Physik Sexl 6 RG, Schulbuch

groß ist die Stromstärke? 72 Ein K + - Ion hat einen Radius von etwa 10 –10 m . Wie groß ist die Kraft auf ein Elektron bei diesem Abstand vom Kern? Stelle die Abnahme dieser Kraft grafisch dar, wenn der Abstand schrittweise auf 10 –9 m vergrößert wird. Beschreibe das Ergebnis! 73 Eine Wolke befindet sich 420m hoch über der Erdoberfläche. Sie hat eine Fläche von 10 5 m 2 . Zwischen Wolke und Erde befindet sich ein elekt- risches Feld mit der Feldstärke 2 · 10 5 V/m . a) Wie groß ist die Spannung zwischen Wolke und Erdboden? b) Wie groß ist die elektrische Ladung der Wolke? 74 Ein Elektron ( m e = 9 · 10 –31 kg ) durchläuft die Spannung U = 220V . Welche Energie und welche Geschwindigkeit hat es, wenn es anfänglich in Ruhe war? 75 Ein Kondensator hat eine Fläche A = 1m 2 und einen Plattenabstand s = 10 –6 m . Zwischen den Platten befindet sich Aluminiumoxid ( ε r = 10 ). a) Berechne die Kapazität dieses Kondensators. b) Welche Spannung liegt am Kondensator, wenn er die Ladung Q = 10 –4 C bzw. Q = 1 C trägt? 76 Welche Ladung wird durch Anschluss einer Hochspannungsquelle mit 10 kV zwischen den Platten eines Plattenkondensators verschoben, die bei 1m 2 Fläche einen Abstand von 10 cm haben? Welche Stromstärke könnte 1ms lang erreicht werden? Überlege, ob Kondensatoren als Ladungsspei- cher für die Energietechnik brauchbar sind. 77 Wie groß ist die Kapazität eines handlichen Plattenkondensators ( A = 0,01m 2 , d = 1 cm )? Vergleiche mit technischen Kondensatoren. 78 Die Spannung einer Gewitterwolke in etwa 3 km Höhe beträgt gegen den Erdboden rund 30Mio.Volt . Die Feldstärke von ca. 10 4 V/m reicht für eine Ionisierung der Luft nicht aus. Wegen der Turbulenz der Luftmas- sen ist die Ladungsverteilung an der negativen Unterseite der Wolke nicht gleichmäßig, so dass lokal Feldstärken von 10 7 V/m erreicht werden. Es kommt zu einem Blitzüberschlag zwischen Wolkenteilen oder zum Erd- boden. Zeige, dass bei diesen Feldstärken die Flächenladung rund 10 –4 C/ m 2 beträgt. Wenn ein Blitz die Ladung einer Wolkenfläche von rund 10 5 m 2 in etwa 1ms abführt, wie groß sind abgeführte Ladung und Stromstärke? 79 Berechne die Kapazität eines Folienkondensators (Fläche 1m 2 , ε r = 2, Dicke der trennenden Folie 0,05mm 2 ). 5 Elektrischer Strom und Magnetfeld 80 Eine Zylinderspule hat bei 40 cm Länge 1000 Windungen. Sie wird von 0,10A durchflossen. Die Permeabilität des Eisenkerns beträgt µ r = 1200 . Wie groß ist die Flussdichte B a) im Innern der luftgefüllten Spule? b) im Innern der eisengefüllten Spule? 81 Die Flussdichte eines homogenen Magnetfeldes beträgt B = 50mT . a) Ein Elektron ( m = 9 · 10 –31 kg ) bewegt sich mit der Geschwindigkeit v = 10 7 m/s senkrecht zu den Feldlinien. Wie groß ist der Radius der Bahn? b) Welchen Radius hätte die Bahn eines α -Teilchens gleicher Energie? ( m = 6,6 · 10 –27 kg ; q = 3,2 · 10 –19 C ). 82 Durch die Wicklungen der supraleitenden Magnete des LHC fließen Ströme von ca. 12000A . Welche Kraft wirkt auf die Drähte pro Meter, wenn der Magnet ein B -Feld von 8 T erzeugt? 61 An einem Schiebewiderstand ( 30 cm lang) soll eine Spannung von 5V abgegriffen werden. Am Widerstand liegt eine Spannung von 12V . Wo muss der Schieber stehen? 62 In einem 5V Stromkreis soll ein LED-Lämpchen (Betriebsspannung 2V ) bei einer Stromstärke von 0,02A betrieben werden. Mit welchem Vorwi- derstand R muss es in Serie geschaltet sein. 63 Die Pole einer Spannungsquelle von 100V werden über den Widerstand R 1 = 498 Ω und einen Widerstand von R 2 = 2 Ω in Serie miteinander ver- bunden. Parallel zu R 2 wird ein Voltmeter mit Widerstand R 3 = 1M Ω ange- schlossen. Wie groß ist die Stromstärke durch das Gerät? 