Aufgaben zur Vorbereitung auf die Klassenarbeit (Januar 2019) (Lösungen)
Das Magnetfeld
1) Welche dieser Stoffe sind magnetisierbar, welche nicht? Schreibe ja oder nein darunter!
Papier, Baumwolle, Wasser, Luft, Eisen, Holz, Nickel, Messing, Kupfer, nein nein nein nein ja nein ja nein nein Graphit (Bleistiftmine), Aluminium, Blei, Haare, Glas, Kunststoff, Zink. nein nein nein nein nein nein nein
2) Ein Stabmagnet hat einen Nord- und einen Südpol. Beschreibe, wie man herausfinden kann wo der Nordpol und wo der Südpol ist.
- Es gibt verschiedene Möglichkeiten:
- Wenn man bereits einen Magneten mit markierten Polen hat, dann kann man die gleichen Pole über die abstoßende Wirkung und die unterschiedlichen über die Anziehungswirkung finden.
- Ansonsten kann man den Magnet drehbar an einem Faden aufhängen. Der Magnet ist nun ein Kompass. Der magnetische Nordpol zeigt zum geographischen Nordpol der Erde!
3) a) Wie kann man überprüfen, ob ein Nagel magnetisiert oder unmagnetisiert ist?
- Da gibt es viele Möglichkeiten:
- Man hat ein Stück Eisen, von dem man sicher weiß, dass es unmagnetisiert ist. Nur der magnetisierte Nagel bleibt "daran kleben".
- Man streut Eisenpulver um den Nagel und schaut, ob sich Linien bilden, der Nagel also ein Magnetfeld hat.
- Man hält den Nagel an einen Kompass. Nur mit dem magnetisierten Nagel kann man auch eine abstoßende Wirkung beobachten. Ein unmagnetisierter Nagel zeigt nur anziehende Wirkung!
- b) Beschreibe wie man einen Eisennagel magnetisieren kann.
- Man streicht mit einem Permanentmagneten mehrmals in der gleichen Richtung über den Nagel.
- c) Nenne zwei Möglichkeiten einen Eisennagel zu entmagnetisieren.
- Man kann den Nagel fest auf den Boden werfen oder stark erhitzen (auf 770°C).
4) Erkläre das Magnetisieren und Entmagnetisieren des Nagels mit dem Modell der Elementarmagnete.Zeichne dazu Bilder und schreibe einen Text dazu.
Ein unmagnetisiertes Stück Eisen enthält Elementarmagnete, die in verschiedene Richtungen zeigen. Deshalb hat es keine Pole.
Bei einem magnetisierten Stück Eisen sind die Elementarmagnete ausgerichtet. Es bilden sich Pole.
Die Magnetisierungslinien zeigen die Ausrichtung der Elementarmagnete an.
Vor dem Drüberstreifen zeigen die Elementarmagnete in verschiedene Richtungen.
Nach dem Drüberstreifen sind die Elementarmagnete vorwiegend nach rechts ausgerichtet.
5) Kreuze die richtige Antwort an: Wenn man einen Stabmagneten durchbricht...
- FALSCH: hat ein Bruchstück nur einen Südpol, das andere nur einen Nordpol.
- RICHTIG: haben beide Bruchstücke wieder einen Nord- und einen Südpol.
6) Erkläre das Ergebnis von Aufgabe 5 mit den Elementarmagneten in Bild und Text.
- Bricht man einen Magneten durch, so ändert sich dadurch nichts an der Magnetisierung der einzelnen Teile. An den Stellen an denen Magnetisierungslinien beginnen entsteht ein neuer Südpol. An den Stellen an denen Magnetisierungslinien enden entsteht ein neuer Nordpol.
7) Schreibe und zeichne eine passende Erklärung für diesen Versuch:
Versuch: "Eine Nagelkette"
- Aufbau: Zwei Eisennägel sind zunächst nicht magnetisiert.
- a) Man versucht einen Nagel an den anderen dranzuhängen.
- b) Man hängt den ersten Nagel an einen Magneten, dann den zweiten an den ersten Nagel.
- Beobachtung:
- a) Der zweite Nagel bleibt nicht hängen.
- b) Diesmal bleibt der zweite Nagel hängen.
- Erklärung: Der erste Nagel wird durch den Magneten magnetisiert: Die Elementarmagnete werden ausgerichtet, der Nagel bekommt einen Nordpol und einen Südpol und ist somit auch ein Magnet. Der zweite Nagel wird vom ersten Nagel magnetisiert und erhält ebenso Pole. Die unterschiedlichen Pole der beiden Nägel werden zusammengezogen.
- Je länger die Nagelkette wird, desto schwächer ist die Wirkung. Das liegt daran, dass bei einem Nagel die Nord- und Südpolladung immer gleich groß ist. Der Südpol ist aber über eine große Oberfläche verteilt und deshalb ist das kleine Stück Südpol an der Nagelspitze schwächer.
- Ohne den Festmagneten zeigen die Elementarmagnete des ersten Nagels in viele unterschiedliche Richtungen. Er hat keine Pole. Deswegen gibt es auch keine Anziehungskraft zwischen den Nägeln.
