1.Schulaufgabe aus der Physik Lösungshinweise

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1 1.Schulaufgabe aus der Physik Lösungshinweise Gruppe A Aufgabe 1 (Grundwissen) Größe Energie Stromstärke Widerstand Ladung Kraft Buchstabe E I R Q F Einheit Joule: J Ampere: A Ohm: Ω Coulomb: C Newton: N Aufgabe 2 (Feldlinien) (siehe auch Buch Seite 8) (5 Punkte) Aufgabe 3 (Elektromotor) (vergleiche auch Arbeitsblatt zu Aufbau Elektromotor) a) Ein Gleichstrom-Elektromotor besteht aus einer Spule (Rotor) in einem Magnetfeld. Das Magnetfeld wird von einem Dauermagneten erzeugt. Die Spule ist über einen Kommutator an eine Stromquelle angeschlossen. Durch den Stromfluß durch die Leiter wirken auf die senkrecht zum Magnetfeld laufenden Leiter Kräfte (bei entgegengesetzten Leitern in entgegengesetzte Richtungen), wodurch sich die Spule dreht:

2 Durch den Kommutator wird die Stromrichtung im richtigen Moment umgepolt, so dass die Spule sich immer in die gleiche Richtung dreht. (8 Punkte) b) Wenn sich (wie beim Elektromotor) eine Spule in einem Magnetfeld dreht, so wird eine Spannung induziert (Prinzip eines Generators). Diese Spannung muss nach der Regel von Lenz der Ursache entgegengerichtet sein, also muss sie entgegengesetzt zur angelegten Spannung gerichtet sein. c) Bei einer Spannung U = 230 V und einer Stromstärke I = 51A ergibt sich ein Widerstand von R= U I = 230 V 51 A 4,51. Im Betrieb ist die angelegte Spannung um die Gegenspannung reduziert, es bleibt die Spannung U Betrieb =230V 180V=50V. Die Stromstärke während des Betriebs ist dann I Betrieb = U Betrieb R = 50V 4,51 11,1 A. Aufgabe 4 (vergleiche auch Aufgabe Richtungsregeltraining)

3 a) Wendet man die Dreifingerregel der rechten Hand an, so ergibt sich genau die eingezeichnete Richtung der Kraft. Das gezeigte Teilchen ist daher positiv geladen. b) Für das erste Bild kann man die Richtung der Lorentzkraft durch die Dreifingerregel der linken Hand bestimmen. Ist das Magnetfeld genügend groß, dann ergibt sich durch die immer senkrecht zur Bewegungsrichtung wirkende Lorentzkraft eine Kreisbahn. Im zweiten Bild bewegt sich das Elektron parallel zum Magnetfeld. Es wirkt daher keine Lorentzkraft. Das Teilchen bewegt sich in der gezeigten Richtung weiter. Aufgabe 5 (4 Punkte). a) Die linke Leiterschaukel bewegt sich aus dem Magneten heraus, da nach der Dreifingerregel der rechten Hand die Lorentzkraft nach rechts wirkt. Durch die Bewegung der linken Leiterschaukel wird auch die rechte Schaukel im Magnetfeld bewegt, dadurch wirkt auf die mitbewegten

4 Elektronen eine Lorentzkraft, nach der Dreifingerregel nach hinten. Die Elektronen fließen daher von hinten nach vorne durch das Messgerät. (4 Punkte) b) Bleibt der Schalter geschlossen, so bleibt die linke Leiterschaukel in einer ausgelenkten Position stehen, und zwar so, dass sich die Lorentzkraft und die aus der Gewichtskraft resultierende rücktreibende Kraft gerade gleich groß sind. Da sich die rechte Leiterschaukel dann auch nicht bewegt, wirkt auch keine Lorentzkraft auf die Elektronen, es wird keine Spannung induziert. Es fließt kein Strom durch das Messgerät. (3 Punkte)

