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==Aufgaben zur Ladung als Quellenstärke und der Fluß eines Feldes==
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==Fern- und Nahwirkungstheorie==
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;1) Das Feld als Vermittler einer Wechselwirkung
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:„Es ist undenkbar, dass leblose, rohe Materie auf andere […] Materie wirken sollte, ohne direkten Kontakt und ohne die Vermittlung von etwas anderem, das nicht materiell ist. Dass die Gravitation eine angeborene, inhärente und wesentliche (Eigenschaft) der Materie sein soll, so dass ein Körper auf einen anderen über eine Entfernung durch Vakuum hindurch und ohne die Vermittlung von etwas Sonstigem wirken soll, […], ist für mich eine so große Absurdität, dass ich glaube, kein Mensch, der eine in philosophischen Dingen geschulte Denkfähigkeit hat, kann sich dem jemals anschließen. Gravitation muss durch einen Vermittler erzeugt werden, welcher gleichmäßig nach bestimmten Gesetzen wirkt. Aber ob dieser Vermittler materiell oder immateriell ist, habe ich der Überlegung meiner Leser überlassen.“
  
===Masse der Erde===
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:(Brief von Isaac Newton an Richard Bentley von 1692/1693 - in: Herbert Westren Turnbull, The correspondence of Isaac Newton 1961, Vol. III, S. 253-254) <ref>„It is unconceivable that inanimate brute matter should (without the mediation of something else which is not material) operate upon and affect other matter without mutual contact; as it must if gravitation in the sense of Epicurus be essential and inherent in it. And this is one reason why I desired you would not ascribe innate gravity to me. That gravity should be innate inherent and essential to matter so that one body may act upon another at a distance through a vacuum without the mediation of any thing else by and through which their action or force may be conveyed from one to another is to me so great an absurdity that I believe no man who has in philosophical matters any competent faculty of thinking can ever fall into it. Gravity must be caused by an agent acting constantly according to certain laws, but whether this agent be material or immaterial is a question I have left to the consideration of my readers.“
*Wieviel (schwere) Masse hat die Erde?
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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:
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zitiert nach Wikipedia: [http://de.wikipedia.org/wiki/Fernwirkung_%28Physik%29 Fernwirkung (Physik)]</ref>  
:<math>R \approx 6370\,\rm km </math>
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Außerdem kann man auf der Erde die Gravitationsfeldstärke zu <math>g \approx 9 {,}81 \rm \frac{N}{kg}</math> bestimmen.
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*Wie haben wir heute dieses Dilemma gelöst?
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*Welche weiteren Argumente sprechen gegen die Fernwirkungstheorie und für die Nahwirkungstheorie?
  
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?
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;2) Formulierungen und Übersetzungen
 +
Durch die verschiedenen Theorien hat man mindestens drei verschiedene Möglichkeiten den gleichen Sachverhalt auszudrücken:
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# als Fernwirkung
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# als Nahwirkung: "[[Fern-_und_Nahwirkungstheorie#Probekörper_im_Feld|Probekörper]]"
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# als Nahwirkung: "[[Fern-_und_Nahwirkungstheorie#"aktives"_Feld_mit_Zug-_und_Druckspannungen|aktives Feld]]"
  
===Gravitationsfeldstärke im All===
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* Ordne die Aussagen einer der Theorien zu:
*Wie groß ist die Gravitationsfeldstärke in einem Abstand von 6370 km über dem Erdboden?
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:a) Sonne und Erde ziehen sich an.
*Welche Kraft wirkt dort auf einen 1000kg schweren Satelliten?
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:b) Die Kompassnadel richtet sich im Erdmagnetfeld aus.
Lösen Sie diese Aufgabe auf zwei Wegen.  
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:c) Der geriebene Luftballon zieht die Papierschnipsel an.
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:d) Apfel und Erde werden zueinandergezogen.
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:e) Die positiv geladene Kugel und die negativ geladene Kugel ziehen sich an.
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:f) Das Magnetfeld zwischen Nord- und Südpol zieht die beiden Pole aufeinander zu.
  