8) Bei diesen Permanentmagneten ist die Ausrichtung der Elementarmagnete durch Magnetisierungs-linien gekennzeichnet. Kennzeichne die Südpole grün und die Nordpole rot.
- Der Südpol ist am Anfang der Magnetisierungslinien, der Nordpol an den Enden.
Ein Scheibenmagnet.
Dieser Magnet hat mehr als zwei Pole!
Die Pole sehen so aus wie bei einem Stabmagneten, hier ist aber der Magnet Außen, beim Stabmagnet Innen.
9) Bei diesen Permanentmagneten sind die Pole gekennzeichnet. Zeichne den möglichen Verlauf der Magnetisierungslinien ein.
Es gibt also auch Magnete mit drei Polen.
Diese Art von Magnetisierung gibt es nicht!
An einer Stelle eines Magneten kann die Magnetisierung nur eine Richtung haben , deswegen gilt:
- Magnetisierungslinien kreuzen sich nie.
10) An einen Permanentmagneten hängen ein oder zwei Weicheisenstücke. Zeichnet die Magnetisierungslinien im Weicheisen ein und kennzeichnet die Pole mit roter oder grüner Farbe
An der Kontaktfläche ensteht ein Südpol. Das Weicheisen wird so magnetisiert, dass es den Nordpol "verteilt" oder "vergrößert".
Auch hier "verteilen" die Weicheisenstücke die Pole auf eine größere Fläche.
11) Beschreibe zwei verschiedene Versuche, mit denen man ein Magnetfeld untersuchen kann.
- Entweder der Versuch mit der Eisenfeilspäne (mit dieser Beobachtung) oder
- der Versuch mit dem schwimmenden Magnetpol.
12) Ich halte einen Magneten knapp oberhalb einer Büroklammer. Plötzlich "springt" die Büroklammer nach oben zum Magnet. Wo kommt die Energie her, welche die Büroklammer nach oben hebt?
- Das Magnetfeld zwischen Magnet und Büroklammer zieht beide aufeinander zu, ähnlich wie ein gespanntes Gummiband. Die Energie zum Hochheben kommt also aus dem Magnetfeld.
- Entfernt man die Büroklammer wieder vom Magneten, so braucht man dazu Energie. Die Energie kommt aus dem Menschen und geht in das Magnetfeld hinein. Das ist so ähnlich wie ein Gummiband anzuspannen.
13) Welche Aussagen sind richtig, welche falsch? Schreibe es dahinter!
- Feldlinien verlaufen immer vom Nordpol zum Südpol. RICHTIG!
- Magnetisierungslinien verlaufen immer vom Nordpol zum Südpol. FALSCH! Sie verlaufen vom Süd-zum Nordpol.
- Feldflächen sind immer senkrecht auf den Feldlinien. RICHTIG!
- Feldlinien verhalten sich wie sich gegenseitig abstoßende Gummibänder. RICHTIG!
- Ein magnetischer Nordpol wird vom Magnetfeld längs einer Linie vom Südpol zum Nordpol gezogen. RICHTIG!
14) Zeichne einige Feldlinien in rot (mit Pfeilen) und Feldflächen (in grün) des Magnetfeldes möglichst genau ein.
Zwei ungleichnamige Pole: Die Feldlinien verbinden die sich anziehenden Pole.
Zwei gleichnamige Pole: Es gibt Feldflächen, die um beide sich abstoßenden Pole verlaufen.
Der elektrische Stromkreis
1) Wie funktioniert eine Glühbirne?
- Durch einen dünnen Draht fließt so viel Strom, dass er sehr heiß wird. Der glühende Draht sendet Licht aus.
2) Welche der Materialien können den elektrischen Strom leiten, welche nicht? Schreibe ja oder nein darunter:
Papier, Baumwolle, Wasser, Luft, Eisen, Holz, Nickel, Messing, Kupfer, Nein Nein Ja/nein Nein Ja Nein Ja Ja Ja Graphit (Bleistiftmine), Aluminium, Blei, Haare, Glas, Kunststoff, Zink. Ja Ja Ja Nein Nein Nein Ja
- Alle Metalle leiten den elektrischen Strom sehr gut.
3) Zeichne einen Schaltplan eines Stromkreises, mit dem du die elektrische Leitfähigkeit von Stoffen untersuchen kannst.
Man verwendet einen Stromkreis mit einem Lämpchen, der an einer Stelle unterbrochen ist. Diese Lücke wird mit dem Testmaterial gefüllt. Wenn das Material den Strom leiten kann, dann leuchtet die Lampe auf, sonst nicht.
4) In diesem Stromkreis ist der Schalter so eingebaut, dass das Lämpchen leuchtet, wenn der Schalter geöffnet ist.
- a) Erkläre, warum das Lämpchen ausgeht, wenn man den Schalter schließt.
