Lösungen zu den Rechenaufgaben vom 29.11. und 2.12.

Hier die Aufgaben von Zyklotron, Hall-Sonde, Magnetnadel in der Spule

Übungen für die Zweistündigen

Die gleichen habe ich auch den Vierstündigen gegeben. Lösungen findet ihr in Einträgen weiter unten:

In http://viererphysik.blogspot.de/2013/11/alte-klausur-nr-1.html betreffen euch die drei ersten Antworten, aber nicht die beiden letzten.

In http://viererphysik.blogspot.de/2013/11/ubungsblatter-vom-811.html betreffen euch die Abschnitte Feldlinien, Feld-Spannung-Potential 1 und 2, Kondensatoren 1 und 2.

am kommenden Freitag, 15.11.,

bin ich auf einer Fortbildung. Ihr könnt also nach der anstrengenden Klausur zwei Stunden länger schlafen.

Wenn ihr Fragen habt ...

... gerne Kommentare zu den Einträgen machen. Ich versuche dann zeitnah zu antworten.

Komet Ison

Der Komet Ison geht derzeit etwas vor der Sonne auf.
Heute früh konnte man um kurz vor 6 MEZ etwa dieses Bild beobachten.

Mars war deutlich orange leuchtend im Südosten, Ison mit einem Fernglas sichtbar links unterhalb davon mehr in Richtung Sonne. Hier im Bild ist die Sonne noch unter dem Horizont, dort wo sich die Geraden durch die beiden Kometenschweife schneiden.

Ison soll noch heller werden gegen Ende November, dann an der Sonne vorbeiziehen und beim Weg weg von der Sonne größer sein und abends nach Sonnenuntergang zu beobachten. Weitere Einzelheiten auf http://www.komet-ison.de/komet-ison.htm

Alte Klausur Nr. 1

Elektrisch aufladen

Luftballon an Haaren oder Pullover reiben. Elektronen werden vom Gummi "mitgerissen", der Ballon wird negativ aufgeladen.

Elektrisches Feld

1. Auf der der anderen Ladung zugewandten Seite ist stäkere Ladung, weil sie mehr angezogen wird.
2. Dort ist deshalb auch das Feld stärker, denn sigma = eps0*E
3. Kennt ihr von den Grieskörnern, achtet drauf, dass die Feldlinien dichter sind, wo das Feld stärker ist.
4. Die Feldstärken von beiden Kugeln addieren sich. Nimm sie als punktförmig an und setze ein in Coulomb.
   
   100V/m = 2 * 1/(4 pi eps0) Q/(0,05m)²  nach Q umstellen.

Spannung am Kondensator

1. A: Q, sigma und E bleiben gleich. U nimmt zu.
   B: U bleibt gleich. E, sigma und Q nehmen ab.
2. Q = CU = eps0 A/d U einsetzen.
3. Platten annähern, Platten größer machen (naja, vielleicht was dranlöten) ein Dielektrikum zwischen die Platten, z.B. Plexiglasplatte.

Kapazität

Doppelschicht
------------------------------------------------------- Alu
************************************* Kunststoff
--------------------------------------------------------Alu
************************************* Kunststoff
und dann zylindrisch aufwickeln. Seitlich was rausstehen lassen, wo man Drähte anschließen kann. So tragen en die Alufolien auf beiden Seiten Ladung (bis auf die Äußere in der äußersten Wicklung). Die Fläche ist dann A= 2*20*0,3m² = 12m² und C= epsr eps0 A/d = 2,5 * 8,9e-12 * 12 / 0,0001 F.

Stromstärke und Ladung

1. Q = 2,7A * 3600 s
2. Ein Akku W = Q U  und dann das Vierfache, weil vier Akkus.
3. Eine LED hat Leistung p=2,4V*0,02A=0,048W. Teile die Gesamtenergie durch die 0,048 Watt und du bekommst die Leuchtdauer.

                  

Übungsblätter vom 8.11.

Feldlinien

1. Sie echneiden sich nicht, weil an jedem Punkt die Richtung eindeutig festgelegt ist durch den Vektor E. Es kann nur in eine Richtung gehen, bei einer Kreuzung gäbe es zwei.
2. Auf der Oberfläche des Leiters werden Ladungen so lange verschoben, bis im Gleichgewicht die elektrische Kraft keine horizontale Komponente mehr hat. Dann ist sie orthogonal zur Oberfläche.
3. Außen werden Ladungen so verschoben, dass das Innere Feldfrei ist. Das Auto ist ein Faraday-Käfig.

Feld, Spannung, Potential

1. Skizze hattet ihr alle gut.
2. W = E*q*s = 0,06*0,01*0,4 J. Beim 45°-Winkel zählt nur die Komponente parallel zum Feld. Man muss noch mit cos(45°)=1/sqrt(2) multiplizieren.
3. Coulomb-Potential Phi(r) = 1/(4 pi eps0) Q/r
   Doppelter Abstand bedeutet halbees Potential, halber Abstand doppeltes Potential. Also sind die Ringe 20V (innen) und 5V (außen zwischen 10V und 2,5V

Kondensatoren

1. Berechne für jede Spannung C=Q/U. Nimm dann den Durchschnitt der vier Werte. Man erhält etwa 120mF und 60mF. 
2. Abklingzeit ist RC=5s. Also 5=10*e^(-t/5s) auflösen zu t=5s*ln(2) =3,5s. Die anderen Zeiten sind dann das Doppelte bzw. Dreifache davon: 6,9s und 10,4s.
3. Wieder Coulombpotential  Phi = 1/(4 pi eps0) Q/r = U entspricht auch der Spannung gegenüber unendlich entfernten Punkten.
   Dann C = Q/U = 4 pi eps0 r.

