Physik Abitur 2005 - allgemein bildende Gymnasien Baden-Württemberg

Abitur 2005: Physik - Aufgabe II

Ministerium für Kultus, Jugend und Sport Baden-Württemberg
Abiturprüfung an den allgemein bildenden Gymnasien

Prüfungsfach : Physik
Haupttermin : 2005
Aufgabe : II

Die Abbildung zeigt schematisch den Aufbau einer Experimentier-Vakuumröhre. Die Katode K ist ein Metallplättchen, das durch eine unmittelbar dahinter liegende Glühwendel geheizt wird. Die beiden quadratischen Ablenkplatten Pu und Po mit der Kantenlänge 4,0 cm sind so angeordnet, dass die kleine Öffnung in der Anode A genau in der Verlängerung der Mittelachse das Plattenpaares liegt. Der Plattenabstand beträgt 1,0 cm. Eine ebene Glasplatte mit Leuchtschicht bildet den Abschluss der Röhre.

Experimentier-Vakuumröhre

a)

Die Gleichspannung UA wird zunächst so angelegt, dass der Pluspol an A liegt. Bei UA = 200 V ist ohne Ablenkspannung am Ort M auf der Leuchtschicht ein Lichtpunkt zu erkennen. Bei diesem Wert von UA kann die Anfangsgeschwindigkeit der Elektronen beim Verlassen von K vernachlässigt werden.

  • Zeigen Sie, dass die Elektronen die Stelle M mit der Geschwindigkeit 8,4*106 ms-1 erreichen.

Nun wird eine konstante Gleichspannung Uy so an die Kondensatorplatten angelegt, dass der Pluspol an der Platte Po liegt.

  • Skizzieren Sie die Bahn der Elektronen von der Anode bis zum Leuchtschirm.
    Beschreiben Sie für die einzelnen Abschnitte die Art der Bewegung.

Die rechten Plattenränder haben den Abstand 14 cm von der Leuchtschicht.

  • Wie weit ist der Leuchtpunkt vom Punkt M entfernt, wenn Uy auf 20 V eingestellt ist?

Die Elektronen sollen trotz angelegter Ablenkspannung Uy = 20 V und positiver Platte Po im Zwischenraum nicht abgelenkt werden. Der Bereich zwischen den Platten wird dazu von einem Magnetfeld durchsetzt.

  • Bestimmen Sie Betrag und Richtung der magnetischen Flussdichte.

Lösungshinweise zur Teilaufgabe

( 13 VP )

b)

In einem neuen Versuch mit der Experimentier-Vakuumröhre wird die Spannung UA nach Betrag und Richtung verändert. Ein negativer Wert von UA bedeutet, dass der Minuspol an A liegt. Die Katode wird weiterhin durch die Glühwendel geheizt. Ein Messinstrument zeigt die Stromstärke IA an, die in Abhängigkeit von UA notiert wird. (siehe Abbildung).

UA in V -4,0 -3,9 -3,8 -3,0 -2,0 0,0 10 20 30 40 50
IA in mA 0,0 0,0 0,1 1,0 2,0 5,0 30 50 58 60 60
  • Zeichnen Sie ein Diagramm für IA in Abhängigkeit von UA.
  • Beschreiben Sie die verschiedenen Bereiche im UA-IA-Diagramm.

Lösungshinweise zur Teilaufgabe

( 8 VP )

c)

Die Katode wird nun nicht mehr geheizt. Wird K auf der A zugewandten Seite mit gelbem Natriumlicht der Wellenlänge 589 nm beleuchtet, so wird trotzdem ein Strom IA gemessen. Dieser geht erst dann auf den Wert 0 A zurück, wenn die Spannung UA auf -1,0 V eingestellt wird.

  • Wie groß ist die Ablöseenergie bei dieser Katode?
  • Bei welcher Spannung UA geht IA gerade auf den Wert 0 A zurück, wenn zusätzlich zum gelben Natriumlicht auch blaues Licht der Wellenlänge 436 nm auf K trifft?
  • Wie muss die Wellenlänge des eingestrahlten Lichts gewählt werden, damit bei dieser Katode ein Fotoeffekt festgestellt werden kann?

Lösungshinweise zur Teilaufgabe

( 9 VP )


Die elektrischen und magnetischen Felder sollen als auf den Plattenzwischenraum beschränkt angenommen werden.

Elementarladung : e = 1,60*10-19 C
Elektronenmasse : me = 9,11*10-31 kg
Planck'sches Wirkungsquantum : h = 6,63*10-34 Js = 4,14*10-15 eVs
Lichtgeschwindigkeit im Vakuum: c = 3,00*108 ms-1,