Kontrollfragen Profilkurs
Die hier formulierten
Fragen berühren einen großen Teil des im Rahmen einer Abiturprüfung
abgeforderten Wissens. Sie zeigen den Umfang des zu erlernenden Stoffs auf,
ohne jedoch auf alle Aspekte einzugehen. Oftmals ist zu ihrer Beantwortung eine
ausführliche Darlegung eines Themenkomplexes erforderlich. Ein Anspruch auf
Vollständigkeit besteht jedoch nicht.
Thema 3: Felder
3.1 Statisches elektrisches Feld
1. Definieren Sie den Begriff „Feld” allgemein und
spezialisiert auf das elektrische Feld. Nennen Sie wesentliche Eigenschaften
von physikalischen Feldern.
2. Definieren Sie die Größen „Elektrische Ladung”
und „Elektrische Feldstärke”.
3. Erläutern Sie Aufbau und Funktionsweise eines
Elektrometers.
4. Was versteht man unter „elektrischen
Feldlinien” ? Gehen Sie dabei auch auf die Darstellung verschiedener Felder und
die Begriffe „homogenes” und „inhomogenes” Feld ein.
5. Welche Eigenschaften elektrischer Felder werden
vom Feldlinienmodell nicht erfasst?
6. Sprechen Sie über die Herkunft von elektrischen
Ladungen.
7. Was versteht man unter „Elementarladung”?
8. Erläutern Sie den Zusammenhang zwischen
elektrischem Strom und elektrischen Ladungen.
9. Formulieren Sie das Coulomb’sche Gesetz.
Interpretieren Sie die Gleichung hinsichtlich ihrer Aussage, der Bedeutung der
darin vorkommenden Größen und ihrer Gültigkeitsbedingung.
10. Leiten Sie eine Beziehung zu Berechnung der
Feldstärke in der Umgebung einer Punktladung her.
11. Erläutern Sie, warum Feldlinien immer senkrecht
aus Metalloberflächen austreten.
12. Erklären Sie, warum neutrale Staubkörner von
elektrisch geladenen Körper angezogen werden.
13. Wie berechnet sich die Arbeit beim Verschieben
einer Punktladung im elektrischen Feld (ohne Verwendung des Potentials) a) allgemein
b) im homogenen Feld ?
14. Erläutern Sie, warum die Arbeit zum Verschieben
einer Ladung im elektrischen Feld vom Punkt P1 zum Punkt P2 nicht vom Weg abhängt, auf dem die
Ladung verschoben wird.
15. Definieren Sie die Größe „elektrisches
Potential”. Welchen Vorteil bringt die Verwendung dieser Größe?
16. Geben Sie die Gleichung zur Berechnung des
Potentials in einem Radialfeld an. Aus welchen Grund legt man den
Potentialnullpunkt oft ins Unendliche?
17. Wie berechnet man die Arbeit beim Verschieben
einer Punktladung im Radialfeld? Was bedeuten die in der Gleichung vorkommenden
Größen?
18. Zeigen Sie, dass die Größen „elektrische
Spannung” und „elektrisches Potential” einander äquivalent sind.
19. Leiten Sie eine Gleichung ab, die es ermöglicht
die Arbeit zu berechnen, die zum Verschieben einer Punktladung q im homogenen
Feld der Stärke E um eine Strecke s entlang der Feldlinien notwendig ist.
20. Zeigen Sie, dass für die Feldstärke im
homogenen Feld eines Plattenkondensators gilt: E = U/d.
21. Zeigen Sie, dass man die kinetische Energie,
die ein Ladungsträger der Ladung q erhält, nachdem er in einem elektrisches
Feld beschleunigt wurde, mit der Beziehung EKin =
U·q berechnen kann, wobei U die
felderzeugende Beschleunigungsspannung ist.
22. Erläutern Sie, warum die kinetische Energie
nach Beschleunigung eines Ladungsträgers q durch ein elektrisches Feld der
Spannung U ( EKin = U·q ) nicht von der Feldgeometrie
(homogenes oder inhomogenes Feld, Abstand zwischen Anode und Kathode) und nicht
von der Masse des Ladungsträgers abhängt.
