SAP Physik Detail
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Ante Scriptum : 5.3 fächerübergreifende Projekte durchführen ( ? Mittelwerte zu E5 fehlen ?) 5.4. Aufschlüsselung zu ‘Gruppenarbeit' fehlt ? Studienanforderung Studiengang Maschinenbau Nicht fächerspezifischer Teil … … Fächerspezifischer Teil Physik 1. Als sehr wichtig gelten 1.1 die Mechanik Beispiele: 1.1.1 An den Enden einer Schnur, die über eine Umlenkrolle geführt ist, hängen zwei Gewichte der Massen m1 und m2 (>m1). Die Rolle ist eine homogene Scheibe der Masse mR mit einem Radius r und ist reibungsfrei gelagert. a) Mit welcher Beschleunigung a setzen sich die Gewichte in Bewegung? b) Welche Kraft FA wirkt hierbei auf die Aufhängung der Rolle? c) Welcher Bruchteil der gesamten Bewegungsenergie entfällt auf die Rotationsenergie der Rolle? Zahlenwerte: ml = 2 kg ; m2 = 3 kg , mR = 1,5 kg , r = 8 cm 1.1.2 Jemand läßt eine mit der Frequenz f0 = 440 Hz schwingende Stimmgabel in einen tiefen Brunnenschacht fallen. Welche Strecke S hat die Stimmgabel zurückgelegt, wenn oben am Brunnen-Rand ein Ton der Frequenz f = 400 Hz wahrgenommen wird? 1.2 die Festigkeitslehre Beispiel: 1.2.1 Ein Eisenstab der Länge l0 und des Querschnitts A ist bei der Temperatur T1 genau in ein absolut starres U-förmiges Joch eingepaßt. a) Welche Kraft übt der Stab auf das Joch aus, wenn er auf die Temperatur T2 erwärmt wird? b) Welche mechanische Energie ist bei T2 im Stab gespeichert? c) Welche Voraussetzung muß für die Berechnungen in a) und b) erfüllt sein? Zahlenwerte: Tl = 300 K , T2 = 500 K , l0 = 10 cm , A = 5 cm2 Eisen: Elastizitätsmodul E = 2·1011 N/m2 therm. Ausdehnungskoeff. α = 10-5 K-1 1.3 die Thermodynamik Beispiele: 1.3.1 a) Skizzieren Sie das p-T-Phasendiagramm für Wasser, kennzeichnen Sie die einzelnen Phasen und tragen Sie charakteristische Wertepaare ein. b) Der Dampfdruck von Wasser wird durch p = p0·e-Qv/RT beschrieben, wobei QV die Verdampfungswäme des Wassers, R die Gaskonstante und T die absolute Temperatur sind. Zeigen Sie, dass p0 ≈ 6·105 bar. c) Welche Temperatur herrscht in einem Dampfkochtopf bei einem Überdruck von ∆p = 1 bar, wenn vor dem Verschließen des Topfes alle Luft durch Wasserdampf verdrängt wurde? Zahlenwerte: QV = 2,3·103 J/g 1.3.2 a) Berechnen Sie die Dichte eines idealen Gases bei Normalbedingungen (p0 = 105 Pa, T0 = 0 °C) am Beispiel von Stickstoff und Helium. Wie groß ist das Verhältnis der Dichten ρN2/ρHe? b) Zeigen Sie, dass die Kompressibilität κ eines idealen Gases nur vom Druck p abhängt. c) Wie verhalten sich die Schallgeschwindigkeiten dieser Gase zueinander unter der Annahme isothermer Bedingungen? d) In welchem Verhältnis fN2/fHe stehen die Frequenzen der Grundschwingung einer Orgel-Pfeife, wenn sie mit N2 bzw. He angeblasen wird? 1.4 die Dynamik der Flüssigkeiten und Gase Beispiele: 1.4.1 …? 2. Als weniger wichtig wird 2.1 die Elektrizitätslehre angesehen Beispiele: 2.1.1 Teilchen der Masse m und der Ladung q durchlaufen ein Gebiet (x > 0), in dem ein homogenes elektrisches Feld E und ein homogenes Magnetfeld B herrschen. Die Felder stehen senkrecht zueinander und zur Richtung der Teilchengeschwindigkeit. (siehe Skizze) a) Welche Geschwindigkeit v haben die Teilchen, wenn sie das Gebiet der Felder unabgelenkt durchlaufen? b) Was für eine Bahn beschreiben die Teilchen, wenn nur das elektrische Feld anliegt? Berechnen Sie die Bahn y(x). c) Begründen Sie, warum die Teilchen in einem Magnetfeld bei abgeschaltetem E-Feld einen Kreisbogen durchlaufen. Geben Sie dessen Radius an. 2.1.2 Ein Kondensator der Kapazität C wird an einer Spannungsquelle der Spannung U0 über einen Widerstand R aufgeladen und anschließend, nach Entfernen der Spannungsquelle, über diesen Widerstand wieder entladen. a) Mit welcher Zeitkonstante τ findet das Auf- und Entladen des Kondensators statt? b) Skizzieren Sie möglichst quantitativ für beide Vorgänge den zeitlichen Verlauf der Spannung an α) dem Kondensator und β) dem Widerstand. Zeichnen Sie jeweils U0 und τ ein. c) Wie groß ist der Effektivwert UC,eff der Spannung am Kondensator, wenn die RC-Serienschaltung mit einer sinusförmigen Wechselspannung der Amplitude U0 und der