9. Übungsblatt zur Vorlesung Physik für Pharmazeuten 27
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9. Übungsblatt zur Vorlesung Physik für Pharmazeuten Vorlesung am 17. Juli 2017 Besprechung: Übungen ab 25. Juli 2017 Vorlesungsdatum: 27 Elektrisches Feld - 0,5 Bonuspunkte In einen Plattenkondensator werde ein Elektron mit der Geschwindigkeit v0 = 350 · 103 cm s parallel zu den Kondensatorplatten eingeschossen. Das Elektron tritt genau in der Mitte zwischen den beiden Kondensatorplatten in den Kondensator ein. Eine Kondensatorplatte hat eine Fläche von A = 2 · 104 mm2 , der Plattenabstand beträgt d = 5 cm und zwischen den Platten liegt eine Spannung von U0 = 5 V an. Die elektrische Feldkonstante hat den −19 C und die Masse eine Elektrons Wert 0 = 8, 854 · 10−12 VA·s ·m , die Elementarladung beträgt e = 1, 6022 · 10 −31 beträgt me = 9, 1094 · 10 kg . a) Berechnen Sie die Kapazität C des Kondensators! b) Berechnen Sie die Ladung Q auf den Kondensatorplatten! Berechnen Sie Betrag und Richtung des elektrischen Feldes (in Zeichnung markieren) E zwischen den Kondensatorplatten! c) e) Berechnen Sie die vertikale Beschleunigung (Vorzeichen beachten!), die das Elektron im elektrischen Feld erfährt! 28 Magnetisches Feld - 0,5 Bonuspunkte In ein homogenes magnetisches Feld mit der magnetischen Flussdichte B = 2 T wird ein geladenes Teilchen mit der Geschwindigkeit v = 4, 8 · 106 ms eingeschossen. In dem Magnetfeld bewegt es sich auf einer kreisförmigen Bahn mit dem Bahnradius r = 0, 025 m. Berechnen Sie die Lorentzkraft FL , die auf das eingeschossene Teilchen wirkt, wenn es sich bei dem Teilchen um ein Elektron handeln würde! a) b) Kann es sich bei dem eingeschossenen Teilchen um ein Wasserto-Ion handeln? 29 Totalreexion und Brewsterwinkel - 0,5 Bonuspunkte Ein Taucher in einem Schwimmbecken versucht mit Hilfe eines blauen Laserpointers (Wellenlänge 405 nm) eine Wand auÿerhalb des Beckens zu beleuchten. Dabei nimmt in Abhängigkeit von der Position des Tauchers der Laserstrahl verschiedene Winkel α mit der Oberächennormalen ein. Der Brechungsindex von Wasser beträgt für 405 nm nW asser = 1, 3388. a) Geben Sie explizit den Winkelbereich an, unter dem eine Beleuchtung der Wand möglich ist! Der Laserpointer sendet vollständig linear polarisiertes Licht aus. Die Polarisationsrichtung des Laserstrahls verläuft parallel zu der Ebene, die durch einfallenden, reektieren und gebrochenen Strahl aufgespannt wird. b) Berechnen Sie den Winkel αB , bei dem kein reektierter Strahl zu sehen ist! 30 PFS - 0,5 Bonuspunkte Ein gepulster Laser (engl. pulsed Laser) produziert keinen kontinuierlichen Lichtstrahl, sondern entfaltet seine gesamte Energie in einem kurzen und intensiven Laserpuls. Ein solcher Laser, der Petawatt-Field-Synthesizer, bendet sich momentan am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Entwicklung. In der aktuellen Ausbaustufe hat der gepulste Laser eine Pulsenergie von E = 2 J und ist in der Lage, 10 Schüsse pro Sekunde abzugeben. Die Wellenlänge der vom Laser ausgesendeten Infrarot-Strahlung beträgt λ = 1030 nm. a) Berechnen Sie die Energie eines einzelnen Photons des Laserpulses! Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum beträgt 2, 998 · 108 m s . Das Plancksche Wirkungsquantum hat den Wert h = 6, 626 · 10−34 Js. Berechnen Sie die mittlere Pulsleistung in einem einzigen Laserpuls, unter der Annahme, dass die Laserpulse eine Dauer von ∆t = 3 ns haben! b) Zur Steigerung der Intensität bzw. Pulsleistung wird der Laserpuls über spezielle optische Bauelemente mit einer Transmission von 73 % bis auf eine Pulsdauer ∆t = 800 f s komprimiert. Berechnen Sie die nun für Experimente zur Verfügung stehende, mittlere Pulsleistung eines einzelnen Laserpulses! c)
