1 Elektromag(net)ischer Raum - Didaktik - Pädagogik€¦ · In Galileo 10/I, Ausgabe 2001, S. 18...

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1 Elektromag(net)ischer Raum

1.1 Schau hin, mach mit Fertige bei jeder Teilaufgabe eine gut beschriftete Skizze an. Sie sollte entweder ungefähr maßstabsgetreu sein oder wenigstens Längenangaben enthalten. Beschreibe jeweils ganz knapp deine Beobachtungen und (getrennt davon) deine Erklärungen.

a) Hänge zwei gleich große Luftballone an Schnüren nebeneinander auf und reibe sie in gleicher Art mit Wolle oder einem Fleecestoff.

Auf zwei gleichnamig geladene Luftballons wirken entgegengesetzt gerichtete elektrische Kräfte. Sie sind umso größer, je größer jeder der beiden Ladungen und je kleiner der Abstand zwischen den (Mittelpunkten der) Ballons ist. Der Zwischenwinkel bzw. der Abstand bei fester Schnurlänge sind aussage-kräftig bzgl. der Stärke der Kraft.

b) Stelle dich vor einen Spiegel und halte einen gut aufgeladenen Luftballon über deine frisch gewaschenen und sehr gut getrockneten Haare.

Der geladene Ballon über dem Kopf zieht einige Haare an. Die Anziehung zwischen Ballon und Haaren kann da-her kommen, dass die Haare zufällig entgegengesetzt zum Ballon geladen sind. Es kann auch sein, dass sich bewegli-che Ladungen auf den Haaren verschieben, die Haarspit-zen so entgegengesetzt geladen sind wie der Luftballon und damit angezogen werden. Auch die Hände und der Ballon müssen möglichst trocken sein, denn ein Wasserfilm verhindert eine anhaltende Aufladung.

c) Nimm einen Pinnwandmagneten. Hänge daran möglichst viele Büroklammern untereinander. Gibt es am Magneten Stellen unterschiedlicher Stärke?

Die Anzahl von (gleichen) Büroklammern, die man untereinander hängen kann, ist ein Maß für die Stärke der magnetischen Kraft.

An der Unterseite des Pinnwandmagneten findet man z. B. zwei Halbkreise mit einem Trennbereich, der nicht magnetisch ist. In den Halbkreisen weist die Mit-te die stärksten magnetischen Kräfte auf. Brücken aus

Kapitel 1 – Lösungsskizzen

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Büroklammern zwischen den Halbkreisen halten besonders gut. d) Nimm zwei gleiche Pinnwandmagnete. Füge die beiden Magnete aneinander und verdrehe dann einen

um 90°, 180° und 270°. Was fällt dir auf? Erkläre!

Zuerst „kleben“ beide Magneten de-ckungsgleich; bei einer Drehung größer 90° werden sie abgestoßen und versetzen sich. Bei Drehung um 180° sind sie wieder deckungsgleich.

Zylinderförmige Pinnwandmagnet werden in Halbkreisen oder Sektoren magnetisiert, weil dann das magnetische Feld besser innerhalb des Ma-terials verläuft und der Magnetismus über lange Zeiträume besser erhal-ten bleibt.


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1.2 Elektrizität und Magnetismus im Alltag Im alltäglichen Sprachgebrauch werden gerne Begriffe aus der Elektrizitätslehre verwendet, weil die so schön „dramatisch“ klingen: „geladen“, „gepolt“, „unter Strom/Spannung“. Finde einige konkrete Beispiele und stelle eine Beziehung her zwischen der physikalischen Bedeutung und der sprachlichen Absicht.

Einige Beispiele:

„Unser Lehrer ist heute wieder einmal mächtig geladen. Besser Abstand halten, sonst blitzt es.“ Vergleiche mit einer Gewitterwolke – bei größerem Abstand ist die Gefahr eines Ladungsausgleichs geringer.