Ergänzungsfrage (nicht mehr in den Rahmenrichtlinien)
E1. Grenzen Sie die Begriffe „Polarisation” und
„Influenz” voneinander ab. Gehen Sie dabei auch auf die Feldstärke im Inneren
des Körpers und den Begriff „Faradayscher Käfig” ein. Beschreiben Sie ein
Experiment, mit dem man Polarisation und Influenz zeigen kann.
3.2 Kondensatoren und ihre Anwendung
1. Was ist ein Kondensator? Nennen und beschreiben
Sie zwei verschiedene Kondensator-Bauformen!
2. Was versteht man unter Kapazität eines
Kondensators?
3. Wie berechnet sich die Kapazität eines
Plattenkondensators. Welche Gültigkeitsbedingung muss für diese Gleichung
erfüllt sein?
4. Zeichnen Sie eine Schaltung, mit deren Hilfe
man die Auf- und Entladekurve eines Kondensators aufnehmen kann. Skizzieren Sie
den zeitlichen Verlauf von Spannung und Stromstärke beim Auf- und Entladen
eines Kondensators.
5. Nennen Sie zwei Anwendungsmöglichkeiten für
Kondensatoren!
6. Beschreiben Sie ein Experiment, mit dem man
zeigen kann, dass ein Kondensator Ladungen speichert.
7. Erläutern Sie, warum ein elektrisches Feld
Träger von Energie sein muss.
8. Beschreiben Sie die Bewegung eines Elektrons
der Anfangsgeschwindigkeit v0, das in ein homogenes elektrisches
Feld eintritt. Unterscheiden Sie dabei zwischen Eintritt senkrecht zu den
Feldlinien, Eintritt parallel zu den Feldlinien in Feldrichtung und Eintritt
parallel zu den Feldlinien entgegen der Feldrichtung. Der Einfluss weiterer
Felder (Gravitation, Erdmagnetfeld) ist zu vernachlässigen.
9. Leiten Sie eine Gleichung her, mit der man die
Geschwindigkeit eines Ladungsträgers, der durch ein elektrisches Feld der
Spannung U beschleunigt wurde, berechnen kann.
10. Erläutern Sie Aufbau und Funktionsweise einer
Braunschen Röhre.
11. Beschreiben Sie den Millikanversuch
(Schwebemethode und Betrachtung eines fallenden Tröpfchens mit Vorgabe der
Stokeschen Reibung) hinsichtlich Zielstellung, Versuchsaufbau, Durchführung,
Ergebnis und Interpretation des Ergebnisses. Nennen Sie die wesentlichen
experimentelle Schwierigkeiten der Schwebemethode, die mit der zweiten Variante
umgangen werden können.
Zusatzfragen - nicht
mehr in den Rahmenrichtlinien
Z1. Leiten Sie die Gleichungen zur Berechnung der
Gesamtkapazität einer Reihenschaltung und einer Parallelschaltung zweier
Kondensatoren ab.
Z2. Beschreiben Sie ein Experiment, mit dem man
zeigen kann, dass die „inneren” Platten einer Reihenschaltung zweier
Kondensatoren ebenfalls Ladungen tragen.
Z3. Geben Sie physikalische Gründe dafür an, dass
die „inneren” Platten einer Reihenschaltung zweier Kondensatoren ebenfalls
Ladungen tragen.
Z4. Erläutern Sie, warum die Ladungen auf allen
Platten einer Reihenschaltung von Kondensatoren betragsmäßig gleich groß sein
müssen.
Z5. Leiten Sie eine Gleichung her, mit der man die
Energie des homogenen Feldes eines geladenen Kondensators berechnen kann.
3.3 Statisches Magnetfeld
1. Definieren Sie den Begriff „Magnetfeld”.
2. Was versteht man unter „magnetischen
Feldlinien”?
3. Stellen Sie die Feldlinienbilder von
verschiedenen Dauermagneten dar.
