Aufgaben zu Geladene Teilchen in elektrischen und magnetischen Feldern

35 Aufgaben zu Geladene Teilchen in elektrischen und magnetischen Feldern aus dem Abitur NRW Physik (2021-2026). Mit ausführlicher Lösung.

Aufgabe 1 · GK · Elektronenstrahlhärtung 2026

Aufgabe 1: a) Beschleunigungsvorgang von Elektronen innerhalb der Elektronenkanone mithilfe von Material 1 erklären. b) Einfluss der Heiz- und Beschleunigungsspannung auf die Leistung des Elektronenstrahls erklären.

Aufgabe 2 · GK · Elektronenstrahlhärtung 2026

Aufgabe 2: Bestimmung der optimalen Beschleunigungsspannung mithilfe von Abb. 2 unter Angabe der Konsequenzen zu hoher/niedriger Werte, Berechnung der erforderlichen Bestrahlungszeit pro Quadratmeter sowie Erläuterung der Kalkulation der Energiekosten pro Quadratmeter.

Aufgabe 3b - Geladene Teilchen in Feldern · GK · Elektronenstrahlhärtung 2026

Erklären Sie die mit Aufladung der Oberfläche zunehmende Aufweitung des Elektronenstrahls mithilfe einer Argumentationskette unter Berücksichtigung der Geschwindigkeiten in x- und y-Richtung.

Aufgabe 1 · GK · Protonentherapie 2026

Vergleich von Röntgen- und Protonenstrahlung bezüglich Gemeinsamkeiten, Unterschieden, Berechnung der Geschwindigkeit von Protonen bei 4,5 MeV als Anteil der Lichtgeschwindigkeit und Erläuterung der gewebeschonenden Wirkung der Protonentherapie anhand des Dosisprofils (Material 1).

Aufgabe 2 · GK · Protonentherapie 2026

Kräfte und Bahnformen beim Beschleunigungsvorgang eines Protons im Zyklotron analysieren: Richtungen und Wirkungen der elektrischen Kraft im Spalt und der Lorentzkraft in den Duanten beschreiben sowie die Lorentz-Kraftvektoren an den Positionen 1, 2 und 3 in Material 3 skizzieren.

Aufgabe 3 · GK · Protonentherapie 2026

Aufgabe 3: Zyklotron mit Beschleunigungsspannung 50 kV. a) Berechnung der Anzahl der Umläufe bis 4,5 MeV. b) Ermittlung der magnetischen Flussdichte B bei Radius 1,5 m und Endenergie 4,5 MeV. c) Qualitative Erläuterung der Auswirkung einer Spannungsverringerung auf Bahn und Endgeschwindigkeit.

Aufgabe 4 · GK · Protonentherapie 2026

Beurteilen Sie den Titel des Zeitungsartikels (M 5, „Heilende Strahlung der Ionen“) im Hinblick auf die fachliche Korrektheit und bewerten Sie die mögliche Wirkung der Aussage auf die Leser der Zeitung.

Aufgabe 1 b - Geladene Teilchen in Feldern · LK · Linearbeschleuniger 2026

Berechnen Sie die maximal mögliche Geschwindigkeit eines anfänglich ruhenden Protons nach dem Durchlaufen des Kondensators (M 1).

Aufgabe 2 · LK · Linearbeschleuniger 2026

Aufgabe 2: Erklärungen zur Funktionsweise, den wirkenden Kräften, der Röhrenlängenzunahme und dem zeitlichen Geschwindigkeitsverlauf eines Protons im Hochfrequenz-Linearbeschleuniger (LINAC).

Aufgabe 3 · LK · Linearbeschleuniger 2026

Aufgabe 3: Herleitung der Formel für die Länge der n-ten Röhre im LINAC und Bestimmung der Faktoren für Frequenz bzw. Spaltspannung bei Verwendung von Kohlenstoffionen mit 12-facher Masse.

Aufgabe 4 · LK · Linearbeschleuniger 2026

Die Protonentherapie kann nicht bei allen Patienten eingesetzt werden (Material 5). Stellen Sie eine Hypothese auf, wie die Bewegung der Protonen im Körper durch die Wechselwirkung mit Metallimplantaten beeinflusst werden könnte.

Aufgabe 1 · GK · Massenspektrometrie 2025

Qualitative Beschreibung und Begründung der Bewegungen positiv geladener Teilchen im homogenen elektrischen sowie im magnetischen Feld anhand von Material 1.

Aufgabe 2 · GK · Massenspektrometrie 2025

Funktionsweise des Geschwindigkeitsfilters: Herleitung der Filtergeschwindigkeit v_Filter = E / B und Berechnung der magnetischen Flussdichte B für v_1 = 1,00 · 10^5 m/s.

