Klausur GPH 1 21-3-12 Musterlo sung
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Name: Matrikelnummer: Studienfach: Physik 1 (GPh1) am 21.03.2012 Fachbereich Elektrotechnik und Informatik, Fachbereich Mechatronik und Maschinenbau Zugelassene Hilfsmittel zu dieser Klausur: Beiblätter zur Vorlesung Physik 1 ab WS 10/11 (Prof. Sternberg, Prof. Müller, Prof. i.V. Lütticke, Prof. Albers) ohne Veränderungen oder Ergänzungen, Taschenrechner (ohne drahtlose Übertragung mit einer Reichweite von größer als 30 cm wie Funkmodem, IR-Sender, Bluetooth), kein PDA oder Laptop. Dauer: 2 Stunden Maximal erreichbare Punktezahl: 100. Bestanden hat, wer mindestens 50 Punkte erreicht. 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. AUFGABE 1a 1b 1c 2a 2b 2c 2d 3a 3b 3c 4a 4b 4c 4d 4e Form Gesamt MÖGLICHE ERREICHTE PUNKTZAHL PUNKTZAHL 6 14 4 6 6 6 6 6 12 6 5 5 5 5 4 4 100 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. Seite 1 von 11 1. Physikalische Kleinigkeiten a)Welche der folgenden Aussagen stellen physikalisch gesehen „Blödsinn“ dar: 1. Das Auto hat ein Leergewicht von 1450 kg. (Blödsinn) Das Auto hat eine Masse von..... 2. Die Strecke hat eine Länge von 103km . (Blödsinn) Einheiten stehen nie alleine im Exponenten. 3. Das Auto beschleunigt schnell. (Blödsinn) Eine Auto fährt schnell und beschleunigt stark (wenn überhaupt). 4. Das Drehmoment bei Benzinmotoren steigt in der unteren Hälfte des Drehzahlbereichs an. Dieses ist in der Tat so. 5. Kugelstoßer üben einen Kraftstoß aus. Ein Kraftstoß ist F*t, also eine Kraft über eine gewisse Zeit ausüben. 6. Jupp schleppt zwei volle Bierkisten bei Edeka durch die Gänge. Er hat echte Arbeit. (Blödsinn) Kraft und Weg stehen senkrecht aufeinander => Arbeit = Null. b) Welche der folgenden Alternativen ist/sind richtig (Buchstaben einkreisen): 1) A) Zwei Kugeln aus Metall werden vom Dach eines zweigeschossigen Gebäudes zum gleichen Zeitpunkt fallengelassen. Beide Kugeln haben die gleiche Größe, aber die eine ist doppelt so schwer wie die andere. Für die Zeit bis zum Auftreffen auf dem Boden gilt (bitte ankreuzen): B) C) D) E) 2) A) B) Ein LKW bleibt mit Motorschaden liegen und wird von einem Kleinwagen zur nächsten Tankstelle geschoben. Während der PKW beschleunigt, um beim Schieben auf eine bestimmte Geschwindigkeit zu kommen, gilt: C) D) die schwerere Kugel braucht etwa die halbe Zeit. die leichte Kugel braucht etwa die halbe Zeit. beide brauchen etwa die gleiche Zeit. die schwere Kugel braucht deutlich weniger Zeit, aber nicht unbedingt die halbe Zeit. die leichte Kugel braucht deutlich weniger Zeit, aber nicht unbedingt die halbe Zeit. Der Betrag der Kraft, mit der das Auto gegen den LKW drückt, ist gleich groß wie derjenige, mit dem der LKW gegen das Auto zurückdrückt. Der Betrag der Kraft, mit der das Auto gegen den LKW drückt, ist kleiner als derjenige, mit der der LKW gegen das Auto zurückdrückt. Der Betrag der Kraft, mit der das Auto gegen den LKW drückt, ist größer als die derjenige, mit der der LKW gegen das Auto drückt. Der Motor des PKW läuft; daher übt der PKW eine Kraft aus, während er gegen den LKW drückt. Aber der LKW-Motor läuft nicht; daher kann der LKW nicht gegen das Auto zurückdrücken. Der LKW wird einfach deshalb nach vorne geschoben, weil er dem PKW im Wege steht. Seite 2 von 11 E) 3) Weder der LKW noch der PKW üben aufeinander irgendeine Kraft aus. Der LKW wird einfach deshalb nach vorne geschoben, weil er dem PKW im Wege steht. Eine Bowlingkugel fällt versehentlich aus dem Frachtraum eines Flugzeuges, während das Flugzeug in horizontaler Richtung fliegt. Wenn man den Vorgang von der Erde aus beobachtet: Welche Kurve beschreibt die Flugbahn der Kugel nach dem Herausfallen am besten? Flugbahn D 4) Ein Golfball bewegt sich längs eines "fairway" mit folgender Flugbahn durch die Luft (s. Abbildung) Welche Kraft wirkt, bzw. welche Kräfte wirken während der gesamten Flugphase auf den Ball: 1. 2. 