Größen zur Beschreibung elektrischer Felder – Online Test
Stand: 22.04.21 Jahrgangsstufen 12
Fach/Fächer Physik Übergreifende Bildungs-
und Erziehungsziele
Benötigtes Material Tablet, Laptop oder PC mit Internetzugang für Schülerinnen und Schüler
Kompetenzerwartungen
Lehrplan Physik FOS 12 (T) LB 3 Lehrplan Physik BOS 12 (T) LB 6
Die Schülerinnen und Schüler …
gewinnen im Falle von homogenen klassischen Quellfeldern aus den Größen Lageenergie und Kraft die funktionalen Abhängigkeiten der feldbeschreibenden Größen Potenzial und Feldstärke. Dazu gehen sie mit den entsprechenden mathematischen Zusammenhängen sicher um.
Aufgabe
Wie gut können Sie mit den physikalischen Größen zur Beschreibung elektrischer Felder umgehen? Testen Sie sich in diesem interaktiven Online-Test!
Am Beispiel des Plattenkondensators werden im vorliegenden Fragenset diverse wichtige Größen aus dem Themenkomplex „Klassische Felder“ thematisiert – insbesondere deren grafische Darstellung und deren mathematische Verknüpfungen untereinander.
Zur Unterstützung bei der Bearbeitung des Tests steht eine Simulation zu den relevanten Größen am Beispiel eines Plattenkondensators zur Verfügung. Diese ist in den Kurs eingebettet und öffnet sich beim Klick in einem gesonderten Fenster, das Sie während der Lösung der Testfragen geöffnet lassen können.
Bearbeiten Sie der Reihe nachfolgende Aufträge:
1. Gehen Sie die schrittweise gestaltete Anleitung zur Nutzung der Simulation aufmerksam durch. Nur so können Sie die Simulation gewinnbringend nutzen.
2. Bearbeiten Sie den Test „Größen zur Beschreibung elektrischer Felder – Online Test“
3. Erstellen Sie nach erfolgreichem Abschluss des Tests mithilfe der Datei
„Zusammenfassung möglicher Graphen und Funktionsterme“ eine Übersicht zum Thema.
Diese Übersicht können Sie später sehr gut zum weiteren Lernen nutzen.
Sofern Sie Nutzer von mebis sind und dem Hinweis zur DSGVO unten zustimmen, können Sie die Online-Version der Aufgabe direkt mittels des abgebildeten QR-Codes bzw. durch Klick auf diesen Link starten.
Schreiben Sie sich nach der mebis-Anmeldung als „Gast“ mit dem Kennwort
„Elektrisches Feld“ ein.
Alternativ können Sie auch die H5P-Dateien aus dem Materialordner in einen eigenen Kurs einbinden oder über eine andere Lernplattform bzw. Webseite zur Verfügung stellen.
Die Simulation steht als veränderbare Geogebra-Datei zum Download zur Verfügung.
Zustimmung nach DSGVO:
Die Nutzung der Aufgaben erfolgt freiwillig. Bei der Nutzung berechtigen Sie das Staatsinstitut für Schulqualität und Bildungsforschung (ISB), Ihren Namen, Ihre Email- Adresse und Ihre Schulnummer einzusehen. Die Daten werden nicht an Dritte weitergegeben und nach 24 Stunden gelöscht.
Hinweise zum Unterricht
Ziel der Aufgabe ist es, den Schülerinnen und Schülern individuelles Feedback bezüglich ihrer Kompetenzen bezüglich der physikalischen Größen zu geben, die nach dem Lehrplan für die Beschreibung homogener Quellfelder genutzt werden sollen. Aufgrund der digitalen
Umsetzung ist die Aufgabe besonders gut für den Distanzunterricht geeignet.
Der Test besteht aus fünf interaktiven, abwechslungsreichen Abschnitten:
1 Lückentext zu den Grundbegriffen ausfüllen
2 Homogenes Gravitationsfeld und elektrisches Feld miteinander vergleichen 3 Größenwerte in verschiedenen Punkten im Kondensator analysieren 4 Ort-Potenzial-Diagramm interpretieren
5 Ort-Lageenergie-Diagramm interpretieren
Zusätzlich steht als Unterstützung bei der Bearbeitung des Tests eine Simulation zur
Verfügung. Eine schrittweise gestaltete Anleitung zur Nutzung dieser Simulation ist unten als Anhang zu finden.
