Aufgabe Vorschlag B1 - 1 · Abitur Hessen Physik GK 2021
Thema: Elektrisches Feld, Coulomb-Kraft und Kondensator · Aus der Prüfung GK (2021)
Aufgabenstellung
Die Betrachtung von geladenen Körpern führt zum Begriff des elektrischen Feldes.
An einen luftgefüllten Plattenkondensator aus kreisförmigen Metallplatten, die einen Plattenabstand von und einen Radius von jeweils besitzen, wird eine Spannung von angelegt.
1 Im Physikunterricht gehören zu den ersten Versuchen zur Elektrizitätslehre Experimente mit geladenen Körpern. Im Folgenden werden elektrisch geladene Luftballons betrachtet.
1.1
Ein Luftballon, dessen Oberfläche mit Metall bedampft ist, und ein Luftballon ohne eine solche Bedampfung werden durch Berühren an einer Stelle elektrisch negativ aufgeladen. Erklären Sie den Unterschied, der sich für die Ladungsverteilung aus der Bedampfung der Oberfläche mit Metall ergibt. (3 BE)
1.2
Ein negativ geladener Luftballon, dessen Oberfläche mit Metall bedampft ist, hängt an einem langen Faden von der Decke. An einem Isolierstiel wird eine ungeladene Metallkugel seitlich in die Nähe des Ballons gehalten. Der Ballon kann weder den Isolierstiel noch die Metallkugel berühren.
Skizzieren Sie die sich ergebende Lage von Faden, Ballon und Metallkugel. Skizzieren Sie auch die Ladungsverteilung auf Ballon und Metallkugel. Erläutern Sie Ihre Skizze. (6 BE)
1.3
Zwei gleiche, negativ geladene Luftballons, deren Oberflächen mit Metall bedampft sind, hängen an langen Fäden von der Decke. Die Ballons berühren sich nicht, die Fäden sind aber so lang, dass sich die Ballons grundsätzlich berühren können (Material 1). Der Ballon 1 wird nun vorsichtig mit der Hand berührt und die Hand anschließend wieder weggenommen.
Erklären Sie, welche Folgen dies hat. (5 BE)
Lösung
Nach den offiziellen Korrekturhinweisen
1.1 Erklären Sie den Unterschied, der sich für die Ladungsverteilung aus der Bedampfung der Oberfläche mit Metall ergibt.
Lösung: Ein normaler Luftballon besteht aus einem Material, das den elektrischen Strom nicht leitet. Wird der Ballon durch Berühren an einer Stelle elektrisch negativ aufgeladen, bleiben die Elektronen lokal an der Stelle, an der sie auf den Ballon übertragen wurden. Wird ein metallbedampfter Ballon verwendet, ist die Oberfläche elektrisch leitend. Die übertragenen Elektronen verteilen sich über die gesamte Oberfläche des Ballons.
1.2 Skizzieren Sie die sich ergebende Lage von Faden, Ballon und Metallkugel. Skizzieren Sie auch die Ladungsverteilung auf Ballon und Metallkugel.
Lösung: Der Faden ist zur Metallkugel hin ausgelenkt. Die Metallkugel zeigt Influenz: Elektronenmangel (positive Partialladung) auf der dem Ballon zugewandten Seite und Elektronenüberschuss (negative Partialladung) auf der abgewandten Seite. Auf dem Ballon verschieben sich die Elektronen verstärkt zur der Kugel zugewandten Seite.
1.2 Erläutern Sie Ihre Skizze.
Lösung: In der Metallkugel findet Influenz statt, d. h. die in der Kugel frei beweglichen Elektronen wandern auf die vom Ballon abgewandte Seite der Kugel. Auf der dem Ballon zugewandten Seite entsteht ein Elektronenmangel. Die überschüssigen Elektronen auf der Ballonoberfläche wandern verstärkt zu der Seite, die der Kugel zugewandt ist. Der Ballon wird zur Kugel hingezogen.
1.3 Erklären Sie, welche Folgen dies hat.
Lösung: Durch die Berührung mit der Hand fließen Elektronen von Ballon 1 ab. Wenn die Hand wieder weggenommen wird, verschieben sich auf der Oberfläche von Ballon 1 Elektronen durch Influenz. Auf der Seite, die dem Ballon 2 zugewandt ist, entsteht ein Elektronenmangel und auf der anderen Seite ein Elektronenüberschuss. Die beiden Ballons ziehen sich an und berühren sich. Bei der Berührung fließen Elektronen vom Ballon 2 auf den Ballon 1. Da die Ballons baugleich sind, tragen beide Ballons nach der Berührung die gleiche Ladungsmenge. Beide Ballons sind nun negativ geladen und stoßen sich wieder ab. Alternative Lösung für den zweiten Absatz: Bei der Berührung fließen Elektronen vom Ballon 2 auf den Ballon 1. Beide Ballons sind nach der Berührung neutral, da der Elektronenmangel auf dem einen Ballon dem Elektronenüberschuss auf dem anderen Ballon entsprochen hat. Daher hängen die Ballons lotrecht herab.
Die ausführliche Erklärung Schritt für Schritt (mit KI) gibt es mit Premium. Premium
Löse sie direkt hier: automatische Korrektur, Hinweise und Lösung Schritt für Schritt.
‹ Aufgabe Vorschlag B2 - Aufgabe 3 · GK 2022 · Aufgabe Vorschlag B1 - 2.1 · GK 2021 ›