ZENTRALE EXPERIMENTEZur Vorbereitung aufKlausuren und Abitur S II

Vorsch

au

Inhaltsverzeichnis

Vorwort 1

Ladungen und elektrische Felder 2 1 Elektrische Feldstaumlrke 2 2 Feldgleichung und elektrische Feldkonstante 4 3 Auf- und Entladen eines Kondensators 6 4 Elektronenstrahlroumlhre 8 5 Millikan-Experiment 10

Elektromagnetismus 12 6 Magnetische Feldstaumlrke 12 7 Halleffekt 14 8 Fadenstrahlrohr 16 9 Wienscher Geschwindigkeitsfilter 1810 Magnetische Induktion 2011 Selbstinduktion 22

Schwingungen und Wellen 2412 Mechanische Schwingungen 2413 Elektromagnetischer Schwingkreis 2614 Mechanische Wellen 2815 Hertzscher Dipol 3016 Interferenz am Spalt Doppelspalt und Gitter 3217 Interferometer 34

Quanteneffekte 3618 Fotoeffekt 3619 Plancksches Wirkungsquantum 3820 Roumlntgenspektrum 4021 Compton-Effekt 4222 Elektronenbeugung 4423 Wasserstoffspektrum 4624 Franck-Hertz-Versuch 48

Kernphysik 5025 Absorption von Gammastrahlung 5026 Radioaktive Strahlung 5227 Radioaktiver Zerfall 54

Loumlsungen 56

Literaturverzeichnis 80Bildquellenverzeichnis 80Impressum 81

Vorsch

au

Vorwort

Gut vorbereitet auf Klausuren und Abitur

Mehrere Experimente haben die Entwicklung der Physik ent-scheidend vorangetrieben Sie sind zentral und wichtig fuumlr das Verstaumlndnis moderner physikalischer Theorien Eine uumlber schaubare Anzahl dieser klassischen Experimente gehouml-ren zum Standard der Oberstufe Kenntnis und Verstaumlndnis dieser Experimente sowie der Umgang mit den zugehoumlrigen Methoden werden von Ihnen in Klausuren und Abiturpruuml-fungen erwartet

Dieser Band unterstuumltzt Sie darin sich die notwendigen Kompetenzen anzueignen die von den Kultusministerien gefordert werden

Der Aufbau des Bandes unterstuumltzt Sie sich fuumlr die Experishymente im Unterricht auf Klausuren und zum Abitur gut vorzubereiten Mit einer Doppelseite haben Sie bereits das Zentrale des Experiments im Blick Zwischenuumlberschriften liefern eine klare wiederkehrende Struktur In der Fuszligzeile wird auf die Kapitel des Lehrwerks Fokus Physik S II verwieshysen in denen die zugehoumlrige Theorie ausfuumlhrlich hergeleishytet wird Die Verweise auf vertiefende und weiterfuumlhrende Kapitel sind in Klammern gesetzt

Dieses Arbeitsheft begleitet Sie waumlhrend der gesamten Qua lifikationsphase Auf jeder Doppelseite liegt Ihnen eine klare Versuchsbeschreibung vor Somit koumlnnen Sie sich im Unterricht auf die Durchfuumlhrung der Experimente konzentrieren Exemplarische Auswertungen erleichtern es Ihnen eigene Messungen zu bearbeiten und die Beobachshytungen zu deuten Die Theorie ist praumlgnant dargestellt soshyweit sie fuumlr das Verstaumlndnis des Experiments oder fuumlr die Auswertung notwendig ist Die aufgelisteten Ergebnisse ershyleichtern als Checkliste das Lernen wenn Sie sich auf Ihre Klausuren vorbereiten und den Stoff rekapitulieren Zu jeshydem Experiment wird eine komplexe Aufgabe im vershygleichbaren Stil des Abiturs angeboten Mit dem Training dieser Aufgabe koumlnnen Sie sich effektiv auf Klausuren vorshybereiten Gleichzeitig uumlben Sie fruumlhzeitig die vielfaumlltigen Aufgabentypen fuumlr das Abitur ein

Unmittelbar vor der Abiturpruumlfung besitzen Sie eine komshyprimierte Zusammenfassung um die fuumlr das Abitur releshyvanten Experimente zu lernen Die Beschreibung des Phaumlshynomens bettet das Experiment in groumlszligere Kontexte Die Aufgaben entsprechen den Anforderungen des Zentralabishyturs Anhand der exemplarischen Loumlsungen koumlnnen Sie Ihre Wege uumlberpruumlfen und Ihre Faumlhigkeiten vertiefen

Und jetzt viel Erfolg

Vorsch

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E lE k trom ag n E t ismus

20 Fokus Physik S II Kapitel 71 72 (73)

10 magnetische induktion

PhaumlnomenDer daumlnische Physiker Hans Christian Oslashrsted entshydeckte 1820 zufaumlllig dass ein elektrischer Strom Ursashyche fuumlr ein magnetisches Feld ist Daraufhin forschte Michael Faraday neun Jahre lang nach einer Umshykehrung dieser Kausalitaumlt Kann ein magnetisches Feld auch Ursache fuumlr einen Strom sein Er entdeckte 1831 dass nur durch die zeitliche Aumlnderung eines Magnetshyfeldes ein Strom induziert wird Auch in Oslashrsteds Phaumlno men steckt die zeitliche Aumlnderung als verursashychendes Prinzip Nicht Ladungen als solche sondern be wegte Ladungen also Ladungen in ihrer zeitlichen Ortsaumlnderung erzeugen ein Magnetfeld Damit ershyweist sich die Aumlnderungsrate als einheitliche Bedinshygung in beiden Phaumlnomenen

aufbauEine Leiterschleife wird an ein Spannungsmessgeraumlt angeshyschlossen und in das Feld eines Hufeisenmagneten gehalshyten

1 Relative Bewegung von Magnet und Leiterschleife

Durchfuumlhrung1 Die Schleife und der Magnet werden nicht bewegt2 Die Schleife wird in das Magnetfeld hinein und aus ihm heraus bewegt3 Die Schleife wird unterschiedlich schnell bewegt4 Anstelle der Schleife wird der Magnet bewegt5 Die Schleife wird im Magnetfeld zusammengedruumlckt6 Die Schleife wird im Magnetfeld um eine Achse gedreht die senkrecht zu den Feldlinien steht

Beobachtungen1 Keine Spannung wird induziert2 Eine Spannung wird waumlhrend der Bewegung induziert Die Polung der Spannung haumlngt von der Bewegungsrichshytung ab3 Der Betrag der Spannung nimmt mit der Geschwindigshykeit zu

0

S

mV

Uind

N

4 Die induzierte Spannung haumlngt nur von der Relativbeweshygung zwischen Leiter und Feld ab5 Die Aumlnderung der Flaumlche der Schleife induziert eine Spannung6 Eine Wechselspannung wird induziert

theorie1 Herleitung von U ind =

A ∙ B

Auf zwei parallelen Metallstaumlben wird ein dritter Metallstab in einem homogenen magnetischen Feld bewegt

2 Induktionsspannung durch bewegte Ladungen

Der Stab uumlberstreift in der Zeit ∆t eine Flaumlche ∆A = l ∙ ∆s Ein Elektron wird dabei mit der Geschwindigkeit v = ΔsΔt des Leiters nach rechts bewegt Das Magnetfeld wirkt mit der Lorentzkraft F L = e ∙ v ∙ B auf das Elektron druumlckt das Elektron in den vorderen Metallstab und zieht Elektronen aus dem hinteren Stab ab Dies fuumlhrt zu einer LadungstrenshynungDie beiden parallelen Staumlbe lassen sich nun als Plattenkonshydensator mit dem elektrischen Feld E = U ind l deuten Die elektrische Feldkraft F el = e ∙ E = e ∙ U ind l weist nach hinten Elektronen werden solange von einem Stab in den anderen geschoben bis ein Kraumlftegleichgewicht entsteht Aus F el = F L folgt

U ind = B ∙ l ∙ v = B ∙ l ∙ ∆s ___ ∆t = B ∙ ∆A ___ ∆t asymp B ∙

A fuumlr kleine ∆t

2 Begruumlndung der Lenzschen Regel

3 Der Induktionsstrom hemmt die Bewegung

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Zentrale Experimente

21Aufgabe Kapitel 71 72

Ist der Stromkreis geschlossen flieszligt der Induktionsstrom I ind Die Elektronen bewegen sich mit einer Geschwindigshykeit v 2 in dem Stab Auf diese zweite Bewegung wirkt das Mag netfeld mit der Lorentzkraft F L2 Sie ist der urspruumlnglishychen Bewegung entgegengesetzt und hemmt diese Die Inshyduktionsspannung die dem Induktionsstrom die Richtung vorgibt hat eine solche Polung dass der Strom die Beweshygung hemmt Dies besagt die Lenzsche Regel

Waumlre die Polung entgegengesetzt wuumlrde der Strom in die entgegengesetzte Richtung flieszligen und die Lorentzkraft F L2 in die Bewegungsrichtung des Stabs weisen Der Stab wuumlrshyde beschleunigt Aus dem System wuumlrde Energie gewonnen werden was dem Energieerhaltungssatz widerspricht

Ergebnis1 Nicht ein Magnetfeld als solches sondern dessen Aumlnshy

derung induziert eine Spannung2 Die induzierte Spannung haumlngt sowohl von der Aumlndeshy

rungsrate des Magnetfeldes als auch von der Aumlndeshyrungsrate der Flaumlche ab Aumlndern sich beide Groumlszligen so addieren sich die induzierten Spannungen

3 Das Vorzeichen der Induktionsspannung ergibt sich durch die Lenzsche Regel Dem Energieerhaltungssatshyzes folgend ist die Induktionsspannung stets so gerichshytet dass sie ihrer Ursache entgegenwirkt

4 Mit dem magnetischen Fluss Φ = A ∙ B lautet das Inshyduktionsgesetz

U ind = minus(A ∙

B +

A ∙ B) = minus

Φ

auFgaBE Eine 6VshyBatterie eine Spule und ein Strommessgeraumlt sind in Reihe geschaltet Zunaumlchst ist der EisenshyUshyKern mit dem Joch geschlossen Dann wird das Joch des Eisenkerns entshyfernt und anschlieszligend wieder auf die urspruumlngliche Positishyon zuruumlckgelegt

1 Beschreiben und deuten Sie allgemein das physikalishysche Phaumlnomen das zu einer Aumlnderung der Stromstaumlrshyke in einer Spule fuumlhrt

1

3

2

4

2 Das folgende Diagramm zeigt den Stromverlauf I waumlhshyrend des Experiments

21 Zum Zeitpunkt t 1 = 015 s wird das Joch entfernt und bei t 2 = 2 s wird das Joch wieder aufgelegt Begruumlnden Sie dies anhand des Diagramms

22 Die Bilder 1ndash 4 zeigen chronologisch den Ablauf des Experiments Ordnen Sie den Bildern Zeitpunkte bzw Zeitintervalle zu

23 Da das Joch entfernt wird aumlndert sich in den ersten beiden Sekunden das Magnetfeld innerhalb der Spule Im folgenden Diagramm sind drei zeitliche Verlaumlufe von Magnetfeldern dargestellt Begruumlnden Sie welcher Graph zu diesem Experiment gehoumlrt

24 Die 8 cm lange Spule besitzt 10 000 Windungen Der geschlossene Eisenkern hat eine Permeabilitaumlt von 2200 Berechnen Sie zunaumlchst die magnetische Feldshystaumlrke zu Beginn des Experiments

Dann wird mit einem Teslameter bei entferntem Eishysenjoch eine stabile Magnetfeldstaumlrke von 012 T geshymessen Ermitteln Sie die Permeabilitaumlt des offenen Eisenkerns

Geben Sie schlieszliglich mit Begruumlndung den Zeitpunkt an an dem sich das Magnetfeld am staumlrksten aumlndert und bestimmen Sie die Feldstaumlrke zu diesem Zeitshypunkt

3 Begruumlnden Sie die Guumlltigkeit der Lenzschen Regel mithilfe des Energieerhaltungssatzes fuumlr den Fall dass der Eisenkern geschlossen wird

1090807060504030201

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QuantEnEFFEK tE

36 Fokus Physik S II Kapitel 132 (133)

18 Fotoeffekt

PhaumlnomenAuf der Tagung der Deutschen Naturforscher und Aumlrzte von 1889 referierte Heinrich Hertz raquoWas ist Licht Seit den Zeiten Youngs und Fresnels wissen wir dass es eine Wellenbewegung ist Wir kennen die Geshyschwindigkeit der Wellen wir kennen ihre Laumlnge wir wissen dass es Transversalwellen sind wir kennen mit einem Worte die geometrischen Verhaumlltnisse der Beshywegung vollkommen An diesen Dingen ist kein Zweishyfel mehr moumlglich eine Widerlegung dieser Anschaushyung ist fuumlr Physiker undenkbar Die Wellentheorie des Lichts ist menschlich gesprochen GewissheitlaquoHertz beauftragte seinen Schuumller Wilhelm Hallshywachs die Wellentheorie in der Wechselwirkung mit geladenen Teilchen experimentell zu bestaumltigen Desshysen Versuche aber bildeten die Grundlage dafuumlr dass Einstein bereits 16 Jahre spaumlter mit seiner Lichtquanshytenhypothese die Hertzsche Gewissheit erschuumltterte

aufbau

1 Hallwachs-Experimente

Eine frisch geschmirgelte Zinkplatte wird an ein Elektroshyskop angeschlossen Als Lichtquelle dient eine Quecksilbershydampflampe die sowohl sichtbares als auch ultraviolettes Licht aussendet

Durchfuumlhrung1 Die Zinkplatte wird negativ geladen Anschlieszligend wird die Lampe auf die Zinkplatte gerichtet2 Der Versuch wird mit positiv geladener Platte wiedershyholt3 Die negativ geladene Zinkplatte wird mit unterschiedlishychem Abstand beleuchtet4 Zwischen negativ geladener Zinkplatte und Lampe wird eine Glasplatte gehalten Zusaumltzlich wird die Lampe naumlher an das Elektroskop herangefuumlhrt

