Prüfung Physik IB 2016-09-14

Rechenteil: Physik IB Prüfung, 14.09.2016 (Maximal 12 Punkte) 1. Ein Gegenstand der Masse m = 2 kg schwinge an einer Feder mit der Federkonstante k = 400 N/m. Die Dämpfungskonstante sei b = 2 kg/s. Auf das System wirke eine harmonische antreibende Kraft, deren höchster Wert 10 N betrage und deren Kreisfrequenz  = 10 s‐1 sei. a) Wie groß ist die Amplitude der Schwingung? b) Welche Resonanzfrequenz hat das System? c) Bestimmen Sie die Amplitude der Schwingung im Resonanzfall. d) Bestimmen Sie die relative Breite der Resonanzkurve /0. (4 Punkte) 2. Zwei Kondensatorplatten mit der Fläche A = 100 cm2 und dem Abstand d = 1 cm in Luft sind mit U = 200 V geladen. Nach dem Entfernen der Ladespannungsquelle wird eine Platte mit 0.5 cm Dicke und einer Dielektrizitätskonstante   2 zwischen die Kondensatorplatten geschoben. a) Wie groß sind die Feldstärken im Luftspalt und in der Platte? b) Wie groß ist die Spannung am Kondensator nach dem Einfügen der Platte? (4 Punkte) 3. Für Stromstärken bis 30 A werden Kabel benutzt, deren Kupferdrähte einen Durchmesser von 2.6 mm haben. Der spezifische Widerstand von Cu ist Cu = 0.017 mm2/m, und jedes Kupferatom steuert genau ein Elektron zur elektrischen Leitung bei. a) Wie groß ist der Widerstand eines solchen Kabels von 100 m Länge? b) Wie groß ist die elektrische Feldstärke im Draht, wenn ein Strom von 30 A fließt? c) Wie lange dauert es unter diesen Bedingungen, bis sich ein Elektron entlang des Drahtes um 1 m weiterbewegt hat? (4 Punkte) Theoretischer Teil: Physik IB Prüfung, 14.09.2016 (2 Fragen nach Wahl beantworten, maximal 8 Punkte) 1.
Gegeben sei ein unendlich langer geladener Leiter mit Linienladungsdichte  (Ladung pro Längeneinheit). Berechnen und skizzieren Sie das elektrische Feld allgemein im Abstand r von der Drahtachse (im Drahtinneren und außerhalb). Hinweis: Benutzen Sie das Gauss’sche Gesetz. (4 Punkte) 2.
Ein langer dünner Stabmagnet der Masse M und Länge L mit magnetischem Moment m parallel zu seiner Längsachse sei in der Mitte drehbar gelagert und werde als Kompassnadel verwendet. Diese Kompassnadel werde in einem homogenen Magnetfeld B um einen kleinen Winkel  um seine Gleichgewichtslage ausgelenkt und dann losgelassen. Zeigen Sie allgemein, dass die Kompassnadel für den Fall, dass keine Reibung vorherrscht, eine harmonische Schwingung um die Gleichgewichtslage ausführt. Geben Sie die Periodendauer dieses Systems an. (4 Punkte) 3.
Zwei Drahtschleifen mit gleicher Fläche und gleicher Orientierung der Flächennormalen sind sehr nahe zueinander positioniert ohne sich jedoch zu berühren, so dass der magnetische Fluss durch die beiden Schleifen gleich groß ist. Die Gegeninduktivität dieser Anordnung sei L12. Durch die erste Drahtschleife fließe ein Strom I(t) der sich in Form einer harmonischen Schwingung mit einer Schwingungsfrequenz f zeitlich ändert, wobei die Stromstärke zum Zeitpunkt t=0 maximal ist. Berechnen Sie allgemein die in der zweiten Drahtschleife induzierte Spannung als Funktion der Zeit und zeichnen Sie I(t) und U(t) in ein gemeinsames Diagramm ein. Nach welcher Zeit und bei welcher Stromstärke tritt die maximale Spannung auf? (4 Punkte)