Geben Sie für folgende physikalische Größen die

1. Aufgabe (10 Punkte)
Geben Sie für folgende physikalische Größen die Definitionsgleichung an, und erklären Sie die Bedeutung der Formelzeichen:
Massenträgheitsmoment, elektrisches Dipolmoment, Brechungsindex, Adiabatenexponent, elektrisches Feld.
(Beispiel: Kinetische Energie Ekin = 12 mv 2 mit m = träge Masse, v = Geschwindigkeit von m.)
2. Aufgabe ( 9 Punkte)
Eine Masse M = 6 kg gleitet reibungsfrei horizontal entlang der positiven z-Achse
über den Boden. Die Geschwindigkeit der Masse beträgt v = 4, 0 m/s. Plötzlich
zerbricht die Masse ohne Einwirkung äußerer Kräfte in zwei Teilstücke. Teilstück
1 hat die Masse m1 = 2, 0 kg und bewegt mit einer Geschwindigkeit v10 = 8, 0 m/s
in positiver Richtung entlang der z-Achse.
a) Mit welcher Geschwindigkeit (vektoriell !) bewegt sich die 2. Masse m2 ?
b) Die Masse m1 trifft auf eine Feder mit der Federkonstanten k = 200 N/m. Um
welche maximale Strecke drückt die Masse m1 die Feder zusammen?
c) Welche Geschwindigkeit hat die Masse m1 , wenn die Feder aus Teil b) nur zur
Hälfte zusammengedrückt ist?
3. Aufgabe (8 Punkte)
Bewerten Sie die folgenden Aussagen mit richtig oder falsch und geben Sie eine
kurze Begründung. (Hinweis: Antworten ohne Begründung werden nicht gewertet.)
a) Befindet sich eine bewegte elektrische Ladung (~v 6= 0) in einem homogenen
Magnetfeld, wird sie in jedem Fall beschleunigt.
b) Für eine stehende Seilwelle gilt, dass an bestimmten Orten die Auslenkung der
Seilelemente immer maximal ist.
c) Ein Elektron in einem Atom geht von einem angeregten Energiezustand E2
unter Aussendung eines Photons in den Grundzustand E1 über. Die Energie des
ausgesandten Photons ist in jedem Fall identisch mit der Energiedifferenz E2 − E1 .
d) Adiabatische Zustandsänderungen eines idelaen Gases führen immer zu einer
Temperaturänderung des Gases.
4. Aufgabe (4, 3, 2 Punkte)
Eine negativ geladene Platte ist Ursache für ein homogenes elektrisches Feld E =
1000 N/C. Ein Elektron wird parallel zu den Feldlinien in Richtung der Platte mit
einer Geschwindigkeit v0 = 2 · 106 m/s geschossen.
a) Aus welchem Abstand von der Platte muss das Elektron geschossen werden,
damit es gerade mit der Endgeschwindigkeit vE = 0 m/s die Platte erreicht?
(Hinweis: Nutzen Sie die Energieerhaltung.)
b) Was sind elektrische Feldlinien, und wie konstruiert man sie?
c) Skizieren Sie qualitativ einige Feldlinien eines elektrischen Dipols und zeichnen
Sie an vier verschiedenen Stellen der Feldlinien Vektoren des elektrischen Feldes
ein.
5. Aufgabe (4, 4, 2 Punkte)
a) Ein Gefäß enthält Wasserstoff bei einer Temperatur von 40◦ C und einem Druck
von 2 bar. Das Volumen beträgt 12 l. Die Temperatur wird auf 100◦ C erhöht, das
Volumen auf 6,0 l reduziert. Welcher Enddruck stellt sich ein?
(Hinweis: Das Gas verhält sich wie ein ideales Gas.)
b) Was versteht man unter einer isobaren, isothermen, isochoren, adiabatischen
Zustandsänderung?
c) Ändert sich bei dem in Teil a) beschriebenen Prozess die innere Energie des
Gases? (Hinweis: Eine Antwort ohne Begründung wird nicht gewertet.)
6. Aufgabe (10 Punkte)
Ein Vollzylinder der Länge l und dem Radius R ist homogen mit der Ladungsdichte σ geladen. Die Gesamtladung ist Q. Bestimmen Sie mit Hilfe des Gauß’schen
Gesetzes das elektrische Feld als Funktion von σ und dem Abstand r von der Mittellinie des Zylinders für folgende Fälle:
a) innerhalb des Zylinders,
b) außerhalb des Zylinders.
(Hinweis: Begründen Sie jeden relevanten Rechenschritt.)
7. Aufgabe (8 Punkte)
a) Ein Photon der Energie Eγ = 2 eV trifft auf einen Halbleiter und setzt durch
den Photoeffekt ein Elektron frei. Die Ablösearbeit beträgt 1 eV. Wie groß (in Einheiten der Lichtgeschwindigkeit) ist die Geschwindigkeit des Elektrons? (Hinweis:
Sie dürfen nichtrelativistisch rechnen.)
b) Ein Teilchen besitzt eine kinetische Energie, die so groß ist wie seine Ruheenergie. Wie groß ist dann die Geschwindigkeit in Einheiten der Lichtgeschwindigkeit.
(Hinweis: Sie müssen relativistisch rechnen.)
D. Samm
Physik-Klausur 16. Juli 2010
2
8. Aufgabe (20 Punkte)
a) Erklären Sie das physikalische Prinzip eines Massenspektrometers.
b) Nennen und erklären Sie drei Möglichkeiten des Wärmetransports.
c) Erklären Sie, warum in einem Atom maximal 8 Elektronen die Hauptquantenzahl n = 2 besitzen können.
d) Erklären Sie die Begriffe Zeitdilatation und Längenkontraktion.
e) Was versteht man unter einem n-dotierten und einem p-dotierten Halbleiter.
Erklären Sie, welche Ladungen bei den beiden Halbleiterarten die Majoritäts- bzw.
die Minoritätsladungsträger sind.
Konstanten
G = 6,67 ·10−11 N m2 /kg2
k = 1,38·10−23 J/K
R = 8,314 J/(mol K)
NA = 6,022 ·1023 mol−1
Ry = 1,097 ·107 m−1
e = 1,602·10−19 C
g = 9,81 m/s2
c = 2,998 ·108 m/s
h = 6,626 ·10−34 J s
h = 4,14 ·10−15 eVs
Elektronenmasse
me = 9,109 ·10−31 kg = 0,51 MeV/c2
Protonenmasse
mp = 1,673 ·10−27 kg ≈1 GeV/c2
Neutronenmasse
mn ≈1 GeV/c2
Elektrische Feldkonstante
²0 = 8, 9 · 10−12 C2 /(N m2 )
Magnetische Feldkonstante µ0 = 4π10−7 N s2 /C2
Gravitationskonstante
Boltzmannkonstante
Gaskonstante
Avogadrokonstante
Rydbergkonstante
Elementarladung
Erdbeschleunigung
Lichtgeschwindigkeit
Plancksche Konstante
Umrechnungen
1 eV = 1,602 ·10−19 J
ϑ/◦ C = T /K - 273
D. Samm
Physik-Klausur 16. Juli 2010
3