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Frage

Welche Aussagen über elektromagnetische Wellen sind wahr?

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Antwort

Zu den elektromagnetischen Wellen gehören Radiowellen, Licht, und auch Wasserwellen.

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Frage

Vervollständige:

  1. Elektrische Ladungen sind die Ursache von...
  2. Bewegte elektrische Ladungen sind die Ursache von...
  3. Beschleunigte Ladungen sind die Ursache für...
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Antwort

  1. Elektrische Ladungen sind die Ursache von elektrischen Feldern
  2. Bewegte elektrische Ladungen sind die Ursache von magnetischen Feldern
  3. Beschleunigte Ladungen sind die Ursache für die Abstrahlung von Energie als elektromagnetische Welle
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Frage

Wie lässt sich recht einfach ein homogenes elektrisches Feld erzeugen?

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Antwort

Mithilfe einer Spule durch welche Strom fließt

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Frage

Die Kapazität eines Kondensators ist abhängig von...

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Antwort

...dem Abstand der Platten

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Frage

Berechne die elektrische Feldstärke des Feldes zwischen zwei Kondensatorplatten mit einem Abstand von d=2cm und einer Spannungsdifferenz von 230V. Gib das Ergebnis in kN/C an.

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Antwort

11,5 kN/C

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Frage

Berechne die Kraft, die in einem elektrischen Feld von 10kN/C auf eine Probeladung von 1mC wirkt.

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Antwort

F=10N

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Frage

Gegeben sei ein Plattenkondensator mit einem Plattenabstand von 2cm. Zwischen den Platten wird eine Spannung von 100V gemessen. Wie groß ist die Energie, die aufgebracht werden muss, um eine Ladung von 2mC von der negativen zur positiven Platte zu bringen?

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Antwort

W=0,2J

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Frage

An einem Kondensator mit variablem Plattenabstand sollen Versuche in einem elektrischen Feld von 8kN/C gemacht werden. Die angelegte Spannung sei 1kV. Wie muss der Plattenabstand gewählt werden, damit die gewünschte Feldstärke vorliegt?

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Antwort

d=12,5cm

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Frage

Welche Arten von Strahlungsquellen gibt es?


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Antwort

Es gibt sogenannte thermische Strahler und sogenannte nicht-thermische Strahler. Gegenstände die aufgrund ihrer Temperatur elektromagnetische Strahlung aussenden, nennt man thermische Strahler.

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Frage

Welche der folgenden Lichtquellen gehört zu den thermischen Strahlern?

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Antwort

Die Sonne

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Frage

Licht kann entweder als kontinuierliches oder als diskretes Spektrum vorliegen. Erkläre, welche Strahlungsquellen (thermisch, nicht-thermisch) welches Spektrum verursachen?

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Antwort

Kontinuierliche Lichtspektren werden durch thermische Strahlung verursacht. Also ist z.B. das Lichtspektrum einer Glühlampe kontinuierlich.

Diskrete Lichtspektren werden durch Übergänge von Elektronen zwischen verschiedenen Energiezuständen verursacht. Folglich entstehen diskrete Lichtspektren durch nicht-thermische Strahlungsquellen.

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Frage

Wenn eine punktförmige Ladung vorliegt, entsteht ein elektrisches Feld. In welche Richtung zeigen die Feldlinien des elektrischen Feldes?

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Antwort

Bei einer positiven Punktladung zeigt das, durch diese Ladung entstehende, elektrische Feld von der Punktladung weg.


Bei einer negativen Punktladung zeigt das, durch diese Ladung entstehende, elektrische Feld auf die Punktladung zu. 


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Frage

Wie weit dehnt sich das elektrische Feld einer punktförmigen Ladung im Vakuum aus?

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Antwort

Wie bei allen elektrischen Feldern ist die theoretische Reichweite des Feldes unendlich groß. Allerdings nimmt die Stärke des Feldes quadratisch mit dem Abstand zur Quelle des Feldes (der Ladung) ab.