5 Gruppe B Aufgabe 1 (Grundwissen) Gib zu den folgenden physikalischen Größen jeweils den Formelbuchstaben und die zugehörige Einheit an. Größe Kraft Widerstand Spannung Energie Ladung Buchstabe F R U E Q Einheit Newton (N) Ohm: Ω Volt: V Joule: J Coulomb: C Aufgabe 2 (Feldlinien) (5 Punkte) Aufgabe 3 (Elektromotor) (vergleiche auch Arbeitsblatt zu Aufbau Elektromotor) a) Ein Gleichstrom-Elektromotor besteht aus einer Spule (Rotor) in einem Magnetfeld. Das Magnetfeld wird von einem Dauermagneten erzeugt. Die Spule ist über einen Kommutator an eine Stromquelle angeschlossen. Durch den Stromfluß durch die Leiter wirken auf die senkrecht zum Magnetfeld laufenden Leiter Kräfte (bei entgegengesetzten Leitern in entgegengesetzte Richtungen), wodurch sich die Spule dreht:

6 Durch den Kommutator wird die Stromrichtung im richtigen Moment umgepolt, so dass die Spule sich immer in die gleiche Richtung dreht. (8 Punkte) b) Wenn sich (wie beim Elektromotor) eine Spule in einem Magnetfeld dreht, so wird eine Spannung induziert (Prinzip eines Generators). Diese Spannung muss nach der Regel von Lenz der Ursache entgegengerichtet sein, also muss sie entgegengesetzt zur angelegten Spannung gerichtet sein. c) Bei einer Spannung U = 220 V und einer Stromstärke I = 40A ergibt sich ein Widerstand von R= U I = 220V 40 A =5,5. Im Betrieb ist die angelegte Spannung um die Gegenspannung reduziert, es bleibt die Spannung U Betrieb =220V 175V=45V. Die Stromstärke während des Betriebs ist dann I Betrieb = U Betrieb R = 45V 5,5 8,18 A. Aufgabe 4 (vergleiche auch Aufgabe: Richtungsregeltraining) a) Wendet man die Dreifingerregel der rechten Hand an, so ergibt sich genau die entgegengesetze Richtung der Kraft wie im Bild gezeigt. Das gezeigte Teilchen ist daher negativ geladen.

7 b) Für das erste Bild kann man die Richtung der Lorentzkraft durch die Dreifingerregel der linken Hand bestimmen. Ist das Magnetfeld genügend groß, dann ergibt sich durch die immer senkrecht zur Bewegungsrichtung wirkende Lorentzkraft eine Kreisbahn. Im zweiten Bild bewegt sich das Elektron parallel zum Magnetfeld. Es wirkt daher keine Lorentzkraft. Das Teilchen bewegt sich in der gezeigten Richtung weiter. (4 Punkte) Aufgabe 5 a) Die linke Leiterschaukel bewegt sich in dem Magneten hinen, da nach der Dreifingerregel der rechten Hand die Lorentzkraft nach links wirkt. Durch die Bewegung der linken Leiterschaukel wird auch die rechte Schaukel im Magnetfeld bewegt, dadurch wirkt auf die mitbewegten Elektronen eine Lorentzkraft, nach der Dreifingerregel nach vorne. Die Elektronen fließen daher von vorne nach hinten durch das Messgerät. (4 Punkte) b) Bleibt der Schalter geschlossen, so bleibt die linke Leiterschaukel in einer ausgelenkten Position stehen, und zwar so, dass sich die Lorentzkraft und die aus der Gewichtskraft resultierende rücktreibende Kraft gerade gleich groß sind.

8 Da sich die rechte Leiterschaukel dann auch nicht bewegt, wirkt auch keine Lorentzkraft auf die Elektronen, es wird keine Spannung induziert. Es fließt kein Strom durch das Messgerät. (3 Punkte)

und senkrecht zur technischen Stromrichtung steht. Diese Kraft wird als Lorentz-Kraft bezeichnet. Die Lorentzkraft Versuch:

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