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Ist der Schalter geschlossen, so verzweigt sich der Stromkreis. Der Strom kann durch den Glühdraht des Lämpchens fließen oder durch das parallele Kabel und den geschlossenen Schalter. Der Glühdraht des Lämpchens ist viel dünner als das Kabel des Schalters. Deshalb setzt das Lämpchen dem Strom einen großen Widerstand entgegen und der Strom fließt (fast) nur durch den geschlossenen Schalter. Man nennt das auch einen "Kurzschluss". |
- b) Zeichne einen Schaltplan, bei dem das Lämpchen angeht, wenn der Schalter geschlossen ist und erkläre warum das besser ist.
Dieser Schalter öffnet und schließt den Stromkreis. Nur bei geschlossenem Stromkreis fließt Strom und die Lampe leuchtet.
- Beim "Kurzschlussschalter" hat man den Nachteil, dass durch den Schalter und die angeschlossenen Kabel ein sehr großer Strom fließt und die Kabel heiß werden können. In einer Wohnung könnte dadurch ein Brand entstehen. Außerdem wird dabei unnötig Energie verschwendet.
5) Zeichne jeweils einen Schaltplan mit zwei Lämpchen, bei dem
a) beide Lämpchen mit einem Schalter ein- und ausgeschaltet werden können.
b) beide Lämpchen mit zwei Schaltern getrennt geschaltet werden können.
6) Erkläre mit einem Bild und einem Text was eine UND-Schaltung ist.
- Der Stromkreis wird von zwei Schaltern unterbrochen. Nur wenn der eine UND der andere Schalter geschlossen ist, leuchtet das Lämpchen.
7) Zeichne ein, wie man ein Ampèremeter in den Stromkreis einbauen muss, um die Stromstärke des Stroms zu messen, der durch das Lämpchen 1 fließt.
Man kann das Amperemeter vor das Lämpchen...
...oder hinter das Lämpchen einbauen.
8) Beim Feueralarm gehen innerhalb von 45 Sekunden 28 Schüler*innen und eine Lehrer*in durch die Zimmertür. Berechne die Menschenstromstärke.
- [math]I=\frac{\text{Anzahl der Menschen}}{\text{Zeit}} = \frac{29 \,\rm M}{45\,\rm s} = 0{,}64\rm\frac{M}{s}[/math]
9) Durch eine Lampe fließen zwei Coulomb elektrische Ladung innerhalb von acht Sekunden. Berechne die elektrische Stromstärke.
- [math]I=\frac{\text{Ladung}}{\text{Zeit}} = \frac{2 \,\rm C}{8\,\rm s} = 0{,}25\rm\frac{C}{s} = \,\rm A = 250\,\rm mA[/math]
10) Aufgaben zur Stromstärke (Lösungen)
11) Ergänze die Tabelle
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Wasserstromkreis |
elektrischer Stromkreis |
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Das Wasser fließt im Kreis durch die Schläuche. |
Die elektrische Ladung ("Elektrizität") fließt im Kreis durch die Kabel. |
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Die Pumpe treibt das Wasser an. |
Die Batterie (das Netzgerät, der Dynamo, der Generator) treibt die elektrische Ladung an. |
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Das fließende Wasser treibt das Rädchen an. |
Die fließende elektrische Ladung ("der Strom") läßt die Lämpchen leuchten. |
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Die Energie kommt von der Pumpe und wird vom Wasser zum Rädchen transportiert. |
Die Energie kommt aus der Batterie und wird von der elektrischen Ladung zur Lampe transportiert. |
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Der Wasserhahn unterbricht den Wasserfluß. |
Der Schalter unterbricht und schließt den elektrischen Stromkreis. |
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Nur wenn das Wasser im Kreis fließen kann, dreht sich ein Rädchen. |
Nur bei geschlossenem Stromkreis leuchtet die Lampe. |
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Die Wassermenge wird in Litern angegeben. |
Die Menge der elektrischen Ladung ("Elektrizität") wird in Coulomb ([math]C[/math]) angegeben. |
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Die Wasserstromstärke wird in Litern pro Sekunde angegeben. |
Die elektrische Stromstärke wird in Coulomb pro Sekunde angegeben. Das ist ein Ampère
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12) Welche der Aussagen sind falsch, welche richtig? Schreibe es dahinter!
- Die Wasserpumpe erzeugt am Wassereingang einen großen Druck und am Ausgang einen kleinen Druck. FALSCH! Genau umgekehrt!
- Außerhalb der Pumpe fließt das Wasser vom hohen Druck zum niedrigen Druck. RICHTIG!
- Vor den Wasserrädchen ist der Druck größer als hinter den Rädchen. RICHTIG!
- Verzweigt sich ein Schlauch in zwei Schläuche, so halbiert sich dabei der Druck. FALSCH!
- An einer Verzweigung ändert sich der Druck nicht. RICHTIG!
- Den "elektrischen Druck" nennt man elektrisches Potential ([math]\varphi [/math]). RICHTIG!
13) Welche Spannung kann man an den beiden Voltmetern ablesen? Schreibe sie dazu!
Die Spannung ist der Unterschied der Potentiale:
- [math]U= 10\,\rm V - 0\,\rm V = 10 \,\rm V[/math]
- [math]U= 8\,\rm V - 6\,\rm V = 2 \,\rm V[/math]
14) Aufgaben zum Potential im elektrischen Stromkreis (Lösungen)