„Da haben wir richtig heftig gestritten und dann hat es gefunkt – es war ein reini-gendes Gewitter.“ Fortsetzung von oben – nach einem Gewitter sind die Wolken entladen und da-mit die Gefahr gebannt.

„He, du stehst ja schlimm unter Spannung, entlade dich erst mal!“ Wenn Ladungen getrennt sind, dann kann man von Spannung sprechen. Beim Entladen kann noch ein Strom fließen, der natürlich auch etwas anrichten kann.

In Galileo 10/I, Ausgabe 2001, S. 18 findet sich unter dem Titel: „Blitze altgriechisch“ ein Ausschnitt aus der Komödie „Die Wolken“ von Aristopha-nes (445 - 380? v. Chr.). Im Verzeichnis Teil D der CD ist der Text in der Datei „Aristophanes-Text zu Gewitter.doc“ enthalten.


1.3 Elektrische Ballspiele Zwischen zwei geladenen Platten hängt an einem isolierenden Faden ein Tischtennisball mit einer elektrisch leitenden Oberfläche. Beschreibe je-weils, was zu beobachten ist, und begründe deine Aussage.

a) Der Tischtennisball ist erst neutral, wird dann mit der linken Platte in Be-rührung gebracht und anschließend losgelassen.

Wenn der Tischtennisball die linke Platte berührt, lädt er sich positiv auf. Deshalb wird er sofort wieder von der Platte abgestoßen (die Schwerkraft hilft da-bei) und von der rechten, negativ geladenen Platte angezogen. Dort entlädt er sich erst und lädt sich dann negativ auf – der Effekt von links wiederholt sich in analoger Weise. Der Ball pendelt hin und her.

b) Der Tischtennisball ist erst neutral, wird dann mit der rechten Platte in Berührung gebracht und anschlie-ßend losgelassen.

Optisch passiert genau das gleich wie bei a). Ob die Pendelbewegung mit einer positiven oder negativen Aufladung beginnt, ändert nichts am folgenden Ab-lauf: Aufladung, Abstoßung gleichnamiger Ladungen, Anziehung zur un-gleichnamigen, gegenüberliegenden Platte, dort Entladung und umgekehrte Aufladung usw.

c) Der Tischtennisball ist positiv geladen, wird dann mit der rechten Platte in Berührung gebracht und an-schließend losgelassen.

Kein Unterschied zu a) oder b): Der Tischtennisball entlädt an der negativen Platte zuerst seine positive Ladung, lädt sich dann positiv und es geht weiter wie bei b).


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1.4 Staubiges Feld Zwischen zwei geladenen Platten befinden sich zwei Staubkörnchen. Das eine Staubkörnchen hat eine dop-pelt so große Masse wie das andere. Beschreibe für die vorgegebenen Situationen, wie sich die zu

a) Die Staubteilchen sind gleich negativ geladen; beim größeren Teilchen ist die elektrische Kraft so groß wie die Gewichtskraft.

Beim größeren Staubteilchen ist der Betrag der Ge-wichtskraft nach unten gleich dem der elektrische Kraft nach oben. Deshalb kann das größere Teilchen schweben. Beim kleineren Staubteilchen ist der Betrag der Ge-wichtskraft nach unten kleiner, der Betrag der elektrische Kraft nach oben ist gleich dem des größeren teilchens. Das kleinere Teilchen wird nach oben beschleunigt.

b) Die Staubteilchen sind gleich negativ geladen; beim kleineren Teilchen ist die elektrische Kraft so groß wie die Gewichtskraft.

Beim kleineren Staubteilchen wirken beide Kräfte nach unten und deshalb wird es stark nach unten beschleu-nigt. Beim größeren Staubteilchen ist der Betrag der Ge-wichtskraft nach unten größer als der der nach oben wirkenden elektrischen Kraft. Das größere Teilchen wird auch nach unten beschleunigt.