Elektroskop Zinkplatte Glasplatte Quecksilber-dampampe

Beobachtungen1 Wird die negativ geladene Zinkplatte mit dem ganzen Spektrum des Lichts der Quecksilberdampflampe bestrahlt beginnt sie sofort sich kontinuierlich zu entladen2 Die positiv geladene Zinkplatte wird weder geladen noch entladen3 Je naumlher die Lampe an der Zinkplatte ist desto schneller entlaumldt sich die negativ geladene Platte4 Durch die Glasplatte wird das UVshyLicht absorbiert Die Zinkplatte wird nicht entladen Eine groumlszligere Intensitaumlt des Lichts durch einen geringeren Abstand oder eine laumlngere Be leuchtungsdauer laumlsst die Platte nicht entladen

theorieBei eine Ionisierung der Luft entstehen darin sowohl positishyve als auch negative Ladungstraumlger Diese wuumlrden dann gleichermaszligen zu einer Entladung der negativen wie auch der positiven Platte fuumlhren Die positive Platte entlaumldt sich aber nicht sodass Ionisierung der Luft als Ursache ausgeshyschlossen werden kann Das Licht der Quecksilberlampe loumlst stattdessen Elektronen aus dem Metallverband aus Ist die Zinkplatte negativ geladen werden diese Elektronen abgestoszligen und die Platte entlaumldt sich Ist die Platte positiv geladen koumlnnen die Elek tronen die Platte nicht verlassen oder werden unmittelbar wieder angezogen sodass keine Entladung erfolgtDie Teilexperimente 1 2 und 3 lassen sich mit der Theorie elektromagnetischer Wellen erklaumlren Die Wechselfelder bringen die Leitungselektronen zum Schwingen bis sie geshynuumlgend Energie besitzen um aus dem Metall auszutretenTeilexperiment 4 laumlsst sich dagegen nicht mit dem Wellenshymodell erklaumlren Glas absorbiert UVshyLicht sodass nur sichtbares Licht auf die Platte trifft Weder eine houmlhere Inshytensitaumlt des sichtbaren Lichts liefert die Austrittsenergie die zum Herausloumlsen der Elektronen benoumltigt wird noch fuumlhrt ein Ansammeln von Energie zu einem Aufschaukeln soshydass nach einer Zeit doch noch Elektronen ausgeloumlst wershyden Nur das hochfrequente UVshyLicht besitzt die Energie Elektronen aus Zink auszuloumlsenMit der Einsteinschen Deutung des lichtelektrischen Efshyfekts wird auch das 4 Teilexperiment verstaumlndlich Licht besteht aus einzelnen Energieportionen deren Betrag E Ph = h ∙ f von der Frequenz des Lichts abhaumlngt Ein Enershygiequant (Abb 2 a) auch Photon genannt trifft auf ein im Gitterverband frei bewegliches Leitungselektron (b) Das Photon gibt seine gesamte Energie an das Elektron ab und existiert danach nicht mehr Wenn die Energie des Photons ausreicht um das Elektron aus dem Metallverband zu loumlshysen nutzt das Elektron die restliche Energie in Form von kinetischer Energie um sich von der Platte zu entfernen (c) Damit entlaumldt sich die negativ geladene Metallplatte Ist die Energie des Photons kleiner als die benoumltigte Austrittsshyenergie E Ph lt E A kann das Elektron den Metallverband

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Zentrale Experimente

37Aufgabe Kapitel 132 (1014)

nicht verlassen Die Platte entlaumldt sich nicht Eine houmlhere Intensitaumlt des Lichts bedeutet nur eine groumlszligere Anzahl an Photonen und somit eine groumlszligere Anzahl ausgeloumlster Elekshytronen

2 Ein Photon (a) tritt in Wechselwirkung mit einem Elektron (b) und loumlst mit seiner Energie dieses aus dem Metallverband (c)

ErgebnisEinsteins Quantenmodell des Lichts1 Lichtenergie existiert nur portionsweise Licht ist ein

Energiestrom von unteilbaren Quanten Ein Photon kann nur als Ganzes erzeugt oder absorbiert werden

2 Die Energie eines Photons ist zur Frequenz des Lichts proportional E = h ∙ f

3 Elektronen absorbieren im Fotoeffekt jeweils nur ein Photon

4 Die vom Photon absorbierte Energie wird fuumlr die Ausshytrittsenergie E A des Elektrons benoumltigt Die restliche Energie wird in kinetische Energie E kin des Elektrons transformiert Es gilt h ∙ f = E kin + E A

5 Eine staumlrkere Intensitaumlt des Lichts entspricht nur einer groumlszligeren Anzahl Photonen pro Zeit

auFGaBE 1 1 Hertz war fest davon uumlberzeugt dass mit Maxwells

Theorie elektromagnetischer Wellen das Phaumlnomen des Lichts vollstaumlndig verstanden sei Beschreiben und erlaumlutern Sie ein Experiment seines Schuumllers Hallshywachs das nicht durch das Wellenmodell erklaumlrt wershyden kann

1 2 Zum 100 Geburtstag von Einstein gab die Bundespost eine Briefmarke heraus Interpretieren Sie die Grafik auf ihre physikalischen Aussagen

1 3 raquoMit dem HallwachsshyExperiment wurde die Wellenshytheorie fuumlr Licht widerlegtlaquo Beurteilen Sie begruumlndet

a)c)

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diese Aussage indem Sie Bezug auf das Photonenmoshydell und das Wellenmodell von Licht nehmen

2 1 Mit einer Quecksilberdampflampe werden Elektronen aus einer Zinkplatte geloumlst Im Diagramm ist das Linishyenspektrum einer Quecksilberdampflampe mit den spektralen Intensitaumlten aufgetragen Bestimmen Sie aus dem Diagramm die beiden markierten Wellenlaumlnshygen und tragen Sie die Werte im Diagramm ein

2 2 Untersuchen Sie anhand der Tabelle aus welchen Mashyterialien Elektronen durch den Fotoeffekt mit dieser Lampe ausgeloumlst werden Eine Glasplatte wird in den Strahlengang geschoben welche die UVshyStrahlung abshysorbiert Bestimmen Sie aus welchen Materialien dann Elektronen ausgeloumlst werden Beruumlcksichtigen Sie jeweils nur Strahlung mit einer Intensitaumlt uumlber 02

Metall E A in eV Metall E A in eV

AluminiumBariumCadmiumCaumlsiumCalciumGold

420252404194320471

EisenMagnesiumPlatinWolframZinkZinn

463370536453395439

3 Nach der Wellentheorie Maxwells muumlsste sich die Lichtenergie gleichmaumlszligig ins Unendliche ausduumlnnen Mit der klassischen Wellentheorie wird die Wirkung eines Laumlmpchens auf ein Atom in einer Caumlsiumfotoshyzelle berechnet die sich 1 m von dem Laumlmpchen entshyfernt befindet Die Gluumlhbirne hat beim Betrieb mit U = 4 V und I = 05 A einen optischen Wirkungsgrad von 5 Ein Caumlsiumatom hat einen Atomdurchmesser von 260 pm Die Austrittsenergie von Caumlsium betraumlgt E A = 194 eV Erlaumlutern Sie folgende Schritte und intershypretieren Sie das Ergebnis

P = U ∙ I = 4 V ∙ 05 A = 2 W (1) P L = 5 ∙ P = 01 W (2) O Kugel = 4π ∙ r 2 = 4π ∙ (1 m) 2 = 126 m 2 (3) A Cs = π ∙ r 2 = π ∙ (12 ∙ 260 ∙ 10 minus12 m) 2 = 53 ∙ 10 minus20 m 2 (4) P Cs = P L ∙ A Cs O Kugel = 42 ∙ 10 minus22 W (5) E A = 194 eV = 31 ∙ 10 minus19 J (6)

t = E A

___ P Cs = 31 ∙ 10 minus19 J _________

42 ∙ 10 minus22 W = 738 s = 123 min (7)

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1

Wellenlaumlnge in nm

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Autor Dr Bardo Diehl

Redaktion Markus Heim

Layoutkonzept und technische Umsetzung Andrea Paumlch (MeGA 14) Berlin

Grafik newVision GmbH Bernhard A Peter Pattensen Peter Hesse

Umschlaggestaltung Eyes-Open Berlin

wwwcornelsende

1 Auflage 1 Druck 2017

Alle Drucke dieser Auflage sind inhaltlich unveraumlndert und koumlnnen im Unterricht neben einander verwendet werden

copy 2017 Cornelsen Verlag GmbH Berlin

Das Werk und seine Teile sind urheberrechtlich geschuumltzt Jede Nutzung in anderen als den gesetzlich zugelassenen Faumlllen bedarf der vorherigen schriftlichen Einwilligung des Verlages Hinweis zu den sectsect 46 52 a UrhG Weder das Werk noch seine Teile duumlrfen ohne eine solche Einwilligung eingescannt und in ein Netzwerk eingestellt oder sonst oumlffentlich zugaumlng lich gemacht werdenDies gilt auch fuumlr Intranets von Schulen und sonstigen Bildungseinrichtungen

Druck Firmengruppe APPL aprinta Druck Wemding

ISBN 978-3-06-015633-7

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Inhaltsverzeichnis

Vorwort 1

Ladungen und elektrische Felder 2 1 Elektrische Feldstaumlrke 2 2 Feldgleichung und elektrische Feldkonstante 4 3 Auf- und Entladen eines Kondensators 6 4 Elektronenstrahlroumlhre 8 5 Millikan-Experiment 10

Elektromagnetismus 12 6 Magnetische Feldstaumlrke 12 7 Halleffekt 14 8 Fadenstrahlrohr 16 9 Wienscher Geschwindigkeitsfilter 1810 Magnetische Induktion 2011 Selbstinduktion 22

Schwingungen und Wellen 2412 Mechanische Schwingungen 2413 Elektromagnetischer Schwingkreis 2614 Mechanische Wellen 2815 Hertzscher Dipol 3016 Interferenz am Spalt Doppelspalt und Gitter 3217 Interferometer 34

Quanteneffekte 3618 Fotoeffekt 3619 Plancksches Wirkungsquantum 3820 Roumlntgenspektrum 4021 Compton-Effekt 4222 Elektronenbeugung 4423 Wasserstoffspektrum 4624 Franck-Hertz-Versuch 48

Kernphysik 5025 Absorption von Gammastrahlung 5026 Radioaktive Strahlung 5227 Radioaktiver Zerfall 54

Loumlsungen 56

Literaturverzeichnis 80Bildquellenverzeichnis 80Impressum 81

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Vorwort

Gut vorbereitet auf Klausuren und Abitur

Mehrere Experimente haben die Entwicklung der Physik ent-scheidend vorangetrieben Sie sind zentral und wichtig fuumlr das Verstaumlndnis moderner physikalischer Theorien Eine uumlber schaubare Anzahl dieser klassischen Experimente gehouml-ren zum Standard der Oberstufe Kenntnis und Verstaumlndnis dieser Experimente sowie der Umgang mit den zugehoumlrigen Methoden werden von Ihnen in Klausuren und Abiturpruuml-fungen erwartet

Dieser Band unterstuumltzt Sie darin sich die notwendigen Kompetenzen anzueignen die von den Kultusministerien gefordert werden

Der Aufbau des Bandes unterstuumltzt Sie sich fuumlr die Experishymente im Unterricht auf Klausuren und zum Abitur gut vorzubereiten Mit einer Doppelseite haben Sie bereits das Zentrale des Experiments im Blick Zwischenuumlberschriften liefern eine klare wiederkehrende Struktur In der Fuszligzeile wird auf die Kapitel des Lehrwerks Fokus Physik S II verwieshysen in denen die zugehoumlrige Theorie ausfuumlhrlich hergeleishytet wird Die Verweise auf vertiefende und weiterfuumlhrende Kapitel sind in Klammern gesetzt

Dieses Arbeitsheft begleitet Sie waumlhrend der gesamten Qua lifikationsphase Auf jeder Doppelseite liegt Ihnen eine klare Versuchsbeschreibung vor Somit koumlnnen Sie sich im Unterricht auf die Durchfuumlhrung der Experimente konzentrieren Exemplarische Auswertungen erleichtern es Ihnen eigene Messungen zu bearbeiten und die Beobachshytungen zu deuten Die Theorie ist praumlgnant dargestellt soshyweit sie fuumlr das Verstaumlndnis des Experiments oder fuumlr die Auswertung notwendig ist Die aufgelisteten Ergebnisse ershyleichtern als Checkliste das Lernen wenn Sie sich auf Ihre Klausuren vorbereiten und den Stoff rekapitulieren Zu jeshydem Experiment wird eine komplexe Aufgabe im vershygleichbaren Stil des Abiturs angeboten Mit dem Training dieser Aufgabe koumlnnen Sie sich effektiv auf Klausuren vorshybereiten Gleichzeitig uumlben Sie fruumlhzeitig die vielfaumlltigen Aufgabentypen fuumlr das Abitur ein

Unmittelbar vor der Abiturpruumlfung besitzen Sie eine komshyprimierte Zusammenfassung um die fuumlr das Abitur releshyvanten Experimente zu lernen Die Beschreibung des Phaumlshynomens bettet das Experiment in groumlszligere Kontexte Die Aufgaben entsprechen den Anforderungen des Zentralabishyturs Anhand der exemplarischen Loumlsungen koumlnnen Sie Ihre Wege uumlberpruumlfen und Ihre Faumlhigkeiten vertiefen

Und jetzt viel Erfolg

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20 Fokus Physik S II Kapitel 71 72 (73)

10 magnetische induktion

PhaumlnomenDer daumlnische Physiker Hans Christian Oslashrsted entshydeckte 1820 zufaumlllig dass ein elektrischer Strom Ursashyche fuumlr ein magnetisches Feld ist Daraufhin forschte Michael Faraday neun Jahre lang nach einer Umshykehrung dieser Kausalitaumlt Kann ein magnetisches Feld auch Ursache fuumlr einen Strom sein Er entdeckte 1831 dass nur durch die zeitliche Aumlnderung eines Magnetshyfeldes ein Strom induziert wird Auch in Oslashrsteds Phaumlno men steckt die zeitliche Aumlnderung als verursashychendes Prinzip Nicht Ladungen als solche sondern be wegte Ladungen also Ladungen in ihrer zeitlichen Ortsaumlnderung erzeugen ein Magnetfeld Damit ershyweist sich die Aumlnderungsrate als einheitliche Bedinshygung in beiden Phaumlnomenen

aufbauEine Leiterschleife wird an ein Spannungsmessgeraumlt angeshyschlossen und in das Feld eines Hufeisenmagneten gehalshyten

1 Relative Bewegung von Magnet und Leiterschleife

Durchfuumlhrung1 Die Schleife und der Magnet werden nicht bewegt2 Die Schleife wird in das Magnetfeld hinein und aus ihm heraus bewegt3 Die Schleife wird unterschiedlich schnell bewegt4 Anstelle der Schleife wird der Magnet bewegt5 Die Schleife wird im Magnetfeld zusammengedruumlckt6 Die Schleife wird im Magnetfeld um eine Achse gedreht die senkrecht zu den Feldlinien steht

Beobachtungen1 Keine Spannung wird induziert2 Eine Spannung wird waumlhrend der Bewegung induziert Die Polung der Spannung haumlngt von der Bewegungsrichshytung ab3 Der Betrag der Spannung nimmt mit der Geschwindigshykeit zu

