Untersuchung der Abhängigkeit des Photostroms von der Entfernung zur Lichtquelle

Transkript

1 E1 S 3 Untersuchung der Abhängigkeit des Photostroms von der Entfernung zur Lichtquelle Name: Datum: Aufgaben: a) Miss die Höhe des Photostroms in Abhängigkeit von der Entfernung zur Lampe. b) Zeichne das d-i- und das 1/d²-I-Diagramm. c) Interpretiere deine Ergebnisse. Vorbereitung: 1. Baue das Solarmodul laut Abb. auf und verbinde es mit einem Amperemeter. 2. Leuchte das Modul mit einer Lampe im Abstand von 200mm gut aus. Warte vor Beginn der Messungen etwa 3 Minuten, damit sich das Modul erwärmt und die weiteren Messwerte bei gleichmäßiger Temperatur aufgenommen werden können. Durchführung: 1. Verändere den Lampenabstand d in 100mm-Schritten und lies die Stromstärke I ab. 2. Zeichne die d-i-kennlinie und die 1/d²-I-Kennlinie. 3. Interpretiere die Kennlinien. Welche Auswirkungen hat das in der Praxis?

2 E2 Messwerte: d in mm I in ma 1/d² in mm -2 * , , , , , , , , , , ,69 I in ma d-i-diagramm d in mm

3 E3 1/d²-I-Diagramm I in ma 1/d² in mm -2 *10-6 Abbildung: 200mm 1200mm Interpretation der Ergebnisse: Fehlerbetrachtung:

4 E4

5 E5 S 4 Untersuchung der Abhängigkeit des Photostroms vom Einfallswinkel des Lichts Name: Datum: Aufgaben: a) Miss die Höhe des Photostroms in Abhängigkeit vom Einfallswinkel des Lichts. b) Zeichne das α-i- und das cosα-i-diagramm. c) Interpretiere deine Ergebnisse. Vorbereitung: 1. Baue das Solarmodul laut Abb. auf und verbinde es mit einem Amperemeter. 2. Beleuchte das Modul mit einer Lampe im vorgegebenen Abstand. Der Strom sollte dabei unter 200 ma bleiben. Warte vor Beginn der Messungen etwa 2 Minuten, damit sich das Modul erwärmt und die weiteren Messwerte bei gleichmäßiger Temperatur aufgenommen werden können. Durchführung: 1. Verändere den Einfallswinkel α in 10 -Schritten, wie auf der Winkelskala vorgegeben und lies die Stromstärke I ab. Achte jeweils auf ein genaues Anliegen des Solarmoduls an der Linie. Achtung das Solarmodul wird heiß! 2. Führe den gleichen Versuch auch in die andere Drehrichtung aus und bilde die Mittelwerte der Stromstärken. 3. Zeichne die α-i-kennlinie und die cosα-i-kennlinie. 4. Interpretiere die Kennlinien. Welche Auswirkungen hat das in der Praxis?

6 E6 Messwerte: α in cosα I in ma (links) I in ma (rechts) I in ma(mittelwert) 0 1, , , , , , , , , ,0000 I in ma (Mittelwerte) α-i-diagramm α in

7 I in ma (Mittelwerte) E7 cosα-i-diagramm Abbildung: cos α 10A COM cm A COM 25cm

8 E8 Interpretation der Ergebnisse: Fehlerbetrachtung:

9 E9 B 4 Kennlinie des Elektrolyseurs Name: Datum: Aufgaben: a) Nimm die Werte für eine U-I-Kennlinie des Elektrolyseurs in einer Messwerttabelle auf. b) Verändere dazu den Solarstrom durch die Lichtintensität. Die Stromstärke darf dabei 400 ma nicht überschreiten. c) Zeichne die U-I-Kennlinie. d) Gib die Mindestspannung an, die für ein Einsetzen der Elektrolyse notwendig ist (Beginn des Stromflusses, I 1mA ). e) Interpretiere deine Ergebnisse. Vorbereitung: 1. Der Elektrolyseur wird bis zur 0 ml Markierung mit destilliertem Wasser befüllt und mit dem Solarmodul (s. Abb.1) als Spannungsquelle verbunden. 2. In diesen Stromkreis wird die Verbrauchermessbox als Amperemeter und als Voltmeter an den Elektrolyseur geschaltet (Schalterstellung KURZSCHLUSS). Durchführung: 1. Durch Verändern der Lichtintensität (Drehen des Solarmoduls, Abstand zur Lampe verändern) werden verschiedene Stromwerte eingestellt. Steigere den Solarstrom bis maximal 400mA und erfasse die auftretenden Spannungen. Warte vor jedem Ablesen etwa 30 Sekunden. 2. Zeichne das U-I-Diagramm. 3. Interpretiere die Kennlinie. 4. Versuche genau den Punkt zu finden, an dem die Elektrolyse einsetzt. 5. Fertige eine Schaltskizze mit den Symbolen für Spannungsquelle (Fotoelement, Solarmodul), Amperemeter, Voltmeter und Widerstand (Elektrolyseur) an.