Aufgabe 3 · GK · Massenspektrometrie 2025

Der Geschwindigkeitsfilter lässt nur Ionen mit v1 = 1,00 · 10^5 m/s passieren. Ein einfach positiv geladenes Ion trifft oberhalb der Lochblende A auf. Es soll erläutert werden, ob die Eintrittsgeschwindigkeit größer oder kleiner als v1 war.

Aufgabe 4 · GK · Massenspektrometrie 2025

Kreisbahnen im Magnetfeld des Analysators: Abstand a auf der Detektorplatte berechnen und Proportionalität des Bahnradius zur Ionenmasse begründen.

Aufgabe 5 · GK · Massenspektrometrie 2025

Beurteilung, ob eine Verkürzung der Kondensatorplatten im Geschwindigkeitsfilter zu einer geringeren Streuung der Geschwindigkeiten nach der Lochblende A führt.

Aufgabe 6 · GK · Massenspektrometrie 2025

6. Zu Testosteron-Doping und vorgeschlagener lebenslanger Sperre bei Wettkämpfen: a) Beurteilen Sie die Eignung einfacher Massenspektrometer aus fachlicher Sicht (3 BE). b) Bewerten Sie den Einsatz einfacher Massenspektrometer unter Berücksichtigung von Material 6 und Teilaufgabe a (2 BE).

Aufgabe 1 · LK · 3D-Metalldruck 2025

Aufbau des Elektronenstrahlsystems: a) Polung der Stellen A und B angeben und begründen, warum der Wehneltzylinder negativ geladen sein muss. b) Beschleunigungsspannung für v₁ = 1,25·10⁷ m/s berechnen. c) Erklären, warum das Verfahren bei Lufteintritt nicht funktioniert.

Aufgabe 2 · LK · 3D-Metalldruck 2025

2. Bündelung des Elektronenstrahls in einer elektrostatischen Linse: a) Erklären der Richtung der elektrischen Kraft in P1 (zur Symmetrieachse hin) und in P2 (weg von ihr) anhand der Feldlinien. b) Einzeichnen der Kraftpfeile F1 und F2 in Abbildung 3 sowie qualitative Begründung, warum die Bündelung zur Symmetrieachse…

Aufgabe 3 · LK · 3D-Metalldruck 2025

Ablenkung des Elektronenstrahls im homogenen Magnetfeld: Berechnung der magnetischen Flussdichte B und qualitative Begründung, warum statische Magnetfelder keine Energie zuführen können.

Aufgabe 4 · LK · 3D-Metalldruck 2025

Hypothesen zu erforderlichen Änderungen in den drei Abschnitten (Elektronenstrahlsystem, elektrostatische Linse, Ablenkmagnet) beim Einsatz energiereicherer (schnellerer) Elektronen für den Schmelzvorgang formulieren und begründen.

Aufgabe 5 · LK · 3D-Metalldruck 2025

In Material 4 sind Gerätedaten einer Elektronenstrahlschmelzanlage dargestellt. Analysieren Sie zwei Angaben aus den technischen Gerätedaten der Tabelle in Material 4 unter physikalischen Gesichtspunkten hinsichtlich möglicher Risiken für die Gesundheit von Menschen und nennen Sie Sicherheitsmaßnahmen zur Verringerung…

Aufgabe 1: Das Zyklotron · GK · Nachtermin 2023

Umfassende Aufgabe zum Zyklotron und Synchro-Zyklotron: Aufbau, Funktionsweise der E- und B-Felder, Umpolung der Wechselspannung, Skizze der Bahnkurve, Berechnung von Beschleunigungsspannung U, Geschwindigkeit v als Bruchteil von c, Radienherleitung und Radienverhältnis, Berechnung der Protonen-Ruheenergie E0 in MeV,…

Aufgabe 2 - Teilaufgabe 1 · LK · Haupttermin · Weiterbildungskolleg 2023

Teilaufgabe 1 (Erzeugung und Führung des Elektronenstrahls im REM): a) Erläuterung der Funktionsweise der Elektronenkanone und Begründung, warum UB Gleichspannung sein muss, während UH auch Wechselspannung sein darf. b) Herleitung der Austrittsgeschwindigkeit v = sqrt(2*e*UB/m0), Berechnung der maximalen…

Aufgabe 2 - Teilaufgabe 2 (a-c) - Detektion und W… · LK · Haupttermin · Weiterbildungskolleg 2023

Teilaufgabe 2 (a-c): Beschreiben der Entstehung freier Elektronen durch Stoßionisation und energetische Begründung; Bedingung und Herleitung der Geschwindigkeit v = E/B im Wien-Filter sowie Notwendigkeit der Anpassung von U_S bei veränderten U_B; Begründung der Ablenkung der ausgelösten langsamen Elektronen zum…

Aufgabe 2 - Teilaufgabe 3 · LK · Haupttermin · Weiterbildungskolleg 2023

Teilaufgabe 3: Fokussierung des Elektronenstrahls mithilfe von Quadrupolmagneten. a) Beschreibung des Verlaufs der magnetischen Feldstärke B entlang der x-Achse und Erklärung, warum im Punkt P keine Lorentzkraft wirkt. b) Begründung der Verformung des Strahlquerschnitts anhand der Punkte Q, R, S, T. c) Erläuterung der…

Aufgabe 3 - Teilaufgabe 2: Herausfiltern von Heli… · LK · Nachtermin 2023

Teilaufgabe 2 (a-c): Wienfilter und magnetische Ablenkung zur Filterung von Heliumkernen aus einem Deuterium-Tritium-Gemisch. Aufbau des Wienfilters, Herleitung der Durchflugbedingung, Richtungsentscheidung für v > E/B, Berechnung der benötigten Kondensatorspannung U und Beurteilung der Durchschlagsgefahr, Herleitung…

Aufgabe 3 - Teilaufgabe 3: Magnetfelder im Fusion… · LK · Nachtermin 2023

Teilaufgabe 3 (a-b): Magnetfelder im Fusionsreaktor. Beschreibung eines Versuchs zum Nachweis von Magnetfeldern durch Ströme (Oersted-Versuch). Erläuterung der Entstehung einer Schraubenbahn geladener Teilchen durch Geschwindigkeitskomponenten parallel und senkrecht zu B, Berechnung des Radius der Schraubenbahn r_S…

Aufgabe 1 - Teilaufgabe 1 · GK · Nachtermin 2022

Aufbau und Funktionsweise eines Massenspektrometers: Polung der Platten im Wien-Filter angeben, Kraftpfeile einzeichnen, Herleitung von v = E / B_1 und Begründung der Filterwirkung; Erklärung der Kreisbahn im Magnetfeld B_2, Herleitung von m = q*B_2*r / v, Nachweis der Feldstärke E = 45000 V/m und Berechnung der…

Aufgabe 1 - Teilaufgabe 2 · GK · Nachtermin 2022

Untersuchung einer Kometenprobe mittels Massenspektrometrie. In Teilaufgabe a) Diagramm beschreiben und Bedeutung der Intensität erläutern. In b) anhand der Gleichung aus 1b) erklären, warum m/z aufgetragen wird. In c) begründen, warum mehr als 4 Ionenarten vorliegen können, die Kohlenwasserstoffe CH, CH2, CH3…

Aufgabe 1 - Teilaufgabe 3 (c) · GK · Nachtermin 2022

Aufgabe 1 - Teilaufgabe 3 (c): Erläuterung der Ablenkung von Alphateilchen im Thomson-Spektrographen, Zuordnung von Punkt A/B zu höheren Geschwindigkeiten und Herleitung der Parabelgleichung y(x).

Aufgabe 3 · GK · Nachtermin 2021

Überlegungen rund um das Schlüsselexperiment „Fadenstrahlrohr“: Auswertung der Magnetfeldmessung im Helmholtzspulenpaar (Proportionalität, Proportionalitätsfaktor, Stromstärke für B=0,42 mT), Kreisbahn der Elektronen und Lorentzkraft, Herleitung v_e(B), Bestimmung von B, thermische Elektronenemission,…

Aufgabe 2 - Teilaufgabe 1 a) Hall-Effekt · LK · Haupttermin 2021

Teilaufgabe 1 a): Skizze der sich im Gleichgewicht einstellenden Elektronenverteilung und der wirkenden Kräfte auf ein Elektron im Hallplättchen; Erläuterung der Skizze und Erklärung des Funktionsprinzips einer Hallsonde zur Messung der magnetischen Flussdichte B.

Aufgabe 2 - Teilaufgabe 1a · LK · Haupttermin · Weiterbildungskolleg 2021

Aufgabe 2, Teilaufgabe 1a: In Abbildung 2 die Elektronenverteilung im Gleichgewicht sowie die auf das Elektron wirkenden Kräfte einzeichnen. Die Ergänzungen erläutern und das Funktionsprinzip der Hallsonde zur Messung der Feldstärke B erklären.

Aufgabe 3 - Teilaufgabe 1 a)-b) · LK · Nachtermin 2021

Aufgabe 3 (Teilaufgabe 1 a-b): Qualitative Beschreibung der Bahnkurve geladener Teilchen im Magnetfeld einer Nebelkammer, Herleitung von r = p / (q * B), Analyse der Bahnkurve mit Bleiplatte (Krümmungsradien, Bewegungsrichtung von unten nach oben) und Bestimmung des positiven Ladungsvorzeichens.

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