*: Unterschied zwischen den Versionen

Aus Schulphysikwiki
Wechseln zu: Navigation, Suche
Zeile 1: Zeile 1:
__NOTOC__
+
__NOTOC__==Ladung als Quellenstärke und der Fluß eines Feldes==
==Aufgaben zur Feldstärke==
+
{|
+
|style="vertical-align:top;"|
+
;1) Gravitation auf der Erde und auf anderen Himmelskörpern
+
:a) Wie groß ist die Gravitationsfeldstärke auf der Erde ungefähr?
+
:b) Die Gravitationsfeldstärke auf dem Mond beträgt nur <math>1{,}62\,\rm \frac{N}{kg}</math>
+
::Wie groß ist die auf dich wirkende Kraft auf dem Mond?
+
:c) Ergänze die Tabelle
+
|
+
  
::{|class="wikitable" style="text-align: center;  "
+
===Masse der Erde===
!style="border-style: solid; border-width: 5px "|
+
*Wieviel (schwere) Masse hat die Erde?
Planet
+
  
!valign="top"; style="border-style: solid; border-width: 5px "|
+
Dazu kann man näherungsweise die Erde als Kugel betrachten. Den [http://de.wikipedia.org/wiki/Erdradius#Geschichtliches Erdradius] konnte man schon in der Antike bestimmen und wird heute mit Hilfe von Satelliten vermessen:
Feldstärke(N/kg)
+
:<math>R \approx 6370\,\rm km </math>
  
!valign="top"; style="border-style: solid; border-width: 5px "|
+
Außerdem kann man auf der Erde die Gravitationsfeldstärke zu <math>g \approx 9 {,}81 \rm \frac{N}{kg}</math> bestimmen.
Masse(kg)
+
  
!valign="top"; style="border-style: solid; border-width: 5px "|
+
Mit einer Gravitationsdrehwaage kann man weiterhin die Gravitationskonstante messen:
Kraft(N)
+
:<math>G=6{,}673\;84\; \cdot 10^{-11} \mathrm{\frac{m^3}{kg \cdot s^2}}  </math>
  
|-
+
Wie "schwer" ist also die Erde?
|style="border-style: solid; border-width: 5px "|
+
Merkur
+
  
|style="border-style: solid; border-width: 5px "|
+
===Gravitationsfeldstärke im All===
 +
*Wie groß ist die Gravitationsfeldstärke in einem Abstand von 6370 km über dem Erdboden?
 +
*Welche Kraft wirkt dort auf einen 1000kg schweren Satelliten?
 +
Lösen Sie diese Aufgabe auf zwei Wegen.
  
|style="border-style: solid; border-width: 5px "|
+
Einmal, indem Sie die Erdmasse als bekannt voraussetzen. Und einmal, indem Sie sich überlegen, wie sich die Feldstärke verändert, wenn der Abstand zum Erdmittelpunkt verdoppelt wird.
80
+
  
|style="border-style: solid; border-width: 5px "|  
+
===Gravitation in der Erdkugel===
296
+
[[Datei:The_Earth_seen_from_Apollo_17.png|thumb]]
 +
*Wie groß ist die Stärke des Schwerefeldes innerhalb der Erdkugel?
 +
:Dazu nehmen wir vereinfachend an, dass die Erde überall die gleiche Massendichte <math>\rho</math> hat, was nicht der Realität entspricht (Vgl. Wikipedia [http://de.wikipedia.org/wiki/Innerer_Aufbau_der_Erde Innerer Aufbau der Erde].)
 +
:Dann sollten Sie den Satz über die Quellenstärke verwenden:
 +
::<math>\frac{1}{4 \pi \, G} \, g \, A = m</math>
 +
:Als geeignete Flächen bieten sich die Oberflächen von Kugeln an.
  
|-
+
===Probekörper im Kondensator===
  
|style="border-style: solid; border-width: 5px "|
+
Zwei geladene Platten, je 30cm x 30cm groß, eine mit 8 10<sup>-8</sup> C, die andere mit -8 10<sup>-8</sup> C.
Venus   
+
  
|style="border-style: solid; border-width: 5px "|
+
*Bestimmen Sie die Stärke des elektrischen Feldes unter der Annahme, dass das Feld sich ausschließlich zwischen den Platten befindet und dort homogen ist.
8,87
+
*Warum ist dabei die Feldstärke zwischen den Platten nicht vom Abstand der Platten abhängig?
 
+
Zwischen die Platten wird ein negativ geladener Tischtennisball gehängt. Auf ihn wirkt eine Kraft von 0,01 N.
|style="border-style: solid; border-width: 5px "|
+
*In welche Richtung wird der Ball gezogen?
75
+
*Wieviel Ladung sitzt auf dem Ball?
 
+
|style="border-style: solid; border-width: 5px "|
+
 
+
|-
+
 
+
|style="border-style: solid; border-width: 5px "|
+
Erde 
+
 
+
|style="border-style: solid; border-width: 5px "|
+
 
+
|style="border-style: solid; border-width: 5px "|
+
12,7
+
 
+
|style="border-style: solid; border-width: 5px "|
+
124
+
|-
+
|style="border-style: solid; border-width: 5px "|
+
Mars
+
 
+
|style="border-style: solid; border-width: 5px "|
+
3,69
+
 
+
|style="border-style: solid; border-width: 5px "|
+
 
+
|style="border-style: solid; border-width: 5px "|
+
3690
+
|-
+
|style="border-style: solid; border-width: 5px "|
+
Jupiter   
+
 
