1 2 3 4 Nur vom Korrektor auszufüllen! 5 6 7 8 9 10 ∑ Note Experimentalphysik für Naturwissenschaftler II Universität Erlangen–Nürnberg SS 2011 Nachklausur (4.11.2011) Name (in Druckbuchstaben): Matrikelnummer: Studiengang: Bitte beachten: In die Wertung der Klausur gehen nur 8 der 10 gestellten Aufgaben ein. Kennzeichnen Sie deshalb deutlich vor Abgabe der Klausur, welche zwei Aufgaben nicht gewertet werden sollen! Sie müssen dies entscheiden, sonst werden einfach zwei Aufgaben nach Belieben gestrichen. Mit jeder Aufgabe können 8 Punkte erreicht werden. Empfehlung: Sehen Sie sich am Anfang der Klausur alle Aufgaben kurz an und entscheiden dann, welche Sie in welcher Reihenfolge bearbeiten wollen. Sollten Sie eine Teilaufgabe nicht bearbeitet haben, benötigen aber deren Ergebnis für die nächste Teilaufgabe, so nehmen Sie, falls keine Ersatzlösung angegeben ist, einfach einen Zahlenwert an, schreiben diesen hin und rechnen damit weiter. —————————————————————————— 1) Kühles Bier Es ist ein heißer Sommertag und Sie möchten sich als Belohnung für all die gerechneten Physik-Aufgaben eine Flasche Bier auf T1 = 12◦ C kaltstellen. Die Flasche (Bierflasche aus Glas) samt Inhalt hat zunächst T0 = 25◦ C. a) Welche Wärmemenge müssen Sie abführen, wenn das Bier die Masse MB = 500 g hat und stets auf der gleichen Temperatur wie die Flasche (Masse MF = 350 g) ist? (Ersatzlösung: ∆Q = 30 kJ) Lösung (4 Punkte) Die abgeführte Wärmemenge muss sein: ∆Q = (cGlas · MF + cWasser · MB ) · (T0 − T1 ) = 30, 9 kJ b) Wie viel Eis der Temperatur TE = −10◦ C benötigen Sie dafür, dass am Ende die Bierflasche samt Inhalt und das (geschmolzene) Eis die Temperatur T1 haben? Lösung (4 Punkte) TSchmelz = 0◦ C = 273 K 1 Energieerhaltung: ∆Q, die Energie, die die Bierflasche abgibt, wird vom Eis mit der Masse ME aufgenommen: von Eis aufgenommen ∆Q = cEis ME · (TSchmelz − TE ) + sEis ME + cWasser ME · (T1 − TSchmelz ) =⇒ ME = ∆Q = 76 g cEis · (TSchmelz − TE ) + sEis + cWasser (T1 − TSchmelz ) Hinweise: Vernachlässigen Sie den Wärmeaustausch mit der Umgebung und nehmen Sie für Bier die EigenJ J schaften von Wasser an. Die spezifischen Wärmekapazitäten sind cEis = 2, 22 gK , cWasser = 4, 19 gK , cGlas = J J 0, 8 gK . Die Schmelzwärme von Eis beträgt sEis = 334 g . 2 Name: Matrikelnummer: 2) Aquarium Ein Kind mit Augenhöhe H = 1, 2 m steht vor einem großen Aquarium in der Entfernung D = 1 m vor der Glasscheibe und betrachtet einen Wels am Grund. Der Grund des Aquariums befindet sich auf gleicher Höhe wie der Boden außerhalb. Den Fisch sieht das Kind unter einem Winkel von α = 20◦ relativ zur Waagrechten. Vernachlässigen Sie zunächst die Glasscheibe und betrachten lediglich die Grenzfläche zwischen Luft und Wasser (nWasser = 1, 33). a) Das Kind deutet auf den Punkt am Boden, an dem es den Wels sieht. Wie weit von der Glasscheibe ist dieser Punkt entfernt? (Vernachlässigen Sie dabei, dass der Boden des Aquariums in der