Polarlicht — Teilchen im Feld

Fadenstrahl-Werkstatt — Elektronen auf Bahnen

90 min · once

physiksaal

Vier Stationen nach dem Prinzip Vermuten – Beobachten – Erklären; die Gruppen rotieren nach etwa 20 Minuten. Sicherheitsblock vorab, für alle Stationen verbindlich: Hochspannung! Alle Röhren laufen mit mehreren hundert Volt — verkabelt und eingeschaltet wird ausschließlich von der Lehrkraft bzw. nach ihrer Freigabe; Umbauten nur im spannungsfreien Zustand, Glaskolben nie berühren, im abgedunkelten Raum Taschen und Kabel aus den Laufwegen. Station 1 — Elektronenkanone und Längsfeld. Vermuten: Was macht eine höhere Beschleunigungsspannung mit dem Leuchtfleck? Beobachten: Der Fleck auf dem Schirm wird schärfer und heller; die Elektronen gewinnen im Längsfeld kinetische Energie. Erklären: e·U = ½·m·v² — die Spannung stellt die Endgeschwindigkeit ein, nicht eine konstante Kraftdauer. Modellgrenze: Bei sehr hohen Spannungen müsste relativistisch gerechnet werden. Station 2 — Querfeld: die Parabel. Vermuten: Welche Bahnform entsteht, wenn der schnelle Strahl quer durch das Feld eines Plattenpaars fliegt — Kreis, Knick oder Parabel? Beobachten: Auf dem Schirm der Ablenkröhre krümmt sich die Leuchtspur parabelförmig; mehr Plattenspannung krümmt stärker, mehr Beschleunigungsspannung streckt die Bahn. Erklären: Wie beim waagrechten Wurf — konstante Querkraft plus konstante Längsgeschwindigkeit ergibt eine Parabel. Modellgrenze: Das Feld ist nur zwischen den Platten homogen; am Rand franst es aus. Station 3 — Fadenstrahlrohr qualitativ: der Kreis. Vermuten — erst ansagen, dann drehen: Was macht mehr Spulenstrom (mehr B) mit dem leuchtenden Kreis, was macht mehr Beschleunigungsspannung U? Beobachten: Mehr B verkleinert den Kreis, mehr U vergrößert ihn; die Spur bleibt stets ein geschlossener Kreis. Erklären: Die Lorentzkraft steht immer senkrecht auf v, verrichtet keine Arbeit und wirkt als Zentripetalkraft — anders als das Querfeld in Station 2, das den Betrag von v ändert. Station 4 — e/m-Messreihe und Schraubenbahn. Nach dem Protokoll (protocol.physik.fadenstrahlrohr) eine r(U)-Messreihe bei festem B aufnehmen, e/m = 2U/(B²r²) berechnen, Mittelwert bilden und mit dem Literaturwert 1,76 · 10¹¹ C/kg vergleichen. Zum Abschluss das Rohr in seiner Halterung leicht drehen: Aus dem Kreis wird eine Schraubenlinie. Erklären: Nur die Geschwindigkeitskomponente senkrecht zu B wird auf die Kreisbahn gezwungen, die Parallelkomponente läuft ungestört weiter — dieselbe Bahnform wie beim Sonnenwind entlang der Erdfeldlinien (Polarlicht). Vorbereitung oder Nachbereitung: der Polarlicht-Artikel in der App. Modellgrenze: Das B-Feld des Helmholtz-Paars ist nur im Zentrum ausreichend homogen; große Kreise verlassen diesen Bereich und verfälschen e/m. Abschluss in der Runde: Längsfeld beschleunigt, Querfeld lenkt parabelig ab, Magnetfeld zwingt auf Kreis oder Schraube — welche Bahn gehört zu welchem Feld, und woran erkennt man den Unterschied im Energieumsatz?

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