Induktion und freier Fall

Bezug zum Bildungsplan

4. Spezifisches Methodenrepertoire der Physik

1. Die SuS können Zusammenhänge zwischen physikalischen Größen untersuchen.
2. Die SuS können Experimente unter Anleitung planen, durchführen, auswerten, grafisch veranschaulichen und einfache Fehlerbetrachtungen vornehmen.
3. Die SuS können computerunterstützte Messwerterfassungs- und Auswertungssysteme im Praktikum selbstständig einsetzen.

9. Strukturen und Analogien

1. Die SuS können das magnetische und elektrische Feld als physikalisches System beschreiben und die Grundlagen der Maxwelltheorie verstehen, in der die Elektrodynamik auf vier Aussagen zurückgeführt wird.

Grundkenntnisse werden bei folgenden Themen erwartet:
Inhalte:
Induktion

8. Grundlegende physikalische Größen

Die SuS können mit weiteren grundlegenden physikalischen Größen umgehen: magnetische Flussdichte.

Unterrichtlicher Zusammenhang

Einsatz im Praktikum der Kursstufe

Problemstellung

Ein Stabmagnet fällt durch mehrere Spulen. Der zeitliche Verlauf der in den Spulen induzierten Spannung soll untersucht werden.

Ziel

Durch eigenes Experimentieren werden Sie Hypothesen zum zeitlichen Verlauf der induzierten Spannung überprüfen. Dadurch vertiefen Sie Ihre Kenntnisse zur elektromagnetischen Induktion und gewinnen zunehmend Sicherheit im Umgang mit dem Messwerterfassungssystem CASSY.

Aufgabenstellung

Lassen Sie einen kleinen Stabmagneten durch mehrere in Reihe geschaltete Spulen fallen. Registrieren Sie die induzierte Spannung mit CASSY.

Geräte

Aufbau

Befestigen Sie die Spulen in einem geeigneten Abstand untereinander mit Stativmaterial. Ein Glasrohr oder Plastikschlauch kann als Führung für den Stabmagneten dienen.

Aufgabe zur Vorbereitung

Welchen zeitlichen Verlauf der induzierten Spannung erwarten Sie beim Durchfallen des Magneten? Skizzieren Sie Ihre Vorhersage und begründen Sie!

Durchführung

1. Lassen Sie den Magneten durch die Spulen fallen und registrieren Sie den Spannungsverlauf!
2. Variieren Sie die Versuchsbedingungen. Sagen Sie in jedem Fall den zeitlichen Verlauf der induzierten Spannung voraus und überprüfen Sie im Experiment!
   1. Ersetzen Sie die mittlere Spule durch eine Spule mit 1000 Windungen.
   2. Ändern Sie die Polung der mittleren Spule.
   3. ... Weitere Ideen!

Auswertung

1. Vergleichen Sie jeweils das t-U-Schaubild mit Ihrer Vorhersage! Finden Sie Gemeinsamkeiten und Unterschiede.
2. Interpretieren und begründen Sie den Verlauf des jeweils erhaltenen Schaubildes. Setzen Sie es in Beziehung mit dem zeitlichen Verlauf der magnetischen Flussdichte. Welche der vier Maxwell'schen Gleichungen müssen hier zu Rate gezogen werden?
3. Zu I: Vergleichen Sie die Flächeninhalte unter den Kurven für jede Spule! Was stellen Sie fest? Begründen Sie!
4. Zu I: Überprüfen Sie, ob die Spannungsspitzen auf einer Geraden liegen. Verlängern Sie diese Gerade. Welche Bedeutung hat der Durchstoßpunkt der Geraden mit der t-Achse?

Versuchsbeispiel

Aufgabe I

Diagramm:

Aufgabe II.a)

Diagramm:

Aufgabe II.b)

Diagramm:

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