Realität gar nicht mehr mit dem Boden außerhalb auf gleicher Höhe erscheint und verlängern Sie einfach den Sehstrahl bis zum echten Boden des Aquariums.) Lösung (2 Punkte) Es sei dscheinbar die Entfernung, in der das Kind (oder auch ein Erwachsener von gleicher Größe) den Wels vermutet, indem es einfach den Sehstrahl zum Boden des Aquariums verlängert, ohne die Lichtbrechung zu beachten: H H = (dscheinbar + D) tan α ⇒ dscheinbar = − D = 2, 30 m tan α b) Wie weit entfernt von der Glasscheibe befindet sich der Fisch in Wirklichkeit? Lösung (2 Punkte) Snellius’sches Gesetz: sin α nWasser = sinβ nLuft ( ) nLuft β = arcsin · sin α = 14, 9◦ nWasser Abstand: H = dtatsächlich tan β + D tan α ⇒ dtatsächlich = H − tan α · D = 3, 14 m tan β c) Beachten Sie nun zusätzlich die Glasscheibe mit endlicher Dicke und Brechungsindex nG = 1, 5. Ändert sich bei unverändertem α der Brechungswinkel im Wasser? Begründen Sie die Antwort mit einer knappen Rechnung. Lösung (2 Punkte) γ = Brechungswinkel im Glas nGlas sin α = sin γ nLuft nWasser sin γ = sin β nGlas 3 (1) (2) (1) · (2): sin α nWasser = sin β nLuft β ändert sich nicht, wenn α gleich bleibt. d) Die Grenzfläche Luft/Glas befinde sich noch immer in D = 1 m Entfernung vom Kind und das Kind sehe den Wels unter dem Winkel α = 20◦ relativ zur Waagrechten. Wie ändert sich qualitativ die tatsächliche Entfernung des Fischs von dieser Fläche mit wachsender Dicke der Glasscheibe? Erklären Sie dies zum Beispiel anhand einer Skizze. Lösung (2 Punkte) Anhand der Skizze lässt sich erkennen: Der tatsächliche Ort des Fischs muss bei gleichem α und β weiter entfernt von der Frontfläche der Glasscheibe sein als in b) berechnet. Anmerkung (wenn auch nicht gefragt): Allerdings ist der Fisch nicht mehr so weit von der Rückfläche der Glassscheibe entfernt als es bei einer dünnen Glasscheibe der Fall wäre. 4 Name: Matrikelnummer: 3) Magnetsturm Die Flussdichte des Erdmagnetfeldes kann man mit Hilfe einer mit der Winkelgeschwindigkeit ω rotierenden Spule messen. a) Wie muss die Rotationsachse orientiert sein, um nur die vertikale Komponente Bv zu messen? Lösung (2 Punkte) Die Spulenachse muss parallel zur horizontalen Feld-Komponente Bh sein, damit nur Bv eine Flussänderung in der Spule bewirkt. b) Entscheiden Sie durch Berechnung der Induktionsspannung, ob eine mit 6000 Umdrehungen pro Minute rotierende Spule mit der Querschnittsfläche A0 = 100 cm2 und N = 1000 Windungen sowie ein Wechselspannungsvoltmeter mit dem Messbereich 0 . . . 1, 0 V zur Messung von Bv = 45 µT geeignet sind. Lösung (3 Punkte) ⃗ = Bv A0 cos (ωt) Φ(t) = B⃗v · A(t) dΦ d (cos (ωt)) Ui (t) = −N · = −N Bv A0 = N Bv A0 ω sin (ωt) dt dt U0 = N Bv A0 ω = N Bv A0 2πf U0 N Bv A0 ω √ Ueff = √ = = 0, 2 V 2 2 Damit ist dieser Aufbau zur Messung geeignet. 