Klausurt-PH2-10-09-12-lo sungen

Name:
Matrikelnummer:
Studienfach:
Physik 2 (GPh2) am 10.09.2012
Fachbereich Elektrotechnik und Informatik, Fachbereich Mechatronik und
Maschinenbau
Zugelassene Hilfsmittel zu dieser Klausur: Beiblätter zur Vorlesung Physik 1 + 2 im
SS 00 (Prof. Müller, Prof. Sternberg) oder folgende SS ohne Veränderungen oder
Ergänzungen, Taschenrechner (ohne drahtlose Übertragung mit einer Reichweite von
größer als 30 cm wie Funkmodem, IR-Sender, Bluetooth)
AUFGABE
1a
1b
1c
1d
1e
2a
2b
2c
2d
2e
3a
3b
3c
3d
3e
3f
3g
3h
3i
3j
3k
4a
4b
4c
4d
Form
Gesamt
Bonus
MÖGLICHE
ERREICHTE
PUNKTZAHL PUNKTZAHL
5
4
10
3
2
8
6
4
4
2
2
2
2
2
4
2
2
2
2
2
2
4
6
8
6
4
100
3
Bitte beginnen Sie die Lösung der
Aufgabe unbedingt auf dem
betreffenden Aufgabenblatt! Falls Sie
weitere Blätter benötigen, müssen
diese unbedingt deutlich mit der
Aufgabennummer gekennzeichnet
sein.
Achtung! Bei dieser Klausur werden
pro Aufgabe 1 Punkt für die Form
(Gliederung, Lesbarkeit,
Rechtschreibung) vergeben!
Bitte kennzeichnen Sie dieses Blatt
und alle weiteren, die Sie
verwenden, mit Ihrem Namen, Ihrer
Matrikelnummer und Ihrem
Studienfach.
Dauer: 2 Stunden
Maximal erreichbare Punktezahl: 100.
Bestanden hat, wer mindestens 50
Punkte erreicht.
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1. Sonaranlage
Ein U-Boot besitzt eine Sonaranlage zur Ortung von Gegenständen bzw.
Hindernissen. Das heißt es werden Schallwellen ausgesendet und an Hindernissen
werden diese reflektiert und von U-Boot wieder detektiert. Aus der Laufzeit wird dann
die Entfernung zum Hindernis berechnet.
Quelle: Wikipedia
a) Wenn eine Schallwelle in den (Halb-)Raum unterm U-Boot ausgesendet wird und
eine Leistung von 10 Watt hat. Wie hoch ist die Intensität der Welle in r = 50 m
Entfernung?
b) Wie oben im Bild dargestellt , wird die Welle reflektiert. Welche Intensität kommt
wieder beim Empfänger des U-Bootes an? (r = 50 m)
c) Die Frequenz der Schallwelle beträgt 3 kHz und hat eine
Ausbreitungsgeschwindigkeit in Wasser von 1484 m/s. Stellen Sie entsprechende
Lösung der Wellengleichung für Teil a) auf. (Zum Zeitpunkt t = 0 sei die
Lösung = Null)
d) Nach welcher Zeit wäre die reflektierte Welle wieder beim U-Boot (Bedingungen wie
unter Teil b)?
e) Was müsste bei der Auswertung der Sonarergebnisse korrigiert werden, wenn
nicht unter das U-Boot gesendet würde sondern nach vorne?
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e) Nach vorne wirkt der Dopplereffekt.Daher muss dieser rauskorrigiert werden.
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2. Fete auf dem Bauernhof
In einer Scheune wird eine Fete gefeiert mit viel Musik und Lichtorgeln.
a) Da die Scheune aus Holz gebaut ist, ist ein Brett gerissen. Die Risse sind im
Abstand von 5 mm. Am Bauernhaus in 10 m Entfernung entsteht ein Muster
unterschiedlicher Helligkeit. Wie weit sind die hellen Streifen auseinander, wenn die
Lichtorgel gelbes Laserlicht der Wellenlänge 600 nm aussendet?
b) Wenn gleichzeitig noch blaues (400 nm) Licht ausgesendet wird. Nach wie vielen
blauen Streifen liegt ein blauer Streifen genau auf einem gelben Streifen?
c) Würde die (untergehende) Sonne durch diese Holzspalten scheinen, dann ergäbe
sich wahrscheinlich nicht so ein Muster. Haben Sie eine Idee warum?
d) Ein angetrunkener Gast hat (Oliven-)Öl nicht an seinen Salat sondern in den Teich
des Bauerhofs gegossen. Wenn man sich den ausgebreiteten Ölfilm schräg unter
weißem Scheinwerferlicht anschaut, so schillert dieser farbig. Wie ist dieses zu
erklären?
e) Wäre diese Effekt bei einer Flasche Wodka genauso am Teich zu beobachten
(Begründung)?
Musterlösung:
c) Da die Sonne kein kohärentes Licht aussendet, wird kein Muster
entstehen.
d) Dieses ist Interferenz an dünnen Schichten. Sowohl an der Oberfläche,
wie auch an der Grenze Öl-Wasser werden Lichtstrahlen reflektiert und
diese interferieren.
e) Wodka löst sich im Wasser und bildet keine Grenzschicht. Also keine
Interferenz.
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3. Linsen können zur Vergrößerung eingesetzt werden
a) Welchem optischen Instrument entspricht die unten dargestellte
Linsenkombination?
b) Wie wird bei diesem Instrument die Linse 1 und die Linse 2 bezeichnet?
c) Durch welchen physikalischen Effekt wird die maximale sinnvolle
Vergrößerung dieses Instrumentes festgelegt?
d) Was muss verändert werden um die maximale Vergrößerung dieses
Instrumentes zu erhöhen?
e) Konstruieren Sie für die dargestellte Linsenkombination das Bild des
Gegenstandes G nach Linse 1 sowie das virtuelle Bild der Linse 2!
f) Berechnen Sie den Abstand des Gegenstandes von der Linse 1 wenn die
Vergrößerung der Linse 1 den Wert 2,5 hat!
g) Berechnen Sie daraus die Bildweite für die Linse 1!
h) Berechnen Sie die Vergrößerung der Linse 2, wenn die beiden Linsen 21,5cm
auseinander stehen!
i) Berechnen Sie die Bildweite für die Linse 2!
j) Berechnen Sie die gesamte Vergrößerung des Instrumentes und interpretieren
Sie das Ergebnis?
k) Skizzieren Sie für die Linse 1 die Vergrößerung in Abhängigkeit zur Bildweite!
Linse 1 (f=5cm)
F1
Linse 2 (f=5cm)
F2
F2
G F1
Hinweis: Sollten Sie eine Teilaufgabe nicht Lösen können entnehmen Sie
sinnvolle Schätzwerte aus der Zeichnung!
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Musterlösung:
a)
b)
c)
d)
e)
Mikroskop
Linse 1 = Objektiv; Linse 2 = Okular
Durch die Lichtbeugung
Es müsste Licht mit einer kürzeren Wellenlänge verwendet werden
Fob
Fob
Fob
Fob
Auge
f) Der Abstand des Gegenstandes von der Linse ist gegeben durch:
B b
f
f
5cm
V  
g  f 
 5cm  7cm
G Bildweite
g g  fb!
V
2,5
g) Berechnung der
B b
f
 
