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  • LI: Detlef Kaack

    Fortbildung Physik

    Zentralabitur 2017 Fach Physik

    Prfungsthema

    Teilchen im elektromagnetischen Feld Elemente und Aspekte des Unterrichts in der Sek.II

    Detlef Kaack, LiF13

  • LI: Detlef Kaack

    Fortbildung Physik

    Zentralabitur 2017, Fach Physik Prfungsthema: Teilchen im elektromagnetischen Feld

    Wichtiger Hinweis: Die hier angegebenen Inhalte, Formeln und Schwerpunkte sind

    und bleiben unverbindlich. Sie sollen Ihnen bei der Planung Ihres Unterrichts Anregungen

    geben und helfen, bestimmte Aspekte im Blick zu haben. Letztendlich fhren Sie Ihren Unterricht so durch, dass die Kompetenzen zu den Themen des A-Hefts ausreichen, um Prfungsaufgaben in diesen Bereichen erfolgreich zu lsen.

  • Teilchen im elektromagnetischen Feld (A-Heft)

    Die Schlerinnen und Schler knnen... (erhhter Anforderungsbereich gelb)

    ! den Influenzbegriff erlutern und anwenden, ! das coulombsche Gesetz erlutern und anwenden, ! das elektrische Feld eines Plattenkondensators beschreiben, ! das Magnetfeld eines Stabmagneten und eines Hufeisenmagneten sowie eines

    stromdurchflossenen Leiters bzw. einer Spule beschreiben, ! den Begriff der magnetischen Flussdichte erlutern, ! die Voraussetzungen fr das Auftreten von LorentzKrften benennen, ! die DreiFingerRegel erlutern und anwenden, ! die LorentzKraft fr einfache Szenarien berechnen, ! den HallEffekt erklren und HallSpannungen bestimmen, ! das elektrische und das magnetische Feld vergleichen, ! nichtrelativistische Bewegung von Teilchen in elektrischen und magnetischen

    Feldern beschreiben und Bahnkurven fr homogene Felder berechnen, auch wenn Teilchen nicht senkrecht zu den Feldlinien in die Felder eintreten.

    LI: Detlef Kaack

  • Teilchen im elektromagnetischen Feld (A-Heft)

    Die Schlerinnen und Schler knnen... (erhhter Anforderungsbereich) ! den Influenzbegriff erlutern und anwenden, ! weiter...

    Hierzu gehrt der Begriff des elektrischen Felds, allgemein das Konzept Feld, das sich auch im Gravitationsfeld und im Magnetfeld wiederfindet.

    Influenz: Ladungsverschiebung auf el. Leitern. Hierzu gehrt auch die Erde. Polarisation: Dipolbildung in Nichtleitern.

    Versuche: Trennen zweier im el. Feld getrennten Elektroskope mit Kugeln. weiter...

    LI: Detlef Kaack

  • Teilchen im elektromagnetischen Feld (A-Heft)

    Die Schlerinnen und Schler knnen... (erhhter Anforderungsbereich) ! das coulombsche Gesetz erlutern und anwenden, ! weiter...

    Eine Messung ist mglich, jedoch nicht erforderlich. Hierbei kann die Proportionalitt F zu 1/r2 gezeigt werden. weiter...

    LI: Detlef Kaack

    F =1

    40q1 q2r 2

    el.Feldkonst. 0 = 8,85419 1012 C

    2

    N m2

  • Teilchen im elektromagnetischen Feld (A-Heft)

    Die Schlerinnen und Schler knnen... (beide Anforderungsbereiche) ! das elektrische Feld eines Plattenkondensators beschreiben, ! weiter...

    Komplizierte Rand- und Auenbereiche mssen nicht rechnerisch beschrieben werden knnen.

    LI: Detlef Kaack

    E =1

    40q1r 2

    Flchenladungsdichte = qA

    E =Ud

    =q1

    A 0

  • Teilchen im elektromagnetischen Feld (A-Heft)

    Die Schlerinnen und Schler knnen... (beide Anforderungsbereiche) ! das Magnetfeld eines Stabmagneten und eines Hufeisenmagneten sowie

    eines stromdurchflossenen Leiters bzw. einer Spule beschreiben, ! weiter...