10 E10 Messwerte: U in V I in ma I in ma U-I-Kennlinie: U in V

11 E11 Beginn der Elektrolyse (Stromfluss von 1mA im Elektrolyseur) bei: U = V. Interpretation der Ergebnisse: Schaltskizze: Fehlerbetrachtung: Abbildung 1:

12 E12

13 B 3 Untersuchung der Wasserelektrolyse im Elektrolyseur Name: Datum: Aufgaben: a) Bestimme die im Elektrolyseur pro Zeit erzeugten Gasmengen. b) Stelle die Ergebnisse in einem t-v-diagramm dar. c) Untersuche, welche Gase bei der Wasserzersetzung entstehen. d) Interpretiere deine Ergebnisse. Vorbereitung: 1. Die Solar-Wasserstoff-Anlage wird laut Anleitung aufgebaut und in Betrieb genommen. Der Abstand zwischen Solarmodul und Lampe beträgt eine A4- Heftbreite. 2. Die beiden kurzen Schläuche auf den Gasauslassöffnungen werden jetzt mit den Verschlussstopfen gleichzeitig verschlossen und die Stoppuhr betätigt. Durchführung: 1. Lies nach jeder Minute die produzierten Mengen von Wasserstoff und Sauerstoff ab. Wenn 10ml Wasserstoff produziert wurden, werden keine Messwerte mehr aufgenommen, die Lampe bleibt aber eingeschaltet. 2. Trage die Werte in das t-v-diagramm ein. 3. Kneife den Schlauch an der Wasserstoffseite kurz vor dem Verschlussstopfen zu und entferne den Stopfen. Bringe das Schlauchende jetzt in ein mit der Öffnung nach unten gehaltenes Reagenzglas und lasse das Wasserstoffgas in das Reagenzglas entweichen ( s. Abb.). 4. Das Reagenzglas wird nun mit der Öffnung nach unten an eine entfernt stehende Kerzenflamme gebracht. 5. Kneife jetzt den Schlauch an der Sauerstoffseite kurz vor dem Verschlussstopfen zu und entferne den Stopfen. Bringe das Schlauchende jetzt in ein mit der Öffnung nach oben gehaltenes Reagenzglas und lasse das Sauerstoffgas in das Reagenzglas entweichen. 6. Ein glimmender Holzspan wird von oben in das aufrecht gehaltene Reagenzglas gebracht. 7. Beschreibe die Beobachtungen und erkläre die Ergebnisse.

14 E14 Messwerte: Wasserzersetzung im Elektrolyseur: Zeit in min Vol. O2 in ml Vol. H2 in ml V(O2)/t in ml/min V(H2)/t in ml/min Mittelwert: t-v-diagramm: (O 2 und H 2 ) V in ml x H 2 o O 2 t in min