0

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Uind

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4 Die induzierte Spannung haumlngt nur von der Relativbeweshygung zwischen Leiter und Feld ab5 Die Aumlnderung der Flaumlche der Schleife induziert eine Spannung6 Eine Wechselspannung wird induziert

theorie1 Herleitung von U ind =

A ∙ B

Auf zwei parallelen Metallstaumlben wird ein dritter Metallstab in einem homogenen magnetischen Feld bewegt

2 Induktionsspannung durch bewegte Ladungen

Der Stab uumlberstreift in der Zeit ∆t eine Flaumlche ∆A = l ∙ ∆s Ein Elektron wird dabei mit der Geschwindigkeit v = ΔsΔt des Leiters nach rechts bewegt Das Magnetfeld wirkt mit der Lorentzkraft F L = e ∙ v ∙ B auf das Elektron druumlckt das Elektron in den vorderen Metallstab und zieht Elektronen aus dem hinteren Stab ab Dies fuumlhrt zu einer LadungstrenshynungDie beiden parallelen Staumlbe lassen sich nun als Plattenkonshydensator mit dem elektrischen Feld E = U ind l deuten Die elektrische Feldkraft F el = e ∙ E = e ∙ U ind l weist nach hinten Elektronen werden solange von einem Stab in den anderen geschoben bis ein Kraumlftegleichgewicht entsteht Aus F el = F L folgt

U ind = B ∙ l ∙ v = B ∙ l ∙ ∆s ___ ∆t = B ∙ ∆A ___ ∆t asymp B ∙

A fuumlr kleine ∆t

2 Begruumlndung der Lenzschen Regel

3 Der Induktionsstrom hemmt die Bewegung

FL

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Zentrale Experimente

21Aufgabe Kapitel 71 72

Ist der Stromkreis geschlossen flieszligt der Induktionsstrom I ind Die Elektronen bewegen sich mit einer Geschwindigshykeit v 2 in dem Stab Auf diese zweite Bewegung wirkt das Mag netfeld mit der Lorentzkraft F L2 Sie ist der urspruumlnglishychen Bewegung entgegengesetzt und hemmt diese Die Inshyduktionsspannung die dem Induktionsstrom die Richtung vorgibt hat eine solche Polung dass der Strom die Beweshygung hemmt Dies besagt die Lenzsche Regel

Waumlre die Polung entgegengesetzt wuumlrde der Strom in die entgegengesetzte Richtung flieszligen und die Lorentzkraft F L2 in die Bewegungsrichtung des Stabs weisen Der Stab wuumlrshyde beschleunigt Aus dem System wuumlrde Energie gewonnen werden was dem Energieerhaltungssatz widerspricht

Ergebnis1 Nicht ein Magnetfeld als solches sondern dessen Aumlnshy

derung induziert eine Spannung2 Die induzierte Spannung haumlngt sowohl von der Aumlndeshy

rungsrate des Magnetfeldes als auch von der Aumlndeshyrungsrate der Flaumlche ab Aumlndern sich beide Groumlszligen so addieren sich die induzierten Spannungen

3 Das Vorzeichen der Induktionsspannung ergibt sich durch die Lenzsche Regel Dem Energieerhaltungssatshyzes folgend ist die Induktionsspannung stets so gerichshytet dass sie ihrer Ursache entgegenwirkt

4 Mit dem magnetischen Fluss Φ = A ∙ B lautet das Inshyduktionsgesetz

U ind = minus(A ∙

B +

A ∙ B) = minus

Φ

auFgaBE Eine 6VshyBatterie eine Spule und ein Strommessgeraumlt sind in Reihe geschaltet Zunaumlchst ist der EisenshyUshyKern mit dem Joch geschlossen Dann wird das Joch des Eisenkerns entshyfernt und anschlieszligend wieder auf die urspruumlngliche Positishyon zuruumlckgelegt

1 Beschreiben und deuten Sie allgemein das physikalishysche Phaumlnomen das zu einer Aumlnderung der Stromstaumlrshyke in einer Spule fuumlhrt

1

3

2

4

2 Das folgende Diagramm zeigt den Stromverlauf I waumlhshyrend des Experiments

21 Zum Zeitpunkt t 1 = 015 s wird das Joch entfernt und bei t 2 = 2 s wird das Joch wieder aufgelegt Begruumlnden Sie dies anhand des Diagramms

22 Die Bilder 1ndash 4 zeigen chronologisch den Ablauf des Experiments Ordnen Sie den Bildern Zeitpunkte bzw Zeitintervalle zu

23 Da das Joch entfernt wird aumlndert sich in den ersten beiden Sekunden das Magnetfeld innerhalb der Spule Im folgenden Diagramm sind drei zeitliche Verlaumlufe von Magnetfeldern dargestellt Begruumlnden Sie welcher Graph zu diesem Experiment gehoumlrt

24 Die 8 cm lange Spule besitzt 10 000 Windungen Der geschlossene Eisenkern hat eine Permeabilitaumlt von 2200 Berechnen Sie zunaumlchst die magnetische Feldshystaumlrke zu Beginn des Experiments

Dann wird mit einem Teslameter bei entferntem Eishysenjoch eine stabile Magnetfeldstaumlrke von 012 T geshymessen Ermitteln Sie die Permeabilitaumlt des offenen Eisenkerns

Geben Sie schlieszliglich mit Begruumlndung den Zeitpunkt an an dem sich das Magnetfeld am staumlrksten aumlndert und bestimmen Sie die Feldstaumlrke zu diesem Zeitshypunkt

3 Begruumlnden Sie die Guumlltigkeit der Lenzschen Regel mithilfe des Energieerhaltungssatzes fuumlr den Fall dass der Eisenkern geschlossen wird

1090807060504030201

00 05 1 15 2 25 3 35

I in mA

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05 1 15 t in s

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QuantEnEFFEK tE

36 Fokus Physik S II Kapitel 132 (133)

18 Fotoeffekt

PhaumlnomenAuf der Tagung der Deutschen Naturforscher und Aumlrzte von 1889 referierte Heinrich Hertz raquoWas ist Licht Seit den Zeiten Youngs und Fresnels wissen wir dass es eine Wellenbewegung ist Wir kennen die Geshyschwindigkeit der Wellen wir kennen ihre Laumlnge wir wissen dass es Transversalwellen sind wir kennen mit einem Worte die geometrischen Verhaumlltnisse der Beshywegung vollkommen An diesen Dingen ist kein Zweishyfel mehr moumlglich eine Widerlegung dieser Anschaushyung ist fuumlr Physiker undenkbar Die Wellentheorie des Lichts ist menschlich gesprochen GewissheitlaquoHertz beauftragte seinen Schuumller Wilhelm Hallshywachs die Wellentheorie in der Wechselwirkung mit geladenen Teilchen experimentell zu bestaumltigen Desshysen Versuche aber bildeten die Grundlage dafuumlr dass Einstein bereits 16 Jahre spaumlter mit seiner Lichtquanshytenhypothese die Hertzsche Gewissheit erschuumltterte

aufbau

1 Hallwachs-Experimente

Eine frisch geschmirgelte Zinkplatte wird an ein Elektroshyskop angeschlossen Als Lichtquelle dient eine Quecksilbershydampflampe die sowohl sichtbares als auch ultraviolettes Licht aussendet

Durchfuumlhrung1 Die Zinkplatte wird negativ geladen Anschlieszligend wird die Lampe auf die Zinkplatte gerichtet2 Der Versuch wird mit positiv geladener Platte wiedershyholt3 Die negativ geladene Zinkplatte wird mit unterschiedlishychem Abstand beleuchtet4 Zwischen negativ geladener Zinkplatte und Lampe wird eine Glasplatte gehalten Zusaumltzlich wird die Lampe naumlher an das Elektroskop herangefuumlhrt

Elektroskop Zinkplatte Glasplatte Quecksilber-dampampe

Beobachtungen1 Wird die negativ geladene Zinkplatte mit dem ganzen Spektrum des Lichts der Quecksilberdampflampe bestrahlt beginnt sie sofort sich kontinuierlich zu entladen2 Die positiv geladene Zinkplatte wird weder geladen noch entladen3 Je naumlher die Lampe an der Zinkplatte ist desto schneller entlaumldt sich die negativ geladene Platte4 Durch die Glasplatte wird das UVshyLicht absorbiert Die Zinkplatte wird nicht entladen Eine groumlszligere Intensitaumlt des Lichts durch einen geringeren Abstand oder eine laumlngere Be leuchtungsdauer laumlsst die Platte nicht entladen

theorieBei eine Ionisierung der Luft entstehen darin sowohl positishyve als auch negative Ladungstraumlger Diese wuumlrden dann gleichermaszligen zu einer Entladung der negativen wie auch der positiven Platte fuumlhren Die positive Platte entlaumldt sich aber nicht sodass Ionisierung der Luft als Ursache ausgeshyschlossen werden kann Das Licht der Quecksilberlampe loumlst stattdessen Elektronen aus dem Metallverband aus Ist die Zinkplatte negativ geladen werden diese Elektronen abgestoszligen und die Platte entlaumldt sich Ist die Platte positiv geladen koumlnnen die Elek tronen die Platte nicht verlassen oder werden unmittelbar wieder angezogen sodass keine Entladung erfolgtDie Teilexperimente 1 2 und 3 lassen sich mit der Theorie elektromagnetischer Wellen erklaumlren Die Wechselfelder bringen die Leitungselektronen zum Schwingen bis sie geshynuumlgend Energie besitzen um aus dem Metall auszutretenTeilexperiment 4 laumlsst sich dagegen nicht mit dem Wellenshymodell erklaumlren Glas absorbiert UVshyLicht sodass nur sichtbares Licht auf die Platte trifft Weder eine houmlhere Inshytensitaumlt des sichtbaren Lichts liefert die Austrittsenergie die zum Herausloumlsen der Elektronen benoumltigt wird noch fuumlhrt ein Ansammeln von Energie zu einem Aufschaukeln soshydass nach einer Zeit doch noch Elektronen ausgeloumlst wershyden Nur das hochfrequente UVshyLicht besitzt die Energie Elektronen aus Zink auszuloumlsenMit der Einsteinschen Deutung des lichtelektrischen Efshyfekts wird auch das 4 Teilexperiment verstaumlndlich Licht besteht aus einzelnen Energieportionen deren Betrag E Ph = h ∙ f von der Frequenz des Lichts abhaumlngt Ein Enershygiequant (Abb 2 a) auch Photon genannt trifft auf ein im Gitterverband frei bewegliches Leitungselektron (b) Das Photon gibt seine gesamte Energie an das Elektron ab und existiert danach nicht mehr Wenn die Energie des Photons ausreicht um das Elektron aus dem Metallverband zu loumlshysen nutzt das Elektron die restliche Energie in Form von kinetischer Energie um sich von der Platte zu entfernen (c) Damit entlaumldt sich die negativ geladene Metallplatte Ist die Energie des Photons kleiner als die benoumltigte Austrittsshyenergie E Ph lt E A kann das Elektron den Metallverband

Vorsch

au

Zentrale Experimente

37Aufgabe Kapitel 132 (1014)

nicht verlassen Die Platte entlaumldt sich nicht Eine houmlhere Intensitaumlt des Lichts bedeutet nur eine groumlszligere Anzahl an Photonen und somit eine groumlszligere Anzahl ausgeloumlster Elekshytronen

2 Ein Photon (a) tritt in Wechselwirkung mit einem Elektron (b) und loumlst mit seiner Energie dieses aus dem Metallverband (c)

ErgebnisEinsteins Quantenmodell des Lichts1 Lichtenergie existiert nur portionsweise Licht ist ein

Energiestrom von unteilbaren Quanten Ein Photon kann nur als Ganzes erzeugt oder absorbiert werden

2 Die Energie eines Photons ist zur Frequenz des Lichts proportional E = h ∙ f

3 Elektronen absorbieren im Fotoeffekt jeweils nur ein Photon

4 Die vom Photon absorbierte Energie wird fuumlr die Ausshytrittsenergie E A des Elektrons benoumltigt Die restliche Energie wird in kinetische Energie E kin des Elektrons transformiert Es gilt h ∙ f = E kin + E A

5 Eine staumlrkere Intensitaumlt des Lichts entspricht nur einer groumlszligeren Anzahl Photonen pro Zeit

auFGaBE 1 1 Hertz war fest davon uumlberzeugt dass mit Maxwells

Theorie elektromagnetischer Wellen das Phaumlnomen des Lichts vollstaumlndig verstanden sei Beschreiben und erlaumlutern Sie ein Experiment seines Schuumllers Hallshywachs das nicht durch das Wellenmodell erklaumlrt wershyden kann

1 2 Zum 100 Geburtstag von Einstein gab die Bundespost eine Briefmarke heraus Interpretieren Sie die Grafik auf ihre physikalischen Aussagen

1 3 raquoMit dem HallwachsshyExperiment wurde die Wellenshytheorie fuumlr Licht widerlegtlaquo Beurteilen Sie begruumlndet

a)c)

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diese Aussage indem Sie Bezug auf das Photonenmoshydell und das Wellenmodell von Licht nehmen

2 1 Mit einer Quecksilberdampflampe werden Elektronen aus einer Zinkplatte geloumlst Im Diagramm ist das Linishyenspektrum einer Quecksilberdampflampe mit den spektralen Intensitaumlten aufgetragen Bestimmen Sie aus dem Diagramm die beiden markierten Wellenlaumlnshygen und tragen Sie die Werte im Diagramm ein

2 2 Untersuchen Sie anhand der Tabelle aus welchen Mashyterialien Elektronen durch den Fotoeffekt mit dieser Lampe ausgeloumlst werden Eine Glasplatte wird in den Strahlengang geschoben welche die UVshyStrahlung abshysorbiert Bestimmen Sie aus welchen Materialien dann Elektronen ausgeloumlst werden Beruumlcksichtigen Sie jeweils nur Strahlung mit einer Intensitaumlt uumlber 02

Metall E A in eV Metall E A in eV

AluminiumBariumCadmiumCaumlsiumCalciumGold

420252404194320471

EisenMagnesiumPlatinWolframZinkZinn

463370536453395439

3 Nach der Wellentheorie Maxwells muumlsste sich die Lichtenergie gleichmaumlszligig ins Unendliche ausduumlnnen Mit der klassischen Wellentheorie wird die Wirkung eines Laumlmpchens auf ein Atom in einer Caumlsiumfotoshyzelle berechnet die sich 1 m von dem Laumlmpchen entshyfernt befindet Die Gluumlhbirne hat beim Betrieb mit U = 4 V und I = 05 A einen optischen Wirkungsgrad von 5 Ein Caumlsiumatom hat einen Atomdurchmesser von 260 pm Die Austrittsenergie von Caumlsium betraumlgt E A = 194 eV Erlaumlutern Sie folgende Schritte und intershypretieren Sie das Ergebnis

