Wiederholung Mechanik

Transkript

1 Wiederholung Mechanik

2 Aufgabe zur Mechanik Welche Geschwindigkeit hat ein Pendel mit Masse 1kg an einem 1m langen Faden, wenn es zu Beginn um 90 ausgelenkt wird.

3 Atomaufbau / Ladung Definition Ladung: Es gibt negative und positive Ladungen. Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab. Träger der negativen Ladung sind die Elektronen (Atomhülle). Träger der Positiven Ladung sind die Protonen (Atomkern). In Metallen sind die Elektronen frei beweglich. In Isolatoren dagegen sind alle Elektronen fest an die Atome gebunden

4 Elektroskop Ladungen können mit dem Elektroskop sichtbar gemacht werden. Zeichne eine Ladungsverteilung für den dargestellten Influenzfall.

5 Strom und Stromstärke Elementarladung: Die Ladung eines Elektrons (oder Protons) ist.die Einheit ist Coulomb Stromstärke hohe Stromstärke viele Ladungen pro Zeit geringe Stromstärke wenige Ladungen pro Zeit 1 C = 1 A 1s = 1As 1 Coulomb = 1 Amperesekunde Übung: Lies S 9, kläre Unklarheiten und bearbeite die Aufgaben

6 Berechnung zur Stromstärke Beispiel: Eine 60 Watt Lampe bei 240 Volt. Zeige, dass eine Stromstärke von 0,25 A fließt Wie viel Ladung fließt in 1h durch die Lampe? Wie viele Elektronen sind das?

7 Elektrisches Pendel Versuch: Erkläre den Versuch des elektrischen Pendels mit Hilfe des ABs

8 Felder Wirkungen im Raum über Entfernungen hinweg werden häufig durch Felder beschrieben Welche Felder sind bekannt? Bedeutung der Pfeile? Wie kann man sie messen? Kann man die Idee auch auf die Wirkung von elektrischen Ladungen übertragen?

9 Felder zeichnen Aufgabe: Zeichne ein Gravitationsfeld mit Vektorpfeilen, achte auf die Länge. Zeichen a) das Feld z.b. im Klassenraum b) das Feld im Weltraum um die Erde herum

10 Das elektrische Feld Felder werden mit Vektoren gezeichnet Können auch durch Feldlinien beschrieben werden als Weg einer positiven Ladung im elektr. Feld Beschreibung durch eine Gleichung Coulombsches Kraftgesetz AB Versuchsauswertung LINEARISIERUNG! Feldlinien verlaufen von positiven zu negativen Ladungen Feldlinien auf Metalloberflächen stehen S lesen Fragen notieren!! Aufgaben auf S. 12 Idee der Spiegelladung

11 Versuchsauswertung Coulomb Kraft wird größer, je größer die Ladung. Genauer: Je größer der Radius, desto geringer die Kraft. Genauer: Im Buch:

12 Das elektrische Feld - Aufgaben Aufgaben wegen Abwesenheit: Erkläre warum die Feldlinien auf Metalloberflächen immer senkrecht stehen (das war schon Hausaufgabe, aber so kann ich es einsammeln) 2. Lies S. 12 (Das ist reine Wiederholung - hoffe ich) 3. Bearbeite A1, A2 und A3 auf S. 12

13 Feld im Kondensator homogenes Feld überall gleich stark und gleich gerichtet

14 Aufgaben HowTo 1 Bei Einheiten gibt es folgende Abkürzungen: (siehe Tabelle) Bitte mit Zehnerpotenzen rechnen Beispiel: Gegeben, Gesucht notieren das k kilo erleichtert oft den Start M mega Bei Texten platz lassen (Rand und zwischen den Zeilen) für Kommentare G giga und Ergänzungen - Pfeile bei Umformungen Pronomen (sie, die, es) vermeiden außer wenn der Bezug eindeutig ist. (schlechtes Beispiel: Sie zieht es an) m μ n p f milli mikro nano pico femto

