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Matrikelnummer:
Übungsgruppenleiter:
Universität Potsdam
Institut für Physik und Astronomie
14.02.2012
Klausur zur Experimentalphysik I für Geowissenschaftler und Geoökologen
(Prof. Philipp Richter)
Gesamtpunktzahl: 52
Dauer: 90 min
Hinweise:
• Füllen Sie die Kopfzeile aus.
• Beschriften Sie auch die Aufgabenzettel, wo etwas anzukreuzen oder zu ergänzen ist sowie
alle Lösungszettel mit Ihrem Namen und Ihrer Matrikelnummer.
• Verwenden Sie die Lösungszettel nur einseitig, legen Sie sie mit der leeren Seite nach oben
ab.
• Die Bearbeitungsreihenfolge der Aufgaben ist freigestellt, kennzeichnen Sie ihre Lösungen
mit der dazugehörigen Aufgabennummer.
• Nur deutlich lesbare Antworten können bepunktet werden. Stellen Sie Ihren Lösungsweg klar
und ausführlich dar.
• Definieren Sie verwendete Formelzeichen.
• Als Hilfsmittel sind nur (nicht programmierbare) Taschenrechner erlaubt. Das Einziehen
programmierbarer Geräte wird vorbehalten.
• Kommunikationsfähige Geräte wie Mobiltelefone und PDAs sind abzuschalten.
Nichtbeachten hat den Ausschluss von der Klausur zur Folge.
• In dieser Klausur sind maximal 52 Punkte zu erreichen. Mit 50% der Punkte haben Sie auf
jeden Fall bestanden. Die Modulnote ergibt sich aus der erreichten Punktzahl, die genaue
Skala wird bei der Besprechung bekannt gegeben.
Wir wünschen Ihnen viel Erfolg.
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Matrikelnummer:
1. Welche Aussage trifft zu? (Bitte kreuzen Sie die richtige Lösung an):
1.1 Zwei Kugeln mit m1 = 10 kg und m2 = 20 kg werden im Vakuum zur gleichen Zeit aus der
gleichen Höhe fallen gelassen. In halber Höhe über dem Erdboden ist:
(A) der Impuls beider Kugeln gleich,
(B) die Beschleunigung beider Kugeln gleich,
(C) die kinetische Energie beider Kugeln gleich,
(D) die Geschwindigkeit der Kugel mit der Masse m2 größer,
(E) keine der Aussagen richtig.
2 Punkte
1.2 Um für eine Pirouette seine Winkelgeschwindigkeit ω zu erhöhen, zieht ein Eiskunstläufer
die Arme an den Körper. Dabei:
(A) vergrößert sich sein Trägheitsmoment,
(B) vergrößert sich sein Drehimpuls,
(C) verringert sich sein Trägheitsmoment,
(D) vergrößert sich das Drehmoment.
2 Punkte
1.3 Eine ebene harmonische Welle breitet sich in positive x-Richtung aus. Wie groß ist der
Abstand zwischen zwei identischen Schwingungszuständen eines Teilchens nach Ablauf
einer Periodendauer T ?
(A) eine Wellenlänge λ,
(B) eine halbe Wellenlänge λ/2,
(C) unbestimmt; hängt von der Ausbreitungsgeschwindigkeit c der Welle ab.
2 Punkte
1.4 Das von einer Kraft ausgeübte Drehmoment ist, als Vektor betrachtet,
(A) parallel zu dieser Kraft gerichtet,
(B) steht immer senkrecht zu dieser Kraft,
(C) ist entgegengesetzt zu dieser Kraft gerichtet.
2 Punkte
1.5 Die Länge l des Fadens eines Fadenpendels wird vervierfacht. Wie ändert sich die
Schwingungsdauer T des Pendels?
(A) sie wird viermal größer,
(B) sie wird viermal kleiner,
(C) sie wird zweimal kleiner,
(D) sie wird zweimal größer.
2 Punkte
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1.6 Ein Pendel ist über eine Rolle mit einem Federkraftmesser verbunden. Was zeigt der
Kraftmesser im Vergleich zum ruhenden Pendel an, wenn das Pendel in Schwingung
versetzt wird?