5 Während eines heftigen magnetischen Sturms im Herbst 2003, hervorgerufen durch eine Sonneneruption, wurde an einem bestimmten Ort auf der Erdoberfläche eine maximale Änderung der vertikalen Magnetfeldkomponente Bv von 1, 39 nT gemessen. s Ω Es werde nun eine auf Masten verlegte Freileitung aus Aluminium mit einem Widerstand von ρS = 0, 036 km betrachtet, die näherungsweise einen geschlossenen Kreis mit r = 100 km Radius bildet. Gehen Sie dabei davon aus, dass sich das Erdmagnetfeld im gesamten Bereich der Freileitung wie oben angegeben ändert. c) Erläutern Sie, warum während des Magnetsturms in der Leitung ein elektrischer Strom fließt und bestimmen Sie seinen Wert zum Zeitpunkt der maximalen Änderung der vertikalen Magnetfeldkomponente Bv . Lösung (3 Punkte) Durch die zeitliche Änderung der vertikalen Komponente des magnetischen Flusses, welche die ringförmige Freileitung durchsetzt, wird in dieser eine Spannung induziert, die in der geschlossenen Leitung einen elektrischen Strom bewirkt. dΦ dB dB =A = πr2 = 43, 7 V dt dt dt Ui Ui Ii = = = 1, 9 A R 2πrρS |Ui | = 6 Name: Matrikelnummer: 4) Goldfisch kommt ins Schwitzen Beim Aufräumen Ihres Zimmers stellen Sie kurzfristig ihr Goldfischglas (Wassermasse m = 2 kg, spezifische J Wärmekapazität cH2 O = 4, 19 gK , Wassertemperatur anfänglich T1 = 20◦ C) auf der Heizung mit der Temperatur ◦ T2 = 50 C ab. Abgelenkt von einem Anruf vergessen Sie es dort. a) Welcher Wärmestrom fließt anfänglich durch den Glasboden der Fläche A = 80 cm2 und Dicke L = 1 cm? W Die Wärmeleitfähigkeit von Glas ist λ = 0, 85 m·K Lösung (2 Punkte) Der Wärmestrom P = dQ/dt beträgt: dQ A A = P = λ · ∆T = λ · (T2 − T1 ) = 20, 4 W dt L L b) Zeigen Sie, dass für die Änderung der Temperaturdifferenz ∆T = T2 − T1 in einem infinitesimalen Zeitintervall dt gilt: d(∆T ) λA =− · dt ∆T LcH2 O m Lösung (3 Punkte) A · ∆T dt L Nun ist die Änderung d(∆T ) der Temperaturdifferenz ja laut der Definition ∆T = T2 − T1 einfach: dQ = P dt = λ d(∆T ) = dT2 − dT1 = 0 − dQ λA =− · ∆T dt cH2 O m LcH2 O m (Erklärung: dT2 = 0, da die Heizung immer Energie nachliefert und auf konstanter Temperatur bleibt. Weiter gilt für die Wärmekapazität dQ/dT = cH2 O m ⇒ dT1 = dQ/(cH2 O m)) =⇒ d(∆T ) λA =− · dt ∆T LcH2 O m c) Wie lange dauert es, bis sich das Wasser im Glas auf für den Goldfisch bedrohliche 35◦ C erwärmt hat? Integrieren Sie dazu den Ausdruck für die Änderung von ∆T aus b). Lösung (3 Punkte) ∆T0 = 30 K, 7 ∆T1 = 15 K ∫ ∆T1 d(∆T ) λA =− · ∆T LcH2 O m ∆T0 λA ∆T0 ln( )= ·τ ∆T1 LcH2 O m =⇒ τ = ∫ τ dt 0 LcH2 O m ∆T0 · ln( ) = 8542 s = 2, 37 h λA ∆T1 Hinweise: Vernachlässigen Sie jeglichen Wärmeaustausch mit der Umgebung und nehmen Sie an, dass die Wärmeleitung durch den Glasboden zu jedem Zeitpunkt quasi-stationär erfolgt. 