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.
+
* Formuliere die obigen Aussagen in allen drei Theorien.
  
===Gravitation in der Erdkugel===
+
==Feldenergie==
[[Datei:The_Earth_seen_from_Apollo_17.png|thumb]]
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Begründen Sie möglichst anschaulich, warum ein Feld Energie enthält, indem Sie Beispiele nennen, bei denen Energie ins Feld gesteckt oder herausgeholt wird.
*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:
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::<math>\frac{1}{4 \pi \, G} \, g \, A = m</math>
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:Als geeignete Flächen bieten sich die Oberflächen von Kugeln an.
+
  
===Probekörper im Kondensator===
+
==Graphische Darstellung von Feldern==
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;1) Drei einfache Beispiele
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*Zeichnen Sie einige Feldlinien mit Pfeilen (rot) und Feldflächen (grün) ein.
  
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.
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{|
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a) geladene Kugel [[Datei:Aufgabe_Felder_Zeichnen_Zentralfeld.png|300px]]
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|
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b) Ringmagnet
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[[Datei:Aufgabe_Felder_Zeichnen_Ringmagnet.png|300px]]
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|
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c) Zwei Sonnen
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[[Datei:Aufgabe_Felder_Zeichnen_m_m.png|300px]]
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|}
  
*Bestimmen Sie die Stärke des elektrischen Feldes unter der Annahme, dass das Feld sich ausschließlich zwischen den Platten befindet und dort homogen ist.
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*Wie kann man anhand der Feldlinien und Feldflächen die anziehende Wirkung der beiden Magnetpole und der Massen erklären?
*Warum ist dabei die Feldstärke zwischen den Platten nicht vom Abstand der Platten abhängig?
+
*Zeichnen Sie in den obigen Abbidungen je drei kleine Probekörper ein und geben Sie die Art der Ladung an. Kennzeichnen Sie die Kraftwirkung auf die Probekörper durch je einen Pfeil.
Zwischen die Platten wird ein negativ geladener Tischtennisball gehängt. Auf ihn wirkt eine Kraft von 0,01 N.
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*In welche Richtung wird der Ball gezogen?
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*Wieviel Ladung sitzt auf dem Ball?
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;2) und noch mehr Felder...
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*Zeichnen Sie das Feld folgender Situationen.
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:Erklären Sie jeweils mit Hilfe von Druck und Zugspannungen, wie das Feld zieht und drückt.
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#Ein langer Stabmagnet
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#Ein Scheibenmagnet
 +
#Eine "kleine" Ladung in einem homogenen Feld.
 +
#drei Stabmagnete aneinandergereiht
 +
#Erde und Mond
 +
#Ein Dipol mit großem und mit kleinem Abstand.
 +
#Ein Dipol mit ungleicher Ladungsverteilung. (Wie sieht der aus großer Entfernung aus?)
 +
 
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==Fußnoten==
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<references/>

Version vom 3. April 2017, 16:56 Uhr

Fern- und Nahwirkungstheorie

1) Das Feld als Vermittler einer Wechselwirkung
„Es ist undenkbar, dass leblose, rohe Materie auf andere […] Materie wirken sollte, ohne direkten Kontakt und ohne die Vermittlung von etwas anderem, das nicht materiell ist. Dass die Gravitation eine angeborene, inhärente und wesentliche (Eigenschaft) der Materie sein soll, so dass ein Körper auf einen anderen über eine Entfernung durch Vakuum hindurch und ohne die Vermittlung von etwas Sonstigem wirken soll, […], ist für mich eine so große Absurdität, dass ich glaube, kein Mensch, der eine in philosophischen Dingen geschulte Denkfähigkeit hat, kann sich dem jemals anschließen. Gravitation muss durch einen Vermittler erzeugt werden, welcher gleichmäßig nach bestimmten Gesetzen wirkt. Aber ob dieser Vermittler materiell oder immateriell ist, habe ich der Überlegung meiner Leser überlassen.“
(Brief von Isaac Newton an Richard Bentley von 1692/1693 - in: Herbert Westren Turnbull, The correspondence of Isaac Newton 1961, Vol. III, S. 253-254) [1]
  • Wie haben wir heute dieses Dilemma gelöst?
  • Welche weiteren Argumente sprechen gegen die Fernwirkungstheorie und für die Nahwirkungstheorie?


2) Formulierungen und Übersetzungen

Durch die verschiedenen Theorien hat man mindestens drei verschiedene Möglichkeiten den gleichen Sachverhalt auszudrücken:

  1. als Fernwirkung
  2. als Nahwirkung: "Probekörper"
  3. als Nahwirkung: "aktives Feld"
  • Ordne die Aussagen einer der Theorien zu:
a) Sonne und Erde ziehen sich an.
b) Die Kompassnadel richtet sich im Erdmagnetfeld aus.
c) Der geriebene Luftballon zieht die Papierschnipsel an.
d) Apfel und Erde werden zueinandergezogen.
e) Die positiv geladene Kugel und die negativ geladene Kugel ziehen sich an.
f) Das Magnetfeld zwischen Nord- und Südpol zieht die beiden Pole aufeinander zu.
  • Formuliere die obigen Aussagen in allen drei Theorien.

Feldenergie

Begründen Sie möglichst anschaulich, warum ein Feld Energie enthält, indem Sie Beispiele nennen, bei denen Energie ins Feld gesteckt oder herausgeholt wird.

Graphische Darstellung von Feldern

1) Drei einfache Beispiele
  • Zeichnen Sie einige Feldlinien mit Pfeilen (rot) und Feldflächen (grün) ein.

a) geladene Kugel Aufgabe Felder Zeichnen Zentralfeld.png

b) Ringmagnet Aufgabe Felder Zeichnen Ringmagnet.png

c) Zwei Sonnen Aufgabe Felder Zeichnen m m.png

  • Wie kann man anhand der Feldlinien und Feldflächen die anziehende Wirkung der beiden Magnetpole und der Massen erklären?
  • Zeichnen Sie in den obigen Abbidungen je drei kleine Probekörper ein und geben Sie die Art der Ladung an. Kennzeichnen Sie die Kraftwirkung auf die Probekörper durch je einen Pfeil.


2) und noch mehr Felder...
  • Zeichnen Sie das Feld folgender Situationen.
Erklären Sie jeweils mit Hilfe von Druck und Zugspannungen, wie das Feld zieht und drückt.
  1. Ein langer Stabmagnet
  2. Ein Scheibenmagnet
  3. Eine "kleine" Ladung in einem homogenen Feld.
  4. drei Stabmagnete aneinandergereiht
  5. Erde und Mond
  6. Ein Dipol mit großem und mit kleinem Abstand.
  7. Ein Dipol mit ungleicher Ladungsverteilung. (Wie sieht der aus großer Entfernung aus?)

Fußnoten

  1. „It is unconceivable that inanimate brute matter should (without the mediation of something else which is not material) operate upon and affect other matter without mutual contact; as it must if gravitation in the sense of Epicurus be essential and inherent in it. And this is one reason why I desired you would not ascribe innate gravity to me. That gravity should be innate inherent and essential to matter so that one body may act upon another at a distance through a vacuum without the mediation of any thing else by and through which their action or force may be conveyed from one to another is to me so great an absurdity that I believe no man who has in philosophical matters any competent faculty of thinking can ever fall into it. Gravity must be caused by an agent acting constantly according to certain laws, but whether this agent be material or immaterial is a question I have left to the consideration of my readers.“ zitiert nach Wikipedia: Fernwirkung (Physik)