Ladungsträger im E-Feld

1. Parabel wie waagrechter Wurf, wenn E-Feld orthogonal,
   gerade beschleunigt wie nach unten geschmissen, wenn parallel zum Feld,
   gerade abgebremst und zurückfallend wie Wurf nach oben, wenn entgegen dem Feld,
   schiefe Parabel wie schiefer Wurf, wenn beliebiger Winkel
2. U e = 1/2 m v^2 umstellen zu v = sqrt(2 U e/m)

Abnahmen

Die exponentielle Abnahme bei einer linearen Differentialgleichung kennen wir: So haben sich unsere Kondensatoren über einen Ohm-Widerstand entladen. Verschiedene Formen sind in dieser Tabelle verglichen.

Die Wirkung starker elektrischer Felder

hat mich überrascht. Gestern in der Süddeutschen Zeitung gelesen.

Übungen zum E-Feld, Blatt 2

1. C=4.70e-4F, U=10V, R=2.20e5Ohm
a) T=R*C=103s
b) U(t) = 10V*e^(-t/103s)
c) Gleichsetzen = 5V gibt als Lösung die Halbwertszeit T_(1/2) = 103s * ln(2) = 71.7s
neuer, unbekannter Widerstand
d) 90s=4.70e-4F*R=1.91e5Ohm
e) I(0)=U(0)/R=5.2e-5A
f) I(t)=5.2e-5A*e^(-t/90s)
neue, unbekannte Bauteile.
g) R=U(0)/I(0)=4.0e3Ohm
    T_(1/2) = R*C * ln(2) bzw. C=40s/(ln(2)*4.0e3 Ohm) = 1.44e-2F

2. Propanol hat größere Moleküle als Ethanol. Sie sind weniger beweglich, passen sich weniger gut an ein E-Feld an. Wassermoleküle sind kleiner als die von Ethanol, außerdem ist ihre Polarität stärker. Passen sich besser an das E-Feld an. Je mehr ein Medium polarisiert wird, desto größer ist eps_r.

3 C=eps0*eps_r*A/d =1.1e-7F
  BEI DEN ALUFOLIEN HABE ICH NICHTS ÜBER DIE GRÖSSE GESAGT. Nehmen wir an, sie sind gleich groß wie die Platten. Man kann sich überlegen, dass sich dabei die DOPPELTE Kapazität ergibt, weil jede Alufolie auf BEIDEN Seiten ein elektrisches Feld hat. Man braucht beim Wickeln die doppelte Menge Plastikfolie.

Übungen zum E-Feld, Blatt 1

1. Quadratische Kondensatorplatten: U=1.0e3V, sigma=1,9e-7 C/m², Quadrat mit Kanten a=0.28m
a) Q=a*a*sigma=1.5e-8C
b) E=sigma/eps0=2.15e4 V/m
c) F=Q*E=3.2e-4 N
Kügelchen: Ich habe die Ladung neu korrigiert, damit was "schöneres" rauskommt. Q=1.0e-8C
d) F=Q*E=2.15e-4 N
e) G=m*g= 1.96e-3 N
f) tan(alpha)=F/G und damit alpha=6.26°

2. Geladene Kugel: r=0.05m und Q=2.0e-8C
a) A=4*pi*r²=3.14e-2m²
b) sigma=Q/A=6.37e-7 Q/m²
c) E=sigma/eps0=7.19e4 V/m
d) Kommt auf den selben Wert. Rotationssymmetrische Ladungsverteilung wirkt von außen so, als wäre die gesamte Ladung im Mittelpunkt konzentriert.

3. E=1/(4*pi*eps0) Q/r² = 4.5 V/m

4. Grieskörner in Öl zwischen Elektroden. Zeigt Form der Feldlinien aber nicht die Richtung. Indirekt ginge auch der Versuch mit dem mit Salzwasser getränkten Papier.

Tafelanschrieb

Hier aus der Woche vom 7. Oktober

Entladen eines Kondensators und Exponentialfunktion

Arbeitsblätter zum Kondensatorversuch und zum mathematischen Hintergrund.

Notizen zum Tafelanschrieb

Hier meine Aufzeichnungen zum Tafelanschrieb, gescannt als PDF, zu den ersten beiden Wochen
Teil1, Teil2 und Teil 3

Leifi in München

Die seiten von Leifi von den Münchner Physikdidaktikern haben auch einiges zu unserem derzeitigen Kapitel über Ladungen und Felder.

Die schönen Applets von Paul Falstad haben auch eins zur Elektrostatik in drei Dimensionen.

Neue Kurse

Ab jetzt gibt es Mitschriebe, Informationen, Aufgaben und Lösungen für die neuen Kurse ab Herbst 2013.