8 Name: Matrikelnummer: 5) Neongas In einer Glocke befinden sich n = 0, 05 mol Neongas. Die Glocke hat das Volumen V = 1 Liter und die Temperatur des Gases ist T = 20 ◦ C. Hinweis: Betrachten Sie Neon als ideales Gas. Ein Neonatom hat die Masse 20u = 20 · 1, 66 · 10−27 kg. Wichtige Konstanten: allgemeine Gaskonstante R = 8, 31J/(mol · K), Boltzmann–Konstante k = 1, 38 · 10−23 J/K. a) Welchen Druck hat das Neongas in der Glocke? (Ersatzlösung: p = 1 · 105 P a = 1bar) Lösung (3 Punkte) T = 293, 15K pV = nRT ⇒p= nRT 0, 05mol · 8, 31J/(mol · K) · 293, 15K = = 1, 22 · 105 P a = 1, 22bar −3 3 V 1 · 10 m b) Nun soll der Druck innerhalb der Glocke auf p2 = 0, 5 bar = 0, 5 · 105 Pa gesenkt werden. Dabei bleiben das Volumen und die Stoffmenge konstant. Welche physikalische Größe muss dafür geändert werden und welchen Wert nimmt sie an? Lösung (2 Punkte) Aus der idealen Gasgleichung pV = nRT ergibt sich für den Druck p = nRT /V = konst. · T . Das heißt, dass die Temperatur in diesem System gesenkt werden muss, um den Druck p2 zu erreichen. Sie beträgt: T2 = p2 V 5 · 104 P a · 10−3 m3 = = 120, 3K = −152, 8 ◦ C nR 8, 31J/(mol · K) · 0, 05mol c) Wie groß ist die mittlere kinetische Energie pro Neonatom vor und nach der Druckänderung? Lösung (3 Punkte) Da Neon ein Edelgas ist, hat es weder Rotations- noch Schwingungsfreiheitsgrade, die angeregt werden können. Somit besitzt es drei Translationsfreiheitsgrade. Die mittlere kinetische Energie berechnet sich zu 3 f kT = kT 2 2 Vor der Abkühlung beträgt die mittlere kinetische Energie 3 ⟨Ekin ⟩293,15K = · 1, 38 · 10−23 J/K · 293, 15K = 6, 07 · 10−21 J. 2 Nach der Abkühlung beträgt sie 3 ⟨Ekin ⟩120,3K = · 1, 38 · 10−23 J/K · 120, 3K = 2, 49 · 10−21 J. 2 ⟨Ekin ⟩ = 9 Name: Matrikelnummer: 6) Die Protonenpistole Sie wollen eine neue Protonenpistole für Captain Kirk bauen. Dazu erzeugen Sie ein homogenes elektrisches Feld mit Feldstärke E = 2 · 104 V/m, in dem die Protonen über eine Strecke von d = 1 cm beschleunigt werden. a) Welche elektrische Spannung U fällt entlang der Beschleunigungsstrecke ab? Lösung (1 Punkt) E= U d ⇒ U = Ed = 200 V b) Welche kinetische Energie Ekin gewinnen die Protonen? Welche Geschwindigkeit v haben sie also? Hinweis: Protonen besitzen eine Masse mP = 1, 67 · 10−27 kg und eine Ladung Q = e = 1, 602 · 10−19 C. (Ersatzlösung: v = 105 m/s) Lösung (2 Punkte) 1 Ekin = mp v 2 = 200 eV (= 3, 2 · 10−17 J) 2 √ ⇒v= 2Ekin = 1, 96 · 105 m/s mp c) Wie groß ist der Bahnradius r der Protonen, wenn Captain Kirk die Pistole bei einem Weltraumausflug senkrecht zum Erdmagnetfeld (BE = 4 · 10−5 T) abschießt? Lösung (3 Punkte) Die Protonen werden durch die Lorentzkraft auf eine Kreisbahn gezwungen, wobei die Zentrifugalkraft FZ = mp v 2 gleich der Lorentzkraft FL = evBE ist. r ⇒r= mp v = 51, 1 m. eBE Ersatzlösung: 26, 1 m d) Welches Ziel trifft Captain Kirk also, wenn sich in einem Umkreis von mehr als 100 m außer ihm keine Materie befindet, und er "elegant aus der Hüfte schießt"? Wie lange dauert es, bis das Ziel getroffen ist? Lösung (2 Punkte) Da die Protonen eine Kreisbahn zurücklegen, trifft Captain Kirk entweder seine eigene Hand von hinten oder, wenn er wirklich elegant aus der Hüfte schießt, mehr oder weniger seinen Allerwertesten. Die Flugzeit beträgt: 2πr s = 1, 6 