1.Klausur  Leistungskurs Physik  - Sporenberg                       Marl, 09. November 2010

Arbeit1_jg12_1_2010_11.doc

 

 

1.Aufgabe:

a) Leiten Sie Bahngleichung des waagrechten Wurfes im Plattenkondensator her (übersichtliche Skizze).

 

b) Die Braunsche Röhre wird mit UB = 250 V betrieben. Bei Uy = 45 V beträgt die Ablenkung y = 1,5 cm.

Wie groß muss Uy sein für y = 5 cm?

 

Der Elektronenstrahl einer Braunschen Röhre, die mit UB = 1000 V betrieben wird, durchläuft einen Kondensator mit Uy = 100 V. Der Plattenabstand beträgt 1 cm, die Länge 4 cm.

Berechnen Sie die Kraft auf ein Elektron und seine Beschleunigung.

Mit welcher Geschwindigkeit tritt das Elektron in den Kondensator ein?

Wie lange braucht das Elektron zum Durchlaufen des Kondensators?

Um wieviel cm wird es im Kondensator abgelenkt?

 

c) Nehmen Sie an, in der Braunschen Röhre bewegen sich anstatt der Elektronen Teil­chen mit

I. der doppelten Masse, II. der doppelten Ladung,

III. der doppelten Ladung und der doppelten Masse.

Wie würden sich die Berechnungen für diese Teilchen ändern

1. in Bezug auf die Bahnkurve und 2. in Bezug auf den zeitlichen Ablauf?

Könnte man also durch Untersuchungen der Bahnen in der Braunschen Röhre die Masse oder die Ladung der Teilchen bestimmen?

 

d)Zwischen zwei vertikalen Platten von 9 cm Abstand herrscht die Spannung 7200 V. In P1, 1 cm von der positiven Platte entfernt, wird ein punktförmiger Probekörper (m = 0,1 g; q = + 510-9 C) aus der Ruhe losgelassen. Gewichtskraft und Luftwiderstand werden vernachlässigt. (Skizze)

Mit welcher Geschwindigkeit und nach welcher Zeit trifft der Körper in P2 auf die negative Platte?

 

e) 1. Welche elektrische Kraft Fel wirkt auf eine geladene Watteflocke mit der Ladung Q = 310-10 C im Feld eines geladenen Plattenkondensators mit dem Plattenabstand d = 5 cm, wenn die Platten an eine Spannungsquelle mit der Spannung U = 6 kV angeschlossen sind?

2. Wieviel Prozent der Gewichtskraft FG auf die Watteflocke beträgt die elektrische Kraft Fel, wenn die Watteflocke die Masse m = 0,01 g besitzt?

 

 

 

2.Aufgabe: a) Was ist das physikalisch bedeutsamste Ergebnis des Millikan-Versuchs?

b) Skizzieren und beschreiben Sie das Wesentliche des Versuchsaufbaus.

 

c) Zwischen 2 horizontal liegende Platten eines MILLIKAN-Kondensators mit dem Plattenabstand 6,4 mm, an dem eine Spannung von 1250 V anliegt, werden Öltröpfchen mit dem Radius 1,5×10-3 mm gebracht. Die Dichte des verwendeten Öls beträgt 0,9 g/cm3, der Auftrieb in Luft für die Tröpfchen ist zu vernachlässigen. Berechnen Sie die Ladung bzw. wie viele Elementarladungen die Tropfen tragen, wenn sie zwischen den Platten gerade schweben.

 

 

d) Die Platten eines MILLIKAN-Kondensators haben den Abstand 6 mm. Dazwischen schwebt ein Öltröpfchen mit dem Durchmesser 2,8×10-4 cm, die Dichte des Öls beträgt 0,9 g/cm3. Das Tröpfchen trägt 6 negative Elementarladungen. Geben Sie an, wie die Platten gepolt sein müssen, welche Spannungen an den Platten anliegen muss, wie groß die elektrische Feldstärke im Kondensator ist und wie groß die elektrische Kraft auf das Öltröpfchen ist?

 

 

3.Aufgabe: Ein Plattenkondensator besteht aus zwei kreisförmigen Metallplatten mit dem Radius r=10 cm.

a) Der Plattenabstand wird auf d = 3 mm eingestellt. Wie groß ist die elektrische Feldstärke des homogenen Feldes zwischen den beiden Platten und wie groß ist die Ladung auf den Platten, wenn die Spannung U = 400 V angelegt wird?

b) Wie verändern sich Feldstärke und Ladung, wenn der Plattenabstand ohne Abschaltung des Kondensators von der Spannungsquelle verdoppelt wird und das Feld weiterhin als homogen angesehen wird?

c) Wie verändern sich Feldstärke und Ladung, wenn der zunächst bei U = 400 V aufgeladene Kondensator von der Spannungsquelle abgeschaltet und dann der Plattenabstand auf die Hälfte des ursprünglichen Abstands eingestellt wird? Wie ändert sich dabei die Spannung zwischen den Kondensatorplatten?

