Hilfe von Thomson dass die Frequenz ansteigt.

5 G8_Physik_2011_Ph11_Loe Seite 5 von 7 Ph ) a) Durch die Annäherung der geladenen Platte 2 an die ungeladene Platte 1 wird die Platte 1 durch elektrische Influenz negativ geladen. Im Elektroskop herrscht also ein Elektronenmangel und damit eine positive Ladung. Damit kommt es zu einem Ausschlag des Elektroskops. b) Die Kapazität eines Plattenkondensators errechnet sich mit: Nach dem wir die Kapazität des Kondensators berechnet haben lässt sich die Ladung durch bestimmen. c) - F el F g d) Da das Kügelchen schwebt herrscht ein Kräftegleichgewicht: e) Bei einem schwebenden geladenen Teilchen ist die Geschwindigkeit. Da die magnetische Kraft abhängig von der Geschwindigkeit des Teilchens im Magnetfeld ist, bedeutet dies, dass diese Kraft Null ist. Also hat ein zusätzliches Magnetfeld keine Auswirkung auf das Kügelchen

6 G8_Physik_2011_Ph11_Loe Seite 6 von 7 2) a) b) Da gilt, muss nicht relativistisch gerechnet werden! Da sich das Proton auf einer Kreisbahn bewegt, herrscht ein Kräftegleichgewicht zwischen der Lorenzkraft und der Zentrifugalkraft: c) Bei Geschwindigkeiten größer als 0,1c treten relativistische Effekte in den Vordergrund. Dabei wird die Masse des Teilchens größer. Dadurch verlängert sich die Umlaufdauer T der Protonen im Zyklotron. Damit ist die Frequenz der Beschleunigungsspannung nicht mehr synchron zum Durchlauf der Protonen, was zu einer Bremswirkung führen kann. Somit wird die maximale kinetische Energie der Protonen begrenzt. d)

7 G8_Physik_2011_Ph11_Loe Seite 7 von 7 3) a) Die Mikrowellen werden an der Metallwand reflektiert. An der Wand kommt es zu einem Phasensprung der Welle von. Die einlaufende und die reflektierte Welle überlagern sich zu einer sogenannten stehenden Welle. Der Abstand zweier benachbarter Minima entspricht dem Abstand zweier Konoten der stehenden Welle. Damit gilt: Über die Beziehung bestimmen: lässt sich nun die Frequenz der Mikrowellenstrahlung b) Betrachtet man die beiden Öffnungen in der Wand als Emitter von Elemtarwellen. Diese breiten sich kreisförmig im Bereich rechts von der Platte aus. Die beiden Elementarwellen interferieren nun und es kommt zu konstruktiver bzw. destruktiver interferenz. Da die beiden Elementarwellen bis zum Punkt A den selben Laufweg besitzen und somit der Laufwegunterschied ist, kommt es im Punkt A zur (maximalen) konstruktiven Interferenz, das sog. 0.Maximum. Damit ist im Punkt A der Empfang maximal! c) Um dies zu bestimmen, berechnen wir den Laufwegunterschied der beiden Elementarwellen: berechnen wir über Pytagoras im Dreieck: Somit ergibt sich ein Laufwegunterschied s 2 40cm B 30cm Dies führt zur totalen Auslöschung der Wellen (destruktive Interferenz) also zum minimalen Empfang.