ms t= = v v Ersatzlösung: 0, 84 ms 10 Name: Matrikelnummer: 7) Abbildung mit einer dünnen Streulinse Die Skizze zeigt einen Gegenstand G im Abstand g = 20 cm vor einer Streulinse mit einer Brennweite von f = −10 cm. a) Konstruieren Sie das Bild des Gegenstandes B in die Skizze. Lösung (3 Punkte) Die Konstruktion ist in unten stehender Skizze eingefügt, wobei anstelle des Parallel– oder Brennpunktstrahls auch der Mittelpunktstrahl genommen werden kann: b) Berechnen Sie die Bildweite b und den Abbildungsmaßstab M . Lösung (3 Punkte) 11 Die Bildweite berechnet sich zu 1 1 1 1 1 3 = − = − =− b f g −10cm 20cm 20cm ⇒ b = −6, 67cm. Der Abbildungsmaßstab ist M =− B b f −10cm 1 =− = = = = 0, 333 G g f −g −10cm − 20cm 3 c) Begründen Sie anhand der in b) errechneten Ergebnisse oder anhand der Skizze von a), ob das Bild reell oder virtuell, aufrecht oder umgekehrt und vergrößert oder verkleinert ist. Lösung (2 Punkte) Das Bild ist somit (wie in der Skizze) virtuell (b < 0) und aufrecht verkleinert (0 < M < 1). 12 Name: Matrikelnummer: 8) Coulomb-Kraft Gegeben sind zwei räumlich fixierte Punktladungen Q1 = 2, 5 nC und Q2 = 10 nC, die eine Kraft FC = 2 · 10−6 N aufeinander ausüben. Hinweis: Die elektrische Feldkonstante ist ϵ0 = 8, 854 · 10−12 A2 s4 /(m3 kg). a) Welchen Abstand L haben die Punktladungen voneinander? Stoßen sie sich ab oder ziehen sie sich an? (Ersatzlösung: L = 30 cm) Lösung (2 Punkte) Coulomb-Kraft zwischen zwei Ladungen: √ 1 Q1 Q2 1 Q1 Q2 FC = ⇒L= = 33, 5cm 2 4πϵ0 L 4πϵ0 FC Da beide Punktladungen gleiches Vorzeichen haben bzw. formal gilt FC > 0 ⇒ abstoßend. b) Eine positive Probe-Punktladung q wird entlang der x-Achse verschoben, die Q1 und Q2 miteinander verbindet (siehe Skizze). Skizzieren Sie die Richtungen der beiden Kräfte (Beträge der Kräfte sind hier nicht gefragt!), die jeweils auf q wirken, für die Bereiche xq < 0, 0 < xq < L sowie xq > L. Lösung (3 Punkte) Die Richtung der Kraft FqQ1 ist rot, die der Kraft FqQ2 grün eingezeichnet. c) Die Probe-Punktladung q habe die Masse mq = 2, 5 mg und die Ladung Qq = 5 nC. Sie wird nun am Punkt xq = 35 cm losgelassen und kann sich entlang der x-Achse frei bewegen. Welche Geschwindigkeit v erreicht q, wenn sie sich unendlich weit weg bewegt hat? Hinweis: Vernachlässigen Sie Reibungseffekte. 13 Lösung (3 Punkte) Die freiwerdende Energie wird komplett in kinetische Energie umgewandelt. Es gilt EC = Ekin . ( ) Qq Q1 Q2 EC = EC1 + EC2 = Qq ϕ1 (xq ) + Qq ϕ2 (xq − L) = + = 3, 1 · 10−5 J 4πϵ0 xq xq − L √ √ mv 2 2EC 2 · 3, 1 · 10−5 J EC = Ekin = ⇒v= = = 5, 0 m/s 2 m 2, 5 · 10−6 kg Ersatzlösung: v = 2, 7 m/s 14 Name: Matrikelnummer: 9) Carnot-Prozess Eine Wärmekraftmaschine arbeitet im Carnot-Kreisprozess mit 20 mol Argon. Es sei als Ideales Gas angenommen. Der Prozess startet am Punkt A bei einem Druck von 64, 801kP a und einer Temperatur von 1500K. Es erfolgt eine isotherme Expansion auf einen Druck von 43, 201kP a im Punkt B. Danach