 

 

Physikalische Konstante

 

g = 9,81                       Elementarladung: e = 1,6 × 10-19 C

o = 8,8510-12            Masse des Elektrons: me = 9,1 × 10-31 kg

 

Bahngleichung des Elektronenstrahls in einer Braunschen Röhre am Ende des Ablenkkondensators((PhysikAbiturAufgaben 3.12 Seite 56)

 

 

 

 


                                     

 

 

 

 Viel Erfolg!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Lösung:

 

1.Aufgabe: a)Siehe PowerPoint-Einführung

b)Uy und y sind proportional, wenn die anderen Größen konstant sind. Also: Uy2=5/1.5*45 = 150 V.

Die Spannung Uy ist dann 150 V.

 

Die Kraft berechnet sich nach: Fel = e * U/d = 1.6*10-19 100/0.01 = 1,6*10-15 N

Die Beschleunigung berechnet sich mit Hilfe der Gleichung: me*a = e*U/d. Diese Gleichung wird nach a aufgelöst, eingesetzt ergibt sich: a = 1,758*1015 m/s2

Die Geschwindigkeit erhält man durch den Energieerhaltungssatz: e*U = ½ m*v2.

v0 = 1,875*107 m/s

Die Zeit berechnet sich aus v0 = s/t: t = 2,133*10-9 s

Die Ablenkung am Ende des Kondensators berechnet man mit der angegebenen Formel: 

 

Es ergibt sich für y(l= 0,04m) = 0,004 m = 4 mm.

 

 

c) Bahnkurve:

doppelte Masse: keine Veränderung

doppelte Ladung: keine Veränderung

doppelte Ladung und doppelte Masse: keine Veränderung

Begründung: In der Formel für die Bahnkurve tauchen die Größen Ladung und Masse nicht auf.

 

Zeitlicher Ablauf

doppelte Masse: kleinere Anfangsgeschwindigkeit, größere Zeit

doppelte Ladung:  größere Anfangsgeschwindigkeit, kleinere Zeit

doppelte Ladung und doppelte Masse: gleiche Anfangsgeschwindigkeit  (der Faktor 2 hebt sich auf), damit gleiche Zeit

 

Damit ist klar, dass man dadurch durch den Verlauf der Bahn keine unterschiedlichen Massen/Ladungen bestimmen kann.

 

d)Mit Hilfe des Energieerhaltungssatzes kann v bestimmt werden. Für die Spannung muss aber 7200 V*8/9 eingesetzt werden. Also: q*U = ½ m v2 Þ v = 0,8 m/s.

Die erforderliche Zeit lässt sich aus den Gleichungen für die gleichmäßig beschleunigte Bewegung ermitteln. s(t)= ½ a t2 und v(t) = a * t. Setzt man die entsprechenden Werte ein, so ergibt sich: a = 4 m/s2 und t = 0,2 s

 

e) Fel = q U/d und FG = m * g

Fel = 0,000036 N und FG = 0,0000981. Das ergibt einen Prozentsatz von:

0,000036 N / 0,0000981 N » 36,7 %

 

 

 

 

2.Aufgabe: a) und b) Siehe PowerPoint-Einführung

c) Aus der Gleichung Fel = FG erhält man: Löst man diese Gleichung nach q auf und beachtet, dass die Dichte in kg/m3 angegeben werden muss, so erhält man: q=6,39*10-19 C.

 

d ) man benutzt wieder dieselbe Gleichung, löst jetzt aber nach U auf und erhält:

U = 5074 V.

Die elektrische Feldstärke ergibt sich: E = U/d = 845 673 V/m

 

3.Aufgabe: a) Mit Hilfe der Formel zur Berechnung der Kapazität erhält man: C = 9,2677*10-11 F = 92,677 pF. Die elektrische Feldstärke ist: E = U/d = 133 333 V/m, die Ladung ist Q = C * U =3,707*10-8 C = 37,07 nC.

 

b)Die Spannungsquelle bleibt angeschaltet, d.h. U = const. Q = C * U bedeutet für Q, dass sich Q mit C (d wird  verdoppelt) halbiert. Das elektr. Feld halbiert sich E = U/d  (U bleibt konstant, d verdoppelt sich)

 

c)Abschaltung der Spannungsquelle bedeutet, dass Q konstant ist. Da der Plattenabstand halbiert wird, verdoppelt sich C und damit muss sich U halbieren. Die elektr. Feldstärke E = U/d bleibt unverändert.