(A) Die Anzeige am Kraftmesser ändert sich nicht.
(B) Der Kraftmesser zeigt einen konstanten größeren
Wert an.
(C) Die Anzeige am Kraftmesser ändert sich im
Rhythmus der Schwingung; sie ist in der Position 2
am größten.
(D) Die Anzeige ändert sich im Rhythmus der Schwingung; sie ist in den Positionen 1 und 3 am größten.
2 Punkte
2. Grundlagenwissen (Formulieren Sie kurz bzw. ergänzen Sie):
2.1 Welche Erhaltungssätze gelten jeweils für den elastischen bzw. unelastischen Stoß?
2 Punkte
2.2 Geben Sie die Bewegungsgleichung (Weg-Zeit-Gesetz) für einen harmonischen Federschwinger (Federkonstante k, Masse m) an. Wie ist in diesem Fall die Kreisfrequenz ω
definiert?
y(t) =
ω=
2 Punkte
2.3 Führt ein Körper auf einer ebenen Unterlage eine Rollbewegung aus, so berechnet sich
seine kinetische Gesamtenergie zu
Ekin,Ges =
2 Punkte
2.4 Nennen Sie zwei Möglichkeiten um linear polarisiertes Licht zu erzeugen.
2 Punkte
2.5 Innerhalb welchen Intervalls muss sich ein Gegenstand vor einer dünnen Sammellinse
befinden, damit ein umgekehrtes, vergrößertes reelles Bild entsteht? Skizzieren Sie die
Bildentstehung.
3 Punkte
3. Anwenden und Rechnen
3.1. Ein Spielzeugauto fährt unter dem Einfluss der Schwerkraft
zunächst eine schiefe Ebene hinunter und durchfährt anschließend einen Looping mit dem Radius R = 40 cm.
Tragen Sie die am höchsten Punkt der Kreisbahn auf das Auto
wirkenden Kräfte ein, stellen Sie eine Gleichgewichtsbedingung
auf und berechnen Sie, aus welcher Anfangshöhe h das Auto mindestens starten muss,
damit es den Looping durchfahren kann, ohne aus der Bahn zu fallen. Nehmen Sie das
Auto als punktförmig an und vernachlässigen Sie die Reibung.
6 Punkte
3.2 Ein LKW fährt rückwärts gegen eine Anhängerkupplung, wobei deren Pufferfeder (Federkonstante k = 500 kN/m) von x0 = 0 auf x1 = 3 cm zusammengedrückt wird.
a) Welche Kraft F wirkt auf die Pufferfeder an der Stelle x1? (2 P.)
b) Welche Arbeit W wird beim Zusammendrücken der Feder verrichtet? (3 P.)
c) Welche potenzielle Energie Epot besitzt die zusammengedrückte Feder? (1 P.)
6 Punkte
3.3 Bei einem Kettenkarussell beträgt der Auslenkwinkel der
Sitze während der Drehbewegung α = 60°. Die Ketten
haben eine Länge von l = 10 m und sind im Abstand
a = 2 m von der Drehachse befestigt. Die Sitze haben
die Masse m = 1 kg und während der Drehbewegung
den Abstand r von der Drehachse.
|← a →|
l
a) Tragen Sie in der Skizze zunächst aus der Sicht
eines außen stehenden Beobachters die auf einen
Sitz wirkenden Kräfte ein und benennen Sie diese
Kräfte. (3 P.)
b) Berechnen Sie die auf einen Sitz wirkende Radialkraft FR. (2 P.)
c) Berechnen Sie Winkelgeschwindigkeit ω (3 P.), Bahngeschwindigkeit v (2 P.) und
Umlaufdauer T (2 P.) der Kreisbewegung. (Fallbeschleunigung g = 9,81 m/s2)
12 Punkte
3.4 Licht wird aus Luft (
1,00) in eine gerade
Glasfaser mit dem Brechungsindex
1,40
eingekoppelt.
Wie groß darf der Einfallswinkel des einfallenden Strahls (siehe Skizze) maximal sein,
wenn der Strahl in der Faser weitergeleitet werden soll?
5 Punkte