Physik Klausur zum Thema Induktion und Fotoeffekt PDF

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Zusammenfassung und Vorbereitungshilfe für eine Oberstufenklausur in Physik zum Thema Induktion und Fotoeffekt. Es werden die wichtigsten Punkte ausführlich und graphisch erklärt....

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Physik Klausur am 10.05.19 Zwei Klausuraufgaben zu Induktionsspannung und äußerer Fotoeffekt. •

Definition der magnetischen Flussdichte B (Magnetfeldstärke) → Stromwaage ◦ Lorentzkraft ( B⋅q⋅v ) ▪ Kraft die auf den Ladungsträger im Magnetfeld wirkt ▪ Bedingungen: bewegte Ladung, Magnetfeld ▪ Lorentzkraft ~ Stromstärke → F ~ I ▪ Lorentzkraft ~ wirksame Leiterlänge → F ~ l ◦ Linke-Hand-Regel ▪ Daumen = Strom ▪ Zeigefinger = Magnetfeld ▪ Mittelfinger = Lorentzkraft (senkrecht zu mag. Feldlinien) ◦ Resultat ▪ größeres I → größeres F/größeres l → größeres F → B= ▪ B = magnetische Flussdichte in [B] = 1

F I⋅l

N = 1T = 1 Tesla Am

▪ gibt an wie stark das Magnetfeld ist ▪ Kraftpfeil ist ein Vektor ▪ Stromwaage •

•

Nachweis über die lineare Abhängigkeit der Kraft von Leiterlänge und Stromstärke (Abb. 1)

Hall-Effekt (nur Prinzip, keine Hallkonstanten) ◦ Hall Sonde misst magnetisches Feld ▪ kleiner Block aus leitendem Material (z.B. Kupfer), an elektr. Strom angeschlossen, Magnetfeld geht in den Block (Abb. 2) ◦ bewegte Elektronen werden von Lorentzkraft an eine Seite gedrückt → Elektronenüberschuss → baut sich elektr. Feld auf → Kräfte wirken sich entgegen ◦ es entsteht Kräftegleichgewicht zwischen Lorentz- und Elektrischer Kraft → Elektron erfährt in Summe keine Kraft ◦ elektr. Feld baut sich so lange auf bis F el =F Lorentz ◦ so ist dann das B-Feld: B= I =n⋅e⋅v )

•

U (d = Breite der Hall Sonde; v aus d⋅v

Abb. 1: Versuchsaufbau: Stromwaage

Abb. 2: Hall Sonde

e -Bestimmung m ◦ Die spezifische Ladung eines Elektrons ist der Quotient aus der Elementarladung e und der seiner Masse m.

◦ Herleitung: ▪

▪

◦

2 m⋅v r 2 m⋅v e⋅B= ⋅v r m⋅v e= r⋅B e v = m r⋅B

e⋅V⋅D =

√

2⋅U B⋅ e e m = ⋅B m r e 2⋅U B⋅ e2 m ⋅B 2 = 2 2 r m e 2⋅U B = m r 2⋅B 2

|: V |: B |: m

| * x2 |: e m me = 9,11⋅10−31 kg

e -Bestimmungsexperiment m ▪ Wie schwer ist ein Elektronen? ▪ r = 0,05 m; B = ?; U B = 140 V 2⋅140 V ▪ =138271,6049 2 2 ( 0,9mT )⋅0,05 m C 2⋅140V =1,3827 1011 2 2 kg ( 0,0009mT ) ⋅(0,05 m )

◦ Es ist eine Naturkonstante, die folgenden Wert hat:

•

e = 1,758820⋅10 11 C⋅kg−1 me

Magnetfeld im Inneren einer langen Spule ◦ Anwendung des Ampereschen Durchflutungsgesetztes ▪ s⋅B= 2 π ⋅r⋅B ( r)= μ 0 Vs n µ 0 =4 π⋅10−7 ◦ B=µ0⋅ ⋅I in T = magnetischen Feldkonstante l Am ◦ Definition Ampere (alt) ▪ Fließt durch zwei unendlich lange Kabel mit einem zuvernachlässigendem Durchmesser, die in einem Abstand von 1 m parallel zueinander verlaufen, jeweils ein Strom der Stromstärke 1 A dann üben die Kabel eine Kraft von 2⋅10−7 N pro 1 m Kabellänge aus.

•

Einfluss magnetischer Flussdichte ◦ Längs eines beliebigen Weges um eine stromdurchflossenen Leiter entspricht das Produkt aus der Länge des Weges und der durchschnittlichen magnetischen Flussdichte längs dieses Weges dem Produkt aus der magnetischen Feldkonstante und der Stromstärke des der im Leiter fließt.

◦ UInd ≈n A⋅B˙ , durch zeitliche Veränderung der mag. Flussdichte, die die Induktionsspule durchzieht, wird eine Spannung indiziert. ˙ , durch zeitliche Veränderung der von der mag. Flussdichte (orthogonal) ◦ U Ind ≈n A⋅B durchdrungenen Fläche wird eine Spannung zwischen den Anschlüssen der Induktionspule indiziert.  ◦ Φ=A ∘ B U ind=−n⋅Φ ◦ Der Spannungsverlauf kann als zeitliche Ableitungsfunktion des Stromstärkenverlaufs betrachtet werden U Ind (t ) ~ I (t ) ◦ Ein Elektron erfährt im elektr. Feld die Kraft U F el =e⋅E= e⋅ d ▪ Die Spannung steigt an bis ein Kräftegleichgewicht eintritt. F el =F Lorentz ◦ Induktion von Spannung in eine im Abb. 3: Induktion Magnetfeld rotierende Spule ▪ Bei waagerechter Ausrichtung der rotierenden Spule max. Wert der Geschwindigkeitskomponente V┴ → max. Spannung •

Äußerer Fotoeffekt ◦ Versuch ▪ Der Photoeffekt beschreibt das Herauslösen von Elektronen aus einem Metall durch Photonen, also durch Bestrahlung mit Licht. (Abb. 3) ▪ Ein Glas-Stab wird durch Reibung positiv aufgeladen, d.h. auf dem Stab herrscht Elektronenmangel. Wird der Stab nun an die Zinkplatte gehalten versuchen die Elektronen das Ladungsverhältnis auf dem Stab auszugleichen, indem sie auf ihn überspringen. Daraufhin herrscht Abb. 4: Versuchsaufbau: Äußerer auf der Platte ein Überschuss an positiver Ladung, Fotoeffekt das Elektrometer schlägt aus. Nun wird die Platte mit dem Licht einer Quecksilberdampflampe bestrahlt. Es ist keine Ladungsveränderung mehr zu beobachten, da sich keine Elektronen auf der Platte mehr befinden und daher auch keine herausgelöst werden können. ▪ Der UV-Anteil des von der Hg-Lampe emittierten Lichts verursacht die Entladung der Zinkplatte. ▪ Einsteins Erklärung Das Licht wird als Strahl von Photonen betrachtet, die beim stoß mit Elektronen ihre Energie an diese abgeben. Je größer die Frequenz des Lichts, desto größer die Energie, die das Photon abgeben kann: E=h⋅f ▪ h → plancksches Wirkungsquantum mit der Einheit 1 J/s ◦ Lenzsche Regel ▪ Die durch den Induktionsstrom verursachte Lorentzkraft wirkt immer der der Induktionsstrom verursachenden Kraft entgegen. ▪

U ind=−n⋅Φ zu zeitlicher Abstimmung (best. Zeitpunkt)...