Bei den folgenden Aufgaben musst du zuerst eine Kräfteaddition durchführen.

c) Die Staubteilchen sind gleich positiv geladen; die elektrische Kraft ist viel größer als die Gewichtskraft.

Die elektrischen Kräfte wirken hier waagrecht, die Ge-wichtskräfte senkrecht. Wenn die elektrischen Kräfte viel größer sind als die Gewichtskräfte, dann kann die senk-rechte Bewegung nahezu vernachlässigt werden. Bei beiden Teilchen sind die elektrischen Kräfte gleich (Betrag und Richtung), da sie gleich geladen sind (Betrag und Vorzeichen). In senkrechter Richtung gelten bei Vernachlässigung von Reibung die Regeln des freien Falls: Alle Körper werden unabhängig von ihrer Masse gleich be-schleunigt. Beide Bewegungskurven sind gleich.


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Die Bewegungskurven sind keine Parabeln (auch die waagrechte Bewegung ist beschleunigt), sondern leicht schräg nach unten verlaufende Geraden!

d) Die Staubteilchen sind gleich positiv geladen; die elektrische Kraft ist beim kleineren Teilchen genauso groß wie die Gewichtskraft.

Die Verhältnisse sind ähnlich wie bei c), allerdings kann die senkrechte Bewegung nicht vernachlässigt werden.


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Bei beiden Teilchen sind die elektrischen Kräfte gleich (Betrag und Richtung), da sie gleich geladen sind (Be-trag und Vorzeichen). In senkrechter Richtung gelten bei Vernachlässigung von Reibung die Regeln des freien Falls: Alle Körper werden unabhängig von ihrer Masse gleich beschleunigt. Beide Bewegungskurven sind gleich. Es sind abfallende Geraden mit einem Winkel von 45° gegen die Waagrechte.


1.5 Elektrische Teilchen im Ph-Hörsaal Stell dir vor, dass in deinem Ph-Hörsaal ein homogenes elektrisches Feld herrscht: Die Decke ist positiv und der Boden negativ geladen. Die Gewichtskraft, die auf das Teilchen wirkt, soll dabei berücksichtigt werden.

a) Skizziere und beschreibe präzise die Bewegung eines positiv geladenen Teilchens (Richtung, Beschleu-nigung), das in der Mitte des Zimmers ruht, das sich von der Tafel zur Rückwand bewegt.

Start aus der Ruhe:

Das Teilchen wird in senkrech-ter Richtung zum Boden hin be-schleunigt. In waagrechter Richtung findet keine Bewegung statt.

Start in Richtung Rückwand:

Das Teilchen fliegt in waagrech-ter Richtung gebremst durch die Reibung in Richtung Rück-wand. Es fliegt somit auf einer schrä-gen Bahn nach unten.

b) Bearbeite a) für ein negativ geladenes Teilchen.

Start aus der Ruhe:

Wenn die elektrische Kraft groß genug ist, wird das Teil-chen in senkrechter Richtung nach oben beschleunigt.

Start in Richtung Rückwand:

Das Teilchen fliegt in waagrech-ter Richtung gebremst durch die Reibung in Richtung Rück-wand. Es fliegt somit auf einer schrä-gen Bahn nach oben.


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c) Betrachte ein positiv geladenes Teilchen, das sich anfangs längs einer Raumdiagonale bewegt.

Das Teilchen wird nach oben hin immer langsamer und kehrt dann nach un-ten um. Es ergibt sich eine gekrümmte Bahnkurve.


1.6 Elektroskop Das abgebildete Ladungsmessgerät (Elektroskop) besteht aus einem Metallring, an dem davon isoliert eine metallene Halterung mit einem Zeiger angebracht ist.


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a) Erkläre die Funktionsweise und begründe, warum das Gerät nur die Ladungsmenge, jedoch nicht das Vorzei-chen der Ladung anzeigen kann.