Exemplarische Aufgabenstellungen inklusive Bildschirmfotos der zugehörigen Abschnitte:
Beispiel 1:
In untenstehender Abbildung sind folgende Situationen nebeneinander dargestellt:
Das Anheben eines Körpers im homogenen Gravitationsfeld der Erde (in Erdnähe!) entlang des gestrichelten Weges
Die „Verschiebung“ einer positiven Probeladung im homogenen elektrischen Feld entlang des gestrichelten Weges
Die Abbildung enthält jeweils die Feldkraft ⃗ und die äußere Kraft ⃗ , die zum Anheben bzw. Verschieben aufgebracht werden muss.
Daneben ist eine sogenannte Analogietabelle vorbereitet.
Ergänzen Sie im homogenen Feld zur Veranschaulichung des elektrischen Feldes eine korrekt orientierte Feldlinie.
Tragen Sie die analogen (also die einander entsprechenden) Größen an den passenden Stellen ein.
Abbildung 1: Homogene Felder im Vergleich (Bildschirmfoto)
Beispiel 2:
Die folgende Abbildung zeigt den Innenbereich eines geladenen Plattenkondensators sowie dessen Polarität. Für die Lageenergie einer bestimmten Probeladung und das elektrische Potenzial wird jeweils die linke Platte als Nullniveau festgelegt. Es werden die fünf eingezeichneten Punkte bis betrachtet. Dabei wird folgende Notation verwendet:
bzw. stehen für den Wert der betreffenden Größe im Punkt . Es gilt: .
Vervollständigen Sie folgende Aussagen, sodass diese auf die dargestellte Situation zutreffen.
Abbildung 2: Verschiedene (Verschiebungs-)Wege einer Probeladung (Bildschirmfoto)
Zusätzlich enthält der Kurs eine zweite h5p-Datei, mit der die Schülerinnen und Schüler eine Zusammenfassung möglicher Graphen und Formeln erstellen können. Diese kann im fertig ausgefüllten Zustand z. B. in Form eines Screenshots als zusammenfassendes Merkblatt ausgedruckt werden und damit das Unterrichtsmaterial ergänzen.
Die Zusammenfassung sieht im fertig ausgefüllten Zustand folgendermaßen aus:
Abbildung 3: Zusammenfassung möglicher Graphen und Funktionsterme (Bildschirmfoto)
Anhang: Anleitung zur Simulation zum Plattenkondensator
Wichtig:
Aktivieren Sie nicht gleich zu Beginn alle Funktionen der Simulation, sondern gehen Sie zunächst schrittweise vor, so wie es hier in der Anleitung beschrieben ist.
Schritt 1:
Änderung der grundlegenden Parameter des Kondensators
Abbildung 1 zeigt das Erscheinungsbild der Simulation, direkt nachdem man diese geöffnet hat.
Verändern Sie den Plattenabstand und die Polung der rechten Platte und beobachten Sie die Veränderungen in der schematischen Darstellung des Plattenkondensators.
Es ist zur Veranschaulichung eine Feldlinie dargestellt. Prüfen Sie deren Orientierung, abhängig von der ebenfalls eingezeichneten Plattenpolung.
Abb. 4a: Schritt 1 der Anleitung
Schritt 2:
Anzeige des Graphen für das elektrische Potenzial
Abbildung 2 zeigt das Erscheinungsbild der Simulation, wenn man sich durch Setzen des entsprechenden Häkchens den Graphen von anzeigen lässt. Es wird nun auch der Betrag der Spannung zwischen den beiden Flächen grün gestrichelten Flächen gleichen Potenzials im Kondensator im Diagramm dargestellt. Zusätzlich lässt sich das Nullniveau des elektrischen Potenzials im Intervall verändern. Man kann sich zudem durch Setzen des entsprechenden Häkchens die zur Plattenpolung passende Formel für anzeigen lassen.
Beobachten Sie die Veränderungen des Graphen und der Formel für , wenn Sie das Nullniveau bzw. die Plattenpolung verändern.
Überprüfen Sie mithilfe geeigneter Einstellungen, dass das elektrische Potenzial zur positiv geladenen Platte hin größer wird.