P = U ∙ I = 4 V ∙ 05 A = 2 W (1) P L = 5 ∙ P = 01 W (2) O Kugel = 4π ∙ r 2 = 4π ∙ (1 m) 2 = 126 m 2 (3) A Cs = π ∙ r 2 = π ∙ (12 ∙ 260 ∙ 10 minus12 m) 2 = 53 ∙ 10 minus20 m 2 (4) P Cs = P L ∙ A Cs O Kugel = 42 ∙ 10 minus22 W (5) E A = 194 eV = 31 ∙ 10 minus19 J (6)

t = E A

___ P Cs = 31 ∙ 10 minus19 J _________

42 ∙ 10 minus22 W = 738 s = 123 min (7)

Spek

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rke UV-C UV-B UV-A

2000

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366 436546

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400 450 500 550300

010203040506070809

1

Wellenlaumlnge in nm

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Autor Dr Bardo Diehl

Redaktion Markus Heim

Layoutkonzept und technische Umsetzung Andrea Paumlch (MeGA 14) Berlin

Grafik newVision GmbH Bernhard A Peter Pattensen Peter Hesse

Umschlaggestaltung Eyes-Open Berlin

wwwcornelsende

1 Auflage 1 Druck 2017

Alle Drucke dieser Auflage sind inhaltlich unveraumlndert und koumlnnen im Unterricht neben einander verwendet werden

copy 2017 Cornelsen Verlag GmbH Berlin

Das Werk und seine Teile sind urheberrechtlich geschuumltzt Jede Nutzung in anderen als den gesetzlich zugelassenen Faumlllen bedarf der vorherigen schriftlichen Einwilligung des Verlages Hinweis zu den sectsect 46 52 a UrhG Weder das Werk noch seine Teile duumlrfen ohne eine solche Einwilligung eingescannt und in ein Netzwerk eingestellt oder sonst oumlffentlich zugaumlng lich gemacht werdenDies gilt auch fuumlr Intranets von Schulen und sonstigen Bildungseinrichtungen

Druck Firmengruppe APPL aprinta Druck Wemding

ISBN 978-3-06-015633-7

Vorsch

au

Vorwort

Gut vorbereitet auf Klausuren und Abitur

Mehrere Experimente haben die Entwicklung der Physik ent-scheidend vorangetrieben Sie sind zentral und wichtig fuumlr das Verstaumlndnis moderner physikalischer Theorien Eine uumlber schaubare Anzahl dieser klassischen Experimente gehouml-ren zum Standard der Oberstufe Kenntnis und Verstaumlndnis dieser Experimente sowie der Umgang mit den zugehoumlrigen Methoden werden von Ihnen in Klausuren und Abiturpruuml-fungen erwartet

Dieser Band unterstuumltzt Sie darin sich die notwendigen Kompetenzen anzueignen die von den Kultusministerien gefordert werden

Der Aufbau des Bandes unterstuumltzt Sie sich fuumlr die Experishymente im Unterricht auf Klausuren und zum Abitur gut vorzubereiten Mit einer Doppelseite haben Sie bereits das Zentrale des Experiments im Blick Zwischenuumlberschriften liefern eine klare wiederkehrende Struktur In der Fuszligzeile wird auf die Kapitel des Lehrwerks Fokus Physik S II verwieshysen in denen die zugehoumlrige Theorie ausfuumlhrlich hergeleishytet wird Die Verweise auf vertiefende und weiterfuumlhrende Kapitel sind in Klammern gesetzt

Dieses Arbeitsheft begleitet Sie waumlhrend der gesamten Qua lifikationsphase Auf jeder Doppelseite liegt Ihnen eine klare Versuchsbeschreibung vor Somit koumlnnen Sie sich im Unterricht auf die Durchfuumlhrung der Experimente konzentrieren Exemplarische Auswertungen erleichtern es Ihnen eigene Messungen zu bearbeiten und die Beobachshytungen zu deuten Die Theorie ist praumlgnant dargestellt soshyweit sie fuumlr das Verstaumlndnis des Experiments oder fuumlr die Auswertung notwendig ist Die aufgelisteten Ergebnisse ershyleichtern als Checkliste das Lernen wenn Sie sich auf Ihre Klausuren vorbereiten und den Stoff rekapitulieren Zu jeshydem Experiment wird eine komplexe Aufgabe im vershygleichbaren Stil des Abiturs angeboten Mit dem Training dieser Aufgabe koumlnnen Sie sich effektiv auf Klausuren vorshybereiten Gleichzeitig uumlben Sie fruumlhzeitig die vielfaumlltigen Aufgabentypen fuumlr das Abitur ein

Unmittelbar vor der Abiturpruumlfung besitzen Sie eine komshyprimierte Zusammenfassung um die fuumlr das Abitur releshyvanten Experimente zu lernen Die Beschreibung des Phaumlshynomens bettet das Experiment in groumlszligere Kontexte Die Aufgaben entsprechen den Anforderungen des Zentralabishyturs Anhand der exemplarischen Loumlsungen koumlnnen Sie Ihre Wege uumlberpruumlfen und Ihre Faumlhigkeiten vertiefen

Und jetzt viel Erfolg

Vorsch

au

E lE k trom ag n E t ismus

20 Fokus Physik S II Kapitel 71 72 (73)

10 magnetische induktion

PhaumlnomenDer daumlnische Physiker Hans Christian Oslashrsted entshydeckte 1820 zufaumlllig dass ein elektrischer Strom Ursashyche fuumlr ein magnetisches Feld ist Daraufhin forschte Michael Faraday neun Jahre lang nach einer Umshykehrung dieser Kausalitaumlt Kann ein magnetisches Feld auch Ursache fuumlr einen Strom sein Er entdeckte 1831 dass nur durch die zeitliche Aumlnderung eines Magnetshyfeldes ein Strom induziert wird Auch in Oslashrsteds Phaumlno men steckt die zeitliche Aumlnderung als verursashychendes Prinzip Nicht Ladungen als solche sondern be wegte Ladungen also Ladungen in ihrer zeitlichen Ortsaumlnderung erzeugen ein Magnetfeld Damit ershyweist sich die Aumlnderungsrate als einheitliche Bedinshygung in beiden Phaumlnomenen

aufbauEine Leiterschleife wird an ein Spannungsmessgeraumlt angeshyschlossen und in das Feld eines Hufeisenmagneten gehalshyten

1 Relative Bewegung von Magnet und Leiterschleife

Durchfuumlhrung1 Die Schleife und der Magnet werden nicht bewegt2 Die Schleife wird in das Magnetfeld hinein und aus ihm heraus bewegt3 Die Schleife wird unterschiedlich schnell bewegt4 Anstelle der Schleife wird der Magnet bewegt5 Die Schleife wird im Magnetfeld zusammengedruumlckt6 Die Schleife wird im Magnetfeld um eine Achse gedreht die senkrecht zu den Feldlinien steht

Beobachtungen1 Keine Spannung wird induziert2 Eine Spannung wird waumlhrend der Bewegung induziert Die Polung der Spannung haumlngt von der Bewegungsrichshytung ab3 Der Betrag der Spannung nimmt mit der Geschwindigshykeit zu

0

S

mV

Uind

N

4 Die induzierte Spannung haumlngt nur von der Relativbeweshygung zwischen Leiter und Feld ab5 Die Aumlnderung der Flaumlche der Schleife induziert eine Spannung6 Eine Wechselspannung wird induziert

theorie1 Herleitung von U ind =

A ∙ B

Auf zwei parallelen Metallstaumlben wird ein dritter Metallstab in einem homogenen magnetischen Feld bewegt

2 Induktionsspannung durch bewegte Ladungen

Der Stab uumlberstreift in der Zeit ∆t eine Flaumlche ∆A = l ∙ ∆s Ein Elektron wird dabei mit der Geschwindigkeit v = ΔsΔt des Leiters nach rechts bewegt Das Magnetfeld wirkt mit der Lorentzkraft F L = e ∙ v ∙ B auf das Elektron druumlckt das Elektron in den vorderen Metallstab und zieht Elektronen aus dem hinteren Stab ab Dies fuumlhrt zu einer LadungstrenshynungDie beiden parallelen Staumlbe lassen sich nun als Plattenkonshydensator mit dem elektrischen Feld E = U ind l deuten Die elektrische Feldkraft F el = e ∙ E = e ∙ U ind l weist nach hinten Elektronen werden solange von einem Stab in den anderen geschoben bis ein Kraumlftegleichgewicht entsteht Aus F el = F L folgt

U ind = B ∙ l ∙ v = B ∙ l ∙ ∆s ___ ∆t = B ∙ ∆A ___ ∆t asymp B ∙

A fuumlr kleine ∆t

2 Begruumlndung der Lenzschen Regel

3 Der Induktionsstrom hemmt die Bewegung

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Zentrale Experimente

21Aufgabe Kapitel 71 72

Ist der Stromkreis geschlossen flieszligt der Induktionsstrom I ind Die Elektronen bewegen sich mit einer Geschwindigshykeit v 2 in dem Stab Auf diese zweite Bewegung wirkt das Mag netfeld mit der Lorentzkraft F L2 Sie ist der urspruumlnglishychen Bewegung entgegengesetzt und hemmt diese Die Inshyduktionsspannung die dem Induktionsstrom die Richtung vorgibt hat eine solche Polung dass der Strom die Beweshygung hemmt Dies besagt die Lenzsche Regel

Waumlre die Polung entgegengesetzt wuumlrde der Strom in die entgegengesetzte Richtung flieszligen und die Lorentzkraft F L2 in die Bewegungsrichtung des Stabs weisen Der Stab wuumlrshyde beschleunigt Aus dem System wuumlrde Energie gewonnen werden was dem Energieerhaltungssatz widerspricht

Ergebnis1 Nicht ein Magnetfeld als solches sondern dessen Aumlnshy

derung induziert eine Spannung2 Die induzierte Spannung haumlngt sowohl von der Aumlndeshy

rungsrate des Magnetfeldes als auch von der Aumlndeshyrungsrate der Flaumlche ab Aumlndern sich beide Groumlszligen so addieren sich die induzierten Spannungen

3 Das Vorzeichen der Induktionsspannung ergibt sich durch die Lenzsche Regel Dem Energieerhaltungssatshyzes folgend ist die Induktionsspannung stets so gerichshytet dass sie ihrer Ursache entgegenwirkt

4 Mit dem magnetischen Fluss Φ = A ∙ B lautet das Inshyduktionsgesetz

U ind = minus(A ∙

B +

A ∙ B) = minus

Φ

auFgaBE Eine 6VshyBatterie eine Spule und ein Strommessgeraumlt sind in Reihe geschaltet Zunaumlchst ist der EisenshyUshyKern mit dem Joch geschlossen Dann wird das Joch des Eisenkerns entshyfernt und anschlieszligend wieder auf die urspruumlngliche Positishyon zuruumlckgelegt

1 Beschreiben und deuten Sie allgemein das physikalishysche Phaumlnomen das zu einer Aumlnderung der Stromstaumlrshyke in einer Spule fuumlhrt

1

3

2

4

2 Das folgende Diagramm zeigt den Stromverlauf I waumlhshyrend des Experiments

21 Zum Zeitpunkt t 1 = 015 s wird das Joch entfernt und bei t 2 = 2 s wird das Joch wieder aufgelegt Begruumlnden Sie dies anhand des Diagramms

22 Die Bilder 1ndash 4 zeigen chronologisch den Ablauf des Experiments Ordnen Sie den Bildern Zeitpunkte bzw Zeitintervalle zu

23 Da das Joch entfernt wird aumlndert sich in den ersten beiden Sekunden das Magnetfeld innerhalb der Spule Im folgenden Diagramm sind drei zeitliche Verlaumlufe von Magnetfeldern dargestellt Begruumlnden Sie welcher Graph zu diesem Experiment gehoumlrt

24 Die 8 cm lange Spule besitzt 10 000 Windungen Der geschlossene Eisenkern hat eine Permeabilitaumlt von 2200 Berechnen Sie zunaumlchst die magnetische Feldshystaumlrke zu Beginn des Experiments

Dann wird mit einem Teslameter bei entferntem Eishysenjoch eine stabile Magnetfeldstaumlrke von 012 T geshymessen Ermitteln Sie die Permeabilitaumlt des offenen Eisenkerns

Geben Sie schlieszliglich mit Begruumlndung den Zeitpunkt an an dem sich das Magnetfeld am staumlrksten aumlndert und bestimmen Sie die Feldstaumlrke zu diesem Zeitshypunkt

3 Begruumlnden Sie die Guumlltigkeit der Lenzschen Regel mithilfe des Energieerhaltungssatzes fuumlr den Fall dass der Eisenkern geschlossen wird

1090807060504030201

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36 Fokus Physik S II Kapitel 132 (133)

18 Fotoeffekt

PhaumlnomenAuf der Tagung der Deutschen Naturforscher und Aumlrzte von 1889 referierte Heinrich Hertz raquoWas ist Licht Seit den Zeiten Youngs und Fresnels wissen wir dass es eine Wellenbewegung ist Wir kennen die Geshyschwindigkeit der Wellen wir kennen ihre Laumlnge wir wissen dass es Transversalwellen sind wir kennen mit einem Worte die geometrischen Verhaumlltnisse der Beshywegung vollkommen An diesen Dingen ist kein Zweishyfel mehr moumlglich eine Widerlegung dieser Anschaushyung ist fuumlr Physiker undenkbar Die Wellentheorie des Lichts ist menschlich gesprochen GewissheitlaquoHertz beauftragte seinen Schuumller Wilhelm Hallshywachs die Wellentheorie in der Wechselwirkung mit geladenen Teilchen experimentell zu bestaumltigen Desshysen Versuche aber bildeten die Grundlage dafuumlr dass Einstein bereits 16 Jahre spaumlter mit seiner Lichtquanshytenhypothese die Hertzsche Gewissheit erschuumltterte

aufbau

1 Hallwachs-Experimente

Eine frisch geschmirgelte Zinkplatte wird an ein Elektroshyskop angeschlossen Als Lichtquelle dient eine Quecksilbershydampflampe die sowohl sichtbares als auch ultraviolettes Licht aussendet

Durchfuumlhrung1 Die Zinkplatte wird negativ geladen Anschlieszligend wird die Lampe auf die Zinkplatte gerichtet2 Der Versuch wird mit positiv geladener Platte wiedershyholt3 Die negativ geladene Zinkplatte wird mit unterschiedlishychem Abstand beleuchtet4 Zwischen negativ geladener Zinkplatte und Lampe wird eine Glasplatte gehalten Zusaumltzlich wird die Lampe naumlher an das Elektroskop herangefuumlhrt