4. Stellen Sie die Feldlinienbilder verschiedener
stromdurchflossener Leiteranordnungen (einschließlich Spule) dar. Nehmen Sie
zur Anwendbarkeit des Begriffs „Magnetpol” in diesen Fällen Stellung.
5. Sprechen Sie über die Kräfte, die im Magnetfeld
auf stromduchflossenen Leiter wirken (ohne Flussdichtedefinition). Gehen Sie
auch auf den Spezialfall zweier paralleler, stromduchflossener Leiter ein.
6. Definieren Sie die Größe „magnetische
Flußdichte”. Leiten Sie daraus eine Beziehung ab, mit der man die Lorentzkraft
auf stromduchflossenen Leiter im homogenen Magnetfeld auch dann berechnen kann,
wenn der Leiter nicht senkrecht zum Magnetfeld steht.
7. Geben Sie die Gleichung zur Berechnung des
homogenen Magnetfeldes im Inneren einer Spule an. Was bedeuten die darin
vorkommenden Größen und welche Gültigkeitsbedingung ist an diese Gleichung
geknüpft?
8. Was sind „Weißsche Bezirke” ? Gehen Sie dabei
auch auf die Begriffe „Ferromagnetismus”, „Paramagnetismus” , „Diamagnetismus”
und „Remanenz” ein.
9. Welche Eigenschaft von Ferromagneten wird bei
der Datenspeicherung auf Disketten und Festplatten verwendet? Wo sind die
Vorteile, wo die Nachteile dieses Prinzips?
10. Geben Sie eine Gleichung an, mit deren Hilfe
man die Kraft auf einen bewegten Ladungsträger im homogenen Magnetfeld
berechnen kann. Was bedeuten die in der Gleichung vorkommenden Größen? Wie kann
man die Richtung der wirkenden Kraft ermitteln?
11. Beschreiben Sie das Verhalten eines
Ladungsträgers, der in ein homogenes Magnetfeld eingeschossen wird.
Unterscheiden Sie dabei zwischen Eintritt senkrecht zu den Feldlinien, schräg
zu den Feldlinien, Eintritt parallel zu den Feldlinien in Feldrichtung und Eintritt
parallel zu den Feldlinien entgegen der Feldrichtung. Der Einfluss weiterer
Felder (Gravitation ...) ist zu vernachlässigen.
12. Erläutern Sie, warum die Lorentzkraft den
Betrag der Geschwindigkeit eines Ladungsträgers nicht ändern kann.
13. Leiten Sie eine Gleichung zur Berechnung des
Bahnradius eines Ladungsträgers ab, der sich senkrecht zu den Feldlinien eines
homogenen Magnetfeldes bewegt.
14. Beschreiben Sie einen Versuch, mit dem man die
spezifische Ladung eines Elektron e/m bestimmen kann (Schuster-Versuch). Dazu
gehört auch eine Beschreibung des Versuchsaufbaus und die Ableitung der zur
Bestimmung von e/m erforderlichen Gleichung.
15. Zeigen Sie, dass die Umlaufzeit eines
Ladungsträgers im homogenen Magnetfeld unabhängig von Bahnradius und Bahngeschwindigkeit
ist.
16. Erläutern Sie Aufbau und Funktionsweise eines
Zyklotrons. Wozu dient es und wo sind die technischen oder physikalischen
Grenzen dieser Anordnung?
17. Welche Probleme eines Zyklotrons kann man mit
einem Synchrozyklotron überwinden?
18. Welche Probleme eines Synchrozyklotrons kann
man mit einem Synchrotron überwinden?
19. Leiten Sie eine Gleichung her, mit deren Hilfe
man die Maximalenergie eines Teilchens der Ladung q im Zyklotron berechnen
kann, wenn der maximale Bahnradius und die Flußdichte des Magnetfeldes gegeben
sind.
20. Erläutern Sie Zweck, Aufbau und Funktionsweise
eines Massenspektrometers. Gehen Sie dabei insbesondere auf die Funktion und
Aufgabe des Geschwindigkeitsfilters ein.