    Stoff aus dem Sachkundeunterricht und Sek. I wird wiederholt: ! Streuen von Feldlinienbildern, ! Definition der Feldlinie, ! Konzept Feld / Feldlinie, ! Begriff Magnetpol und dessen Sinnlosigkeit bei Leitern und Spulen ! berlagerung von Feldern / Feldlinien, Addition ! Messreihen der Flussdichte bei unterschiedlichen Abstnden ! Homogenes Magnetfeld eines Hufeisenmagneten, eines Helmholtzspulenpaars

    und im Inneren einer langgestreckten Spule kennen LI: Detlef Kaack

    B = 0 I

    2 r

    B = 0 I nl

  • Teilchen im elektromagnetischen Feld (A-Heft)

    Die Schlerinnen und Schler knnen... (erhhter Anforderungsbereich) ! den Begriff der magnetischen Flussdichte erlutern, ! weiter...

    ! B (auch Kraftflussdichte, magnetische Feldstrke), gemessen durch eine Stromwaage der Lnge s:

    ! fr eine lange Spule:

    ! Berechnete Flussdichten kann man heute gut mit B-Sonden nachmessen.

    LI: Detlef Kaack

    B =FI s

    in 1 NA m

    = 1T

    B = 0 nl I

  • Teilchen im elektromagnetischen Feld (A-Heft)

    Die Schlerinnen und Schler knnen... (beide Anforderungsbereiche) ! die Voraussetzungen fr das Auftreten von LorentzKrften benennen, ! weiter...

    ! Bewegung von elektrischen Ladungen im Magnetfeld ! nderung des Magnetfelds im Bereich einer elektrischen Ladung ! Differenzierung von geladenen Teilchen (Elektronen, Ionen) und formalen

    Ladungen (Lcher in Halbleitern, positive Ladungen durch Elektronenmangel in Metallen)

    ! Relevanz der Richtungen, Bewegung (v) senkrecht zum Magnetfeld (B), ! Andere Richtungen durch Vektorzerlegung (Winkelfunktionen) beschreiben und

    berechnen

    LI: Detlef Kaack

    B

    =dBdt

    v =dsdt

  • Teilchen im elektromagnetischen Feld (A-Heft

    Die Schlerinnen und Schler knnen... (beide Anforderungsbereiche) ! die DreiFingerRegel erlutern und anwenden,

    ! U Ursache Daumen v I ! V Vermittlung Zeigefinger B B ! W Wirkung Mittelfinger FL FL

    Achtung: Stromrichtung und Elektronenflussrichtung sauber differenzieren. Die drei Finger sind eine Reprsentation des Vektorprodukts (Kreuzprodukts) Die Rechte-Hand-Regel (ein anderer Ausdruck) kann durch die Linke-Hand-Regel

    ergnzt werden, wenn man den Daumen fr die Elektronenbewegungsrichtung nehmen mchte.

    Fr die Bestimmung der Feldrichtung um einen geraden Leiter ist noch die Rechte-Faust-Regel erforderlich, wieder fr die Elektronenbewegungsrichtung dann auch die Linke-Faust-Regel mglich. Man bentigt dies auch zur Feldbestimmung einer Spule.

    Nur als Kr mglicherweise das Kreuzprodukt vektoriell mt Matrix (Mathematik-Kurs?)

    LI: Detlef Kaack

  • Teilchen im elektromagnetischen Feld (A-Heft)

    Die Schlerinnen und Schler knnen... (erhhter Anforderungsbereich gelb) ! die LorentzKraft fr einfache Szenarien berechnen, ! weiter...

    Folgende Formel ist nice to know, aber sicher kein notwendiger Bestandteil des Unterrichts:

    LI: Detlef Kaack

    FL = e v B sin

    FL

    = e vB

  • Teilchen im elektromagnetischen Feld (A-Heft)

    Die Schlerinnen und Schler knnen... (erhhter Anforderungsbereich) ! den HallEffekt erklren und HallSpannungen bestimmen, ! weiter...