Bei Berührung der Metallplatte verteilen sich die negativen Ladungen über den Zeiger, seine Metallhalterung, die Me-tallplatte und die Kugel. Beim Zeiger und seinem Halter stoßen sich gleichnamige Ladungen gegenseitig ab. Des-halb kommt es zu einem Zeigerausschlag, der umso größer ist, je mehr La-dungen sich verteilt haben. Dabei ist vorausgesetzt, dass der Zeiger ohne La-dung in die senkrechte Nullstellung zurückklappt.

Wenn die Kugel positiv geladen ist, wandern negativ geladenen Elektronen vom Elektroskop auf die Kugel. Die Elektronen wandern so, dass insgesamt ein gleichmäßig verteilter Elektronenmangel herrscht und somit alle Teile po-sitiv geladen sind und sich deshalb ebenso der Zeiger vom Halter abstößt.

b) Erkläre, wie du mit dem Gerät trotzdem herausfinden kannst, ob zwei Gegenstände gleichnamig oder ungleichnamig geladen sind.

Ich berühre das Elektroskop mit dem ersten geladenen Gegenstand. Das E-lektroskop schlägt aus. Dann berühre ich das Elektroskop mit dem zweiten Gegenstand. Vermindert sich der Zeigerausschlag, dann waren beide Gegen-stände ungleichnamig geladen. Bei gleichnamigen Ladungen vergrößert sich der Zeigerausschlag.


1.7 Man nehme Grieß und Öl* Grießkörner sind elektrische Isolatoren, die in elektrischen Feldern zu Dipolen werden. Ein Ende ist dann positiv, das andere negativ geladen. Deshalb kann man mit Grießkörnern, die in Rizinusöl schwimmen, e-lektrische Feldlinien sichtbar machen.

a) Erkläre mit den Eigenschaften von Grieß, warum sich im elektrischen Feld Ketten von Grießkörnern bilden. Beschreibe und erkläre das Feldlinienbild rechts (vgl. mit S. 8).

In einem elektrischen Feld werden viele Grieskörner zu „Dipolen“. Dann zie-hen sich jeweils der Pluspol eines Korns und der Minuspol eines anderen Korns an. Mit diesem Mechanismus bilden sich zwischen den Ladungen, die das Feld erzeugen, Ketten aus Grieskörnern.

Es ist in der Aufgabe nicht verlangt, aber Skizzen machen die Erklärung noch deutli-cher.

+ + + - - -

Die beiden folgenden Feldlinienbilder zeigen zwei geladene Platten (Plattenkondensator, hier: oben plus, unten minus) und das elektrische Feld zwischen einer positiv geladenen „Wolke“ und einem negativ geladenen „Auto mit Antenne“. Zeichne die Bilder ab und gib den Feldlinien Richtungen.

b) Erkläre mithilfe des elektrischen Feldes von Punktladungen, warum es beim Plattenkondensator einen homogenen Bereich und „Streufelder“ an den Plat-tenenden gibt.

In der Mitte der Platten sind die Ladungen gleich verteilt (homogener Bereich), am Rand liegen sie etwas enger (Streufeld).

c) Erkläre mithilfe des elektrischen Feldes von Punktladungen, warum im Auto

kein elektrisches Feld vorhanden ist und warum sich an der Autoantenne sehr viele Linien bündeln.

Innerhalb vom Auto fehlt ein Pluspol. Deshalb können sich keine Feldlinie und kein Feld ausbilden. Die Antenne verläuft besonders nahe zu den positiven Ladungen der Wolke.


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1.8 Elektrische Feldlinien erkunden (Projektmöglichkeit) Mithilfe von Papierstreifen kannst du elektrische Feldlinien erkunden. Steche Stecknadeln an mehre-ren Stellen von unten nach oben durch ein Stück festen Karton hindurch. Lege die dachförmig gefalte-ten Papierstreifen (ca. 5 cm lang) so auf die Spitzen der Nadeln, dass sie sich leicht drehen lassen.

