PHYSIK → Klasse 7 & 8 → Kirchhoffsche Gesetze

Einstieg

1. 

   
   
   
   1. Beschreibe den Weg der Elektronen (Ladung) vom Minuspol der Spannungsquelle zum Pluspol der Spannungsquelle. Was passiert an den rot markierten Knotenpunkten?
2. 
   
   
   1. Die Stromstärke gibt an, wie viel Ladung pro Zeit durch einen Leiterquerschnitt fließt. Stelle eine Hypothese zum Zusammenhang zwischen der Stromstärke vor dem Knoten \(\textcolor{darkgreen}{I_0}\) und den Stromstärken hinter dem Knoten \(\textcolor{darkgreen}{I_A}\) und \(\textcolor{darkgreen}{I_B}\) auf.
   2. Ist die Stromstärke vor \(\textcolor{blue}{L_1}\) und hinter \(\textcolor{blue}{L_1}\) gleich geblieben?

   Hypothese:

   Die Ladungsträger teilen sich hinter dem Knoten auf. Insgesamt muss jedoch genau so viel Ladung in den Knoten reinfließen, wie rausfließt, d.h.: \[I_0=I_A+I_B\]

3. Um die Stromstärke an einem Bauteil messen zu können, muss das Amperemeter vor oder hinter dem Bauteil in Reihe geschaltet werden.
   
   
   
   1. Erkläre mithilfe von Aufgabe 2, warum es Sinnvoll ist die Stromstärke so zu messen.
   2. Warum heißt das Bauteil Amperemeter?

   Lösung:

   Um die Stormstärke an einem Bauteil messen zu können muss das Messgerät die gesamte Ladung messen, welche durch das Bauteil fließt. Dies ist nur dann möglich, wenn diese Ladung auch durch das Messgerät durchfließen kann, also wenn es davor oder dahinter in Reihe geschaltet ist.

4. Experimente zur Stromstärke im verzweigten Stromkreis
   1. Baue den Schaltplan in Einstiegsaufgabe 1 nach und miss die Stromstärke an Lampe \(L_3\). Die Stromstärke liegt im mA Bereich.
   2. Plane ein Experiment, in dem du deine Hypothese aus Einstiegsaufgabe 2 überprüfst.
   Fertige zu Versuch 2 ein vollständiges Versuchsprotokoll, d.h.: Titel, Hypothese, Skizze des Aufbaus, Beobachtung/Messwerte, Auswertung/Deutung/Überprüfung der Hypothese.
   Du kannst dein Experiment auch schon vorher mithilfe folgender Simulation planen:
5. 
   
   
   1. Welchen Unterschied stellt man zwischen den Lampen \(\textcolor{blue}{L_1}\), \(\textcolor{blue}{L_2}\) und \(\textcolor{blue}{L_3}\) fest? Beziehe dich dabei auch auf die von den Elektronen an die Lampe abgegebene Energie.
   2. Die Spannung gibt an, wie viel Energie ein Ladungsträger an einem Bauteil abgeben kann. Stelle eine Hypothese zum Zusammenhang zwischen der Spannung an der Spannungsquelle \(\textcolor{purple}{U_0}\) und den Spannungen an den Lampen \(\textcolor{purple}{U_1}\), \(\textcolor{purple}{U_2}\) und \(\textcolor{purple}{U_3}\) auf.

   Hypothese:

   Die Ladungsträger geben an \(\textcolor{blue}{L_1}\) nur einen Teil ihrer Energie ab und den Rest an \(\textcolor{blue}{L_2}\), somit leuchten diese auch wengier hell als \(\textcolor{blue}{L_3}\). An \(\textcolor{blue}{L_3}\) können die Ladungsträger hingegen ihre gesamte Energie abgeben. Entsprechend gilt: \[U_0=U_1+U_2=U_3\]

6. Um die Spannung an einem Bauteil messen zu können, muss das Voltmeter zu dem Bauteil parallel geschaltet werden.
   
   
   
   1. Erkläre mithilfe von Aufgabe 5, warum es Sinnvoll ist die Spannung so zu messen und nicht in Reihe.
   2. Warum heißt das Bauteil Voltmeter?

   Lösung:

   Da das Messgerät für die Spannung die vom Ladungsträger abgegebene Energie messen muss, darf der Ladungsträger seine Energie nicht an dem Bauteil abgeben. Entsprechend muss das Messgerät das Bauteil überbrücken, indem es dazu parallel geschaltet wird.

7. Experimente zur Spannung im verzweigten Stromkreis
   1. Baue den Schaltplan in Einstiegsaufgabe 1 nach und miss die Spannung an Lampe \(L_3\). Die Spannung liegt im V-Bereich.
   2. Plane ein Experiment, in dem du deine Hypothese aus Einstiegsaufgabe 5 überprüfst.
   Fertige zu Versuch 2 ein vollständiges Versuchsprotokoll, d.h.: Titel, Hypothese, Skizze des Aufbaus, Beobachtung/Messwerte, Auswertung/Deutung/Überprüfung der Hypothese.
   Du kannst dein Experiment auch schon vorher mithilfe folgender Simulation planen:
8. In einer Schaltung wurden drei unterschiedliche Lampen eingebaut.
   
   
   
   1. Bestimme die fehlenden Größen.
   2. Welche Stromstärken \(\textcolor{darkgreen}{I_1}\) und \(\textcolor{darkgreen}{I_2}\) misst man an den Lampen \(\textcolor{blue}{L_1}\) und \(\textcolor{blue}{L_2}\)?

   Lösung:

   1. \(I_A=1\rm{A}\), \(U_1=2\rm{V}\), \(U_3=5\rm{V}\).
   2. \(I_1=4\rm{A}\), \(I_2=4\rm{A}\).

Aufgaben

1. In folgendem Stromkreis wurden baugleiche ohmsche Widerstände verbaut.
   
   
   
   1. Gib an, welche Stromstärke und welche Spannung an den Widerständen gemessen werden kann.
   2. Bestimme die Stärke des Widerstands mithilfe des ohmschen Gesetzes: \[R=\frac{U}{I}\]
2. Die folgende Abbildung zeigt den Schaltplan eines Geiger-Müller-Zählrohrs. Dabei ist der Widerstand des Rohrs \(R_1\) flexibel, hingegen der Widerstand \(R_2=10^6\Omega\) fest.
   
   
   
   1. An \(R_1\) wird eine Stromstärke von 0.0001 A gemessen, welche Stromstärke misst man an \(R_2\)?
   2. Bestimme die Spannung an \(R_1\) und \(R_2\) für die Messung in 1.
   3. Bestimme die Spannung an \(R_1\) und \(R_2\) wenn im Stromkreis 0.0002A gemessen werden.
   4. Die Stromstärke in Stromkreis steigt stetig, was ist an \(R_1\) und \(R_2\) zu beobachten?
   5. Bestimme die Stromstärke, ab der an \(R_1\) gar keine Spannung mehr anliegt.