Elektroskop Zinkplatte Glasplatte Quecksilber-dampampe

Beobachtungen1 Wird die negativ geladene Zinkplatte mit dem ganzen Spektrum des Lichts der Quecksilberdampflampe bestrahlt beginnt sie sofort sich kontinuierlich zu entladen2 Die positiv geladene Zinkplatte wird weder geladen noch entladen3 Je naumlher die Lampe an der Zinkplatte ist desto schneller entlaumldt sich die negativ geladene Platte4 Durch die Glasplatte wird das UVshyLicht absorbiert Die Zinkplatte wird nicht entladen Eine groumlszligere Intensitaumlt des Lichts durch einen geringeren Abstand oder eine laumlngere Be leuchtungsdauer laumlsst die Platte nicht entladen

theorieBei eine Ionisierung der Luft entstehen darin sowohl positishyve als auch negative Ladungstraumlger Diese wuumlrden dann gleichermaszligen zu einer Entladung der negativen wie auch der positiven Platte fuumlhren Die positive Platte entlaumldt sich aber nicht sodass Ionisierung der Luft als Ursache ausgeshyschlossen werden kann Das Licht der Quecksilberlampe loumlst stattdessen Elektronen aus dem Metallverband aus Ist die Zinkplatte negativ geladen werden diese Elektronen abgestoszligen und die Platte entlaumldt sich Ist die Platte positiv geladen koumlnnen die Elek tronen die Platte nicht verlassen oder werden unmittelbar wieder angezogen sodass keine Entladung erfolgtDie Teilexperimente 1 2 und 3 lassen sich mit der Theorie elektromagnetischer Wellen erklaumlren Die Wechselfelder bringen die Leitungselektronen zum Schwingen bis sie geshynuumlgend Energie besitzen um aus dem Metall auszutretenTeilexperiment 4 laumlsst sich dagegen nicht mit dem Wellenshymodell erklaumlren Glas absorbiert UVshyLicht sodass nur sichtbares Licht auf die Platte trifft Weder eine houmlhere Inshytensitaumlt des sichtbaren Lichts liefert die Austrittsenergie die zum Herausloumlsen der Elektronen benoumltigt wird noch fuumlhrt ein Ansammeln von Energie zu einem Aufschaukeln soshydass nach einer Zeit doch noch Elektronen ausgeloumlst wershyden Nur das hochfrequente UVshyLicht besitzt die Energie Elektronen aus Zink auszuloumlsenMit der Einsteinschen Deutung des lichtelektrischen Efshyfekts wird auch das 4 Teilexperiment verstaumlndlich Licht besteht aus einzelnen Energieportionen deren Betrag E Ph = h ∙ f von der Frequenz des Lichts abhaumlngt Ein Enershygiequant (Abb 2 a) auch Photon genannt trifft auf ein im Gitterverband frei bewegliches Leitungselektron (b) Das Photon gibt seine gesamte Energie an das Elektron ab und existiert danach nicht mehr Wenn die Energie des Photons ausreicht um das Elektron aus dem Metallverband zu loumlshysen nutzt das Elektron die restliche Energie in Form von kinetischer Energie um sich von der Platte zu entfernen (c) Damit entlaumldt sich die negativ geladene Metallplatte Ist die Energie des Photons kleiner als die benoumltigte Austrittsshyenergie E Ph lt E A kann das Elektron den Metallverband

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Zentrale Experimente

37Aufgabe Kapitel 132 (1014)

nicht verlassen Die Platte entlaumldt sich nicht Eine houmlhere Intensitaumlt des Lichts bedeutet nur eine groumlszligere Anzahl an Photonen und somit eine groumlszligere Anzahl ausgeloumlster Elekshytronen

2 Ein Photon (a) tritt in Wechselwirkung mit einem Elektron (b) und loumlst mit seiner Energie dieses aus dem Metallverband (c)

ErgebnisEinsteins Quantenmodell des Lichts1 Lichtenergie existiert nur portionsweise Licht ist ein

Energiestrom von unteilbaren Quanten Ein Photon kann nur als Ganzes erzeugt oder absorbiert werden

2 Die Energie eines Photons ist zur Frequenz des Lichts proportional E = h ∙ f

3 Elektronen absorbieren im Fotoeffekt jeweils nur ein Photon

4 Die vom Photon absorbierte Energie wird fuumlr die Ausshytrittsenergie E A des Elektrons benoumltigt Die restliche Energie wird in kinetische Energie E kin des Elektrons transformiert Es gilt h ∙ f = E kin + E A

5 Eine staumlrkere Intensitaumlt des Lichts entspricht nur einer groumlszligeren Anzahl Photonen pro Zeit

auFGaBE 1 1 Hertz war fest davon uumlberzeugt dass mit Maxwells

Theorie elektromagnetischer Wellen das Phaumlnomen des Lichts vollstaumlndig verstanden sei Beschreiben und erlaumlutern Sie ein Experiment seines Schuumllers Hallshywachs das nicht durch das Wellenmodell erklaumlrt wershyden kann

1 2 Zum 100 Geburtstag von Einstein gab die Bundespost eine Briefmarke heraus Interpretieren Sie die Grafik auf ihre physikalischen Aussagen

1 3 raquoMit dem HallwachsshyExperiment wurde die Wellenshytheorie fuumlr Licht widerlegtlaquo Beurteilen Sie begruumlndet

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diese Aussage indem Sie Bezug auf das Photonenmoshydell und das Wellenmodell von Licht nehmen

2 1 Mit einer Quecksilberdampflampe werden Elektronen aus einer Zinkplatte geloumlst Im Diagramm ist das Linishyenspektrum einer Quecksilberdampflampe mit den spektralen Intensitaumlten aufgetragen Bestimmen Sie aus dem Diagramm die beiden markierten Wellenlaumlnshygen und tragen Sie die Werte im Diagramm ein

2 2 Untersuchen Sie anhand der Tabelle aus welchen Mashyterialien Elektronen durch den Fotoeffekt mit dieser Lampe ausgeloumlst werden Eine Glasplatte wird in den Strahlengang geschoben welche die UVshyStrahlung abshysorbiert Bestimmen Sie aus welchen Materialien dann Elektronen ausgeloumlst werden Beruumlcksichtigen Sie jeweils nur Strahlung mit einer Intensitaumlt uumlber 02

Metall E A in eV Metall E A in eV

AluminiumBariumCadmiumCaumlsiumCalciumGold

420252404194320471

EisenMagnesiumPlatinWolframZinkZinn

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3 Nach der Wellentheorie Maxwells muumlsste sich die Lichtenergie gleichmaumlszligig ins Unendliche ausduumlnnen Mit der klassischen Wellentheorie wird die Wirkung eines Laumlmpchens auf ein Atom in einer Caumlsiumfotoshyzelle berechnet die sich 1 m von dem Laumlmpchen entshyfernt befindet Die Gluumlhbirne hat beim Betrieb mit U = 4 V und I = 05 A einen optischen Wirkungsgrad von 5 Ein Caumlsiumatom hat einen Atomdurchmesser von 260 pm Die Austrittsenergie von Caumlsium betraumlgt E A = 194 eV Erlaumlutern Sie folgende Schritte und intershypretieren Sie das Ergebnis

P = U ∙ I = 4 V ∙ 05 A = 2 W (1) P L = 5 ∙ P = 01 W (2) O Kugel = 4π ∙ r 2 = 4π ∙ (1 m) 2 = 126 m 2 (3) A Cs = π ∙ r 2 = π ∙ (12 ∙ 260 ∙ 10 minus12 m) 2 = 53 ∙ 10 minus20 m 2 (4) P Cs = P L ∙ A Cs O Kugel = 42 ∙ 10 minus22 W (5) E A = 194 eV = 31 ∙ 10 minus19 J (6)

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42 ∙ 10 minus22 W = 738 s = 123 min (7)

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010203040506070809

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Wellenlaumlnge in nm

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Autor Dr Bardo Diehl

Redaktion Markus Heim

Layoutkonzept und technische Umsetzung Andrea Paumlch (MeGA 14) Berlin

Grafik newVision GmbH Bernhard A Peter Pattensen Peter Hesse

Umschlaggestaltung Eyes-Open Berlin

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1 Auflage 1 Druck 2017

Alle Drucke dieser Auflage sind inhaltlich unveraumlndert und koumlnnen im Unterricht neben einander verwendet werden

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Das Werk und seine Teile sind urheberrechtlich geschuumltzt Jede Nutzung in anderen als den gesetzlich zugelassenen Faumlllen bedarf der vorherigen schriftlichen Einwilligung des Verlages Hinweis zu den sectsect 46 52 a UrhG Weder das Werk noch seine Teile duumlrfen ohne eine solche Einwilligung eingescannt und in ein Netzwerk eingestellt oder sonst oumlffentlich zugaumlng lich gemacht werdenDies gilt auch fuumlr Intranets von Schulen und sonstigen Bildungseinrichtungen

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ISBN 978-3-06-015633-7

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E lE k trom ag n E t ismus

20 Fokus Physik S II Kapitel 71 72 (73)

10 magnetische induktion

PhaumlnomenDer daumlnische Physiker Hans Christian Oslashrsted entshydeckte 1820 zufaumlllig dass ein elektrischer Strom Ursashyche fuumlr ein magnetisches Feld ist Daraufhin forschte Michael Faraday neun Jahre lang nach einer Umshykehrung dieser Kausalitaumlt Kann ein magnetisches Feld auch Ursache fuumlr einen Strom sein Er entdeckte 1831 dass nur durch die zeitliche Aumlnderung eines Magnetshyfeldes ein Strom induziert wird Auch in Oslashrsteds Phaumlno men steckt die zeitliche Aumlnderung als verursashychendes Prinzip Nicht Ladungen als solche sondern be wegte Ladungen also Ladungen in ihrer zeitlichen Ortsaumlnderung erzeugen ein Magnetfeld Damit ershyweist sich die Aumlnderungsrate als einheitliche Bedinshygung in beiden Phaumlnomenen

aufbauEine Leiterschleife wird an ein Spannungsmessgeraumlt angeshyschlossen und in das Feld eines Hufeisenmagneten gehalshyten

1 Relative Bewegung von Magnet und Leiterschleife

Durchfuumlhrung1 Die Schleife und der Magnet werden nicht bewegt2 Die Schleife wird in das Magnetfeld hinein und aus ihm heraus bewegt3 Die Schleife wird unterschiedlich schnell bewegt4 Anstelle der Schleife wird der Magnet bewegt5 Die Schleife wird im Magnetfeld zusammengedruumlckt6 Die Schleife wird im Magnetfeld um eine Achse gedreht die senkrecht zu den Feldlinien steht

Beobachtungen1 Keine Spannung wird induziert2 Eine Spannung wird waumlhrend der Bewegung induziert Die Polung der Spannung haumlngt von der Bewegungsrichshytung ab3 Der Betrag der Spannung nimmt mit der Geschwindigshykeit zu

0

S

mV

Uind

N

4 Die induzierte Spannung haumlngt nur von der Relativbeweshygung zwischen Leiter und Feld ab5 Die Aumlnderung der Flaumlche der Schleife induziert eine Spannung6 Eine Wechselspannung wird induziert

theorie1 Herleitung von U ind =

A ∙ B

Auf zwei parallelen Metallstaumlben wird ein dritter Metallstab in einem homogenen magnetischen Feld bewegt

2 Induktionsspannung durch bewegte Ladungen

Der Stab uumlberstreift in der Zeit ∆t eine Flaumlche ∆A = l ∙ ∆s Ein Elektron wird dabei mit der Geschwindigkeit v = ΔsΔt des Leiters nach rechts bewegt Das Magnetfeld wirkt mit der Lorentzkraft F L = e ∙ v ∙ B auf das Elektron druumlckt das Elektron in den vorderen Metallstab und zieht Elektronen aus dem hinteren Stab ab Dies fuumlhrt zu einer LadungstrenshynungDie beiden parallelen Staumlbe lassen sich nun als Plattenkonshydensator mit dem elektrischen Feld E = U ind l deuten Die elektrische Feldkraft F el = e ∙ E = e ∙ U ind l weist nach hinten Elektronen werden solange von einem Stab in den anderen geschoben bis ein Kraumlftegleichgewicht entsteht Aus F el = F L folgt

U ind = B ∙ l ∙ v = B ∙ l ∙ ∆s ___ ∆t = B ∙ ∆A ___ ∆t asymp B ∙

A fuumlr kleine ∆t

2 Begruumlndung der Lenzschen Regel

3 Der Induktionsstrom hemmt die Bewegung

FL

Fel

B

∆s

∆A

0

mV

Uind

B

ndash

++

+ + + + + + ++

+ + + + + + +

ndashndashndashndash ndash ndash ndash ndash ndash ndash ndash ndash ndash ndash ndash ndash

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v

vFL

FL2

0

μA

Iind

B

v2

v2

FL2

vFL

BVors

chau

Zentrale Experimente

21Aufgabe Kapitel 71 72

Ist der Stromkreis geschlossen flieszligt der Induktionsstrom I ind Die Elektronen bewegen sich mit einer Geschwindigshykeit v 2 in dem Stab Auf diese zweite Bewegung wirkt das Mag netfeld mit der Lorentzkraft F L2 Sie ist der urspruumlnglishychen Bewegung entgegengesetzt und hemmt diese Die Inshyduktionsspannung die dem Induktionsstrom die Richtung vorgibt hat eine solche Polung dass der Strom die Beweshygung hemmt Dies besagt die Lenzsche Regel

Waumlre die Polung entgegengesetzt wuumlrde der Strom in die entgegengesetzte Richtung flieszligen und die Lorentzkraft F L2 in die Bewegungsrichtung des Stabs weisen Der Stab wuumlrshyde beschleunigt Aus dem System wuumlrde Energie gewonnen werden was dem Energieerhaltungssatz widerspricht

Ergebnis1 Nicht ein Magnetfeld als solches sondern dessen Aumlnshy

derung induziert eine Spannung2 Die induzierte Spannung haumlngt sowohl von der Aumlndeshy

rungsrate des Magnetfeldes als auch von der Aumlndeshyrungsrate der Flaumlche ab Aumlndern sich beide Groumlszligen so addieren sich die induzierten Spannungen

3 Das Vorzeichen der Induktionsspannung ergibt sich durch die Lenzsche Regel Dem Energieerhaltungssatshyzes folgend ist die Induktionsspannung stets so gerichshytet dass sie ihrer Ursache entgegenwirkt