+
|style="border-style: solid; border-width: 5px "|
+
 
+
|style="border-style: solid; border-width: 5px "|
+
75
+
 
+
|style="border-style: solid; border-width: 5px "|
+
1725
+
|-
+
|}
+
|}
+
             
+
;2) Kraftwirkung im elektrischen Feld
+
:Eine positiv geladene Kugel trägt <math>5\,\rm nC</math> Ladung. Welche Kraft wirkt auf die Kugel in einem elektrischen Feld der Stärke <math>10\,\rm \frac{kN}{C}</math>?
+
;3) Berechnung der magnetischen Ladung
+
:Der Nordpol eines langen Stabmagneten befindet sich in einem Magnetfeld der Stärke <math>80000\,\rm\frac{N}{Wb}</math>. Dort erfährt der Nordpol eine Kraftwirkung von <math>0{,}5\,\rm N</math>. Wieviel magnetische Ladung trägt der Nordpol?
+
 
+
;4) Definition der Feldstärke
+
:Warum ist es bei der Festlegung der Feldstärke als Ortsfaktor wichtig, dass die Größe der wirkenden Kraft proportional zur Menge der Probeladung ist, also bei doppelter Probeladung auch die doppelte Kraftwirkung zu beobachten ist?
+
:Warum ist die magnetische Feldstärke nicht mit Hilfe der Definition als Ortsfaktor praktisch messbar?
+
 
+
;5) Tischtennisball im geladenen Kondensator
+
:Durch eine vorhergehende Messung kennt man die elektrische Feldstärke in einem Kondensator. Sie beträgt <math>100000\,\rm \frac{N}{C}</math>. Ein Tischtennisball mit der Masse 2,3g wird an eine 30cm lange Schnur in das Feld gehängt und elektrisch geladen. Die Schnur hängt nun nicht mehr senkrecht nach unten, sondern ist um einen Winkel von 4° ausgelenkt.
+
:Welche Ladung trägt der Tischtennisball?
+
 
+
[[Datei:Versuchsaufbau Ladung im Kondensator Beobachtung 1.jpg|thumb|Durch das elektrische Feld zwischen den Kondensatorplatten erfährt der geladene Ball eine Kraftwirkung.]]
+
 
+
;6) Das elektrische Feld der Erde
+
:Durch den Sonnenwind, ein Strom elektrisch geladener Teilchen, und kosmische Strahlung werden negativ geladene Teilchen von der Erde weggeschleudert und die Erde positiv geladen. Bei wolkenlosen Himmel hat das dadurch enstehende elektrische Feld eine Stärke von ca. 200 N/C.
+
:Bei Gewittern treten Feldstärken von 30000 N/C auf.
+
: Ein kleiner Wassertropfen hat eine Masse von 0,001g. Wie muss der Tropfen geladen sein, damit er bei wolkenlosen Himmel (bei einem Gewitter) in der Luft schweben kann?
+

Version vom 14. März 2017, 11:36 Uhr

Ladung als Quellenstärke und der Fluß eines Feldes

Masse der Erde

  • Wieviel (schwere) Masse hat die Erde?

Dazu kann man näherungsweise die Erde als Kugel betrachten. Den Erdradius konnte man schon in der Antike bestimmen und wird heute mit Hilfe von Satelliten vermessen:

[math]R \approx 6370\,\rm km [/math]

Außerdem kann man auf der Erde die Gravitationsfeldstärke zu [math]g \approx 9 {,}81 \rm \frac{N}{kg}[/math] bestimmen.

Mit einer Gravitationsdrehwaage kann man weiterhin die Gravitationskonstante messen:

[math]G=6{,}673\;84\; \cdot 10^{-11} \mathrm{\frac{m^3}{kg \cdot s^2}} [/math]

Wie "schwer" ist also die Erde?

Gravitationsfeldstärke im All

  • Wie groß ist die Gravitationsfeldstärke in einem Abstand von 6370 km über dem Erdboden?
  • Welche Kraft wirkt dort auf einen 1000kg schweren Satelliten?

Lösen Sie diese Aufgabe auf zwei Wegen.

Einmal, indem Sie die Erdmasse als bekannt voraussetzen. Und einmal, indem Sie sich überlegen, wie sich die Feldstärke verändert, wenn der Abstand zum Erdmittelpunkt verdoppelt wird.

Gravitation in der Erdkugel

The Earth seen from Apollo 17.png
  • Wie groß ist die Stärke des Schwerefeldes innerhalb der Erdkugel?
Dazu nehmen wir vereinfachend an, dass die Erde überall die gleiche Massendichte [math]\rho[/math] hat, was nicht der Realität entspricht (Vgl. Wikipedia Innerer Aufbau der Erde.)
Dann sollten Sie den Satz über die Quellenstärke verwenden:
[math]\frac{1}{4 \pi \, G} \, g \, A = m[/math]
Als geeignete Flächen bieten sich die Oberflächen von Kugeln an.

Probekörper im Kondensator

Zwei geladene Platten, je 30cm x 30cm groß, eine mit 8 10-8 C, die andere mit -8 10-8 C.

  • Bestimmen Sie die Stärke des elektrischen Feldes unter der Annahme, dass das Feld sich ausschließlich zwischen den Platten befindet und dort homogen ist.
  • Warum ist dabei die Feldstärke zwischen den Platten nicht vom Abstand der Platten abhängig?

Zwischen die Platten wird ein negativ geladener Tischtennisball gehängt. Auf ihn wirkt eine Kraft von 0,01 N.

  • In welche Richtung wird der Ball gezogen?
  • Wieviel Ladung sitzt auf dem Ball?