21. Stellen Sie das elektrische Feld, das
Magnetfeld und das Gravitationsfeld bezüglich Entstehung, Nachweis, wichtiger
Eigenschaften, Verlauf des Feldes, Feldstärke und Besonderheiten gegenüber.
2.4 Induktion
1. Formulieren Sie das Induktionsgesetz in seiner
allgemeinen Form. Erläutern Sie drei voneinander verschiedene Möglichkeiten den
magnetischen Fluss zu ändern und so eine Spannung zu induzieren.
2. Definieren Sie die Größe „Magnetischer Fluss”.
3. Formulieren Sie das Induktionsgesetz für den
Fall, dass sich der magnetische Fluss zeitlich linear ändert. (Formel angeben).
Geben Sie zwei voneinander verschiedene experimentelle
Realisierungsmöglichkeiten dafür an.
4. Formulieren Sie das Lenzsche Gesetz.
5. Ein geschlossener Aluminiumring kann frei über
dem horizontalen Kern einer Spule pendeln. Beschreiben Sie was passieren wird,
wenn die Spule a) eingeschaltet b) wieder ausgeschaltet wird. Begründen Sie die
Vorgänge mit dem Lenzschen Gesetz.
6. Was sind Wirbelströme? Erläutern Sie das
Prinzip einer Wirbelstrombremse.
8. Erläutern Sie an einem selbstgewählten
Beispiel, dass das Lenzsche Gesetz eine Folgerung aus dem Energiesatz
darstellt.
9. Was versteht man unter Selbstinduktion?
Erläutern Sie je ein Experiment, mit dem man die Selbstinduktion beim
Einschalten und beim Ausschalten einer Spule zeigen kann.
10. Was versteht man unter „Induktivität einer
Spule” (Größendefinition)? Leiten Sie die Berechnungsgleichung der Induktivität
eine langen Zylinderspule her.
11. Wie berechnet man die Selbstinduktionsspannung
an einer Spule?
12. Nennen Sie Beispiele für das Auftreten von
Selbstinduktionsspannungen und ordnen Sie sie in die Kategorien „erwünscht” und
„unerwünscht” ein.
13. Erläutern Sie an einem geeigneten Beispiel,
dass das magnetische Feld Träger von Energie sein muss.
Zusätzliches Wissen das auf Sekundarstufe 1 basiert
S1. Erläutern Sie Sinn, Aufbau und Funktionsweise
eines Transformators.
S2. Nennen und erläutern Sie mehrere
Anwendungsmöglichkeiten eines Transformators.
S3. Beschreiben Sie ein Experiment, mit dem man den
Wirkungsgrad eines Transformators in Abhängigkeit von seiner Belastung
ermitteln kann.
S4. Begründen Sie, warum die Primärstromstärke
eines Transformators steigt, wenn man ihn sekundärseitig belastet. Eine
Energiebetrachtung allein ist dabei nicht ausreichend. Hinweis: betrachten Sie
das Magnetfeld, dass durch den Stromfluss in der Sekundärspule hervorgerufen
wird und die Selbstinduktion in der Primärspule.
S5. Erklären Sie den Aufbau und die Funktionsweise
eines Wechselstromgenerators.
S6. Erklären Sie den Aufbau und die Funktionsweise
eines Gleichstrommotors.
Ergänzungsfragen - nicht mehr in den Rahmenrichtlinien
Z1. Leiten Sie eine Gleichung her, mit dem man den
Energiegehalt einer Spule berechnen kann.
Z2. Leiten Sie den für den Transformator gültigen
Spezialfall des Induktionsgesetzes her.
Z3. Wenden Sie das Induktionsgesetz auf den
Generator an. Folgern Sie Möglichkeiten zur Erhöhung der induzieren Spannung
und diskutieren Sie ihre Vor- und Nachteile aus technischer Sicht.
Additum IV - Elektromagnetische Schwingungen und Wellen
IV.1 Wechselstromkreise
1. Erläutern Sie die Kenngrößen einer
Wechselspannung bzw. eines Wechselstroms. Gehen Sie dabei auch auf
Momentanwerte, Effektivwerte und Leistung ein.