    Die Definition im Metzler (Metzler/Schroedel) ist nicht unproblematisch. Im Dorn-Bader (Schroedel) ist sie besser verstndlich dargestellt.

    Problem: Hier stt man leicht auf die Themen Halbleiter und Valenzband, muss sich dann also mit Elektronenmodellen in Metallen und Halbleitern befassen.

    Es ist ein Bereich, bei dem man Ladungen in beiden Feldern gleichzeitig betrachtet und wo auch Winkel eine Rolle spielen knnen.

    Anwendungen sind elektronische Messgerte mit B-Sonden.

    LI: Detlef Kaack, Quelle: Auszge aus Wikipedia

    UH = B v h mit vB

  • Teilchen im elektromagnetischen Feld (A-Heft)

    Die Schlerinnen und Schler knnen... (beide Anforderungsbereiche) ! das elektrische und das magnetische Feld vergleichen, ! weiter...

    Mgliche Aspekte: ! Das Feldkonzept als Eigenschaft des Raumes, auf Objekte Krfte auszuben:

    Kraft auf Probeladung bzw. Kraft auf Magnetnadel ! Das Konzept der Feldlinien vergleichen:

    Weg einer freien Probeladung bzw. Weg einer Magnetnadel, die entlang ihrer jeweiligen Richtung bewegt wird

    ! Quellen, Senken, Wirbel... ! Homogene Felder beider Typen und ihre Erzeugung ! Wirkungen auf elektrische Ladungen ! Abstandsgesetze ! ...

    LI: Detlef Kaack, Quelle: Auszge aus Wikipedia

  • Teilchen im elektromagnetischen Feld (A-Heft)

    Die Schlerinnen und Schler knnen... (Anforderungsbereiche differenziert) ! nichtrelativistische Bewegung von Teilchen in elektrischen und

    magnetischen Feldern beschreiben und Bahnkurven fr homogene Felder berechnen, auch wenn Teilchen nicht senkrecht zu den Feldlinien in die Felder eintreten.

    ! weiter...

    Dieses ist der detaillierteste Punkt, der die meisten Experimente erfordert und fr den die meisten Kompetenzen erwartet werden mssen.

    Themen: ! Ungestrte berlagerung von Bewegungen / Parallelen zum waagerechten und

    schrgen Wurf, Bewegung in zwei und drei Dimensionen ! Parabelgleichung / Mathematik ! Vektoraddition ! Kreisbewegung / Umlaufbahn (hier Parallele zum Thema Gravitation)

    LI: Detlef Kaack, Quelle: Auszge aus Wikipedia

  • Material, wird noch erweitert 1. 2 Elektroskope, Stbe, Felle und Tcher 2. Bandgenerator mit Zubehr 3. Fadenstrahlrohr mit Helmholtzspulenpaare nebst Versorgungsgerte, 2

    Supermagnete 4. groer Plattenkondensator mit statischem Voltmeter und

    Hochspannungsnetzgert 25kV 5. Overheadprojektormodelle elektrisches Feld mit Brlappsamen o.. 6. Overheadprojektormodelle Magnetfelder: Spule, Magnetnadelplatte mit Loch 7. Magnetfeldmodell 3D fr Stabmagnet (Eisenspne in l), Stabmagnet 8. Leiterschaukel aufgebaut, Hufeisenmagnet, Messverstrker Strom mit

    Anzeigegert 9. Hallsonde(n) mit Messgert(en) 10. Elektronenstrahlablenkrhre in Halterung mit Betriebsgerten 11. Gert zum waagerechten Wurf? 12. B-Sonden elektronischer Messwerterfassungssysteme

    LI: Detlef Kaack

  • Experimente 1 Mgliche Stationen, wird noch berarbeitet 1. Elektrisches Feld: Leitender Tennisball im Plattenkondensator (Unikurs WiSe

    Versuch 6 Teil 5) 2. Influenz: Ladungstrennung im homogenen Feld eines Plattenkond

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