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Frage

Was kennzeichnet ein homogenes elektrisches Feld? 
Nenne ein Beispiel für ein homogenes elektrisches Feld!

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Antwort

Ein homogenes elektrisches Feld hat an allen Punkten im Raum:

  • die gleiche Richtung 
  • die gleiche Feldstärke

Folglich ist ein elektrisches Feld an einem Punkt im Raum identisch zu dem Feld an einem anderen Punkt des Raumes.
Dieser Raum muss dabei nicht besonders groß sein. Zum Beispiel ist bei einem Plattenkondensator das Feld nur im Raum zwischen den Platten (mit etwas Abstand zu den Rändern der Platten) als homogen anzusehen.

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Frage

Erkläre den Begriff "elektromagnetische Welle"!

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Antwort

Bei einer elektrogmagnetischen Welle handelt es sich um Schwingung aus elektrischen und magnetischen Feldkomponenten, die sich im Raum ausbreitet. Eine elektromagnetische Welle verändert sich also in Raum und Zeit.

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Frage

In der Optik geht es häufig um "elektromagnetische Wellen". Gibt es auch reine "elektrische" beziehungsweise reine "magnetische" Wellen?

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Nein, es gibt keine rein magnetischen oder rein elektrischen Wellen. Die beiden Feldkomponenten treten immer zusammen in einer Welle auf.

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Frage

Sind Lichtwellen Transversalwellen oder Longitudinalwellen?

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Bei Lichtwellen handelt es sich um Transversalwellen. Das heißt die Schwingung innerhalb der Welle findet senkrecht zur Ausbreitungsrichtung statt.
Wären Lichtwellen Longitudinalwellen wären sie nicht polarisierbar. Die Polarisierbarkeit von Licht wird zum Beispiel in der Fotografie genutzt.

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Frage

Ein Elektron wird in einer Elektronenkanone mit einer Beschleunigungsspannung von 2 kV beschleunigt. Welche Geschwindigkeit hat das Elektron danach?

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Das Elektron hat nach dem Beschleunigungsvorgang eine Geschwindigkeit von ca 26.524.103 Metern pro Sekunde.

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Frage

Wie verhält sich die Coulombkraft (die Kraft zwischen zwei elektrischen Ladungen) im Bezug auf die Größe der Ladungen und der Größe des Abstandes der beiden Ladungen?

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Es ergeben sich folgende Proportionalitäten: 

  • Die Coulombkraft ist proportional zu der Größe der beiden Ladungen.
  • Die Coulombkraft ist umgekehrt quadratisch proportional zum Abstand der beiden Ladungen.

Das heißt: Je größer die Ladungen, desto größer die Coulombkraft und desto größer der Abstand der Ladungen, desto kleiner die Coulombkraft.

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Frage

An einem Plattenkondensator im Vakuum wurde eine Spannung von 1 kV angelegt. Danach befindet sich auf den Platten des Kondensators eine Ladung von 0,001 C. Berechnen Sie die Kapazität des Kondensators!

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Der Kondensator hat eine Kapazität von 1 mirko Farad.

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Frage

Bei einem Plattenkondensator wird beim Aufladeprozess Energie gespeichert. Erkläre in welcher Form die Energie dabei im Kondensator gespeichert ist.

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Dass ein Kondensator Energie speichert wird klar, wenn man bedenkt, dass beim Aufladeprozess eine elektrische Spannung an dem Kondensator angelegt wird. Elektrische Spannung entsteht durch die differenz von potentieller elektrischer Energie an zwei unterschiedlichen Punkten. Der Aufladeprozess verbraucht also Energie. Folglich muss diese Energie - wegen der Energieerhaltung - in dem Kondensator gespeichert sein.
Zwischen den Flächen des Plattenkondensators baut sich - durch die auf den Platten befindliche Ladung - ein elektrisches Feld auf. Da beim Aufbau dieses elektrischen Feldes Energie verbraucht wird, ist die im Kondensator gespeicherte Energie in dem elektrischen Feld des Kondensators gespeichert.