2. Was verbirgt sich hinter dem Begriff
„Phasenverschiebung”?
3. Beschreiben Sie das Verhalten eine ohmschen
Widerstandes im Wechselstromkreis.
4. Beschreiben Sie das Verhalten eines
Kondensators im Wechselstromkreis. Erläutern Sie die physikalischen Ursachen,
die zu diesem Verhalten führen.
5. Beschreiben Sie das Verhalten einer Spule im
Wechselstromkreis. Erläutern Sie die physikalischen Ursachen, die zu diesem
Verhalten führen.
6. Definieren Sie den Begriff „Impedanz” bzw.
„Scheinwiderstand”. Begründen Sie die speziellen Frequenzabhängigkeiten des
Scheinwiderstandes von Widerstand, Kondensator und Spule.
7. Was sind Zeigerdiagramme und welche
Informationen kann man ihnen entnehmen?
8. Wie berechnet man den Scheinwiderstand und die
Phasenverschiebung einer Reihenschaltung von Widerstand, Kondensator und Spule?
Welcher Zusammenhang zum Zeigerdiagramm besteht dabei?
9. Erläutern Sie, wie es dazu kommen kann, dass
bei der Reihenschaltung von Widerstand, Kondensator und Spule an einem der
Bauteile eine größere Spannung abfällt, als außen angelegt wird?
10. Skizzieren Sie für eine Reihenschaltung von R,
L und C den Verlauf des Scheinwiderstandes in Abhängigkeit von der Frequenz.
Kennzeichnen Sie diejenige Frequenz, für die der Scheinwiderstand von Spule und
Kondensator gleiche Beträge haben.
11. Unterscheiden Sie die inhaltliche Bedeutung der
Größen „Scheinleistung”, Blindleistung” und Wirkleistung”.
12. Skizzieren Sie den Verlauf von u, i und p
(Momentanwerte) für den Fall, dass sich die Bauteile R, L und C jeweils allein
im Wechselstromkreis befinden und geben Sie jeweils eine Gleichung für die an
diesem Bauteil umgesetzte Blind- Wirk- und Scheinleistung an.
13. Welche Zusammenhänge besten zwischen Wirk-
Blind- und Scheinleistung im allgemeinen Fall (mehrere verschiedene Bauteile im
Wechselstromkreis) ? Welche Bedeutung kommt dem „Leistungsfaktor cos j” dabei zu? Was stellt die Größe j dabei dar?
IV.2 Schwingungen und Wellen
1. Was ist ein Schwingkreis (Parallelschwingkreis)?
Erläutern Sie, wie es zu Schwingungen in diesem Gebilde kommen kann.
2. Skizzieren Sie den zeitlichen Verlauf von
Spannung, Stromstärke, elektrischer und magnetischer Energie bei einem
Schwingkreis in gedämpften und im ungedämpften Fall.
3. Was ist Resonanz? Wie berechnet sich die
Resonanzfrequenz (Thomsonsche Schwingungsgleichung)? Skizzieren Sie die
Resonanzkurve für verschiedene Dämpfungen.
4. Erläutern Sie das Prinzip der Rückkopplung um
ungedämpfte Schwingungen zu erzeugen.
5. Erläutern Sie, wie es beim Übergang vom
geschlossenen Schwingkreis zum offenen Dipol zur Abstrahlung
elektromagnetischer Wellen kommen kann.
6. Was ist und wozu dient Modulation und
Demodulation?
7. Erläutern Sie ein Ihnen bekanntes
Modulationsverfahren näher. Gehen Sie auch auf das dazugehörige
Demodulationsverfahren ein.
8. Sprechen Sie über das elektromagnetische
Spektrum und gehen Sie dabei auf die Bedeutung bzw. technische Nutzung der
einzelnen Wellenlängenbereiche ein.
Fragen zur Ergänzung
E1. Leiten Sie eine Gleichung her, mit der man die
Energie des homogenen Feldes eines geladenen Kondensators berechnen kann.
E2. Leiten Sie eine Gleichung her, mit dem man den
Energiegehalt einer Spule berechnen kann.