 b  V  g  2,5  7cm  17,5cm
G g g f
h) Vergrößerung der Linse 2 wenn die beiden Linsen 21,5cm auseinander stehen:
V
g  21,5cm  17,5cm  4cm
V
f
5cm

 5
g  f 4cm  5cm
i) Bildweite für die Linse 2
V
B b
f
 
 b  V  g  5  4cm  20cm
G g g f
j) Zuerst werden die Bildgrößen berechnet
B
b
G  b1 0,1cm  17,5cm
V  1  1  B1 

 0,25cm
G g1
g1
7cm
B1  b2 0,25cm  20cm

 1,25cm
g2
4cm
Es ergibt sich ein virtuelles Bild vor der Linse, das auf dem Kopf steht!
B
 1,25cm
k)
V 2 
 12,5
G
0,1cm
 B2 
Vergrößerun
g
Vergrößerung über Gegenstandsweite
10
0
-10
Gegenstandsweite
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4. Akustik
a) Die Schallgeschwindigkeit eines Tons von 1 kHz betrage 330 m/s. Wie groß ist
seine Wellenlänge?
b) Berechnen Sie zum Schallintensitätspegel von 10 dB den Schalldruckpegel. Dichte
der Luft: 1,2 kg/m³, Schallgeschwindigkeit: 330 m/s
c) Welche Bedingung muss erfüllt sein, damit Schallintensitätspegel und
Schalldruckpegel den gleichen Wert in Dezibel haben? D.h. welchen Wert muss das
Produkt von Dichte und Schallgeschwindigkeit haben?
d) Was ist lauter 40dB bei 125 Hz oder 30dB bei 4000 Hz? Begründen Sie.
Die Linien im Diagramm sind Linien gleicher Lautstärke.
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Lösungen:
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