15 Spannung und Energie AB wichtige Erkenntnisse: Spannung und Elektrisches Feld: Energie eines Teilchens, dass das komplette Kondensatorfeld durchläuft: Neue Energieeinheit: 1eV (Elektronenvolt)

16 Elektronenstrahl-Ablenkröhre Bahnkurve Beschleunigung - Messwerte

17 Aufgaben zu Spannung / Energie Aufgaben auf S. 15 A1-A3 (bei A3b beachten, was es bedeutet, die Spannungsquelle abzuklemmen) Aufgaben auf S. 17

18 Flächenladungsdichte Die Ursache des elektrischen Feldes eines Kondensators sind die Ladungen auf den Platten. Welcher Zusammenhang besteht zwischen den Ladungen und der Feldstärke? Messgrößen: A, Q, U, Abstand d

19 Flächenladungsdichte 2 Wir messen die Ladungen auf einer Platte immer mehrfach Messung: Feste Spannung, fester Abstand, verschiedene Flächen 2. Messung: verschiedene Spannungen, fester Abstand, gleiche Flächen 3. Messung: feste Spannung, verschiedener Abstand, gleiche Flächen

20 Flächenladungsdichte Welche Zusammenhänge kann man erkennen/vermuten? Sind diese sinnvoll erklärbar? Wie kann man diese auf die Feldstärke beziehen? Gibt es weitere Zusammenhänge, die man untersuchen kann?

21 Flächenladungsdichte Die Feldstärke ist proportional zur Flächenladungsdichte. Es gilt: Bestimme die Konstante k aus folgenden Werten: d=6cm, U=6kV, Platte mit 48 cm 2 enthält eine Ladung von 4, C k heißt elektrische Feldkonstante und wird i.a. durch beschrieben. Mit der Feldkonstanten wird aus der Gleichung für die Coulomb-Kraft: Man kann die Feldstärke durch ein Dielektrikum beeinflussen! Vertiefung: S 21 Nr. A1

22 radiales Coulombfeld Experimentell kann man bestätigen, dass das Feld um eine geladene Kugel nur von der Ladungsmenge abhängt und nicht vom Radius der Kugel. Die Kugel kann man also in Gedanken soweit aufblasen, dass sie eine Probeladung berührt. Dann gilt für das elektrische Feld der Kugel im Bereich der Probeladung: Somit ist die Konstante in der Formel der Coulombkraft theoretisch hergeleitet.

23 radiales Coulombfeld Aufgabe: Arbeite S. 19 durch und bereite einen Vortrag vor, in dem du ausgehend aus den beiden Gleichungen und die Gleichung für die Coulombkraft herleitest. Dabei sollen insbesondere die beiden Tricks benannt werden, die verwendet werden. Den ersten Trick mit dem aufblasen der Kugel haben wir in der letzten Stunde schon erörtert. Fertige eine Art Karteikarte für den Vortrag, mit den wichtigsten Stichpunkten an.

24 Entladekurve eines Kondensators Werte die Entladekurve des Kondensators mit Hilfe des ABs aus. Achtung: Linearisierung einer Exponentialfunktion! Wenn man also ln(u) gegen t abträgt sollte sich eine Gerade ergeben, deren Steigung dem Wert b entspricht.

25 Ladekurve eines Kondensators Bei der Ladekurve eines Kondensators handelt es sich um eine beschränkte Exponentialfunktion mit der Schranke S. Diese muss vor der Linearisierung herausgerechnet werden

26 Kapazität C eines Kondensators Je mehr Spannung man an einen Kondensator anlegt, desto mehr Ladung wird auf die beiden Platten gepresst. Die beiden Größen sind Proportional. Die Proportionalitätskonstante ist die Kapazität C des Kondensators (gemessen in Farad = 1F) Die Kapazität hängt von den Eigenschaften des Kondensators ab (Fläche, Abstand der Flächen, Dielektrikum, )

27 Kapazität C eines Kondensators II Die Kapazität eines Kondensators ist von den Materialeigenschaften und dem geometrischen Aufbau abhängig. Es gilt: Man kann die Kapazität also verändern, in dem man die Fläche vergrößert, den Abstand verringert, oder ein Dielektrikum einbringt. Eine andere Möglichkeit ist die Parallel- oder Reihenschaltung von Kondensatoren.