15 E15 Ergebnis der Gasnachweise: Wasserstoff H 2 Sauerstoff O 2 Abbildung: Beobachtung: Ergebnisse: Fehlerbetrachtung:

16 E16

17 B 9 Messung der Nachlaufzeit des Propellers (allein und mit Elektrolyseur) Name: Datum: Aufgaben: a) Bestimme die Nachlaufzeit des Propellers nach Abschalten der Lampe. b) Bestimme die Nachlaufzeit des Propellers nach Abschalten der Lampe bei parallel geschaltetem Elektrolyseur. c) Interpretiere deine Ergebnisse und versuche eine Erklärung für dieses Phänomen zu finden. Vorbereitung: 1. Verbinde den Propeller mit dem Solarmodul (wie in Abb. 1). Stelle jetzt die Lampe vor das Solarmodul. Der Abstand zwischen Solarmodul und Lampe beträgt eine A4-Heftbreite. Schalte die Lampe noch nicht ein! 2. Achte darauf, dass der Propeller nicht durch Leitungen behindert wird und dass er sich frei drehen könnte. Schalte die Lampe erst ein, wenn Du selbst (Finger, Hände, lange Haare) nicht durch die einsetzende Drehbewegung des Propellers gefährdet oder verletzt werden kannst. Durchführung: 1. Wenn der Propeller bei voller Lichteinstrahlung frei rotiert, nimm die Stoppuhr zur Hand und stoppe die Zeit, die vom Ausschalten der Lampe bis zum vollständigen Stillstand des Propellers vergeht (Nachlaufzeit t N ). 2. Verbinde nun den Elektrolyseur mit dem Propeller (Parallelschaltung, wie in Abb. 2) und schalte die Lampe wieder ein (Achtung: Verletzungsgefahr am Propeller!) 3. Wenn der Propeller bei voller Lichteinstrahlung frei rotiert, nimm wieder die Stoppuhr und stoppe die Zeit, die jetzt vom Ausschalten der Lampe bis zum vollständigen Stillstand des Propellers vergeht (Nachlaufzeit t N ). 4. Beschreibe die Beobachtungen und äußere Vermutungen zur Ursache dieses Phänomens.

18 E18 Abbildung 1: Messwert: Solarmodul Propeller t N = s Abbildung 2: Messwert: Solarmodul Propeller Elektrolyseur t N = s

19 E19 Beobachtung: Ergebnisse / Vermutung: Fehlerbetrachtung:

20 E20

21 E21 B 1 Kennlinie der Brennstoffzelle Name: Datum: Aufgaben: a) Nimm die Werte für eine I-U-Kennlinie der Brennstoffzelle in einer Messwerttabelle auf. b) Berechne jeweils die abgegebene elektrische Leistung P. c) Zeichne die I-U- und die I-P-Kennlinie. d) Interpretiere deine Ergebnisse. e) Führe das gleiche Experiment mit Luft und nicht mit reinem Sauerstoff durch. Ziehe dazu den Sauerstoffschlauch von der Brennstoffzelle ab. Benutze die selben Diagramme und vergleiche. Vorbereitung: 1. Die Solar-Wasserstoff-Anlage wird laut Anleitung aufgebaut, in Betrieb genommen und mit der Verbraucher Messbox als Amperemeter und Voltmeter verkabelt (s. Anleitung und Abb.). 2. Bringe den Wahlschalter 4h der Verbraucher Messbox auf die Schalterstellung OFFEN und spüle das ganze System 5 Minuten mit den entstehenden Gasen. ( U 0, 7V ) 3. Jetzt wird der Wahlschalter 4h für etwa 3 Minuten auf 3 Ω gestellt. Das Amperemeter sollte dabei einen Stromfluss anzeigen. ( I 50mA ) 4. Nach weiteren 3 Minuten in der Schalterstellung OFFEN ist die Brennstoffzelle optimal vorbereitet. Durchführung: 1. Beginne die Messung durch Verändern des Widerstandes R (Wahlschalter der Messbox) bei OFFEN ( R = ) und dann nach rechts drehend zu kleineren Widerständen. Nimm für jeden Widerstand den Wert von Strom und Spannung auf und trage ihn in die Messwerttabelle ein. [oder: Verändere den Drehknopf am Potentiometer von Stellung 0 bis 10 und Minimum(11)] 2. Stelle nach Aufnahme aller Messwerte den Wahlschalter wieder auf OFFEN. 3. Berechne jeweils die Leistung P. 4. Zeichne das I-U- und das I-P-Diagramm und verbinde die Punkte. 5. Interpretiere die Ergebnisse und Diagramme. 6. Fertige eine Schaltskizze für dieses Experiment mit Hilfe der Schaltzeichen für Spannungsquelle, Amperemeter, Voltmeter und Widerstand an.

22 E22 Messwerte und Diagramme: Drehknopf oder R in Ω I in ma (O 2 ) U in V (O 2 ) P in mw (O 2 ) 0 (offen) Drehknopf oder R in Ω I in ma (Luft) U in V (Luft) P in mw (Luft) 0 (offen) I-U-Kennlinie: U in V I in ma