Fertige zu den Teilaufgaben sorgfältige Skizzen der Ergebnisse an.

a) Untersuche das elektrische Feld eines geladenen Luftballons.

Antwort je nach Schüler b) Bringe verschiedene geladene Gegenstände in die Nähe der Anordnung (z. B. eine Kunststofffolie oder

ein Stück Styropor) und untersuche das elektrische Feld.

Antwort je nach Schüler

Es ist günstig, die Anordnung jeweils zu fotografieren und dann eine ver-einfachte, klare Skizze zu fertigen.

Die Qualität der Feldbilder hängt sehr davon ab, dass sich die Papierdä-cher sehr leicht drehen. Dies ist nach den Erfahrungen der Autoren kaum für alle Dächer der Anordnung gleich gut zu schaffen, sodass die Ergeb-nisse nicht den idealisierten Abbildungen in Schulbüchern entsprechen.


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1.9 Ladungen groß und klein Die kleinste Ladungsmenge ist die Elementarladung e = 1,6 · 10-19 C. Darüber hast du im letzten Schuljahr einiges erfahren.

Siehe Galileo 8, Seite 122 a) Was bedeutet die Einheit 1 Coulomb? Wie viele Elektronen haben zusammen die Ladung 1 C?

1 C = 1 As, d. h. ein Ampere fließt genau eine Sekunde lang.

1 C : e = 1 C : 1,6 · 10-19 C = 6,25 ⋅ 1018 (Stück)

(6,25 ⋅ 1018 = 1 Mrd. mal 1 Mrd. mal 6,25) b) Nenne Beispiele aus der Physik oder Chemie, bei denen die Ladungsmengen ± 1 e, ± 2 e bzw. ± 5 e vor-

kommen.

Wasserstoffatom H: Kernladung +1e; Hüllenladung –1e

Heliumatom He: Kernladung +3e; Hüllenladung –2e

Boratom B: Kernladung +5e; Hüllenladung – 5e

oder (z. B.) Sauerstoffatom mit Kernladung +8e:

Gesamtladung –1e (–2e, –5e) bedeutet: Elektronenüberschuss mit 1 (2, 5) Elektronen. Gesamtladung +1e (+2e, +5e) bedeutet: Elektronenmangel mit 1 (2, 5) Elektronen.

Möglicherweise können die Schüler hier auf Vorwissen aus der Chemie zurückgreifen.

c) Somebody walked on dry carpet tiles for a while and now he is charged with Q = +10 nC. How many electrons are missing?

10 nC : 1e = 10 ⋅ 10-9 C : 1,6 · 10-19 C = 6,25 ⋅ 1010 (Stück) = 62,5 Mrd. d) Unter einer negativ geladenen Wolke (Q = 25 mC) fliegt ein Luftballon mit 0,7 Billionen überschüssigen

Elektronen. Vergleiche die Ladungsmengen und begründe, warum man den Luftballon als „Probeladung“ bezeichnen darf.

q = 700 000 000 000 ⋅ e = 700 000 000 000 ⋅ 1,6 · 10-19 C = 1,12 ⋅ 10-07 C

Q = 25 mC = 2,5 ⋅ 10-2 C

Q : q ≈ 200 000; deshalb kann der Luftballon als Probeladung gelten, die eine Kraft verspürt, aber das Feld zwischen Wolke und Boden praktisch nicht ver-ändert.


1.10 Rauchgasfilter* Eine Anordnung mit einem negativ geladenen Draht (Sprühelektrode) und einer positiv geladenen Röhre (Niederschlagselektrode) dient dazu, Rußpartikel aus Rauchgas zu entfernen. Für die Funktionsweise ist ein starkes elektrisches Feld entscheidend.

a) Zeichne den Längsschnitt durch das Rauchgasfilter in dein Heft ab. Trage zusätzlich die elektrischen Feldlinien zwischen der Sprühelektrode und der Niederschlagselektrode ein. Gib jeweils auch die Feldrichtung an.

