Prüfung Physik IB 2016-01-13

Rechenteil: Physik IB Prüfung, 13.01.2016 (Maximal 12 Punkte) 1. Ein hupendes Auto nähert sich einer Schall reflektierenden Wand. Ein ruhender Beobachter hinter dem Auto hört einen Schall der Frequenz 745 Hz und einen Schall der Frequenz 863 Hz. a) Wie schnell fährt das Auto? b) Welche Frequenz hat die Autohupe? c) Welche Frequenz hört der Autofahrer von der Welle, die von der Wand reflektiert wird? (4 Punkte) 2.
3.
Ein idealer Plattenkondensator mit einem Plattenabstand von 1 mm ist bis zur Hälfte des Plattenabstandes mit einen Dielektrikum der relativen Dielektrizitätskonstante  = 4 ausgefüllt. Zwischen die Platten wird eine elektrische Spannung von 10 Volt angelegt. a) Berechnen Sie den Potentialverlauf U(x) zwischen den Platten und zeichnen Sie diesen in ein Diagramm ein. b) Berechnen Sie die Ladung, die pro cm2 Plattenfläche des Kondensators gespeichert wird. (4 Punkte) Eine geschlossenen, quadratisch geformte Kupferdrahtschleife wird mit einer Seite mit einer Geschwindigkeit von v = 5 m/sec senkrecht durch ein homogenes Magnetfeld der Größe B = 0.8 Tesla bewegt. Die Drahtschleife habe eine Seitenlänge von 30 cm und einen Drahtdurchmesser von d = 1mm bei einem spezifischen Widerstand von = 1.7∙10‐8m. Das Magnetfeld wirke auf einer Länge von 20 cm auf das im Feld sich bewegende Drahtstück ein (siehe Skizze). a) Berechnen Sie den in der Schleife im geschlossenen Stromkreis fließenden elektrischen Strom. b) Berechnen Sie die Kraftwirkung des Magnetfeldes auf diesen Strom, d.h. mit welcher Kraft muss man den Leiter bewegen? c) Überprüfen Sie den Energieerhaltungssatz, indem Sie die in der Leiterschleife verbrauchte elektrische Verlustleistung vergleichen mit der mechanischen Leistung, welche für die Verschiebung des Drahtes erforderlich ist. (4 Punkte) Theoretischer Teil: Physik IB Prüfung, 13.01.2016 (2 Fragen nach Wahl beantworten, maximal 8 Punkte) 1. Das elektrische Feld einer nichtleitenden positiv geladenen Vollkugel ist im Inneren der Q r
, wobei Q die gesamte Ladung, R der Kugelradius und Kugel gegeben durch E 
4 0 R 3
r der Abstand vom Kugelzentrum sind. Nehmen Sie an, Sie könnten einen sehr dünnen Kanal durch diese Kugel bohren, welcher durch das Kugelzentrum geht und die Feldverteilung im Inneren nicht stört. Zeigen Sie, dass ein Elektron welches genau am Kugelrand dieses Kanals losgelassen wird, eine Pendelbewegung zwischen den beiden Austrittspunkten des Kanals ausführt (die Dämpfung sei zu vernachlässigen). Berechnen Sie explizit die Periodendauer dieser Schwingung. (4 Punkte) 2. Zwei Metallkugeln A und B, von denen die Kugel B das tausendfache Volumen von Kugel A hat, sind durch einen sehr dünnen Draht miteinander verbunden. a) Wie groß ist das Potential von Kugel B verglichen mit Kugel A? b) Wie viele Ladungen sind auf Kugel B verglichen mit Kugel A? c) Wie groß ist die Ladungsdichte an der Oberfläche von Kugel B verglichen mit Kugel A? d) Wie groß ist das elektrische Feld von Kugel B verglichen mit Kugel A? (4 Punkte) 3. Protonen werden im Feld eines Plattenkondensators durch eine Spannung U beschleunigt und durch ein Loch in das homogene Magnetfeld B (das aus der Zeichenebene heraus zeigt) eines Elektromagneten eingeschossen (siehe Skizze). a) In welchem Abstand d vom Eintrittsloch und auf welcher Seite trifft der Protonenstrahl auf den Leuchtschirm auf. b) Was ändert sich qualitativ und auch quantitativ (Abschätzung!) wenn man Elektronen statt Protonen verwendet (das elektrische Feld muss dabei natürlich auch umgekehrt werden, damit die Elektronen zum Loch hin beschleunigt werden)? (4 Punkte)