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Frage

Kann man Interferenzphänomene mit allen Lichtquellen erzeugen? Könnte man also ein Interferenzmuster am Doppelspalt beoabachten, wenn man statt eines Lasers eine Glühbirne als Lichtquelle in einem abgedunkelten Raum verwendet?

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Antwort

Ja, man kann Interferenzphänomene mit jeglichen Lichtquellen erzeugen. Jedoch sind die meisten Interferenzphänomene so nicht stabil und lassen sich folglich nicht beobachten. Um ein stabiles Interferenzmuster zu erhalten muss das Licht, welches die Interferenz erzeugt kohärent sein. Das Licht einer Glühbirne ist nicht ausreichend kohärent.

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Frage

Was ist Kohärenz?

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Antwort

Kohärenz ist eine Eigenschaft von Wellen, also auch von Licht. Zwei Wellen sind dann Kohärent, wenn die Phasenverschiebung der beiden Wellen zeitlich konstant ist. Das heißt die Verschiebung der Wellen zueinander verändert sich mit der Zeit nicht. Für Licht bedeutet dies, dass das Licht auch monochromatisch sein sollte.

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Frage

Welche Lichtquellen senden Licht aus, dass ausreichend Kohärent für die Erzeugung von stabilen Interferenzmustern ist?

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Antwort

Laser senden Licht aus, dessen Kohärenz auch für mehrere Kilometer große Interferometer ausreicht. (Siehe z.B. LIGO experiment)
Andere Lichtquellen senden inkohärentes Licht aus.

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Frage

Betrachte das elektrische Feld einer frei aufgestellten Kugel mit der Ladung Q. Beschreibe, welche Proportionalität zwischen der elektrischen Feldstärke E und dem Radius r besteht.

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Antwort

Die elektrische Feldstärke E ist umgekehrt proportional zum Quadrat des Radius r.

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Frage

Fülle die Lücken aus:


Das ____ Feld einer Punktladung ist ____-symmetrisch. Die elektrische Feldstärke E ist umgekehrt ____ zum Quadrat des ____. Nach außen hin wird die elektrische Feldstärke also ____. Ist die Punktladung ____, so sind die Vektoren nach außen hin gerichtet. Ist die Punktladung ____, sind die Vektoren zum Mittelpunkt gerichtet.

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Antwort

Das elektrische Feld einer Punktladung ist radial-symmetrisch. Die elektrische Feldstärke E ist umgekehrt proportional zum Quadrat des Radius. Nach außen hin wird die elektrische Feldstärke also kleiner. Ist die Punktladung positiv, so sind die Vektoren nach außen hin gerichtet. Ist die Punktladung negativ, sind die Vektoren zum Mittelpunkt gerichtet.

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Frage

Im Radialfeld einer punktförmigen Ladung wird eine Kraft auf eine zweite Ladung ausgeübt. Welches Gesetz beschreibt diesen Vorgang?

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Coulomb'sches Gesetz

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Frage

Das Coulomb'sche Gesetz beschreibt die Kraft des Radialfeldes einer Punktladung auf eine zweite Punktladung. Wie ändert sich das Ergebnis, wenn beide Ladungen gleichnamig bzw. unterschiedlich sind?

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Das Ergebnis ändert sich im Betrag nicht. Sind beide Ladungen gleichnamig, dann erhält man für die Kraft einen positiven Wert. Sind die Ladungen unterschiedlich (unterschiedliches Vorzeichen), dann erhält man für die Kraft einen negativen Wert. 

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Frage

Das Coulomb'sche Gesetz beschreibt die Kraft des Radialfeldes einer Punktladung Q1 auf eine zweite Punktladung Q2. Wie groß ist die Kraft, die vom Radialfeld der Punktladung Q2 auf die Ladung Q1 ausgeübt wird?

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Antwort

genauso groß

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Frage

Berechne die Kraft, die zwei Ladungen mit Q=1C aufeinander ausüben, wenn sie sich in einem Abstand von 0,5m zueinander befinden. Stoßen sich die Ladungen ab oder ziehen sie sich an?