Frequenz f betrieben wird? Zahlenwerte: R = 50 kΩ , C = 5 µF , U0 = 10 V , f= 2 Hz 3. Umgang mit Wissen aus… 3.1 mathematische Verfahren, z.B. Derivation und Integration anwenden können Beispiele: 3.1.1 Zweites Newton-Axiom: H dpH ( t ) H H , mit p( t ) = m( v) ⋅ v . F= dt 3.1.2 Berechnung der mechanischen Arbeit: r W = ò F(r ' )dr ' , mit z.B. F(r ) = − γ ⋅ ∞ 3.2 selbständig physikalische Probleme lösen 4. Zum Umgang mit Rechnern 4.1 kein Item über 60% 5. Arbeitsmethoden 5.1 Viel Lernstoff in kurzer Zeit aufnehmen können 5.2 Lerninhalte in Eigenarbeit aufarbeiten und vertiefen m⋅M . r2 Studienanforderung Studiengang Bauingenieurwesen Nicht fächerspezifischer Teil … … Fächerspezifischer Teil Physik 1. Als sehr wichtig gelten 1.1 die Festigkeitslehre 1.2 die Mechanik 2. Als weniger wichtig wird 2.1 die Thermodynamik angesehen 3. Umgang mit Wissen aus… 3.1 mathematische Verfahren, z.B. Derivation und Integration anwenden können 4. Zum Umgang mit Rechnern 4.1 Programmieren 5. Arbeitsmethoden 5.1 Viel Lernstoff in kurzer Zeit aufnehmen können 5.2 fächerübergreifende Projekte durchführen ( ? Mittelwerte zu E5 fehlen ?) Studienanforderung Studiengang Elektrotechnik Nicht fächerspezifischer Teil … … Fächerspezifischer Teil Physik 1. Als sehr wichtig gelten 1.1 die Elektrizitätslehre Beispiele: 1.1.1 Ein mit der Spannung 800 V beschleunigter Strahl eines einfach ionisierten Isotops durchläuft ein senkrecht zu seiner Bahn stehendes Magnetfeld (B = 0,2 T). Die Teilchen werden im Magnetfeld auf eine stabile Kreisbahn mit dem Radius r = 12,9 cm abgelenkt. Wie groß ist die Masse des Isotops? 1.1.2 Ein Kondensator besteht aus zwei konzentrischen leitenden Kugelflächen mit den Radien Ri = 0,06 m und Ra = 0,12 m. Zwischen den Kugelflächen herrsche die Spannung U = 1000 V. Berechnen Sie die Ladung des Kondensators. 1.2 die Mechanik Beispiele: 1.2.1 Ein Teilchen der Masse m1 bewegt sich in x-Richtung mit der Geschwindigkeit v1 und trifft auf eine ruhendes Teilchen der Masse m2 mit m2 = m1. Teilchen 1 wird durch den Stoß um 30° abgelenkt. Leiten Sie her, unter welchem Winkel zur x-Achse Teilchen 2 wegfliegt und geben Sie das Ergebnis in Form einer Skizze an. 1.2.2 Eine Turbopumpe zur Erzeugung eines Ultrahochvakuums dreht mit einer Drehzahl von 10200 Umdrehungen pro Minute. Nach dem Ausschalten bleibt sie bei gleichmäßiger Bremsung (d.h. konstanter negativer Winkelbeschleunigung) nach 800 s stehen. Wie viele Umdrehungen macht sie vom Ausschalten bis zum Stillstand? 1.3 die Optik Beispiele: 1.3.1 Bei der Sonnenfinsternis schob sich der Mond vor die Sonne. Wie groß wird das Bild des schwarzen Mondes in der Sonnenkorona auf dem Film einer normalen Kleinbildkamera mit einer Brennweite von 50 mm? 1.3.2 Zwei Teilwellen einer senkrecht einfallenden ebenen Lichtwelle werden wie nebenan skizziert oberhalb bzw. unterhalb einer Stufe der Höhe h reflektiert. Variiert man die Wellenzahl ν (d.h. die reziproke Wellenlänge) der monochromatischen Lichtquelle, dann ergeben sich bei Überlagerung der beiden Teilwellen Intensitätsminima und -maxima. Wie groß ist die Stufenhöhe h, wenn zwei benachbarte Intensitätsmaxima bei den Wellenzahlen 2513 cm-1 und 2929 cm-1 auftreten? 2. Als weniger wichtig... 3. Umgang mit Wissen aus… 3.1 mathematische Verfahren, z.B. Derivation und Integration anwenden können Beispiele: 3.1.1 Zweites Newton-Axiom: H dpH ( t ) H H F= , mit p( t ) = m( v) ⋅ v . dt 3.1.2 Berechnung der mechanischen Arbeit: r W = ò F(r ' )dr ' , mit z.B. F(r ) = − k ⋅ ∞ 3.2 selbständig physikalische Probleme lösen 4. Zum Umgang mit Rechnern 4.1 Programmieren 4.2 Textverarbeitung 5. Arbeitsmethoden 5.1 Lerninhalte in Eigenarbeit aufarbeiten und vertiefen e2 . r2 Studienanforderung Studiengang Informatik Nicht fächerspezifischer Teil … … Fächerspezifischer Teil Physik 1. Als sehr wichtig gelten 2. Als weniger wichtig wird 2.1 die Elektrizitätslehre angesehen 3. Umgang mit Wissen aus… 3.1 mathematische Verfahren, z.B. Derivation und Integration anwenden können 3.2 selbständig physikalische Probleme lösen 4. Zum Umgang mit Rechnern 4.1 kein Item über 35% ! ! ? 5. Arbeitsmethoden 5.1 fächerübergreifende Projekte 5.2 Gruppenarbeit