4 Mit dem magnetischen Fluss Φ = A ∙ B lautet das Inshyduktionsgesetz

U ind = minus(A ∙

B +

A ∙ B) = minus

Φ

auFgaBE Eine 6VshyBatterie eine Spule und ein Strommessgeraumlt sind in Reihe geschaltet Zunaumlchst ist der EisenshyUshyKern mit dem Joch geschlossen Dann wird das Joch des Eisenkerns entshyfernt und anschlieszligend wieder auf die urspruumlngliche Positishyon zuruumlckgelegt

1 Beschreiben und deuten Sie allgemein das physikalishysche Phaumlnomen das zu einer Aumlnderung der Stromstaumlrshyke in einer Spule fuumlhrt

1

3

2

4

2 Das folgende Diagramm zeigt den Stromverlauf I waumlhshyrend des Experiments

21 Zum Zeitpunkt t 1 = 015 s wird das Joch entfernt und bei t 2 = 2 s wird das Joch wieder aufgelegt Begruumlnden Sie dies anhand des Diagramms

22 Die Bilder 1ndash 4 zeigen chronologisch den Ablauf des Experiments Ordnen Sie den Bildern Zeitpunkte bzw Zeitintervalle zu

23 Da das Joch entfernt wird aumlndert sich in den ersten beiden Sekunden das Magnetfeld innerhalb der Spule Im folgenden Diagramm sind drei zeitliche Verlaumlufe von Magnetfeldern dargestellt Begruumlnden Sie welcher Graph zu diesem Experiment gehoumlrt

24 Die 8 cm lange Spule besitzt 10 000 Windungen Der geschlossene Eisenkern hat eine Permeabilitaumlt von 2200 Berechnen Sie zunaumlchst die magnetische Feldshystaumlrke zu Beginn des Experiments

Dann wird mit einem Teslameter bei entferntem Eishysenjoch eine stabile Magnetfeldstaumlrke von 012 T geshymessen Ermitteln Sie die Permeabilitaumlt des offenen Eisenkerns

Geben Sie schlieszliglich mit Begruumlndung den Zeitpunkt an an dem sich das Magnetfeld am staumlrksten aumlndert und bestimmen Sie die Feldstaumlrke zu diesem Zeitshypunkt

3 Begruumlnden Sie die Guumlltigkeit der Lenzschen Regel mithilfe des Energieerhaltungssatzes fuumlr den Fall dass der Eisenkern geschlossen wird

1090807060504030201

00 05 1 15 2 25 3 35

I in mA

t in s

0

B

a b c

05 1 15 t in s

Vorsch

au

QuantEnEFFEK tE

36 Fokus Physik S II Kapitel 132 (133)

18 Fotoeffekt

PhaumlnomenAuf der Tagung der Deutschen Naturforscher und Aumlrzte von 1889 referierte Heinrich Hertz raquoWas ist Licht Seit den Zeiten Youngs und Fresnels wissen wir dass es eine Wellenbewegung ist Wir kennen die Geshyschwindigkeit der Wellen wir kennen ihre Laumlnge wir wissen dass es Transversalwellen sind wir kennen mit einem Worte die geometrischen Verhaumlltnisse der Beshywegung vollkommen An diesen Dingen ist kein Zweishyfel mehr moumlglich eine Widerlegung dieser Anschaushyung ist fuumlr Physiker undenkbar Die Wellentheorie des Lichts ist menschlich gesprochen GewissheitlaquoHertz beauftragte seinen Schuumller Wilhelm Hallshywachs die Wellentheorie in der Wechselwirkung mit geladenen Teilchen experimentell zu bestaumltigen Desshysen Versuche aber bildeten die Grundlage dafuumlr dass Einstein bereits 16 Jahre spaumlter mit seiner Lichtquanshytenhypothese die Hertzsche Gewissheit erschuumltterte

aufbau

1 Hallwachs-Experimente

Eine frisch geschmirgelte Zinkplatte wird an ein Elektroshyskop angeschlossen Als Lichtquelle dient eine Quecksilbershydampflampe die sowohl sichtbares als auch ultraviolettes Licht aussendet

Durchfuumlhrung1 Die Zinkplatte wird negativ geladen Anschlieszligend wird die Lampe auf die Zinkplatte gerichtet2 Der Versuch wird mit positiv geladener Platte wiedershyholt3 Die negativ geladene Zinkplatte wird mit unterschiedlishychem Abstand beleuchtet4 Zwischen negativ geladener Zinkplatte und Lampe wird eine Glasplatte gehalten Zusaumltzlich wird die Lampe naumlher an das Elektroskop herangefuumlhrt

Elektroskop Zinkplatte Glasplatte Quecksilber-dampampe

Beobachtungen1 Wird die negativ geladene Zinkplatte mit dem ganzen Spektrum des Lichts der Quecksilberdampflampe bestrahlt beginnt sie sofort sich kontinuierlich zu entladen2 Die positiv geladene Zinkplatte wird weder geladen noch entladen3 Je naumlher die Lampe an der Zinkplatte ist desto schneller entlaumldt sich die negativ geladene Platte4 Durch die Glasplatte wird das UVshyLicht absorbiert Die Zinkplatte wird nicht entladen Eine groumlszligere Intensitaumlt des Lichts durch einen geringeren Abstand oder eine laumlngere Be leuchtungsdauer laumlsst die Platte nicht entladen

theorieBei eine Ionisierung der Luft entstehen darin sowohl positishyve als auch negative Ladungstraumlger Diese wuumlrden dann gleichermaszligen zu einer Entladung der negativen wie auch der positiven Platte fuumlhren Die positive Platte entlaumldt sich aber nicht sodass Ionisierung der Luft als Ursache ausgeshyschlossen werden kann Das Licht der Quecksilberlampe loumlst stattdessen Elektronen aus dem Metallverband aus Ist die Zinkplatte negativ geladen werden diese Elektronen abgestoszligen und die Platte entlaumldt sich Ist die Platte positiv geladen koumlnnen die Elek tronen die Platte nicht verlassen oder werden unmittelbar wieder angezogen sodass keine Entladung erfolgtDie Teilexperimente 1 2 und 3 lassen sich mit der Theorie elektromagnetischer Wellen erklaumlren Die Wechselfelder bringen die Leitungselektronen zum Schwingen bis sie geshynuumlgend Energie besitzen um aus dem Metall auszutretenTeilexperiment 4 laumlsst sich dagegen nicht mit dem Wellenshymodell erklaumlren Glas absorbiert UVshyLicht sodass nur sichtbares Licht auf die Platte trifft Weder eine houmlhere Inshytensitaumlt des sichtbaren Lichts liefert die Austrittsenergie die zum Herausloumlsen der Elektronen benoumltigt wird noch fuumlhrt ein Ansammeln von Energie zu einem Aufschaukeln soshydass nach einer Zeit doch noch Elektronen ausgeloumlst wershyden Nur das hochfrequente UVshyLicht besitzt die Energie Elektronen aus Zink auszuloumlsenMit der Einsteinschen Deutung des lichtelektrischen Efshyfekts wird auch das 4 Teilexperiment verstaumlndlich Licht besteht aus einzelnen Energieportionen deren Betrag E Ph = h ∙ f von der Frequenz des Lichts abhaumlngt Ein Enershygiequant (Abb 2 a) auch Photon genannt trifft auf ein im Gitterverband frei bewegliches Leitungselektron (b) Das Photon gibt seine gesamte Energie an das Elektron ab und existiert danach nicht mehr Wenn die Energie des Photons ausreicht um das Elektron aus dem Metallverband zu loumlshysen nutzt das Elektron die restliche Energie in Form von kinetischer Energie um sich von der Platte zu entfernen (c) Damit entlaumldt sich die negativ geladene Metallplatte Ist die Energie des Photons kleiner als die benoumltigte Austrittsshyenergie E Ph lt E A kann das Elektron den Metallverband

Vorsch

au

Zentrale Experimente

37Aufgabe Kapitel 132 (1014)

nicht verlassen Die Platte entlaumldt sich nicht Eine houmlhere Intensitaumlt des Lichts bedeutet nur eine groumlszligere Anzahl an Photonen und somit eine groumlszligere Anzahl ausgeloumlster Elekshytronen

2 Ein Photon (a) tritt in Wechselwirkung mit einem Elektron (b) und loumlst mit seiner Energie dieses aus dem Metallverband (c)

ErgebnisEinsteins Quantenmodell des Lichts1 Lichtenergie existiert nur portionsweise Licht ist ein

Energiestrom von unteilbaren Quanten Ein Photon kann nur als Ganzes erzeugt oder absorbiert werden

2 Die Energie eines Photons ist zur Frequenz des Lichts proportional E = h ∙ f

3 Elektronen absorbieren im Fotoeffekt jeweils nur ein Photon

4 Die vom Photon absorbierte Energie wird fuumlr die Ausshytrittsenergie E A des Elektrons benoumltigt Die restliche Energie wird in kinetische Energie E kin des Elektrons transformiert Es gilt h ∙ f = E kin + E A

5 Eine staumlrkere Intensitaumlt des Lichts entspricht nur einer groumlszligeren Anzahl Photonen pro Zeit

auFGaBE 1 1 Hertz war fest davon uumlberzeugt dass mit Maxwells

Theorie elektromagnetischer Wellen das Phaumlnomen des Lichts vollstaumlndig verstanden sei Beschreiben und erlaumlutern Sie ein Experiment seines Schuumllers Hallshywachs das nicht durch das Wellenmodell erklaumlrt wershyden kann

1 2 Zum 100 Geburtstag von Einstein gab die Bundespost eine Briefmarke heraus Interpretieren Sie die Grafik auf ihre physikalischen Aussagen

1 3 raquoMit dem HallwachsshyExperiment wurde die Wellenshytheorie fuumlr Licht widerlegtlaquo Beurteilen Sie begruumlndet

a)c)

+

+

+

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ndashndash

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diese Aussage indem Sie Bezug auf das Photonenmoshydell und das Wellenmodell von Licht nehmen

2 1 Mit einer Quecksilberdampflampe werden Elektronen aus einer Zinkplatte geloumlst Im Diagramm ist das Linishyenspektrum einer Quecksilberdampflampe mit den spektralen Intensitaumlten aufgetragen Bestimmen Sie aus dem Diagramm die beiden markierten Wellenlaumlnshygen und tragen Sie die Werte im Diagramm ein

2 2 Untersuchen Sie anhand der Tabelle aus welchen Mashyterialien Elektronen durch den Fotoeffekt mit dieser Lampe ausgeloumlst werden Eine Glasplatte wird in den Strahlengang geschoben welche die UVshyStrahlung abshysorbiert Bestimmen Sie aus welchen Materialien dann Elektronen ausgeloumlst werden Beruumlcksichtigen Sie jeweils nur Strahlung mit einer Intensitaumlt uumlber 02

Metall E A in eV Metall E A in eV

AluminiumBariumCadmiumCaumlsiumCalciumGold

420252404194320471

EisenMagnesiumPlatinWolframZinkZinn

463370536453395439

3 Nach der Wellentheorie Maxwells muumlsste sich die Lichtenergie gleichmaumlszligig ins Unendliche ausduumlnnen Mit der klassischen Wellentheorie wird die Wirkung eines Laumlmpchens auf ein Atom in einer Caumlsiumfotoshyzelle berechnet die sich 1 m von dem Laumlmpchen entshyfernt befindet Die Gluumlhbirne hat beim Betrieb mit U = 4 V und I = 05 A einen optischen Wirkungsgrad von 5 Ein Caumlsiumatom hat einen Atomdurchmesser von 260 pm Die Austrittsenergie von Caumlsium betraumlgt E A = 194 eV Erlaumlutern Sie folgende Schritte und intershypretieren Sie das Ergebnis

P = U ∙ I = 4 V ∙ 05 A = 2 W (1) P L = 5 ∙ P = 01 W (2) O Kugel = 4π ∙ r 2 = 4π ∙ (1 m) 2 = 126 m 2 (3) A Cs = π ∙ r 2 = π ∙ (12 ∙ 260 ∙ 10 minus12 m) 2 = 53 ∙ 10 minus20 m 2 (4) P Cs = P L ∙ A Cs O Kugel = 42 ∙ 10 minus22 W (5) E A = 194 eV = 31 ∙ 10 minus19 J (6)

t = E A

___ P Cs = 31 ∙ 10 minus19 J _________

42 ∙ 10 minus22 W = 738 s = 123 min (7)

Spek

tral

e Be

stra

hlun

gstauml

rke UV-C UV-B UV-A

2000

250 350

366 436546

577

405408

400 450 500 550300

010203040506070809

1

Wellenlaumlnge in nm

Vorsch

au

Autor Dr Bardo Diehl

Redaktion Markus Heim

Layoutkonzept und technische Umsetzung Andrea Paumlch (MeGA 14) Berlin

Grafik newVision GmbH Bernhard A Peter Pattensen Peter Hesse

Umschlaggestaltung Eyes-Open Berlin

wwwcornelsende

1 Auflage 1 Druck 2017

Alle Drucke dieser Auflage sind inhaltlich unveraumlndert und koumlnnen im Unterricht neben einander verwendet werden

copy 2017 Cornelsen Verlag GmbH Berlin

Das Werk und seine Teile sind urheberrechtlich geschuumltzt Jede Nutzung in anderen als den gesetzlich zugelassenen Faumlllen bedarf der vorherigen schriftlichen Einwilligung des Verlages Hinweis zu den sectsect 46 52 a UrhG Weder das Werk noch seine Teile duumlrfen ohne eine solche Einwilligung eingescannt und in ein Netzwerk eingestellt oder sonst oumlffentlich zugaumlng lich gemacht werdenDies gilt auch fuumlr Intranets von Schulen und sonstigen Bildungseinrichtungen

Druck Firmengruppe APPL aprinta Druck Wemding

ISBN 978-3-06-015633-7

Vorsch

au

Zentrale Experimente

21Aufgabe Kapitel 71 72

Ist der Stromkreis geschlossen flieszligt der Induktionsstrom I ind Die Elektronen bewegen sich mit einer Geschwindigshykeit v 2 in dem Stab Auf diese zweite Bewegung wirkt das Mag netfeld mit der Lorentzkraft F L2 Sie ist der urspruumlnglishychen Bewegung entgegengesetzt und hemmt diese Die Inshyduktionsspannung die dem Induktionsstrom die Richtung vorgibt hat eine solche Polung dass der Strom die Beweshygung hemmt Dies besagt die Lenzsche Regel

Waumlre die Polung entgegengesetzt wuumlrde der Strom in die entgegengesetzte Richtung flieszligen und die Lorentzkraft F L2 in die Bewegungsrichtung des Stabs weisen Der Stab wuumlrshyde beschleunigt Aus dem System wuumlrde Energie gewonnen werden was dem Energieerhaltungssatz widerspricht