3. die Gravitationskraft die Abschlagskraft die Luftwiderstandskraft A) B) C) D) E) nur 1 1 und 2 1, 2 und 3 1 und 3 2 und 3 c) Gibt es die folgenden zusammengesetzten Einheiten? Wenn ja, bitte dann die richtige Bezeichnung schreiben, wie z.B. Watt, Ohm, etc. 1. kg * m2 / s2 = Nm = Joule 2. kg2 * m / s3 = gibt es nicht 3. kg * m * s2 = gibt es nicht Seite 3 von 11 2. Ort, Geschwindigkeit, Beschleunigung, entspr. Winkel Ein Auto fahre 5s mit der konstanten Geschwindigkeit von 5 m/s und wird anschließend für 5s mit a = 5m/s2 beschleunigt. a) Skizzieren Sie das Weg-, das Geschwindigkeits- und das BeschleunigungsZeit-Diagramm für die ersten 5s! (Berücksichtigen Sie gleich Aufgabe b) b) Skizzieren Sie (in die gleiche Skizze) das Weg-, das Geschwindigkeits- und das Beschleunigungs-Zeit-Diagramm für die letzten 5s! Berechnen Sie dafür für jedes Diagramm mindestens 5 Werte! Jetzt fahre das Auto mit einer Geschwindigkeit von 130km/h über einen 10 m hohen Abhang (Reibungskräfte können vernachlässigt werden). c) Wie lange befindet sich das Auto in der Luft? d) Wie weit ist es geflogen? Musterlösung: a) + b) 1 2 at v 0 t x0 2 Geschwindigkeit Beschleunigung 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 10 5 15 5 20 5 25 5 30 5 x(t ) Zeit Weg 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 5 10 15 20 25 32,5 45 62,5 85 112,5 120 100 Weg Geschwindigkeit 80 Beschleunigung 60 40 20 0 1 2 3 4 5 6 Seite 4 von 11 7 8 9 10 c+d) v x 130km / h 36,1m / s vx t 1 m 2 r (t ) 9,81 2 t s 2 0 1 m 1 m ry 9,81 2 t 2 10m 9,81 2 t 2 2 2 s s 10m 2 t 1,43s m 9,81 2 s m rx v x t 36,1 1,43s 51,6m s Seite 5 von 11 3. Starre Körper Eine Kegelkugel hat ein Gewicht von 2,85 kg und einen Durchmesser von 160 mm. a) Bestimmen Sie das Massenträgheitsmoment der Kugel. b) Ein Kegler übt über 4 Sekunden eine Leistung von 100 W aus und lässt dann die Kugel auf der Bahn rollen. Wie schnell rollt die Kugel? (Reibungskräfte können vernachlässigt werden.) c) Welche Geschwindigkeit würde eine Bowlingkugel unter gleichen Bedingungen wie unter b) erreichen, die 3,5 kg schwer ist und auf der Bahn rutscht ohne zu rollen? (einige Massenträgheitsmomente: IZylindermantel = ½ m (Ri²+Ra²); IPunktmasse = m R²; IKugel = (2/5) m R²; IZylinder= ½ m R² (Rotation um Zylinderachse); IQuader=(1/12)m(a2+b2) (Rotationachse senkrecht Mittelpunkt)) Lösung: Seite 6 von 11 zur Oberfläche durch den Seite 7 von 11 4. Atomphysik a) Wie sieht die Konfiguration von Aluminium im Grundzustand aus? D.h. wie viele Elektronen befinden sich in den einzelnen Schalen/Orbitalen? Aluminium hat 13 Elektronen. b) Das energetisch höchste Elektron wird angeregt und springe in die energetisch nächsthöhere Schale/Orbital (Hinweis: nach 3p kommt 4s, danach 3d und danach 4p; es liege kein Magnetfeld an, d.h. unterschiedliche magnetische Quantenzahlen führen zu keinem unterschiedlichen Energieniveau). Welche Quantenzahlen n und ℓ hat das Elektron nun? Welche Werte sind quantenmechanisch für die magnetische Quantenzahl m für dieses Elektron erlaubt? c) Nun springe ein Elektron eines Heliumatoms mit n=4 in eine Schale/Orbital mit n=3. Wie groß ist die Wellenlänge des Photons, das abgestrahlt wird? Für ein Energieniveau eines Elektrons in Helium gilt in Abhängigkeit von der Hauptquantenzahl in grober Näherung: En = -13,6 eV * 2² * 1/n² . d) Dieses Photon trifft auf ein Material mit einer Austrittsarbeit von 2,5 eV. (Wenn Sie Aufgabenteil c nicht gelöst haben, nehmen Sie eine Wellenlänge des Photons von 400nm an). Wird ein Elektron ausgeschlagen? Wenn ja, wie schnell kann das durch das Photon ausgeschlagene Elektron maximal sein? Wenn nein, warum nicht? e) Angenommen, es sei ein Elektron ausgeschlagen worden. Hat das ausgeschlagene Elektron auch eine Wellenlänge? Wenn ja, geben Sie die Formel für diese Wellenlänge an? Wenn nein, welche Objekte haben eine Wellenlänge? h = 6,626 * 10- 34 Js; c = 3 * 108 m/s; Masse des Elektrons: m = 9,1 * 10- 31 kg; e = 1,6 * 10- Seite 8 von 11 Seite 9 von 11