64 An einer Gleichspannungsquelle (230V) wird ein Gerät mit R = 11,5 k Ω betrieben. a) Wie groß ist die Stromstärke? b) Welche Stromstärke zeigt ein Amperemeter im Stromkreis, das einen inneren Widerstand von 200 Ω hat? Wie ändert sich die Stromstärke durch das Messgerät? 65 Ein 1200W -Föhn ist an 230V angeschlossen. Wie groß ist der Wider- stand des Gerätes? 66 Elektrokochplatten werden oft mit sog. 7-Taktschaltungen gesteuert. Sie enthalten drei Widerstände, die in der niedrigsten Leistungsstufe in Serie, in der höchsten Leistungsstufe parallel geschaltet sind. Berechne für die Widerstandswerte R 1 = R 2 = 212 Ω , R 3 = 106 Ω den Gesamtwiderstand, die entsprechenden Stromstärken und Leistungen bei der Spannung 230V a) für die niedrigste, b) für die höchste Heizstufe. 67 Ein Batterieladegerät weist bei einer Ausgangsspannung von 12V einen Ladestrom von 6A auf. a) Wie groß ist seine Leistung? b) Welche Arbeit wird beim Aufladen innerhalb von 3h verrichtet? 68 Ein elektrisches Heizgerät hat eine Leistung von 1800W . Wie hoch ist der monatliche ( 30 Tage ) Energiebedarf, wenn es täglich 8h eingeschaltet ist. 4 Elektrisches Feld 69 Zwei gleich große Ladungen stoßen einander in einem Abstand r = 0,1m mit einer Kraft F = 10 –2 N ab. Wie groß sind die Ladungen? 70 Eine Ladung Q 1 = 1 C hat den Abstand r = 1m von der Ladung Q 2 = 10 –10 C . a) Wie groß ist die Kraft auf die Ladung Q 1 ? b) Wie groß ist die Kraft auf die Ladung Q 2 ? 71 Im Wasserstoffatom beträgt der Abstand zwischen Atomkern und Elektron rund 10 –10 m . Der Atomkern (ein Proton) trägt eine Ladung Q = 1,6 · 10 –19 C . Das Elektron hat eine gleich große negative Ladung. a) Wie groß ist die elektrische Anziehungskraft zwischen Atomkern und Elektron? b) Wie groß ist die Gravitationskraft zwischen Atomkern und Elektron, wenn deren Massen m K = 1,7 · 10 –27 kg und m e = 9 · 10 –31 kg betragen? c) In welchem Verhältnis stehen die beiden Kräfte? d) Nach dem Rutherford’schen Atommodell bewegt sich das Elektron auf einer Kreisbahn um den Kern. Welche Bahngeschwindigkeit musste Rutherford für das Elektron annehmen? e) Die Bewegung des Elektrons stellt einen kleinen Kreisstrom dar. Wie Antworten zu den Testfragen Es werden nur jene Lösungen angegeben, die nicht unmittelbar aus dem Textteil hervorgehen. Erhaltungssätze 1 Impuls 15.1 Richtig: c 15.2 Richtig: d 15.3 Richtig: d 15.4 Richtig: b 15.5 Richtig: a 15.6 Richtig: b 2 Drehimpuls 25.1 Kraft mal Kraftarm = Last mal Lastarm–vielleicht, es kommt vor al- lem auf das Massenverhältnis von Tochter und Vater an. 25.2 Fall 1 : Die Kreisscheibe rotiert nicht um die eigene Achse. Alle ihre Punkte verschieben sich auf einer Kreisbahn. Fall 2 : Die Kreisscheibe rotiert während eines Umlaufs auf dem Kreis ein- mal um ihre eigene Achse – wie der Mond um die Erde. 25.3 c ist richtig 25.4 b ist richtig 25.5 c ist richtig 25.6 b ist richtig 25.7 c ist richtig 25.8 Der Versuch von L ÉON F OUCAULT fand 1851 in Paris statt: Er verwende- te ein langes schweres Pendel (eine Pendelkugel von 28 kg an einem Seil mit 67m Länge). Wenn das Pendel schwingt, merkt man bereits nach ei- nigen Minuten, dass sich die Schwingungsebene des Pendels relativ zum Erdboden dreht. Die Drehung ist von der geografischen Breite abhängig. Am Pol schwingt es in einer gegenüber den Fixsternen festen Ebene, die Erde dreht sich unter dem Pendel. Am Äquator dreht sich die Schwin- gungsebene des Pendels überhaupt nicht. 25.9 c ist richtig 25.10 c ist richtig 25.11 b ist richtig 25.12 c ist richtig. Bei der Erde bewirken die Gezeitenkräfte von Mond und Sonne ein Drehmoment, das zur Präzession der Erdachse führt. Für einen vollen Umlauf benötigt die Erdachse etwa 25800 Jahre. Dieser Zeitraum 118 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv