Aufgaben zur Induktion, elektromagnetischen Wellen und Licht (Kurs 2017)

Grundlagen

Verschiedene Wege zur Induktionsspannung

• Zählen Sie möglichst viele verschiedene Möglichkeiten auf, wie man experimentell Induktionsspannung an einer Leiterschleife hervorrufen kann und erläutern Sie diese.

Magnetischer Fluss

• Erläutern Sie anhand von verschiedenen Beispielen, was der magnetische Fluss durch eine Fläche ist.

Induktionsgesetz

• Wie lautet das Induktionsgesetz in Worten?
• Wie lautet das Induktionsgesetz als Formel in den folgenden Situationen:
  • Allgemeingültig
  • Nur die Feldstärke ändert sich, Schleifenfläche und Magnetisierung sind konstant.
  • Nur die Schleifenfläche ändert sich, die Feldstärke und die Magnetisierung sind konstant.
  • Nur die Magnetisierung ändert sich, Schleifenfläche und Feldstärke sind konstant.

Anwendung des Induktionsgesetzes

Primär und Sekundärspule

Innerhalb einer "großen" Primärspule mit 500 Windungen liegt eine "kleine" Sekundärspule mit 2000 Windungen. (Siehe Zeichnung) Durch die Primärspule fließt ein Strom von zwei Ampère.

Die Spule wird dann von der Spannungsquelle getrennt, wodurch die Stromstärke innerhalb von einer tausendstel Sekunde auf Null Ampère zurückgeht.

Danach legt man an die Primärspule eine Dreiecksspannung mit einer Frequenz von 50Hz an, die zu einer maximalen Stromstärke von 2A führt. (Siehe Zeichnung) Zur Messung der Spannung an der Sekundärspule wird ein Oszilloskop angeschlossen.

a) Wie groß ist zu Beginn die magnetische Feldstärke? Berechnen Sie den magnetischen Fluß durch die Primär- und die Sekundärspule.

b) Während des Trennens von der Spannungsquelle registriert die Sekundärspule eine Spannung. Begründen Sie dies und berechnen Sie die Spannung.

c) Zeichnen Sie in ein Koordinatensystem den zeitlichen Verlauf der mit dem Oszilloskop gemessenen Induktionsspannung ein.

Wie ändert sich der Verlauf der Induktionsspannung, wenn die Sekundärspule in einem Winkel von 60° in der Primärspule liegt?

Eine Spule taucht ein

Eine Spule wird innerhalb von 2 Sekunden in ein homogenes Magnetfeld mit einer Feldstärke von 1000A/m senkrecht zu den Feldlinien eingetaucht. Die Spule hat einen quadratischen Querschnitt von 5cm Kantenlänge und 300 Windungen. Sie ist an ein Spannungsmessgerät angeschlossen.

a) Berechnen Sie die gemessene Induktionsspannung.

b) Was kann man messen, wenn die Spule innerhalb des Feldes bewegt wird?

c) Kennzeichnen Sie die Polung der Induktionsspannung mit + und - in der Zeichnung.

Magnet im freien Fall

Ein Permanentmagnet wird über eine Spule gehalten und losgelassen. An die Spule ist ein Oszilloskop angeschlossen.

• Zeichnen Sie den zeitlichen Verlauf der gemessenen Induktionsspannung qualitativ in ein Koordinatensystem und erläutern Sie ihr Ergebnis.

Energieübertragung

Transformator

a) Warum kann man einen Transformator nicht mit Gleichstrom, sondern nur mit Wechselstrom betreiben?

b) Erläutern Sie anhand der Zeichnung die Funktionsweise eines Trafos.

c) Entwerfen Sie den Trafo eines Netzgerätes, der ein ein Handy mit 5,7V Spannung versorgt.

Ein schwingender Magnet

Der Nordpol eines Stabmagneten schwingt innerhalb einer Spule auf und ab. Sobald man die Spule mit einem Kabel kurzschließt, wird der Magnet gebremst und bleibt schließlich stehen.

a) Erklären Sie diese Beobachtung.

b) Was würde passieren, wenn man den Versuch mit einer supraleitenden Spule durchführen würde?

Ein fallender Magnet

Ein Magnet fällt durch ein Kupferrohr

a) Was kann man beobachten? Wie kann man diese Beobachtung erklären?

b) Wieso kann man für den Versuch kein Plastikrohr und auch kein Eisenrohr verwenden?

c) Wie verändert sich das Versuchsergebnis, wenn man ein Kupferrohr mit dickeren Wänden benutzt?

d) Wie kann man es erreichen, dass der Magnet schwebt?

Induktionskochplatte

• Erklären Sie in Text und Bild, wie eine Induktionskochplatte funktioniert.
• Induktionsherde haben in der Regel eine hitzebeständige Glasplatte als Topfauflage. Warum erhitzt der Herd nur den Topf und nicht das darin befindliche Essen oder die Glasplatte? (Warum wird die Glasplatte beim Kochen trotzdem heiß?)

Wirbelstrombremse

• Nennen Sie Beispiele, bei denen eine Wirbelstrombremse eingesetzt wird.
• Erläutern Sie das Funktionsprinzip mit einer Zeichnung.

Erklären Sie dabei mit Hilfe des Induktionsgesetzes, wie die Ströme fließen.

• Wie kann man die Bremswirkung mit der Energieerhaltung begründen?

Selbstinduktion

a) Erklären Sie den Begriff der Selbstinduktion indem Sie einen passenden Versuch beschreiben.

b) Begründen Sie, warum die Spannung der Selbstinduktion an einer Spule proportional zur Änderung der Stromstärke ist.

Induktivität

a) Eine Spule hat eine Induktivität von 10 H (Henry).

Was bedeutet das?

b) Eine Spule hat 1000 Windungen und einen geschlossenen Eisenkern mit einer Permeabilitätszahl von [math]\mu_r = 2000[/math].

Berechnen Sie ihre Induktivität.

Elektromagnetische Schwingungen

Vergleich von elektrischer und mechanischer Schwingung

Vergleichen Sie einen elektrischen Schwingkreis mit einem horizontalen Federpendel mit Zeichnungen, einem erklärenden Text und einer Gegenüberstellung sich entsprechender Größen.

Ein Schwingkreis

Ein Kondensator mit einer Kapazität von [math]54\,\rm \mu F[/math] wird mit einer Spannungsquelle von 50V verbunden und über eine Spule mit der Induktivität von 300H entladen.

a) Wieviel Ladung und wieviel Energie ist zu Beginn im Kondensator gespeichert?

b) Was kann man beobachten, wenn man die Spannung am Kondensator mißt?

c) Warum geht die Spannung nach einiger Zeit dauerhaft auf Null Volt zurück?

d) Mit welcher Frequenz ändert sich die Spannung?

e) Wieviel Energie steckt maximal in der Spule?

f) Wieviel Strom fließt maximal durch die Spule?

g) Zeichnen Sie in ein Koordinatensystem den zeitlichen Verlauf der Spannung und der Stromstärke während der ersten 1,6 Sekunden.

Elektrische Wirbelfelder

Qual der Wahl

• Welche der Aussagen ist richtig?
• Finden Sie passende Experimente, Gedankenexperimente oder Alltagssituationen, welche Ihre Antworten begründen.

a) Um ein sich änderndes Magnetfeld befindet sich immer ein elektrisches Wirbelfeld.

b) Um ein elektrisches Feld befindet sich immer ein Magnetfeld.

c) Um ein Magnetfeld befindet sich immer eine elektrisches Feld.

d) Um ein sich änderndes elektrisches Feld befindet sich immer ein Magnetfeld.

Elektromagnetische Wellen

Feldlinienbild

• Zeichen Sie das Feldlinienbild einer ebenen elektro-magnetischen Welle.

Wellenlänge und Frequenz

• Berechnen Sie die Wellenlänge bei einem Radar, dass mit einer Frequenz von 5 GHz arbeitet.
• Berechnen Sie die Frequenz einer "roten Lichtwelle" mit einer Wellenlänge von 630 nm.

Mikrowellenherd

• Warum kann man in der Mikrowelle schlecht ein Brot erwärmen, aber sehr gut eine Suppe erhitzen?
• Warum haben Mikrowellen in der Regel einen Drehteller?

Gummibärchen in der Mikrowelle

• Erklären Sie das Zustandekommen der Unregelmäßigkeiten bei den geschmolzenen Gummibärchen.
• Bestimmen Sie aus dem nebenstehenden Bild die Wellenlänge und die Frequenz der Mikrowellen.

Brechung von Mikrowellen

Ein Mikrowellensender sendet elektromagnetische Wellen im cm-Bereich aus. Die Welle wird vereinfachend als ebene Welle betrachtet.

• Zeichnen Sie den weiteren Verlauf der Wellenstrahlen qualitativ richtig ein und begründen Sie dies.
• Welche Angaben bräuchten Sie, um den Verlauf exakt einzuzeichnen?

Radio

Sender-Empfänger-Modell

• Erläutern Sie kurz das Prinzip des Radios mit dem Sender-Empfänger-Modell

Wellenlängen

• UKW wird mit einer Frequenz von MHz gesendet, Mittelwelle . Das Handynetz arbeitet mit einer Frequenz von GHz.

Berechnen Sie die jeweiligen Wellenlängen.

Antennen

• Entwerfen Sie für den Empfang von Handywellen, UKW und MW eine passende Stabantenne. Erklären Sie die Funktionsweise der Antenne
• Wieso besteht eine Mittelwellen-Empfangsantenne aus einer Spule mit einem Ferritkern und eine UKW-Antenne aus einem Metallstab?

Empfangsqualität

• Wieso ändert sich der Empfang eines Radios mit dem Ort und der Ausrichtung der Antenne?

Antennenausrichtung

Ein Mittelwellensender sendet mit einer senkrecht zum Boden ausgerichteten Stabantenne.

• Wie muss man die Ferrit-Antenne ausrichten, damit man guten Empfang hat?

(Wie müßte man bei einem UKW-Sender mit senkrechter Antenne die Stabantenne ausrichten?)

AM & FM

• Was bedeutet "AM" und was bedeutet "FM"?

Senderwechsel

• Wie erreicht man es, dass man bei einem Radio den Sender wechseln kann?

Interferenz im Alltag

• Warum sieht man im Alltag wenig Interferenzerscheinungen von Licht?

Genauer: Warum entsteht hinter dem Schatten eines Baumstammes kein Interferenzmuster?

• Hält man ein Haar direkt vor das Auge und schaut in eine eng begrenzte, helle Lichtquelle, wie z.B. eine weit entfernte helle Lampe, dann sieht man folgendes:

a) Zeichnen Sie ein, in welcher Richtung das Haar verläuft.

b) Erklären Sie die regelmäßigen farbigen Stellen innerhalb des Lichtstreifens.

Typische Welleneigenschaften

• Welche typischen Welleneigenschaften hat Licht?
• Welche Eigenschaften sind nur schwer mit einem Teilchenmodell zu erklären und warum?

Beispiel-Experiment

• Erläutern Sie ein Experiment, mit dem man den Wellencharakter des Lichts nachweisen kann.

Doppelspalt

Beleuchtet man einen Doppelspalt mit geeignetem Licht, z.B. mit Laserlicht, so sieht man nicht den geometrischen Schatten des Doppelspaltes, sondern ein Streifenmuster.

• Erklären Sie das Versuchsergebnis mit dem Wellencharakter des Lichtes.

Haaresbreite

a) Bestimmen Sie mit aus den Messergebnissen des "Haarschattenversuchs" die Wellenlänge des Laserlichts.

b) Mit einem Laserpointer läßt man rotes Licht der Wellenlänge 650nm auf ein Haar fallen. Die Dicke des Haares hat man vorher zu 5 Hundertstel mm gemessen. Auf der 2m entfernten Wand kann man nun eine interessante Beobachtung machen.

Zeichnen Sie das auf der Wand sichtbare Muster in Originalgröße.

Lichtfarben und Wellenlänge

Ein Gitter wird vom Licht einer Glühlampe beleuchtet. Hinter dem Gitter ist im Abstand von 60cm ein Schirm. (Versuchsaufbau) Hier die Ergebnisse:

• 

  Gitter mit 80 Linien pro mm

• 

  Gitter mit 300 Linien pro mm

• Bestimmen Sie aus den Messergebnissen die Wellenlänge von violettem, blauen, grünem, gelben und rotem Licht. Vergleichen Sie Ihre Ergebnisse mit Literaturwerten.
• Warum ist das Maximum nullter Ordnung weiss und nicht bunt wie die anderen?
• Zu dem Gitter mit 80 Linien pro mm:

Warum ist das zweite Maximum breiter als das erste?

Begründen Sie, dass das zweite Maximum doppelt so breit sein müsste wie das erste. Wie breit ist demnach das dritte?

Ein Seidenschal

Ein roter Laserpointer, mit einer Wellenlänge von 630nm wird auf einen Schal gerichtet. Drei Meter hinter dem Schal kann man folgende Beobachtung machen:

• Erklären Sie die Beobachtung. Welche Eigenschaften des Schals können Sie daraus berechnen?
• Oder genauer: Bestimmen Sie die Dicke der Fäden und die Breite der Lücken in horizontaler und vertikaler Richtung.

Eine CD oder DVD

Ein Laserpointer emmittiert Licht einer Wellenlänge von 630nm und wird auf eine CD gerichtet. Man macht folgende Beobachtung:

Zwischen den Maxima Nullter und erster Ordnung bildet sich ein Winkel von 22°.

• Berechnen Sie daraus den Abstand zwischen den Rillen einer CD und schätzen Sie daraus die Anzahl der Rillen der CD ab.

Wie groß ist der Winkel zum Maximum zweiter Ordnung?

• Erkundigen Sie sich nach dem Rillenabstand einer DVD.

Wie verändert sich das Interferenzmuster, wenn man die CD durch eine DVD austauscht?

Mehrfachspalt und Zeigeraddition

Das nebenstehende Bild zeigt das Bild eines Schirms hinter einem beleuchteten Mehrfachspalt. Der verwendete Laser hat eine Wellenlänge von 532nm und der Abstand zwischen Spalt und Schirm beträgt 1m.

• Wieviele Spalte hat der Mehrfachspalt? Begründen Sie in Worten und mit Hilfe von Zeigeraddition.
• Wie breit sind die einzelnen Spalte und wie groß ist der Mittenabstand zwischen den Spalten?

Einzelspalt

Beleuchtet man einen schmalen Spalt mit weißem Licht, so kann man dahinter ein buntes Streifenmuster auf einem Schirm beobachten.

• Wie kommt es zu den wiederholten dunklen Stellen? Fertigen Sie eine Zeichnung zur Begründung an.
• Wie kommt es zu den farbigen Rändern der hellen Stellen?

Sind die hellen Stellen nach Außen hin oder zur Mitte hin rot? Begründen Sie.

Ein Einzelspalt hat eine Breite von genau einer Wellenlänge des einfallenden Lichtes.

• Unter welchem Winkel ist das Maximum nullter Ordnung zu sehen?