Siehe Skizze.

b) Zeichne nun einen Querschnitt durch das Rauchgasfilter und trage die Feldlinien ein. Erkläre mithilfe dieses Bildes, dass die elektrischen Kräfte in der Mitte be-sonders groß sind.

In der Mitte verlaufen die Feldlinien viel „dichter“ als am Rand. Deshalb sind in der Mitte die Stärke des Feldes und damit auch die elektrischen Kräfte besonders groß und wirksam.

c) Erkläre die Funktionsweise des Rauchgasfilters. Nimm dazu an, dass die Sprühelektrode Elektronen „versprüht“, die von den Rauchteilchen aufgenommen werden und diese laden.

Die Sprühelektrode sorgt dafür, dass die Rauchteilchen negativ geladen wer-den. Deshalb werden sie von der positiv geladenen Zylinderwand angezogen. Bei Auftreffen bleiben sie dort „kleben“ und fallen später als Staubansamm-lungen nach unten, wo sie als Ruß gesammelt und entsorgt werden.


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1.11 Oszilloskop* Lies zuerst den Text „Das Oszilloskop“ in „Zum Weiterlesen“.

Siehe Schülerbuch S. 17. Nun kannst du überprüfen, ob du die Funktionsweise verstanden hast:

a) Du erkennst auf dem Schirm einer Braun’schen Röhre einen einzigen Leuchtpunkt. Was bedeutet dies für die Spannungen an den Ablenkplatten?

Ein einziger Leuchtpunkt bedeutet, dass die Ablenkspannungen in waagrech-te und senkrechte Richtung entweder null sind oder einen festen Wert haben.

Spannung Lage am Bildschirm null Mitte

positiv zwischen oberer und unterer Platte obere Hälfte positiv zwischen linker und rechter Platte rechte Hälfte

negativ zwischen oberer und unterer Platte untere Hälfte negativ zwischen linker und rechter Platte linke Hälfte

b) Gib für jedes der Bilder vom Leuchtschirm eines Oszilloskops die Polung des Plattenpaars zur x-Ablenkung und y-Ablenkung an. Vergleiche dazu die Beträge der Spannungen miteinander.

linkes Oszilloskop: Ux = –1 Einheit Uy = +4 Einheiten

mittleres Oszilloskop: Ux = +4 Einheiten Uy = –4 Einheiten

rechtes Oszilloskop: Ux = +1 Einheit Uy = –4 Einheiten c) Warum wird an die x-Ablenkung meistens eine Spannung angelegt, deren zeitlicher Verlauf die Form ei-

nes Sägezahns hat? Wie sehen die entsprechenden Oszilloskop-Bilder mit einem Sägezahn aus, wenn die Ablenkspannung in y-Richtung jeweils wie in Aufgabe b) ist?

Damit „läuft“ der Elektronenstrahl gleichmäßig von links nach rechts und zeigt die y-Spannung so an, wie sie sich zeitlich verändert.

Bei den Leuchtpunkten von b) ent-stehen mit einem „Ablenk-Säge-zahn“ waagrechte Linien.


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1.12 Praktikum* (Projektmöglichkeit) Die Einstellungen an den Drehknöpfen eines Oszilloskops geben jeweils an, welchen Wert eine Kästchen-breite auf dem Bildschirm darstellt. In horizontaler Richtung werden dabei die Zeitangaben abgelesen, in vertikaler Richtung die Spannungsangaben.

a) Gib für folgende Oszilloskop-Bilder die typi-schen Werte an: Extremwerte der Span-nung U, Periodendauer T, Frequenz f. Es gilt der Zusammenhang: f = 1/T.

