Beispiel einer 2. Schulaufgabe - FOS-Friedberg

Stehende Wellen im Dipol und Polarisation von Dipolstrahlung
1.0 Ein Dipol der Länge wird von einem benachbarten Schwingkreis zur
Aussendung von Zentimeterwellen angeregt. Der Dipol wird in seiner Grundschwingung
angeregt. Zum Zeitpunkt
maximal.
ist die Ladungstrennung zwischen den Dipolenden
1.1 Zeichnen Sie zwei qualitative Momentbilder der Stromstärke im Dipol für die Zeitpunkte
und .
1.2.0 Die Amplitude der Stromstärke in der Dipolmitte beträgt .
1.2.1 Stellen Sie die Gleichung der stehenden Stromwelle im Dipol I auf und berechnen
Sie die Stromstärke in Entfernung vom Dipolende zum Zeitpunkt .
1.3.0 Nun wird in einiger Entfernung vom Dipol aus 1.0 (Sendedipol) ein baugleicher
Empfängerdipol angebracht. Sende- und Empfängerdipol sind um 90° gegeneinander
verdreht. Die Amplitude des vom Sendedipol erzeugten elektrischen Felds wird mit
bezeichnet. Dazwischen befindet sich ein Hertzsches Gitter, dessen Gitterstäbe mit dem
Sendedipol den Winkel einschließen. Sendedipol, Empfangsdipol und das Gitter
befinden sich immer in zueinander parallelen Ebenen.
1.3.1 Zeigen Sie nachvollziehbar an Hand geeigneter Skizzen, dass für die mit dem Empfänger
detektierte Amplitude des elektrischen Felds gilt:
1.3.2 Zeigen Sie mit Hilfe der Differenzialrechnung, dass sich bei für ein lokales
Maximum einstellt.
Versuch von Bucherer
Fachoberschule Friedberg Klasse 13 T
2. Schulaufgabe im Fach Physik
1. Schulaufgabe im Fach Physik
2.0 Mit dem Versuch von Bucherer kann die Masse schneller Elektronen bestimmt werden.
Dabei wird davon ausgegangen, dass die Elementarladung geschwindigkeitsunabhängig
ist. Zentrales Ergebnis ist der Nachweis für das Anwachsen der Elektronenmasse m mit
der Geschwindigkeit v.
2.1 Skizzieren Sie qualitativ den Graphen folgender Abhängigkeit:
: Ruhemasse des Elektrons, c: Lichtgeschwindigkeit
, wobei:
2.2.0 Bei einer Messung nach Bucherer ergibt sich für Elektronen der Geschwindigkeit
im homogenen Magnetfeld der Flussdichte B eine Kreisbahn mit dem
Radius .
2.2.1 Berechnen Sie die Flussdichte B des Magnetfelds.
2.2.2 Berechnen Sie den Wert der Beschleunigungsspannung, die nötig ist, um Elektronen aus
der Ruhe auf die Geschwindigkeit zu beschleunigen.
BITTE WENDEN!!!
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3
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Fotoelektrischer Effekt
3.0 Eine Vakuum-Fotozelle soll in ein Experiment zur Bestimmung des Planckschen
Wirkungsquantums, die sogenannte Gegenfeldmethode, eingebaut werden.
3.1 Fertigen Sie für dieses Experiment eine Skizze mit den wesentlichen Bestandteilen an.
Erläutern Sie kurz, wie man mit der Gegenfeldmethode nachweisen kann, dass das
Plancksche Wirkungsquantum eine Naturkonstante ist.
3.2.0 Bei der Durchführung des Experiments werden für die Wellenlänge die
Gegenspannung und für die Wellenlänge die Gegenspannung
gemessen.
3.2.1 Berechnen Sie aus diesen Messwerten den Wert des Planckschen Wirkungsquantums
und die Austrittsarbeit des Materials, aus dem die Fotokathode besteht.
Compton-Effekt
4.0 Ein Phänomen, das durch den Teilchenaspekt des Lichts erklärt wird, ist der Compton-
Effekt.
4.1 Berechnen Sie die maximal mögliche Wellenlängenänderung der beim Compton-
Effekt beteiligten Photonen durch die Streuung an den quasifreien Elektronen.
Begründen Sie rechnerisch, dass man den Compton-Effekt bei sichtbarem Licht der
Wellenlänge nur schlecht beobachten kann, bei Röntgenstrahlung der
Wellenlänge dagegen gut.
4.2.0 Im Folgenden wird die Compton-Wechselwirkung von Röntgenphotonen (Wellenlänge
) mit den Elektronen eines Metalls betrachtet. Es werden die Photonen
betrachtet, die durch den Compton-Effekt um gestreut werden.
4.2.1 Berechnen Sie den Impulsbetrag p der Röntgenphotonen vor dem Stoß und den
Impulsbetrag p´ der gestreuten Photonen nach dem Stoß.
4.2.2 Bestimmen Sie mit Hilfe einer maßstabgetreuen Zeichnung den Winkel gegenüber der
Einfallsrichtung der Photonen, unter dem die getroffenen Elektronen wegfliegen, sowie
deren Impulsbetrag .
Neutronen als Materiewellen
5.0 Ein Strahl von Neutronen ( )
mit der Geschwindigkeit wird auf eine Grafitprobe
aus polykristallinem Grafit gelenkt. Im Abstand
ist senkrecht zum auf die Grafitfolie
einfallenden Neutronenstrahl eine Leiste (Länge
montiert, auf der ein
Neutronendetektor verschiebbar angebracht ist.
Grafitkristalle enthalten Netzebenen mit den Abständen
, und .
5.1 Zeigen Sie, dass Neutronen unterhalb der Geschwindigkeit
polykristallinem Grafit grundsätzlich keine Bragg-Reflexion erfahren können.
5.2.0 Die De-Broglie-Wellenlänge der Neutronen beträgt nun .
5.2.1 Berechnen Sie Anzahl N der mit dem Detektor nachweisbaren Interferenzmaxima.
© Schiller
Neutronenstrahl
Grafit
in
Detektor-
leiste
a
b
b
4
6
3
3
4
3
5
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