Abb. 4b: Schritt 2 der Anleitung
Schritt 3:
Aktivierung der Probeladung im homogenen Feld
Abbildung 3 zeigt das Erscheinungsbild der Simulation, wenn man durch Setzen des entsprechenden Häkchens die Probeladung aktiviert. Es wird nun das Vorzeichen der Probeladung sowie der Pfeil der elektrischen Kraft auf diese angezeigt - je nach der Plattenpolung. Durch Anklicken des Pfeils in der linken unteren Ecke der Simulation kann man die Verschiebung der Probeladung animieren. Der Anfangs- und Endpunkt der Verschiebung kann im Kondensator beliebig verändert werden.
Unten rechts wird angezeigt, ob die Arbeit vom Feld oder von außen verrichtet wird.
Testen Sie, wie sich diese Anzeige mit der Plattenpolung, dem Vorzeichen der Probeladung und für verschiedene Anfangs- und Endpunkte der Verschiebung verändert.
Abb 4c: Schritt 3 der Anleitung
Schritt 4:
Anzeige des Graphen für die Lageenergie der Probeladung im elektrischen Feld
Abbildung 4 zeigt das Erscheinungsbild der Simulation, wenn man sich durch Setzen des entsprechenden Häkchens den Graphen von anzeigen lässt. Es wird nun auch der Betrag der Arbeit angezeigt, der für eine Verschiebung der Probeladung zwischen den zwei frei wählbaren Punkten im Kondensator zu verrichten ist. Die Probeladung wandert entlang des Graphen „mit“.
Zusätzlich lässt sich das Nullniveau der Lageenergie im Intervall [ ] verändern. Man kann sich zudem durch Setzen des entsprechenden Häkchens die zur Plattenpolung passende Formel für anzeigen lassen.
Beobachten Sie die Veränderungen des Graphen und der Formel für , wenn Sie
das Nullniveau, die Plattenpolung bzw. das Vorzeichen der Probeladung verändern.
Überprüfen Sie mithilfe geeigneter Einstellungen folgende Aussage:
Wird die Arbeit zur Verschiebung der Probeladung vom Feld verrichtet, so nimmt die potenzielle Energie der Probeladung ab.
Abb 4d: Schritt 4 der Anleitung
Hier noch einmal alle Funktionen im Überblick:
Abbildung 4e: Alle Funktionen im Überblick Erläuterung zu den markierten Stellen:
Veränderbare Kenngrößen des Plattenkondensators
Austauschbare Plattenpolung, wird auch in der schematischen Darstellung des Kondensators übernommen
Exemplarische Feldlinie mit entsprechender Orientierung
Zwei verschiedene, verschiebbare Flächen gleichen Potenzials (Äquipotenzialflächen) Anzeige des Graphen bzw. der jeweils angepassten Formel für
Veränderbares Nullniveau
Probeladung mit festem Betrag, aber veränderbarem Vorzeichen zum Einblenden Anzeige der elektrischen Kraft auf die Probeladung
Frei verschiebbarer Anfangs- und Endpunkt der Verschiebung der Probeladung Verschiebung der Probeladung entlang des eingestellten Weges
Anzeige, ob Arbeit bei der Verschiebung vom Feld oder von außen verrichtet wird Anzeige des Graphen bzw. der jeweils angepassten Formel für
Animierte -Koordinate der Probeladung während der Verschiebung Anzeige der Steigung des Graphen von inkl. Interpretation | |
Anzeige des Betrags der Spannung zwischen Anfangs- und Endpunkt der Verschiebung Anzeige des Betrags der Arbeit für eine Verschiebung der Probeladung zwischen den zwei frei wählbaren Punkten im Kondensator
Quellen- und Literaturangaben
Abbildung 1: Homogene Felder im Vergleich, eigene Grafik, Christian Schiller, verwendet in Abschnitt 2 des Online Tests
Abbildung 2: Verschiedene (Verschiebungs-)Wege einer Probeladung, eigene Grafik, Christian Schiller, verwendet in Abschnitt 3 des Online Tests
Abbildung 3: Zusammenfassung möglicher Graphen und Funktionsterme, eigene Grafik, Christian Schiller, verwendet in der entsprechenden h5p-Datei
Abbildungen 4a bis 4e: Bildschirmfotos der Simulation zum Plattenkondensator, eigene Simulation, Christian Schiller, verwendet in der Anleitung zur Simulation
Hinweis: Alle Abbildungen in den beiden h5p-Dateien sowie die beigefügte Simulation wurden selbst erstellt von Christian Schiller und unterliegen der Lizenz CC BY-SA 4.0.