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Antwort

F=3,6*10^10 N

Die Ladungen stoßen sich ab, da sie das gleiche Vorzeichen (+) haben.

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Frage

Was ist der Unterschied zwischen einer Probeladung q (oder Q) und der Elementarladung e?

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Die Elementarladung e ist die Ladung eines Elektrons. Q oder q kann auch ein Vielfaches davon sein.

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Da Teilchen wie Protonen und Elektronen punktförmige Ladungen sind, ist das Coulomb-Gesetz an dieser Stelle anwendbar. Berechne die Kraft, mit der sich ein Elektron und ein Proton in einem Wasserstoffatom anziehen. Der Abstand beider Teilchen beträgt 10^-10m.

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Antwort

F=-2,3*10^-8 N

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Frage

Bei Aufgaben in diesem Gebiet kannst du verschiedene Größen nachschlagen oder als gegeben voraussetzen. Welche Größen darfst du benutzen, auch, wenn sie nicht im Aufgabentext stehen?

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Antwort

Atomradius von (10^-10)m

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Frage

Fülle die Lücken aus:


In einem ____ elektrischen Feld verlaufen die Feldlinien parallel und haben stets die gleiche Dichte. Dies ist z.B. zwischen den Platten eines ____ der Fall.

In einem ____ Feld verlaufen die Feldlinien nicht parallel. Das elektrische Feld hat ____ konstante Dichte. Das ist z.B. im Radialfeld einer ____ Ladung der Fall.

Die elektrischen Feldlinien weisen stets von ____ nach ____.

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Antwort

In einem homogenen elektrischen Feld verlaufen die Feldlinien parallel und haben stets die gleiche Dichte. Dies ist z.B. zwischen den Platten eines Plattenkondensators der Fall.

In einem inhomogenen Feld verlaufen die Feldlinien nicht parallel. Das elektrische Feld hat keine konstante Dichte. Das ist z.B. im Radialfeld einer kugelförmigen Ladung der Fall.

Die elektrischen Feldlinien weisen stets von Plus nach Minus.

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Frage

Da es sich bei Lichtwellen um Transversalwellen handelt kann man ein Phänomen beobachten, dass es bei Longitudinalwellen nicht gibt. Welches?

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Polarisation

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Frage

Wo liegt der Unterscheid zwischen Longitudinalwellen und Transversalwellen?

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Longitudinalwellen schwingen in Ausbreitungsrichtung, während Transversalwellen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung schwingen.

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Frage

Was ist Polarisation?

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Polarisation tritt nur bei Transversalwellen auf und bezeichnet die Schwingungsrichtung. Die Schwingungsrichtung ist bei Transversalwellen stets senkrecht zur Ausbreitungsrichtung, allerdings kann sich die Schwingungsrichtung dabei auch zeitlich verändern (also z.B. drehen). Ändert sich die Schwingungsrichtung ohne, dass dabei eine Ordnung erkennbar ist spricht man von einer unpolarisierten Welle.

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Frage

Ist das Licht, dass von der Sonne kommt polarisiert?

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Das Licht das von der Sonne kommt ist nur teilweise polarisiert, da es in der Atmosphäre zwischen Molekülen der Luft und Sonnenlicht zu ungeordneter Streuung kommt.

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Frage

Welche Phänomene lassen sich an einer Welle beobachten, die man an klassischen Teilchen nicht sieht?

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Antwort

Einige der Phänomene die sich bei klassischen Teilchen nicht beobachten lassen sind: 


  • Polarisation
  • Beugung
  • Brechung
  • Interferenz


Außerdem natürlich das Vorhandensein einer Frequenz/Wellenlänge als Eigenschaften der Welle.

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Welche Versuche resultieren in einem Interferenzmuster?

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Beugung am Doppelspalt

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Frage

Eine besondere Art Licht ist das Licht eines Lasers. Welche besonderen Eigenschaften hat dieses Licht?