Ergebnis1 Nicht ein Magnetfeld als solches sondern dessen Aumlnshy

derung induziert eine Spannung2 Die induzierte Spannung haumlngt sowohl von der Aumlndeshy

rungsrate des Magnetfeldes als auch von der Aumlndeshyrungsrate der Flaumlche ab Aumlndern sich beide Groumlszligen so addieren sich die induzierten Spannungen

3 Das Vorzeichen der Induktionsspannung ergibt sich durch die Lenzsche Regel Dem Energieerhaltungssatshyzes folgend ist die Induktionsspannung stets so gerichshytet dass sie ihrer Ursache entgegenwirkt

4 Mit dem magnetischen Fluss Φ = A ∙ B lautet das Inshyduktionsgesetz

U ind = minus(A ∙

B +

A ∙ B) = minus

Φ

auFgaBE Eine 6VshyBatterie eine Spule und ein Strommessgeraumlt sind in Reihe geschaltet Zunaumlchst ist der EisenshyUshyKern mit dem Joch geschlossen Dann wird das Joch des Eisenkerns entshyfernt und anschlieszligend wieder auf die urspruumlngliche Positishyon zuruumlckgelegt

1 Beschreiben und deuten Sie allgemein das physikalishysche Phaumlnomen das zu einer Aumlnderung der Stromstaumlrshyke in einer Spule fuumlhrt

1

3

2

4

2 Das folgende Diagramm zeigt den Stromverlauf I waumlhshyrend des Experiments

21 Zum Zeitpunkt t 1 = 015 s wird das Joch entfernt und bei t 2 = 2 s wird das Joch wieder aufgelegt Begruumlnden Sie dies anhand des Diagramms

22 Die Bilder 1ndash 4 zeigen chronologisch den Ablauf des Experiments Ordnen Sie den Bildern Zeitpunkte bzw Zeitintervalle zu

23 Da das Joch entfernt wird aumlndert sich in den ersten beiden Sekunden das Magnetfeld innerhalb der Spule Im folgenden Diagramm sind drei zeitliche Verlaumlufe von Magnetfeldern dargestellt Begruumlnden Sie welcher Graph zu diesem Experiment gehoumlrt

24 Die 8 cm lange Spule besitzt 10 000 Windungen Der geschlossene Eisenkern hat eine Permeabilitaumlt von 2200 Berechnen Sie zunaumlchst die magnetische Feldshystaumlrke zu Beginn des Experiments

Dann wird mit einem Teslameter bei entferntem Eishysenjoch eine stabile Magnetfeldstaumlrke von 012 T geshymessen Ermitteln Sie die Permeabilitaumlt des offenen Eisenkerns

Geben Sie schlieszliglich mit Begruumlndung den Zeitpunkt an an dem sich das Magnetfeld am staumlrksten aumlndert und bestimmen Sie die Feldstaumlrke zu diesem Zeitshypunkt

3 Begruumlnden Sie die Guumlltigkeit der Lenzschen Regel mithilfe des Energieerhaltungssatzes fuumlr den Fall dass der Eisenkern geschlossen wird

1090807060504030201

00 05 1 15 2 25 3 35

I in mA

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QuantEnEFFEK tE

36 Fokus Physik S II Kapitel 132 (133)

18 Fotoeffekt

PhaumlnomenAuf der Tagung der Deutschen Naturforscher und Aumlrzte von 1889 referierte Heinrich Hertz raquoWas ist Licht Seit den Zeiten Youngs und Fresnels wissen wir dass es eine Wellenbewegung ist Wir kennen die Geshyschwindigkeit der Wellen wir kennen ihre Laumlnge wir wissen dass es Transversalwellen sind wir kennen mit einem Worte die geometrischen Verhaumlltnisse der Beshywegung vollkommen An diesen Dingen ist kein Zweishyfel mehr moumlglich eine Widerlegung dieser Anschaushyung ist fuumlr Physiker undenkbar Die Wellentheorie des Lichts ist menschlich gesprochen GewissheitlaquoHertz beauftragte seinen Schuumller Wilhelm Hallshywachs die Wellentheorie in der Wechselwirkung mit geladenen Teilchen experimentell zu bestaumltigen Desshysen Versuche aber bildeten die Grundlage dafuumlr dass Einstein bereits 16 Jahre spaumlter mit seiner Lichtquanshytenhypothese die Hertzsche Gewissheit erschuumltterte

aufbau

1 Hallwachs-Experimente

Eine frisch geschmirgelte Zinkplatte wird an ein Elektroshyskop angeschlossen Als Lichtquelle dient eine Quecksilbershydampflampe die sowohl sichtbares als auch ultraviolettes Licht aussendet

Durchfuumlhrung1 Die Zinkplatte wird negativ geladen Anschlieszligend wird die Lampe auf die Zinkplatte gerichtet2 Der Versuch wird mit positiv geladener Platte wiedershyholt3 Die negativ geladene Zinkplatte wird mit unterschiedlishychem Abstand beleuchtet4 Zwischen negativ geladener Zinkplatte und Lampe wird eine Glasplatte gehalten Zusaumltzlich wird die Lampe naumlher an das Elektroskop herangefuumlhrt

Elektroskop Zinkplatte Glasplatte Quecksilber-dampampe

Beobachtungen1 Wird die negativ geladene Zinkplatte mit dem ganzen Spektrum des Lichts der Quecksilberdampflampe bestrahlt beginnt sie sofort sich kontinuierlich zu entladen2 Die positiv geladene Zinkplatte wird weder geladen noch entladen3 Je naumlher die Lampe an der Zinkplatte ist desto schneller entlaumldt sich die negativ geladene Platte4 Durch die Glasplatte wird das UVshyLicht absorbiert Die Zinkplatte wird nicht entladen Eine groumlszligere Intensitaumlt des Lichts durch einen geringeren Abstand oder eine laumlngere Be leuchtungsdauer laumlsst die Platte nicht entladen

theorieBei eine Ionisierung der Luft entstehen darin sowohl positishyve als auch negative Ladungstraumlger Diese wuumlrden dann gleichermaszligen zu einer Entladung der negativen wie auch der positiven Platte fuumlhren Die positive Platte entlaumldt sich aber nicht sodass Ionisierung der Luft als Ursache ausgeshyschlossen werden kann Das Licht der Quecksilberlampe loumlst stattdessen Elektronen aus dem Metallverband aus Ist die Zinkplatte negativ geladen werden diese Elektronen abgestoszligen und die Platte entlaumldt sich Ist die Platte positiv geladen koumlnnen die Elek tronen die Platte nicht verlassen oder werden unmittelbar wieder angezogen sodass keine Entladung erfolgtDie Teilexperimente 1 2 und 3 lassen sich mit der Theorie elektromagnetischer Wellen erklaumlren Die Wechselfelder bringen die Leitungselektronen zum Schwingen bis sie geshynuumlgend Energie besitzen um aus dem Metall auszutretenTeilexperiment 4 laumlsst sich dagegen nicht mit dem Wellenshymodell erklaumlren Glas absorbiert UVshyLicht sodass nur sichtbares Licht auf die Platte trifft Weder eine houmlhere Inshytensitaumlt des sichtbaren Lichts liefert die Austrittsenergie die zum Herausloumlsen der Elektronen benoumltigt wird noch fuumlhrt ein Ansammeln von Energie zu einem Aufschaukeln soshydass nach einer Zeit doch noch Elektronen ausgeloumlst wershyden Nur das hochfrequente UVshyLicht besitzt die Energie Elektronen aus Zink auszuloumlsenMit der Einsteinschen Deutung des lichtelektrischen Efshyfekts wird auch das 4 Teilexperiment verstaumlndlich Licht besteht aus einzelnen Energieportionen deren Betrag E Ph = h ∙ f von der Frequenz des Lichts abhaumlngt Ein Enershygiequant (Abb 2 a) auch Photon genannt trifft auf ein im Gitterverband frei bewegliches Leitungselektron (b) Das Photon gibt seine gesamte Energie an das Elektron ab und existiert danach nicht mehr Wenn die Energie des Photons ausreicht um das Elektron aus dem Metallverband zu loumlshysen nutzt das Elektron die restliche Energie in Form von kinetischer Energie um sich von der Platte zu entfernen (c) Damit entlaumldt sich die negativ geladene Metallplatte Ist die Energie des Photons kleiner als die benoumltigte Austrittsshyenergie E Ph lt E A kann das Elektron den Metallverband

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Zentrale Experimente

37Aufgabe Kapitel 132 (1014)

nicht verlassen Die Platte entlaumldt sich nicht Eine houmlhere Intensitaumlt des Lichts bedeutet nur eine groumlszligere Anzahl an Photonen und somit eine groumlszligere Anzahl ausgeloumlster Elekshytronen

2 Ein Photon (a) tritt in Wechselwirkung mit einem Elektron (b) und loumlst mit seiner Energie dieses aus dem Metallverband (c)

ErgebnisEinsteins Quantenmodell des Lichts1 Lichtenergie existiert nur portionsweise Licht ist ein

Energiestrom von unteilbaren Quanten Ein Photon kann nur als Ganzes erzeugt oder absorbiert werden

2 Die Energie eines Photons ist zur Frequenz des Lichts proportional E = h ∙ f

3 Elektronen absorbieren im Fotoeffekt jeweils nur ein Photon

4 Die vom Photon absorbierte Energie wird fuumlr die Ausshytrittsenergie E A des Elektrons benoumltigt Die restliche Energie wird in kinetische Energie E kin des Elektrons transformiert Es gilt h ∙ f = E kin + E A

5 Eine staumlrkere Intensitaumlt des Lichts entspricht nur einer groumlszligeren Anzahl Photonen pro Zeit

auFGaBE 1 1 Hertz war fest davon uumlberzeugt dass mit Maxwells

Theorie elektromagnetischer Wellen das Phaumlnomen des Lichts vollstaumlndig verstanden sei Beschreiben und erlaumlutern Sie ein Experiment seines Schuumllers Hallshywachs das nicht durch das Wellenmodell erklaumlrt wershyden kann

1 2 Zum 100 Geburtstag von Einstein gab die Bundespost eine Briefmarke heraus Interpretieren Sie die Grafik auf ihre physikalischen Aussagen

1 3 raquoMit dem HallwachsshyExperiment wurde die Wellenshytheorie fuumlr Licht widerlegtlaquo Beurteilen Sie begruumlndet

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diese Aussage indem Sie Bezug auf das Photonenmoshydell und das Wellenmodell von Licht nehmen

2 1 Mit einer Quecksilberdampflampe werden Elektronen aus einer Zinkplatte geloumlst Im Diagramm ist das Linishyenspektrum einer Quecksilberdampflampe mit den spektralen Intensitaumlten aufgetragen Bestimmen Sie aus dem Diagramm die beiden markierten Wellenlaumlnshygen und tragen Sie die Werte im Diagramm ein

2 2 Untersuchen Sie anhand der Tabelle aus welchen Mashyterialien Elektronen durch den Fotoeffekt mit dieser Lampe ausgeloumlst werden Eine Glasplatte wird in den Strahlengang geschoben welche die UVshyStrahlung abshysorbiert Bestimmen Sie aus welchen Materialien dann Elektronen ausgeloumlst werden Beruumlcksichtigen Sie jeweils nur Strahlung mit einer Intensitaumlt uumlber 02

Metall E A in eV Metall E A in eV

AluminiumBariumCadmiumCaumlsiumCalciumGold

420252404194320471

EisenMagnesiumPlatinWolframZinkZinn

463370536453395439

3 Nach der Wellentheorie Maxwells muumlsste sich die Lichtenergie gleichmaumlszligig ins Unendliche ausduumlnnen Mit der klassischen Wellentheorie wird die Wirkung eines Laumlmpchens auf ein Atom in einer Caumlsiumfotoshyzelle berechnet die sich 1 m von dem Laumlmpchen entshyfernt befindet Die Gluumlhbirne hat beim Betrieb mit U = 4 V und I = 05 A einen optischen Wirkungsgrad von 5 Ein Caumlsiumatom hat einen Atomdurchmesser von 260 pm Die Austrittsenergie von Caumlsium betraumlgt E A = 194 eV Erlaumlutern Sie folgende Schritte und intershypretieren Sie das Ergebnis

P = U ∙ I = 4 V ∙ 05 A = 2 W (1) P L = 5 ∙ P = 01 W (2) O Kugel = 4π ∙ r 2 = 4π ∙ (1 m) 2 = 126 m 2 (3) A Cs = π ∙ r 2 = π ∙ (12 ∙ 260 ∙ 10 minus12 m) 2 = 53 ∙ 10 minus20 m 2 (4) P Cs = P L ∙ A Cs O Kugel = 42 ∙ 10 minus22 W (5) E A = 194 eV = 31 ∙ 10 minus19 J (6)

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42 ∙ 10 minus22 W = 738 s = 123 min (7)

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Wellenlaumlnge in nm

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Autor Dr Bardo Diehl

Redaktion Markus Heim

Layoutkonzept und technische Umsetzung Andrea Paumlch (MeGA 14) Berlin

Grafik newVision GmbH Bernhard A Peter Pattensen Peter Hesse

Umschlaggestaltung Eyes-Open Berlin

wwwcornelsende

1 Auflage 1 Druck 2017

Alle Drucke dieser Auflage sind inhaltlich unveraumlndert und koumlnnen im Unterricht neben einander verwendet werden

copy 2017 Cornelsen Verlag GmbH Berlin

Das Werk und seine Teile sind urheberrechtlich geschuumltzt Jede Nutzung in anderen als den gesetzlich zugelassenen Faumlllen bedarf der vorherigen schriftlichen Einwilligung des Verlages Hinweis zu den sectsect 46 52 a UrhG Weder das Werk noch seine Teile duumlrfen ohne eine solche Einwilligung eingescannt und in ein Netzwerk eingestellt oder sonst oumlffentlich zugaumlng lich gemacht werdenDies gilt auch fuumlr Intranets von Schulen und sonstigen Bildungseinrichtungen

Druck Firmengruppe APPL aprinta Druck Wemding

ISBN 978-3-06-015633-7

Vorsch

au

QuantEnEFFEK tE

36 Fokus Physik S II Kapitel 132 (133)

18 Fotoeffekt

PhaumlnomenAuf der Tagung der Deutschen Naturforscher und Aumlrzte von 1889 referierte Heinrich Hertz raquoWas ist Licht Seit den Zeiten Youngs und Fresnels wissen wir dass es eine Wellenbewegung ist Wir kennen die Geshyschwindigkeit der Wellen wir kennen ihre Laumlnge wir wissen dass es Transversalwellen sind wir kennen mit einem Worte die geometrischen Verhaumlltnisse der Beshywegung vollkommen An diesen Dingen ist kein Zweishyfel mehr moumlglich eine Widerlegung dieser Anschaushyung ist fuumlr Physiker undenkbar Die Wellentheorie des Lichts ist menschlich gesprochen GewissheitlaquoHertz beauftragte seinen Schuumller Wilhelm Hallshywachs die Wellentheorie in der Wechselwirkung mit geladenen Teilchen experimentell zu bestaumltigen Desshysen Versuche aber bildeten die Grundlage dafuumlr dass Einstein bereits 16 Jahre spaumlter mit seiner Lichtquanshytenhypothese die Hertzsche Gewissheit erschuumltterte

aufbau

1 Hallwachs-Experimente

Eine frisch geschmirgelte Zinkplatte wird an ein Elektroshyskop angeschlossen Als Lichtquelle dient eine Quecksilbershydampflampe die sowohl sichtbares als auch ultraviolettes Licht aussendet