28 Parallel- und Reihenschaltung Lies jeweils S. 23 5a bzw. 5b und stelle die Berechnung der Ersatzkapazität vor

29 Parallelschaltung als Flächenvergröß. Bei einer Parallelschaltung zweier gleicher Kondensatoren gilt: Man kann sich also die Parallelschaltung als Flächenverdopplung vorstellen und damit auch die Erhöhung der Kapazität plausibel machen. Das leuchtet zeichnerisch auch direkt ein: Aufgabe: Interpretiere entsprechend die Reihenschaltung als Abstandsvergrößerung.

30 Aufgaben Arbeite das Beispiel unten auf der Seite durch und bereite einen erläuternden Vortrag vor. Bestimme die Kapazität des Elektrometers, wenn die Spannung nur auf die Hälfte 1,5kV gefallen wäre. Erkläre aus der Rechnung, was pico bedeutet! Aufgaben A1-A4 (insbesondere 4) auf S. 25

31 Energie im Kondensator Ein Kondensator speichert Energie. Wie viel Energie steckt in einem voll aufgeladenen Kondensator? Wir berechnen die Energie, in dem wir uns vorstellen, wir würden jedes Elektron einzeln von einer Platte zur anderen transportieren. Für die verrichtete Arbeit gilt: Berechne die Energie für 1[,2,3,10,100,1000] Elektronen, die bei einem Kondensator von 1 F, von einer Seite zur anderen transportiert werden.

32 Energie im Kondensator Mit und der Anzahl n von Elektronen gilt. Zeichne ein Q-U-Diagramm (Elektronenanzahl Spannung Diagramm) für einen Bereich für n von 0 bis

33 Elementarladung Wir verwenden in vielen Rechnungen die Elementarladung, aber wie kann diese bestimmt werden? Dazu betrachten wir den Millikan-Versuch (siehe Arbeitsblatt). Statt des realen Versuchsaufbaus verwenden wir ein Applet zur Ermittlung der Messwerte. Man kann sich vorstellen, dass bei der realen Apparatur weitere Komplikationen Auftreten (z.b. Scharfstellen der Linse, Maßstab, ) Wir nehmen mindestens 5 Messwerte auf und bestimmen die Elementarladung.

34 Zusatzaufgaben Zwischen die horizontal liegenden Platten eines MILLIKAN- Kondensators, dessen Plattenabstand d=6,4 mm beträgt, werden Öltröpfchen mit dem Radius r= 1, mm gebracht. Welche Ladung tragen die Tröpfchen, wenn sie bei der Spannung U = 1250 V zwischen den Platten in dem vertikal gerichteten Feld gerade schweben? Die Dichte des verwendeten Öls ist ρ =0,9 g cm -3 Im homogenen elektrischen Feld eines MILLIKAN-Kondensators mit dem Plattenabstand d=8 mm wird ein Öltröpfchen mit der Masse m = 2, kg bei der Kondensatorspannung U = 5640 V zum Schweben gebracht. Wie viele Elementarladungen (e= 1, C) befinden sich auf dem Tröpfchen?

35 Ein Öltröpfchen mit dem Durchmesser 2r= mm trägt 5 Elementarladungen (e= 1, C) und befindet sich in dem vertikalen, homogenen Feld eines Plattenkondensators mit dem Plattenabstand d=1 cm. a) Wie groß muss die Spannung zwischen den Platten einreguliert werden, damit das Tröpfchen im homogenen Feld schwebt? b) Wie muß man die Spannung verändern, wenn das Tröpfchen eine weitere Elementarladung aufnimmt und erneut zum Schweben gebracht werden soll? Der Auftrieb in Luft ist für das Tröpfchen zu vernachlässigen. Die Dichte des verwendeten Öls ist ρ =0,9 g cm -3