zur Klausur - Physik in Jena
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EXPERIMENTALPhysik II Klausur SS 10 14.07.2010 Name: .............................................................. Matrikelnummer: .......................................... nur für die Korrektoren: Studienrichtung, -ziel (bitte ankreuzen): Aufgabe Punkte Physik BA 1-8 ........... Physik LA 9 ........... Mathe BA 10 ........... Mathe Diplom 11 ........... Geowiss.-Diplom 12 ........... Informatik–Diplom 13 ............ Sonstige __________ =============== Summe: ................... ------------------------------------ Bestätigung: Ich bestätige hiermit, dass ich die Klausur ohne fremde Hilfe und ohne unerlaubte Hilfsmittel bearbeitet habe. Datum, Unterschrift Wichtig !!!! Nur klare, übersichtliche Lösungen werden gewertet!!!! Alle Lösungen immer allgemein bestimmen, erst dann einsetzen!!!! SS 10 Klausur ExPh II 14.07.10 Seite 2 1. Aufgabe Vier identische Kondensatoren (Kapazität C) werden zunächst wie in Fig. (I) geschaltet, danach wie in Fig. (II). In welchem Fall ist die Gesamtkapazität größer? Begr.: ________________________________________________________________________ 2. Aufgabe Ja Nein Wie groß ist dann die eingeschlossene (Gesamt)Ladung? Q = 0 Q 0 Wenn die elektrische Feldstärke an jedem Punkt einer geschlossenen Oberfläche den Betrag Null hat, ist dann auch der Gesamtfluss durch die Oberfläche Null? Ja Nein Wie groß ist jetzt die eingeschlossene (Gesamt)Ladung? Q = 0 Q 0 Wenn der Gesamtfluss durch eine geschlossene Oberfläche Null ist, ist dann auch der Betrag der elektrischen Feldstärke an jedem Punkt der Oberfläche Null? Begr.: ________________________________________________________________________ SS 10 Klausur ExPh II 14.07.10 Seite 3 3. Aufgabe Wie groß ist die magn. Feldstärke B in einer Ringspule (N Windungen jeweils mit dem Strom I) genau in der Mitte zwischen dem inneren Radius a und dem äußeren Radius b. r I ............ Begr.: ________________________________________________________________________ 4. Aufgabe Mit einem Vorwiderstand RV wurde der Messbereich eines Gleichspannungsvoltmeters mit dem Innenwiderstand Ri auf das n-fache vergrößert. Es gilt: Das Verhältnis n (n-1) ist ............. Begr.(mit Schaltskizze): ________________________________________________________________________ SS 10 Klausur ExPh II 14.07.10 Seite 4 5. Aufgabe In einem dünnen Aluminium-Film beträgt die maximale Stromdichte ca. 1,0 . 108 Am-2. Welche Stromstärke ist deshalb in der 1,0 m dicken und 10 m breiten AluminiumZuleitung eines integrierten Schaltkreises höchstens zulässig? 10 A 0,10 mA 1,0 mA 10 mA 0,10 A 1,0 A Begr.: ________________________________________________________________________ 6. Aufgabe Eine gleichmäßig geladene Leiterschleife habe die Form eines Kreises mit Radius b. Betrachten Sie zwei Punkte auf der Mittelachse senkrecht zur Kreisschleife: P1 habe den Abstand b vom Kreismittelpunkt, P2 den Abstand 2b vom Kreismittelpunkt. Das Potential im Unendlichen sei Null, das Potential bei P1 bzw. P2 sei V1 bzw. V2. Wie groß ist V2 in Abhängigkeit von V1? 2 V1 2V1 V1 4V1 5 5 2 Begr. (mit Zeichnung): ________________________________________________________________________ SS 10 Klausur ExPh II 14.07.10 Seite 5 7. Aufgabe Für den komplexen Wechselstromwiderstand einer idealen Induktivität (Spule) gilt: X L iL . Außerdem gilt bei sinusförmigen Spannungen und Strömen: U L X L I L . In einem Wechselstromkreis mit sinusförmiger Spannung hat der Strom durch d ie Spule gegenüber der Spannung an der Spule eine Phasenverschiebung von 0 (in Phase) 2 2 Begr. (mit Zeigerdiagramm): ________________________________________________________________________ 8. Aufgabe In einer Elektrolysezelle mit Elektrodenfläche A fließe ein elektrischer Strom. Dabei bewegen