Aufgabe:
Problem/Ansatz:
Mit dem abgebildeten Versuchsaufbau soll die
Gültigkeit des Coulomb-Gesetzes im Schulversuch
bestätigt werden. Eine an einem Isolierstab
angebrachte massive Aluminiumkugel K1 (Durchmesser
d = 38 mm) befindet sich zunächst in großer
Entfernung von einer identischen Kugel K2,
die über einen Isolierstab an einem Kraftsensor S befestigt ist. Die beiden anfangs elektrisch neutralen
Kugeln werden nun mit Hilfe einer Hochspannungsquelle (U = 16 kV) gleich stark positiv aufgeladen
(Minuspol der Hochspannungsquelle geerdet). Bei Annäherung von K1 an K2 wird die auf K2 wirkende
Kraft F in Abhängigkeit vom Mittelpunktsabstand r gemessen. Die Messergebnisse sind in folgender
Tabelle zusammengefasst:
| r in cm | 4,0 | 5,0 | 6,0 | 8,0 | 10,0 | 15,0 | 20,0 | 25,0 |
| F in mN | 3,40 | 2,80 | 2,20 | 1,30 | 0,85 | 0,41 | 0,20 | 0,11 |
1.Tragen Sie die Messwerte in ein − F −r² Diagramm ein. Begründen Sie, dass man mit dieser Darstellung
leicht prüfen kann, ob sich die Kraft zwischen den Kugeln durch das Coulomb-Gesetz beschreiben
lässt.
Skizzieren Sie den Feldlinienverlauf für die beschriebene Situation.
Bei kleinen Abständen ergeben sich kleinere Kräfte, als nach dem Coulomb-Gesetz zu erwarten sind.
Geben Sie hierfür Erklärungen an.
2.Welcher Wert ergibt sich aus der Auswertung der Messreihe für die Ladung Q einer Kugel?
3.Eine an einem langen Faden befestigte geladene Kugel befindet sich
in einem homogenen elektrischen Feld. Die Kugel ruht. Der Faden
schließt mit der Vertikalen den Winkel α ein. Entscheiden und begründen
Sie, ob die Kugel positiv oder negativ
geladen ist. Skizzieren Sie ein zugehöriges Kräfteparallelogramm.
Benennen Sie die Kräfte.
Das elektrische Feld wird nun so gedreht, dass die Feldlinien
horizontal nach rechts verlaufen. Wie ändert sich dabei der Winkel α?