Einheit der Frequenz:

[f] = 1/s = 1 Hertz = 1 Hz

linkes Oszilloskop: Umax = 2,0 Volt; T = 8 ⋅ 2 ms = 16 ms; f = 62,5 Hz

mittleres Oszilloskop: Umax = 1,0 Volt; T = 4 ⋅ 2 ms = 8,0 ms; f = 125 Hz

rechtes Oszilloskop: Umax = 15 Volt; T = 4 ⋅ 0,5 ms = 2,0 ms; f = 500 Hz b) Mache dich in einem Praktikum mit der Beschreibung des Oszilloskops vertraut. Gehe auf Intensität, Fo-

kussierung, Zeitablenkung, Frequenz und Triggerung ein. Mögliche Untersuchungsthemen sind: Aus-gangsspannung eines Funktionsgenerators, Darstellung akustischer Schwingungen mithilfe eines Mikro-fons, Qualität der Gleichspannung von Netzgeräten.


Einfache Messaufgaben, wie sie in den Physik-Lehrplänen vorkommen, reichen aus. Für „Fortgeschrittene“ sind Lissajous-Figuren attraktiv.


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1.13 Magnete „zaubern“ Bilder (Projektmöglichkeit) Stelle mit nachfolgenden experimentellen Methoden magnetische Feldlinien dar:

a) mit vielen kleinen Magnetnadeln;


b) mit Eisenfeilspänen (sie entstehen beim Feilen von Eisenstücken), die auf ein Stück Papier über einen Magneten gestreut werden. Tipp: Du kannst das Bild anschließend mit Haarspray fixieren und verhindern, dass die Eisenstückchen rosten.

Antwort je nach Schüler c) Mit einer magnetisierten Nadel, die in einem Kor-

ken steckt und im Wasser schwimmt. Begründe, warum die Bewegungslinie nur bei sehr kleinen Geschwindigkeiten mit einer Feldlinie überein-stimmt und warum die Nadel möglichst lang sein sollte.


Bei allen drei Experimenten ist es günstig, wenn die Lehrkraft bei der Ge-rätebeschaffung mithilft und dazu die Möglichkeiten der Physik-Sammlung nutzt.


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1.14 Eiserne Bilder Die beiden Bilder wurden nach der Methode von Aufgabe 13 b) hergestellt. Erkläre mit den Eigenschaften von Eisen, warum sich in einem magnetischen Feld Ketten von Eisenkörnern bilden. Beschreibe und erkläre die beiden Feld-linienbilder.

In einem Magnetfeld wird ein Eisenstück zu einem Magneten mit Nord- und Südpol. Dies passiert mit den vielen „Eisenfeilspänen“ eines Eisenpulvers gleichzeitig. Dann ziehen sich jeweils der Nordpol eines Korns und der Südpol eines anderen Korns an. Mit diesem Mechanismus bilden sich, ausgehend von den Polen (Orte stärkster Kraftwirkung), Ketten aus Eisenkörnern.

N N N S S S

Linkes Bild: Das Eisenpulver macht das Dipolfeld eines Stabmagneten sichtbar. Die Feldli-nien verlaufen in Bögen vom Nord- zum Südpol. Links und rechts verlaufen Feldlinien scheinbar in Unendliche (um sich dort zu schließen).

Rechtes Bild: Das Eisenpulver macht das homogene Feld und das Streufeld eines Hufeisen-magneten sichtbar. Die Feldlinien verlaufen zwischen den Schenkeln nahezu ge-rade und in gleichen Abständen. Außen sind Bögen vom Nord- zum Südpol er-kennbar.

Es bietet sich an, die Eisenfeilbilder mit den Abbildungen im Schülerbuch S. 10 zu vergleichen. Darüber hinaus können noch die Parallelen zur Auf-gabe 1.7 angesprochen werden.