sich positive Ionen (Anzahldichte n+ ; Wertigkeit z+) mit der Driftgeschwindigkeit nach rechts und negative Ionen (Anzahldichte n- ; Wertigkeit z-) mit der Driftgeschwindigkeit nach links. Geben Sie die gesamte Stromdichte (Vektor!) und die Stromstärke I an. Begr. mit Skizze! ________________________________________________________________________ SS 10 Klausur ExPh II 14.07.10 Seite 6 SS 10 Klausur ExPh II 14.07.10 Seite 7 9. Aufgabe: Koaxialkabel - Zylinderkondensator Bei einem Koaxialkabel befinden sich auf den zwei konzentrischen zylinderförmigen Leitern mit den Radien ra bzw. rb (>ra) die homogenen Flächenladungsdichten a (>0) und b . Die - und -Felder seien nur zwischen den beiden Zylindern von Null verschieden, während sie außerhalb dieses Raumgebiets verschwinden. Zwischen den Zylindern befindet sich ein Dielektrikum (relative DK r). Randeffekte seien vernachlässigbar. a) Bestimmen Sie die Ladungsdichte b in Abhängigkeit von a und den Abmessungen. b) Bestimmen Sie mit dem Gaußschen Satz zwischen den Zylindern in Abhängigkeit vom Abstand r zur Zylinderachse. c) Bestimmen Sie das elektrische Potential zwischen den Zylindern in Abhängigkeit vom Abstand r zur Zylinderachse, dabei gelte . Skizzieren Sie den Potentialverlauf für 0 ≤ r < R mit R > rb . d) Welche längenbezogene Kapazität C* (Kapazität pro Längeneinheit) hat die Anordnung? SS 10 Klausur ExPh II 14.07.10 Seite 8 SS 10 Klausur ExPh II 14.07.10 Seite 9 10. Aufgabe: Heißer Rahmen Ein aus Eisenstäben (Durchmesser d) zusammengeschweißter quadratischer Rahmen der Kantenlänge a wird bei Zimmertemperatur mit einer konstanten Geschwindigkeit v=v 0 in ein scharf begrenztes, homogenes Magnetfeld der Stärke B gestoßen (B ┴ zum Eisenrahmen!).Berechnen und zeichnen Sie den zeitlichen Verlauf der induzierten Spannung U(t)! Welche Temperatur hat das Eisen unmittelbar nach dem Experimen t? Der Rahmen wird anschließend mit der gleichen Geschwindigkeit wieder aus dem Feld herausgerissen. Welche Temperatur hat er dann? Welche Kraft muß während der Bewegung aufgebracht werden? a=1m v0 = 20 ms-1 B = 2 Vsm-2 Spez. el. Widerstand ρel= 10-7 Ωm Spez. Massendichte ρmasse= 104 kg m-3 Spez. Wärmekapaz. cv= 500 Jkg-1K-1 dStab = 1 cm SS 10 Klausur ExPh II 14.07.10 Seite 10 SS 10 Klausur ExPh II 14.07.10 Seite 11 11. Aufgabe: Magnetfeldberechnung das -Feld (Vektor !) am Punkt P der gegebenen Leiteranordnung allgemein in Abhängigkeit von R und I. Die z-Richtung zeigt senkrecht aus der Zeichenebene heraus. Ausführliche Berechnung mit aussagekräftiger Zeichnung als Grundlage! a) Berechnen Sie mit Hilfe des Biot-Savartschen Gesetzes b) Bestimmen Sie mit a) das -Feld (Vektor !) am Punkt Q, der den gemeinsamen Mittelpunkt der beiden dreiviertelkreisförmigen Leiter bildet. SS 10 Klausur ExPh II 14.07.10 Seite 12 SS 10 Klausur ExPh II 14.07.10 Seite 13 12. Aufgabe: Brechungsgesetz Ein rechtwinkliges Prisma mit der Brechzahl n 1, welches von einem Medium der Brechzahl n2 umgeben ist, wird mit einem senkrecht auf seine Basis einfallenden Lichtbündel beleuchtet. II I n1 n2 Ergänzen Sie die Skizze mit dem Strahlenverlauf im Inneren des Prismas und erklären Sie a) unter welchen Bedingungen das austretende Bündel I existiert! b) Unter welchem Winkel β tritt das Bündel II aus der Seitenfläche des Prismas aus, wenn α = 60° , n 1 = 2 und n2 = 1 ist? SS 10 Klausur ExPh II 14.07.10 Seite 14 SS 10 Klausur ExPh II 13. Aufgabe (Zusatzaufgabe) : Widerstandsberechnung Durch den abgebildeten Sektorblock fließt ein Strom I in radialer Richtung nach außen. Berechnen Sie den elektrischen Widerstand zwischen den gekrümmten Flächen bei r1 und r2 . Das Stück ist aus Materialien unterschiedlicher Leitfähigkeiten (1 und 2) zusammengesetzt und hat die gleichmäßige Dicke b. 14.07.10 Seite 15 SS 10 Klausur ExPh II 14.07.10 Seite 16