23 E23 I-P-Kennlinie: P in mw I in ma Interpretation der Ergebnisse: Schaltskizze: Fehlerbetrachtung:

24 E24

25 E25 F 1 Bestätigung des 1. faradayschen Gesetzes im Elektrolyseur Name: Datum: Aufgaben: a) Untersuche die Abhängigkeit der erzeugten Gasvolumina V bei einer konstanten Stromstärke von der Zeit t. b) Untersuche die Abhängigkeit der erzeugten Gasvolumina V während einer konstanten Zeit von der Stromstärke I. c) Untersuche die Abhängigkeit der erzeugten Gasvolumina V bei einer konstanten Stromstärke von der Ladung Q. d) Interpretiere deine Ergebnisse. Vorbereitung: 1. Der Elektrolyseur wird laut Anleitung aufgebaut, in Betrieb genommen und mit der Verbraucher Messbox als Amperemeter (Schalterstellung Wahlschalter 4h: KURZSCHLUSS) verkabelt (s. Anleitung und Abb.). 2. Stelle mit Hilfe des Solarmoduls einen konstanten Strom (etwa 200 ma bis 250 ma) ein. Der Lampenabstand darf 20 cm zum Solarmodul nicht unterschreiten! 3. Mit Betätigen der Stoppuhr werden die beiden Schläuche auf den Gasauslassöffnungen mit den Verschlussstopfen verschlossen. Durchführung: 1. Lies für die vorgegebenen Zeiten die erzeugten Mengen an Wasserstoff und Sauerstoff ab. Achte darauf, dass die Stromstärke während des Experiments konstant bleibt (eventuell mit dem Solarmodul nachregeln ). 2. Zeichne ein Zeit Volumen Diagramm für Wasserstoff und Sauerstoff in ein gemeinsames Koordinatensystem. 3. Berechne jeweils die Quotienten aus dem Volumen und der dazugehörigen Zeit für Wasserstoff und Sauerstoff. Bilde auch für jedes Gas den Mittelwert dieser Quotienten. Was bedeutet dieser Quotient? Interpretiere deine Ergebnisse.

26 E26 4. Lies für die vorgegebenen Stromstärken jeweils die in drei Minuten erzeugten Mengen an Wasserstoff und Sauerstoff ab. Achte darauf, dass die Stromstärke während dieser drei Minuten konstant bleibt (eventuell mit dem Solarmodul nachregeln ). 5. Zeichne ein Stromstärke Volumen Diagramm für Wasserstoff und Sauerstoff in ein gemeinsames Koordinatensystem. 6. Berechne jeweils die Quotienten aus dem Volumen und der dazugehörigen Stromstärke für Wasserstoff und Sauerstoff. Bilde auch für jedes Gas den Mittelwert dieser Quotienten. Was bedeutet dieser Quotient? Interpretiere deine Ergebnisse. 7. Lies für die vorgegebenen Zeiten die erzeugten Mengen an Wasserstoff und Sauerstoff ab. Achte darauf, dass die Stromstärke während des Experiments konstant bleibt (eventuell mit dem Solarmodul nachregeln ). 8. Berechne jeweils die elektrische Ladung. Zeichne ein Ladung Volumen Diagramm für Wasserstoff und Sauerstoff in ein gemeinsames Koordinatensystem. 9. Berechne jeweils die Quotienten aus dem Volumen und der dazugehörigen Ladung für Wasserstoff und Sauerstoff. Bilde auch für jedes Gas den Mittelwert dieser Quotienten. Was bedeutet dieser Quotient? Interpretiere deine Ergebnisse. 10. Formuliere das erste faradaysche Gesetz der Elektrolyse und überprüfe, inwieweit deine Ergebnisse mit diesem Gesetz übereinstimmen. Abbildung:

27 E27 Messwerte: (Durchführung 1. bis 3.) I=konst. I in A Nr. Zeit in s Vol. O2 in ml Vol. H2 in ml V(O2)/t in ml/s V(H2)/t in ml/s Mittelwert: t-v-diagramm: (H 2 und O 2 ) x H 2 o O 2 V in ml t in s

28 E28 (Durchführung 4. bis 6.) t in s t=konst. 180 Nr. I in A Vol. O2 in ml Vol. H2 in ml V(O2)/I in ml/a V(H2)/I in ml/a 1 0, Mittelwert: I-V-Diagramm: (H 2 und O 2 ) x H 2 o O 2 V in ml I in A

29 E29 (Durchführung 7. bis 9.) I=konst. I in A Nr. Zeit in s Q=I*t in As Vol. O2 in ml Vol. H2 in ml V(O2)/Q in ml/as V(H2)/Q in ml/as Mittelwert: Q-V-Diagramm: (H 2 und O 2 ) x H 2 o O 2 V in ml Q in As

30 E30 Interpretation der Ergebnisse: (Durchführung 10.) Fehlerbetrachtung: