Unterrichtseinsichten - Schuljahr 2021/2022 - Physik 9a

E-Lehre

• Über den Aufbau eines Atoms haben wir gelernt: 
• Elektronen, punktförmig, negativ geladen, in viel leerem Raum um den Atomkern herum
• Atomkern ganz klein in der Mitte des Atoms.
• Das ganze Atom hat einen etwa 10000-fach größeren Durchmesser als der Atomkern.
• Das Atom ist nach außen hin nicht fest begrenzt wie eine Kugel.
  Die Elektronen halten den Raum und den Atomern herum frei, wie es etwa Personenschützer bei einer wichtigen Person machen.
• Was bewegt sich im Leiter, wenn Strom fließt?
  Es sind nicht die Atome oder Moleküle (←mehrere verbundene Atome), weil sonst der ganze Draht "wegfließen" würde, sondern es sind Elektronen, die sich von den Atomen gelöst haben.
• Wenn Strom in einem Draht fließt, dann bewegen sich die Elektronen.
• Werden Glasstäbe und Kunststoffstäbe mit einem Fell gerieben, so wirken sie aufeinander:
  
  Der drehbar aufgehängte Glasstab und ein in der Hand gehaltener geriebener Kunststoffstab ziehen sich an.
  Der drehbar aufgehängte Kunststoffstab und ein in der Hand gehaltener geriebener Kunststoffstab stoßen sich ab.
  Es handelt sich hier um elektrische Vorgänge.
  Es muss (mindestens) 2 verschiedene elektrische Ladungen geben, da sich einmal die Ladungen anziehen und einmal abstoßen.
  Man nennt diese Ladungen "positive Ladung" und "negative Ladung". Das hat aber nichts mit richtig und falsch zu tun, sondern es sind einfachbedeutungslose Namen.
  Gleiche (oder "gleichnamige") Ladungen stoßen sich ab, verschiedene (oder "ungleichnamige") Ladungen ziehen sich an.
• Elektroskop:
  
  Ein Draht führt von außen in ein isoliertes Gefäß.
  Innen befindet sich am Draht ein beweglicher Draht.
  Wird der Draht aufgeladen (z. B. durch einen mit Fell geriebenen Stab), so entfernen sich die Metallteile im Gefäß voneinander, weil sich gleiche Ladungen abstoßen.
  Der Winkel zwischen den beweglichen Teilen ist ein Maßstab für die Menge der Ladung.
• Die Polarität (+ oder -) kann man mit einer Glimmlampe ermitteln:
  
  Die linke Seite, die mit dem Minuspol verbunden ist, leuchtet rötlich.
  Dabei glüht aber nicht der Draht, sondern das Gas in der Umgebung des Drahtes wird durch austretende Elektronen zum Leuchten angeregt.
• Stromstärke und Spannung bei Serien- und Parallelschaltung:
  In einem Stromkreis ohne Verzweigung hat die Stromstärke überall denselben Wert.
  I_gesamt = I₁ = I₂
  Die Spannungen an den Lampen addieren sich zur Gesamtspannung.
  U_gesamt = U₁ + U₂
  
  In einem Stromkreis mit Verzweigung hat die Gesamt-Stromstärke einen Wert, der sich aus Addition der Stromstärken-Werte aus den Verzweigungen ergibt.
  I_gesamt = I₁ + I₂
  Die Spannungen an den Lampen sind genau so groß wie die Gesamtspannung.
  U_gesamt = U₁ = U₂
  
• Bekannt ist uns, dass in einem Stromkreis bei anwachsender Spannung die Stromstärke größer wird.
  Dieser Zusammenhang soll in einem Versuch genauer untersucht werden.
• Ein einfacher Stromkreis enthält ein Kabel und einen Draht (Konstantan), sowie ein Stromstärke- und ein Spannungsmessgerät.
  
  Zu frei gewählten Spannungen wird jeweils die Stromstärke gemessen.
  Die Messwerte werden in einer Tabelle dokumentiert.
  Ergebnis:
  
  Dann werden die Werte der Tabelle in einem U-I-Diagramm veranschaulicht.
  Als Hausaufgabe bleibt: Die gefundene Beziehung zwischen U und I soll mit einer mathematischen Formel beschrieben werden.

2022-05-18

• Wir haben schon gesehen:
• Es gibt 2 Arten von Ladung, positive (+) und negative (-)
• 2 mit einem Fell geriebene Kunststoffstäbe stoßen sich ab, da die durch das Reiben auf den Stäben vorhandenen Ladungen gleich sind.
  1 geriebener Kunststoffstab und 1 geriebener Glasstab ziehen sich an, da die Ladungen auf den Stäben verschiedenen sind.
  Also: gleiche Ladungen stoßen sich ab, verschiedene Ladungen ziehen sich an.
• Ein Wasserstrahl wird von beiden Stäben (und auch von einem Kunststoffkamm) angezogen, da Wasserteilchen an der einen Seite eher positiv und an der anderne Seite eher negativ geladen sind (Dipolcharakter). Die Wassermoleküle richten sich so aus, dass z.B. bei einem negativ geladenen Kamm das positive Ende zum Kamm und das negative Ende vom Kamm weg zeigt. Da dann die positive Seite näher am Kamm ist als die negative Seite, wird die positive Seite stärker vom Kamm angezogen als die negative Seite abgestoßen wird. Deshalb bewegen sich die Waserteilchen auf den Kamm zu.
  Entsprechendes gilt bei einem angenäherten positiv geladenem Stab.
  
• Plattenkondensator: Auf zwei Metallplatten können Ladungen gesammelt werden.
  
• Influenzmaschine: Durch Drehen der Scheiben werden die Ladungen auf der Influenzmaschinegetrennt.
  Auf einer Kugel befinden sich mehr negative und auf der anderen Kugel mehr positive Ladungen. 
  
• In den Plattenkondensator wird eine mit Alufolie umhüllte Kugel gehängt.
  Mit Hilfe der Influenzmaschine wird der Plattenkondensator dann aufgeladen.
  In die Zuleitungen wird eine Glimmlampe eingefügt.
  Es geschieht Folgendes:
• Die Kugel fliegt ständig von einer Platte zur anderen.
  Grund: Ist die Kugel positiv geladen, wird sie von der negativen Platte angezogen und von der positiven abgestoßen.
  Erreicht sie die Platte, wird sie negativ geladen und wird darauf von der positiven Platte angezogen und von der negativen abgestoßen.
• Die Glimmlampe leuchtet.
  Grund: Durch das Hin- und Herfliegen der Kugel wird Ladung transportiert. Bewegte Ladung ist Strom und der Strom bewirkt das Leuchten der Lampe.
  
  
• In einem Stromkreis ohne Verzweigung hat die Stromstärke überall denselben Wert.
  I_gesamt = I₁ = I₂
  Die Spannungen an den Lampen addieren sich zur Gesamtspannung.
  U_gesamt = U₁ + U2
  
  erstellt mit einer Simulation von PhET
• In einem Stromkreis mit Verzweigung hat die Gesamt-Stromstärke einen Wert, der sich aus Addition der Stromstärken-Werte aus den Verzweigungen ergibt.
  I_gesamt = I₁ + I₂
  Die Spannungen an den Lampen sind genau so groß wie die Gesamtspannung.
  U_gesamt = U₁ = U2
  
  erstellt mit einer Simulation von PhET

2022-05-25

• Am Beispiel der Messtabelle aus der Stunde vom 11.05. haben wir gelernt, wie man mit Hilfe des Taschenrechners eine Auswertung durchführen kann:
  
  Eintragen der Werte in eine Tabelle: STAT > EDIT > 1:Edit... > ENTER
     
  Mess-Punkte zeichnen lassen: 2nd + STAT PLOT > 1: > ENTER dann Einstellungen wie angezeigt auswählen
   
  In WINDOW die Einstellungen für die Koordinatenachsen einstellen (x  von 0 bis 2,5, y von 0 bis 110)
  Die Skalierung der Achsen (wo sollen Striche gezeichnet werden?) mit Xscl und Yscl wählen.
  
  Punkte zeichnen lassen mit GRAPH
  
  Geradengleichung bestimmen: STAT > CALC > 4:LinReg(ax+b) > ENTER
  Die Listen L1 und L2 wählen und in StoreReg Y1 wählen (ALPHA + TRACE), dann Calculate + ENTER, zeichnen mit GRAPH
       
  Das ermittelte Ergebnis ist also y=52,8*x+0.1.
  Da eine Ursprungsgerade vorliegt (Messpunkt (0/0) ist gesichert), runden wir zu y = 52,8*x oder I=52,8*U, wobei U in V und I in mA angegeben wird.
• In einem weiteren Versuch
  
  mit verschieden langen Drähten haben wir gesehen, dass bei einem kürzeren Draht der Zahlenwert in der Gleichung größer wird, da die Stromstärke dann bei gleicher Spannung größer ist. Der gefundene Zahlenwert eignet sich also nicht so gut, um zu beschreiben, welchen Widerstand der Draht den Elektronen entgegensetzt.
  Besser ist es, die Koordinatenachsen zu tauschen: Stromstärke I auf die x-Achse, Spannung U auf die y-Achse.
  Hier die entsprechenden Screenshots des Taschenrechners:
       
     
  Es ergibt sich nun die Gleichung U=0,019*I mit U in V und I in mA.
  
  Die Einheit V/A (Volt durch Ampere) nennt man Ohm und schreibt dafür Ω.
  Ohm ist die Einheit für den Widerstand R=U/I.
  Bei unserem untersuchten Draht aus Konstantan ist der Widerstand für alle Spannungen und Stromstärken gleich.
• Der nächste Versuch zeigte, dass das nicht immer so ist:
  
  Bei einer Glühlampe sieht der Graph gekrümmt aus (U auf der x-Achse, I auf der y-Achse):
  
  In der nächsten Stunde werden wir uns das noch genauer ansehen.

2022-06-01

• Zu den physikalischen Begriffen "Größe", "Maßzahl" und "Maßeinheit":
• Eine physikalische Größe ist eine messbare Eigenschaft eines Vorganges oder eines Zustandes.
  Beispiele sind "Stromstärke" und "Spannung".
  Zur Abkürzung werden Buchstaben gewählt, zum Beispiel I für die Stromstärke und U für die Spannung.
• Wird eine Größe gemessen, so wird das Ergebnis durch eine Maßzahl und eine Maßeinheit angegeben.
  Beispiele für Maßeinheiten sind "Ampere" und "Volt".
  Auch hier werden zur Abkürzung Buchstaben verwendet, zum Beispiel A für Ampere und V für Volt.
  Wie bei Strecken mit den Maßeinheiten cm, km, mm werden auch bei A und V durch Buchstaben vor A und V große oder kleine Werte lesbar dargestellt.
  Beispiele: 1A=1000mA und 1V=1000mV und 1000V=1kV (m steht für milli... und k für kilo...).
• Beispiele für Größenangaben:
  U=230V bedeutet: die Spannung U hat den Wert 230 Volt
  I=36mA bedeutet: die Stromstärke I hat den Wert 36 Milli-Ampere oder 0,036 Ampere
• Zur Definition des Widerstandes
  
  Bei der Auswertung des Versuches haben wir gesehen:
  Spannung und Stromstärke sind zueinander proportional (U~I).
  Oberer Teil des Tafelbildes: Beim Stromfluss durch den ganzen Draht ergab sich eine Gerade mit kleinerer Steigung als beim Stromfluss durch den halben Draht.
  Bei gleicher Spannung war die Stromstärke beim halben Draht größer als beim ganzen Draht. Der halbe Draht setzt den Elektronen also einen geringeren Widerstand entgegen als der ganze Draht.
  Der Proportionalitätsfaktor m=I/U passt also nicht zur Eigenschaft "Widerstand" (m ist größer, wenn der Widerstand kleiner ist und kleiner, wenn der Widerstand größer ist).
  Zur Definition des Widerstandes haben wir deshalb die unten abgebildete Darstellung mit I auf der waagrechten Achse und U auf der senkrechten Achse gewählt.
  Den Proportionalitätsfaktor nennt man Widerstand und bezeichnet ihn mit dem Buchstaben R.
• Der Widerstand R ist der Quotient aus Spannung U und Stromstärke I:  R=U/I Er wird angegeben in der Einhei Ohm Ω. Beispiel: R=820Ω (der Widerstand R beträgt 820 Ohm)
• Bestimmung des Widerstandes aus der letzten Stunde mit Hilfe des Taschenrechners:
  