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1.15 Geheimnisvolle Schaukel (Projektmöglichkeit) Für diesen Versuch benötigst du zwei sogenannte Reed-Kontakte aus dem Elektronikfachhandel. Das sind elektronische Schalter, die durch magnetische Wirkung geschlossen werden. Mithilfe zweier solcher Kontakte kannst du eine Schaukel bauen, die nie zu schwingen aufhört. Die Skizze zeigt dir den prinzi-piellen Aufbau einer solchen Schaukel.

a) Beschreibe und erkläre die Funktionsweise der Schaukel.

Der Magnet pendelt unaufhörlich hin und her, im Umkehrpunkt blinkt die Lampe auf dieser Seite kurz auf. Man könnte an ein Perpetuum mobile den-ken.

Es handelt sich um zwei getrennte Stromkreise mit jeweils einer Lampe, ei-nem Reed-Kontakt und einem Elektromagneten (Spule). Die Reedschalter sind so montiert, dass sie bei Annäherung des Magneten schließen. Damit leuchtet das Lämpchen und es wird der entsprechende Elektromagnet akti-viert, der den Pendelmagnet anzieht und beschleunigt. Wenn der Pendelmag-net über dem Elektromagnet ist, hat der Reed-Kontakt wieder geöffnet.

b) Normalerweise kommt die Schaukel durch Reibung nach einiger Zeit zum Stillstand. Beschreibe den Vor-gang unter Verwendung des Energiebegriffs.

Lageenergie wird in Bewegungsenergie gewandelt und umgekehrt. Reibungs-verluste werden durch die Beschleunigung mittels des Elektromagnets ausge-glichen.

c) Woher kommt die Energie, die die Reibungsverluste ausgleicht?

Die (erstaunliche) Erhaltung der mechanischen Energie wird durch die elekt-rische Energie der Batterie gesichert.

d) Baue eine solche Schaukel.

Lampen, Batterie, Reed-Kontakte und Zubehör gibt es im Elektronik-fachhandel. Spulen könnte man auch selbst wickeln, wenn man einige Me-ter dünnen Kupferdraht besorgt.



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1.16 Elektrisch oder magnetisch? a) Beschreibe die Gemeinsamkeiten und Unterschiede von elektrischen und magnetischen Feldern.

Gemeinsamkeiten: • Kraftwirkung auf Probekörper • Feldvorstellung • Es gibt Pole. • Große Bedeutung in der Natur und der Technik

Unterschiede • Es gibt unterschiedliche Probekörper. Ladungen beim elektrischen Feld

und bei stromdurchflossenen Leitern bzw. magnetisierbare Stoffe beim magnetischen Feld.

• Plus- bzw. Minuspol und Nord- bzw. Südpol sind völlig andersartig. • Elektrische Feldlinien haben Anfang und Ende. Sie beginnen und enden bei

Ladungen. Magnetische Feldlinien sind geschlossen. • Materialien können auf magnetische Felder reagieren oder magnetisiert

werden. Unabhängig davon können Materialien gute oder schlechte elektri-sche Leiter sein.

b) Wie kannst du experimentell entscheiden, ob eine Kraftwirkung von einem elektrischen oder magneti-schen Feld herrührt?

„Test auf Kraftwirkung“: Wirkt sie nur auf Ladungen oder nur auf Strö-me/Magneten oder auf beides?

„Test auf Materialwirkung“: Wirkt sie nur auf elektrisch leitende Materialien oder magnetisierbare oder auf beide Sorten?

„Test auf Abschirmbarkeit“: Elektrische Felder lassen sich leicht mit metalli-schen Folien abschirmen, magnetische Felder in der Praxis nicht.

Das Kapitel 1 im Schülerbuch ist mit Bedacht so angelegt, dass von Anfang an elektrische und magnetische Felder in Abschnitten vergleichend darge-stellt werden. Die sichere Wahrnehmung von Gemeinsamkeiten und Unter-schieden ist bedeutsam für ein gefestigtes Grundwissen.

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