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.