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Laserlicht hat einige besondere Eigenschaften. Vorallem ist Laserlicht meist Monochromatisch, hat also nur eine einzige Farbe/Wellenlänge als Bestandteil. Außerdem ist Laserlicht polarisiert und kohärent.

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Frage

Erläutere den Hertz'schen Dipol anhand einer Stabantenne.

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Antwort

In einer Stabantenne befinden sich Elektronen. Werden die Elektron durch äußere Einwirkung (Oszillator) in Bewegung gesetzt, so gibt es Momente, in denen sich mehr Elektronen an einem Ende des Dipols befinden als am anderen Ende. Dies ist ein Dipol, der ein elektrisches Feld erzeugt.

Ist die Konzentration der Ladungsträger an den Enden des Dipols gleich, dann entsteht ein Strom, der ein magnetisches Wirbelfeld zur Folge hat (Thema "stromdurchflossener Leiter"). 

Durch den Oszillator gibt es also periodisch ein elektrisches und ein magnetisches Feld, insgesamt ein elektromagnetisches Feld.

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Frage

Fülle die Lücken aus:

In einem Herz'schen Dipol werden Ladungen durch einen ____ beschleunigt. Dies hat ein ____ Feld zur Folge. Im Allgemeinen gilt, dass ____ Ladungen elektromagnetische Felder hervorrufen.

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Antwort

In einem Herz'schen Dipol werden Ladungen durch einen Oszillator beschleunigt. Dies hat ein elektromagnetisches Feld zur Folge. Im Allgemeinen gilt, dass beschleunigte Ladungen elektromagnetische Felder hervorrufen.

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Was ist ein Hinweis darauf, dass Licht eine elektromagnetische Welle ist?

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die Ausbreitungsgeschwindigkeit c

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Frage

Was führt zu einem hellen Bereich im Interferenzmuster nach Passieren des Doppelspalts?

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Überlagerung von Wellenbergen

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Frage

Was ist bei der Wahl von Spaltbreite und Laser beim Doppelspalt zu beachten?

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Antwort

Die Spaltbreite und die Wellenlänge des Lasers sollten für ein möglichst deutliches Interferenzmuster möglichst in der gleichen Größenordnung liegen.

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Frage

Was bildet sich direkt hinter den Öffnungen des Doppelspaltes?

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je Spalt eine kreisförmige Elementarwelle

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Der dänische Professor Oersted hat im 19. Jahrhundert festgestellt, dass ein elektrischer Strom in unmittelbarer Nähe zu einen Kompass die Magnetnadel beeinflusst. Der Kompass verstellt sich bei eingeschalteten Strom. Was ist die Schlussfolgerung aus diesem Versuch? Kannst du die Ursache der Beeinflussung der Nadel begründen?

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Antwort

Die Schlussfolgerung ist, dass es eine Verbindung zwischen Elektrizität und Magnetismus geben muss.

Heute ist klar: Ein stromdurchflossener Leiter baut ein magnetischen Wirbelfeld auf, welches die Kompassnadel beeinflusst.

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Frage

Durch welche physikalische Entdeckung konnte der Generator überhaupt erst erfunden werden?

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Antwort

Michael Faraday hat im 19. Jahrhundert die Induktion entdeckt: Eine sich in einem Magnetfeld drehende Leiterschleife erzeugt eine Spannung. Ein Generator ist so aufgebaut, dass er durch die Drehbewegung eine Spannung erzeugen kann (z.B. Windenergieanlagen).

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Frage

Welche Bedingung muss für die Entstehung konstruktiver Interferenz zweier Wellen erfüllt sein?

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Antwort

Zwei Wellen interferieren konstruktiv miteinander, wenn Sie zueinander eine Wellenlängenverschiebung aufweisen, die ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge ist. Äquivalent dazu ist die Aussage, dass die Wellen keine Phasenverschiebung (oder die Phasenverschiebung ein geradezahliges Vielfaches der Kreiszahl Pi ist. ) zueinander aufweisen dürfen.

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