Durchfuumlhrung1 Die Zinkplatte wird negativ geladen Anschlieszligend wird die Lampe auf die Zinkplatte gerichtet2 Der Versuch wird mit positiv geladener Platte wiedershyholt3 Die negativ geladene Zinkplatte wird mit unterschiedlishychem Abstand beleuchtet4 Zwischen negativ geladener Zinkplatte und Lampe wird eine Glasplatte gehalten Zusaumltzlich wird die Lampe naumlher an das Elektroskop herangefuumlhrt

Elektroskop Zinkplatte Glasplatte Quecksilber-dampampe

Beobachtungen1 Wird die negativ geladene Zinkplatte mit dem ganzen Spektrum des Lichts der Quecksilberdampflampe bestrahlt beginnt sie sofort sich kontinuierlich zu entladen2 Die positiv geladene Zinkplatte wird weder geladen noch entladen3 Je naumlher die Lampe an der Zinkplatte ist desto schneller entlaumldt sich die negativ geladene Platte4 Durch die Glasplatte wird das UVshyLicht absorbiert Die Zinkplatte wird nicht entladen Eine groumlszligere Intensitaumlt des Lichts durch einen geringeren Abstand oder eine laumlngere Be leuchtungsdauer laumlsst die Platte nicht entladen

theorieBei eine Ionisierung der Luft entstehen darin sowohl positishyve als auch negative Ladungstraumlger Diese wuumlrden dann gleichermaszligen zu einer Entladung der negativen wie auch der positiven Platte fuumlhren Die positive Platte entlaumldt sich aber nicht sodass Ionisierung der Luft als Ursache ausgeshyschlossen werden kann Das Licht der Quecksilberlampe loumlst stattdessen Elektronen aus dem Metallverband aus Ist die Zinkplatte negativ geladen werden diese Elektronen abgestoszligen und die Platte entlaumldt sich Ist die Platte positiv geladen koumlnnen die Elek tronen die Platte nicht verlassen oder werden unmittelbar wieder angezogen sodass keine Entladung erfolgtDie Teilexperimente 1 2 und 3 lassen sich mit der Theorie elektromagnetischer Wellen erklaumlren Die Wechselfelder bringen die Leitungselektronen zum Schwingen bis sie geshynuumlgend Energie besitzen um aus dem Metall auszutretenTeilexperiment 4 laumlsst sich dagegen nicht mit dem Wellenshymodell erklaumlren Glas absorbiert UVshyLicht sodass nur sichtbares Licht auf die Platte trifft Weder eine houmlhere Inshytensitaumlt des sichtbaren Lichts liefert die Austrittsenergie die zum Herausloumlsen der Elektronen benoumltigt wird noch fuumlhrt ein Ansammeln von Energie zu einem Aufschaukeln soshydass nach einer Zeit doch noch Elektronen ausgeloumlst wershyden Nur das hochfrequente UVshyLicht besitzt die Energie Elektronen aus Zink auszuloumlsenMit der Einsteinschen Deutung des lichtelektrischen Efshyfekts wird auch das 4 Teilexperiment verstaumlndlich Licht besteht aus einzelnen Energieportionen deren Betrag E Ph = h ∙ f von der Frequenz des Lichts abhaumlngt Ein Enershygiequant (Abb 2 a) auch Photon genannt trifft auf ein im Gitterverband frei bewegliches Leitungselektron (b) Das Photon gibt seine gesamte Energie an das Elektron ab und existiert danach nicht mehr Wenn die Energie des Photons ausreicht um das Elektron aus dem Metallverband zu loumlshysen nutzt das Elektron die restliche Energie in Form von kinetischer Energie um sich von der Platte zu entfernen (c) Damit entlaumldt sich die negativ geladene Metallplatte Ist die Energie des Photons kleiner als die benoumltigte Austrittsshyenergie E Ph lt E A kann das Elektron den Metallverband

Vorsch

au

Zentrale Experimente

37Aufgabe Kapitel 132 (1014)

nicht verlassen Die Platte entlaumldt sich nicht Eine houmlhere Intensitaumlt des Lichts bedeutet nur eine groumlszligere Anzahl an Photonen und somit eine groumlszligere Anzahl ausgeloumlster Elekshytronen

2 Ein Photon (a) tritt in Wechselwirkung mit einem Elektron (b) und loumlst mit seiner Energie dieses aus dem Metallverband (c)

ErgebnisEinsteins Quantenmodell des Lichts1 Lichtenergie existiert nur portionsweise Licht ist ein

Energiestrom von unteilbaren Quanten Ein Photon kann nur als Ganzes erzeugt oder absorbiert werden

2 Die Energie eines Photons ist zur Frequenz des Lichts proportional E = h ∙ f

3 Elektronen absorbieren im Fotoeffekt jeweils nur ein Photon

4 Die vom Photon absorbierte Energie wird fuumlr die Ausshytrittsenergie E A des Elektrons benoumltigt Die restliche Energie wird in kinetische Energie E kin des Elektrons transformiert Es gilt h ∙ f = E kin + E A

5 Eine staumlrkere Intensitaumlt des Lichts entspricht nur einer groumlszligeren Anzahl Photonen pro Zeit

auFGaBE 1 1 Hertz war fest davon uumlberzeugt dass mit Maxwells

Theorie elektromagnetischer Wellen das Phaumlnomen des Lichts vollstaumlndig verstanden sei Beschreiben und erlaumlutern Sie ein Experiment seines Schuumllers Hallshywachs das nicht durch das Wellenmodell erklaumlrt wershyden kann

1 2 Zum 100 Geburtstag von Einstein gab die Bundespost eine Briefmarke heraus Interpretieren Sie die Grafik auf ihre physikalischen Aussagen

1 3 raquoMit dem HallwachsshyExperiment wurde die Wellenshytheorie fuumlr Licht widerlegtlaquo Beurteilen Sie begruumlndet

a)c)

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diese Aussage indem Sie Bezug auf das Photonenmoshydell und das Wellenmodell von Licht nehmen

2 1 Mit einer Quecksilberdampflampe werden Elektronen aus einer Zinkplatte geloumlst Im Diagramm ist das Linishyenspektrum einer Quecksilberdampflampe mit den spektralen Intensitaumlten aufgetragen Bestimmen Sie aus dem Diagramm die beiden markierten Wellenlaumlnshygen und tragen Sie die Werte im Diagramm ein

2 2 Untersuchen Sie anhand der Tabelle aus welchen Mashyterialien Elektronen durch den Fotoeffekt mit dieser Lampe ausgeloumlst werden Eine Glasplatte wird in den Strahlengang geschoben welche die UVshyStrahlung abshysorbiert Bestimmen Sie aus welchen Materialien dann Elektronen ausgeloumlst werden Beruumlcksichtigen Sie jeweils nur Strahlung mit einer Intensitaumlt uumlber 02

Metall E A in eV Metall E A in eV

AluminiumBariumCadmiumCaumlsiumCalciumGold

420252404194320471

EisenMagnesiumPlatinWolframZinkZinn

463370536453395439

3 Nach der Wellentheorie Maxwells muumlsste sich die Lichtenergie gleichmaumlszligig ins Unendliche ausduumlnnen Mit der klassischen Wellentheorie wird die Wirkung eines Laumlmpchens auf ein Atom in einer Caumlsiumfotoshyzelle berechnet die sich 1 m von dem Laumlmpchen entshyfernt befindet Die Gluumlhbirne hat beim Betrieb mit U = 4 V und I = 05 A einen optischen Wirkungsgrad von 5 Ein Caumlsiumatom hat einen Atomdurchmesser von 260 pm Die Austrittsenergie von Caumlsium betraumlgt E A = 194 eV Erlaumlutern Sie folgende Schritte und intershypretieren Sie das Ergebnis

P = U ∙ I = 4 V ∙ 05 A = 2 W (1) P L = 5 ∙ P = 01 W (2) O Kugel = 4π ∙ r 2 = 4π ∙ (1 m) 2 = 126 m 2 (3) A Cs = π ∙ r 2 = π ∙ (12 ∙ 260 ∙ 10 minus12 m) 2 = 53 ∙ 10 minus20 m 2 (4) P Cs = P L ∙ A Cs O Kugel = 42 ∙ 10 minus22 W (5) E A = 194 eV = 31 ∙ 10 minus19 J (6)

t = E A

___ P Cs = 31 ∙ 10 minus19 J _________

42 ∙ 10 minus22 W = 738 s = 123 min (7)

Spek

tral

e Be

stra

hlun

gstauml

rke UV-C UV-B UV-A

2000

250 350

366 436546

577

405408

400 450 500 550300

010203040506070809

1

Wellenlaumlnge in nm

Vorsch

au

Autor Dr Bardo Diehl

Redaktion Markus Heim

Layoutkonzept und technische Umsetzung Andrea Paumlch (MeGA 14) Berlin

Grafik newVision GmbH Bernhard A Peter Pattensen Peter Hesse

Umschlaggestaltung Eyes-Open Berlin

wwwcornelsende

1 Auflage 1 Druck 2017

Alle Drucke dieser Auflage sind inhaltlich unveraumlndert und koumlnnen im Unterricht neben einander verwendet werden

copy 2017 Cornelsen Verlag GmbH Berlin

Das Werk und seine Teile sind urheberrechtlich geschuumltzt Jede Nutzung in anderen als den gesetzlich zugelassenen Faumlllen bedarf der vorherigen schriftlichen Einwilligung des Verlages Hinweis zu den sectsect 46 52 a UrhG Weder das Werk noch seine Teile duumlrfen ohne eine solche Einwilligung eingescannt und in ein Netzwerk eingestellt oder sonst oumlffentlich zugaumlng lich gemacht werdenDies gilt auch fuumlr Intranets von Schulen und sonstigen Bildungseinrichtungen

Druck Firmengruppe APPL aprinta Druck Wemding

ISBN 978-3-06-015633-7

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nicht verlassen Die Platte entlaumldt sich nicht Eine houmlhere Intensitaumlt des Lichts bedeutet nur eine groumlszligere Anzahl an Photonen und somit eine groumlszligere Anzahl ausgeloumlster Elekshytronen

2 Ein Photon (a) tritt in Wechselwirkung mit einem Elektron (b) und loumlst mit seiner Energie dieses aus dem Metallverband (c)

ErgebnisEinsteins Quantenmodell des Lichts1 Lichtenergie existiert nur portionsweise Licht ist ein

Energiestrom von unteilbaren Quanten Ein Photon kann nur als Ganzes erzeugt oder absorbiert werden

2 Die Energie eines Photons ist zur Frequenz des Lichts proportional E = h ∙ f

3 Elektronen absorbieren im Fotoeffekt jeweils nur ein Photon

4 Die vom Photon absorbierte Energie wird fuumlr die Ausshytrittsenergie E A des Elektrons benoumltigt Die restliche Energie wird in kinetische Energie E kin des Elektrons transformiert Es gilt h ∙ f = E kin + E A

5 Eine staumlrkere Intensitaumlt des Lichts entspricht nur einer groumlszligeren Anzahl Photonen pro Zeit

auFGaBE 1 1 Hertz war fest davon uumlberzeugt dass mit Maxwells

Theorie elektromagnetischer Wellen das Phaumlnomen des Lichts vollstaumlndig verstanden sei Beschreiben und erlaumlutern Sie ein Experiment seines Schuumllers Hallshywachs das nicht durch das Wellenmodell erklaumlrt wershyden kann

1 2 Zum 100 Geburtstag von Einstein gab die Bundespost eine Briefmarke heraus Interpretieren Sie die Grafik auf ihre physikalischen Aussagen

1 3 raquoMit dem HallwachsshyExperiment wurde die Wellenshytheorie fuumlr Licht widerlegtlaquo Beurteilen Sie begruumlndet

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2 1 Mit einer Quecksilberdampflampe werden Elektronen aus einer Zinkplatte geloumlst Im Diagramm ist das Linishyenspektrum einer Quecksilberdampflampe mit den spektralen Intensitaumlten aufgetragen Bestimmen Sie aus dem Diagramm die beiden markierten Wellenlaumlnshygen und tragen Sie die Werte im Diagramm ein

2 2 Untersuchen Sie anhand der Tabelle aus welchen Mashyterialien Elektronen durch den Fotoeffekt mit dieser Lampe ausgeloumlst werden Eine Glasplatte wird in den Strahlengang geschoben welche die UVshyStrahlung abshysorbiert Bestimmen Sie aus welchen Materialien dann Elektronen ausgeloumlst werden Beruumlcksichtigen Sie jeweils nur Strahlung mit einer Intensitaumlt uumlber 02

Metall E A in eV Metall E A in eV

AluminiumBariumCadmiumCaumlsiumCalciumGold

420252404194320471

EisenMagnesiumPlatinWolframZinkZinn

463370536453395439

3 Nach der Wellentheorie Maxwells muumlsste sich die Lichtenergie gleichmaumlszligig ins Unendliche ausduumlnnen Mit der klassischen Wellentheorie wird die Wirkung eines Laumlmpchens auf ein Atom in einer Caumlsiumfotoshyzelle berechnet die sich 1 m von dem Laumlmpchen entshyfernt befindet Die Gluumlhbirne hat beim Betrieb mit U = 4 V und I = 05 A einen optischen Wirkungsgrad von 5 Ein Caumlsiumatom hat einen Atomdurchmesser von 260 pm Die Austrittsenergie von Caumlsium betraumlgt E A = 194 eV Erlaumlutern Sie folgende Schritte und intershypretieren Sie das Ergebnis

P = U ∙ I = 4 V ∙ 05 A = 2 W (1) P L = 5 ∙ P = 01 W (2) O Kugel = 4π ∙ r 2 = 4π ∙ (1 m) 2 = 126 m 2 (3) A Cs = π ∙ r 2 = π ∙ (12 ∙ 260 ∙ 10 minus12 m) 2 = 53 ∙ 10 minus20 m 2 (4) P Cs = P L ∙ A Cs O Kugel = 42 ∙ 10 minus22 W (5) E A = 194 eV = 31 ∙ 10 minus19 J (6)

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ISBN 978-3-06-015633-7

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