  In der Tabelle befinden sich in L1 die Spannungswerte und in L2 die Stromstärkenwerte.
  In Liste 3 sollen nun die Quotienten U/I berechnet werden um dann den Widerstand zu bestimmen.
  
  Das Wertepaar (0/0) wird ausgelassen, weil man nicht durch 0 dividieren kann.
  In Liste L3 (Cursor auf L3) wird die Formel L1/(L2/1000) eingegeben. L2 ist in mA angegeben. Deshalb muss noch durch 1000 dividiert werden, damit die Einheit richtig wird (Ω=V/A).
  L1 und L2 erhält man durch 2nd+LIST.
  
  Bestätigen mit ENTER ergibt
  
  Aus den Ergebnissen ermittelt man durch Mittelwertbildung (mean) den Widerstandswert: (in der allgemeinen Ansicht  2nd+LIST wählen, dann rechts auf MATH gehen):
   
  Als Versuchsergebnis ergibt sich also der Widerstand R=18,9Ω.
• Am Ende der Stunde haben wir noch kurz angesprochen, dass der Widerstand proportional zur Länge des Drahtes und antiproportional zum Querschnett des Drahtes sein muss.
  Näheres dazu in der nächsten Stunde.

2022-06-08

• Folgende Erkenntnisse haben wir über die physikalische Größe "Widerstand" gefunden:
• Bei einem Konstantandraht sind die angelegte Spannung und die Stromstärke proportional zueinander: U~I
• Wandelt man diese Proportionalität in eine Gleichung um, muss ein Proportionalitätsfaktor ergänzt werden.
  Hier nennt man ihn "Widerstand", weil seine Größe angibt, wie groß der negative Einfluss auf die Fließgeschwindigkeit der Elektronen ist.
  Beispiel: Bei der Spannung U=4V beträgt die Stromstärke I=2A. Es gilt nicht U=I bzw. 4V=2A.
  Durch Einfügen des konstanten Faktors R kann aber eine Gleichung gebildet werden: 4V=R*2A. Durch Propieren (oder Rechnen) findet man 4V=2V/A*2A. Die Einheit V/A kürzt man ab durch Ω (Ohm).
• Für den Widerstand gilt die Gleichung U=R*I.
• Ein doppelt so langer, 6-mal so langer, 14-mal so langer Draht hat den doppelten, 6-fachen, 14-fachen Widerstand. Ist L die Länge des Drahtes, gilt also R~L.
• Ein Draht mit doppeltem, 6-fachem, 14-fachem Querschnitt hat den halben, 1/6-fachen, 1/14-fachen Widerstand. Ist A die Querschnittsfläche des Drahtes, so gilt R~1/A.
• Ist eine Größe proportional zu mehreren anderen Größen, so ist die Größe auch proportional zum Produkt dieser Größen.
  Wegen R~L und R~1/A gilt also auch R~L*1/A oder R~L/A.
  In eine Gleichung umgewandelt muss man einen konstanten Proportionalitätsfaktor hinzufügen, hier ρ (rho - griechisches r): R=ρ*L/A.
  ρ ist eine Materialeigenschaft, die angibt, wie gut ein Material den elektrischen Strom leitet. Je kleiner ρ ist, desto besser leitet das Material den Strom.
• Wichtige Formel für das Rechnen mit Widerstand:
  
• Hier Aufgaben aus dem Unterricht:
• Bei einem Konstantandraht fließt bei einer Spannung von U=6V eine Stromstärke von 48mA. Wie groß ist der Widerstand?
  
• Wie groß müsste bei diesem Draht die Spannung sein, damit die Stromstärke 80mA beträgt?
  
• Ein Rasenmäher (230V/5A) wird mit einem 60m langen Kupferkabel (Querschnittsfläche A=2mm², ρ=0,017Ω*mm²/m) betrieben.
  Vergleiche den Widerstand des Kabels mit dem des Rasenmähers.
  
  
  Da der Widerstand des Kabels gegenüber dem des Rasenmähers sehr klein ist, kann er für den Betrieb vernachlässigt werden.
  

2022-06-15

• Wie wirken sich zwei verschiedene Widerstände (100 Ω und 500 Ω) in einer Serien- und Parallelschaltung aus?
  Wie groß ist der Ersatzwiderstand (alle Widerstände werden durch einen einzigen Widerstand ersetzt) einer solchen Schaltung?
• Serienschaltung
  
  Gemessen wird die Gesamtspannung 5,7 V und der Gesamtstrom 9,5 mA.
  Daraus ergibt sich der Widerstand 5700/9,5 Ω = 600 Ω
  Die beiden Widerstandswerte addieren sich also.
• Parallelschaltung
  
  Gemessen wird die Gesamtspannung 4,35 V und der Gesamtstrom 49,5 mA.
  Daraus ergibt sich der Widerstand 4350/49,5 Ω = 87,9 Ω.  1/100Ω + 1/500Ω = 1/83,3Ω
  Die Kehrwerte der beiden Widerstandswerte addieren sich zum Kehrwert des Gesamtwiderstands.
• Allgemein gilt für eine Schaltung mit 2 Widerständen
  
• Theoretische Herleitung der Formeln:
• Serienschaltung: Die Stromstärke ist überall gleich, also I_gesamt=I₁=I₂. Die Spannungen an den Widerständen addieren sich zur Gesamtspannung, also U_gesamt = U₁+U₂.
  Daraus ergibt sich:
  
• Parallelschaltung: Die Spannung ist überall gleich, also U_gesamt=U₁=U₂. Die Stromstärken durch die Widerstände addieren sich zur Gesamtstromstärke, also I_gesamt = I₁+I₂.
  Daraus ergibt sich:
  
• Beispielaufgabe:
  
  Drei Widerstände bilden eine Parallelschaltung, wobei in einer Verzweigung zwei Widerstände in Serienschaltung vorliegen.
  Die gesamt Schaltung soll durch einen einzigen Widerstand ersetzt werden. Berechne den Widerstandswert.
  Zunächst muss der Ersatzwiderstand im oberen Teil der Verzweigung berechnet werden (grün eingekreist):
  
  Nun wird aus R₁₂ und R₃ der Ersatzwiderstand in der Parallelschaltung berechnet (rot eingekreist):
  
  Der Ersatzwiderstand für die gesamte Schaltung hat also den Widerstandswert 360Ω.
• Da auf elektronischen Bauelementen, die als Widerstand zur Strombegrenzung benutzt werden, zu wenig Platz für deutliche Angaben über den Wert des Widerstands vorhanden ist, benutzt man häufig einen Farbcode (farbige Ringe). Hier die Bedeutung der Farbringe:
  
  Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Farbcode_für_Widerstände
  Anmerkung: Wegen der Umlaute funktioniert hier kein Link. Deshalb die Adresse kopieren und im Browser in die Adresszeile einfügen.
  Auf dieser Seite gibt es auch weitere Informationen, z. B. für Widerstände mit 5 oder 6 Ringen. Das Wissen wird aber für die Arbeit nicht gebraucht.

2022-06-22

• Klassenarbeit 1 (Aufgaben - Lösungen)

2022-06-29

• Besprechung und Rückgabe der Arbeit

2022-07-06

• Leider bleibt nur eine Doppelstunde vor den Ferien. Thema wäre nun "Halbleiter".
  Der kleine Einblick heute hat sicher nicht ausgereicht, dass ihr eine gute Vorstellung von diesem Gebiet erhalten habt.
  Schaut euch deshalb bei diesem Link die Ausführungen an. Das hilft euch hoffentlich weiter...
  Ich wünsche euch schöne Ferien und dann einen guten Start ins nächste Schuljahr!