erfolgt eine adiabatische Expansion auf 500K und 2, 771kP a Druck an Punkt C, bevor das Gas wieder isotherm komprimiert wird und im Punkt D ein Druck von 4, 157kP a erreicht ist. Eine adiabatische Kompression schließt den Kreis. Hinweis: Allgemeine Gaskonstante R = 8, 314 J/(K mol) a) Zeichnen Sie schematisch (nicht maßstabsgetreu) ein P-V-Diagramm. Lösung (2 Punkte) Als Skizze wird in etwa Folgendes erwartet (möglichst ohne die Zitterkurven): Die echte maßstabsgerechte Kurve mit den Werten aus b) würde allerdings so aussehen (was selbst in Lehrbüchern meist also etwas falsch gezeichnet ist): 15 b) Berechnen Sie das Volumen an den Eckpunkten. Lösung (2 Punkte) Berechnung anhand idealer Gasgleichung V = n·R·T p VA = 3, 85 m3 VB = 5, 77 m3 VC = 30, 0 m3 VD = 20, 0 m3 c) Berechnen Sie die Änderung der Inneren Energie ∆U und die mechanische Arbeit ∆W in den Teilprozessen. Lösung (3 Punkte) Für Adiabaten: ∆Q = 0 3 ∆U = n · CV · (TE − TA ) = n · · R · (TE − TA ) 2 ∆U = ∆W Für Isothermen: ∫ ∆W = − ∆U = 0 VE pdV = n · R · T · ln( VA VA ) VE Im Folgenden werden die Zustandsänderungen der Teilprozesse mit zwei Indices bezeichnet, so dass zum Beispiel ∆UAB die Änderung der inneren Energie beim Übergang vom Punkt A zum Punkt B bezeichnet: ∆UAB = 0 ∆WAB = −101 kJ ∆UBC = −249 kJ ∆WBC = −249 kJ ∆UCD = 0 ∆WCD = 33, 7 kJ ∆UDA = 249 kJ ∆WDA = 249 kJ d) Berechnen Sie den Wirkungsgrad (ohne Herleitung). Lösung (1 Punkt) η= T2 − T1 = 0, 67 T2 16 Name: Matrikelnummer: 10) Widerstandsnetzwerk Ein Widerstandsnetzwerk (siehe Abbildung) wird an eine Spannungsquelle angeschlossen. Deren Spannung beträgt 12 V . Die mit R bezeichneten Widerstände haben 10 Ω, die mit R′ bezeichneten 5 Ω. Das Symbol R* soll nur den daneben stehenden Widerstand mit Betrag R kennzeichnen. a) Berechnen Sie den Gesamtwiderstand. (Ersatzlösung: RGes = 6 Ω) Lösung (3 Punkte) 1 RGes = 1 = 6, 25 Ω 1 + 1 ′ ′ R +R +R 1+ 1 R R′ +R′ +R b) Berechnen Sie den Gesamtstrom. (Ersatzlösung: IGes = 2 A) Lösung (1 Punkt) UIn IGes = = 1, 92 A RGes c) Berechnen Sie die an dem mit R* gekennzeichneten Widerstand abfallende Spannung. (Ersatzlösung: UR∗ = 4V ) Lösung (2 Punkte) Der Gesamtstrom teilt sich auf in einen Teil, der direkt durch den ersten Widerstand zwischen den Polen der Spannungsquelle fließt, und dem Teil, der durch den Rest der Schaltung fließt. (Parallelschaltung) Dieser fließt durch die beiden rechten Zweige der Schaltung und dann durch die beiden unteren R’ wieder zur Spannungsquelle zurück. Dadurch fällt an den beiden R’ eine Spannung proportional zum dort fließenden Strom IGes − UIn /R ab. Die Spannung an R* ist gleich der Eingangsspannung minus der an den beiden R’ abfallenden Spannungen. (Reihenschaltung) UIn ) = 4, 8 V UR∗ = UIn − 2 · R′ · (IGes − R d) Berechnen Sie den Strom durch den Widerstand R*. Lösung (1 Punkt) UR∗ IR∗ = = 0, 48 A R 17 e) Berechnen Sie die Leistung der Schaltung. Lösung (1 Punkt) PGes = UIn · IGes = 23, 04 W 18