Klausur GPH 1 09-7-12-Lo sungen

Name:
Matrikelnummer:
Studienfach:
Physik 1 (GPh1) am 9.07.2012
Fachbereich Elektrotechnik und Informatik, Fachbereich Mechatronik und
Maschinenbau
Zugelassene Hilfsmittel zu dieser Klausur: Beiblätter zur Vorlesung Physik 1 ab
WS 10/11 (Prof. Sternberg, Prof. Müller, Prof. i.V. Lütticke, Prof. Albers) ohne
Veränderungen oder Ergänzungen, Taschenrechner (ohne drahtlose Übertragung mit
einer Reichweite von größer als 30 cm wie Funkmodem, IR-Sender, Bluetooth), kein
PDA oder Laptop.
Dauer: 2 Stunden
Maximal erreichbare Punktezahl: 100. Bestanden hat, wer mindestens 50 Punkte
erreicht.
Bitte beginnen Sie die Lösung der Aufgabe unbedingt auf dem betreffenden
Aufgabenblatt! Falls Sie weitere Blätter benötigen, müssen diese unbedingt
deutlich mit der Aufgabennummer gekennzeichnet sein.
AUFGABE
1a
1b
1c
2a
2b
2c
2d
2e
2f
2g
3a
3b
3c
4a
4b
4c
4d
Form
Gesamt
MÖGLICHE
ERREICHTE
PUNKTZAHL PUNKTZAHL
12
6
6
3
3
3
3
4
4
4
7
10
7
7
4
6
7
4
100
Achtung! Bei dieser Klausur werden
pro Aufgabe 1 Punkt für die Form
(Gliederung, Lesbarkeit,
Rechtschreibung) vergeben!
Bitte kennzeichnen Sie dieses Blatt und
alle weiteren, die Sie verwenden, mit
Ihrem Namen, Ihrer Matrikelnummer
und Ihrem Studienfach.
Seite 1 von 10
1. Physikalische Kleinigkeiten
a) Allerlei (3 – 6 – 3 Pkte):
1. Bei einem 400-m-Lauf wird auf 1/10 Sekunde genau gemessen und dann aus
etlichen Messungen der Mittelwert gebildet. Es ergibt sich 198,3465 Sekunden. Ist
dieser Mittelwert so dargestellt sinnvoll? (Begründung ggf. Korrektur)
2. Gibt es die folgenden zusammengesetzten Einheiten? Wenn ja, bitte dann die
richtige Bezeichnung schreiben, wie z.B. Watt, Ohm, etc. Wenn nein, dann auch
hinschreiben!
kg * m * s2
kg * m2 / s3
kg / s2
3. Früher wurde das Urmeter in Paris, welches aus einer speziellen Legierung
hergestellt worden ist, als Normal genommen. Die Messvorschrift sagte, dass die
Länge bei 20°C galt. Warum wird dieses heute nicht mehr genommen?
(Heute wird das Vielfache einer speziellen Lichtwellenlänge, die durch Atome
ausgesandt wird, genommen.)
b) Welche der folgenden Alternativen ist/sind richtig (Buchstaben einkreisen):
Welche Aussage trifft zu:
A)
B)
C)
D)
Zwei Schüler, von denen Schüler "a" die Masse
95 kg und Schüler "b" die Masse 77 kg hat,
sitzen sich auf zwei gleichen Bürostühlen direkt
gegenüber. Schüler "a" stellt seine Füße auf die
Knie von Schüler "b" (s. Abbildung). Schüler "b"
hat seine Füße angehoben. Plötzlich streckt
Schüler "a" seine Beine aus, wodurch beide
Stühle in Bewegung versetzt werden.
E)
Keiner der Schüler übt eine Kraft auf den
anderen aus.
Schüler "a" übt eine Kraft auf "b" aus,
aber "b" übt keine Kraft auf "a" aus.
Jeder der Schüler übt eine Kraft auf den
anderen aus, aber "b" übt die größere
Kraft aus.
Jeder der Schüler übt eine Kraft auf den
anderen aus, aber "a" übt die größere
Kraft aus.
Jeder der beiden Schüler übt eine gleich
starke Kraft auf den anderen aus.
Seite 2 von 10
A)
B)
C)
D)
Ein Fahrstuhl wird in einem Fahrstuhlschacht
über ein Stahlseil heraufgezogen. Die Kabine
bewegt sich während des Heraufziehens mit
konstanter Geschwindigkeit. Welche der
folgenden Aussagen beschreibt die Bewegung
korrekt?
E)
Die nach oben gerichtete Kraft durch das
Stahlseil ist größer als die nach unten
gerichtete Gravitationskraft.
Die nach oben gerichtete Kraft durch das
Stahlseil ist genauso stark wie die nach
unten gerichtete Gravitationskraft.
Die nach oben gerichtete Kraft durch das
Stahlseil ist kleiner als die nach unten
gerichtete Gravitationskraft.
Die Kabine bewegt sich nach oben, weil
das Seil kürzer wird; nicht etwa weil das
Seil eine Kraft auf die Kabine ausübt.
Die nach oben gerichtete Kraft durch das
Stahlseil ist größer als die nach unten
gerichtete Kombination aus der
Gravitationskraft und dem Effekt des
Luftdrucks.
Ein schwerer Ball ist an einem Faden befestigt
und wird, wie in der Abbildung gezeigt, im
Kreis horizontal herumgeschwungen. An dem
gekennzeichneten Punkt reißt plötzlich der
Faden. Der Vorgang wird von oben betrachtet:
Welchen Weg nimmt der Ball, nachdem der
Faden gerissen ist?
c) Wieder mal ein paar „schlaue“ Statements. Bitte schreiben Sie hin, ob diese
physikalisch richtig sind oder falsch und begründen Sie es.
Ein Gewichtheber braucht viel Energie.
Bremskraftverstärker
Energiedrink
Musterlösung:
a)
1. Wenn nur ein auf eine Zehntelsekunde genau gemessen, ist es Blödsinn auf 4 Stellen hinter
dem Komma anzugeben, da diese alleine durch die Messungenauigkeit variieren können. Max.
2 Stellen hinter dem Komma reichen.
2. kg * m * s2
nein!
kg * m2 / s3 = N m
kg / s2 nein
3. Man muss hier eine zweite Größe, die Temperatur, konstant halten und auch
messen, welches zusätzliche Messunsicherheit erzeugt.
b) (E) und (B) und (B)
Seite 3 von 10
c) Gewichtheber braucht Kraft und kaum Energie, da es sich das Gewichtheben ja in SekundenZeitraum abspielt.
Bremskraftverstärker ist richtig, da hier wirklich die Kraft der Bremsklötze verstärkt wird.
Energiedrink ist irreführend. Meistens sind darin Aufputschmittel, die den Kreislauf anregen.
Energie für den Körper in Form von Traubenzucker ist eher sekundär.
Seite 4 von 10
2. Das Problem mit der Kiste
Eine 5 kg schwere Kiste wird auf zwei unterschiedlichen Wegen auf eine Höhe von 1,5
m angehoben. Für den ersten Weg, wird die Kiste in 2 Sekunde auf 1m angehoben,
dann wird eine Pause für 5 Sekunden eingelegt und anschließend wird die Kiste in
einer weiteren 1 Sekunde auf 1,5 m gehoben. Beim zweiten Weg wird die Kiste direkt
in 3 Sekunden auf 1,5 m angehoben.
a) Bei welchem Weg wird mehr Arbeit geleistet, wenn nur konservative Kräfte wirken? (3
Punkte)
b) Berechnen Sie für beide Wege die gesamte, mittlere Leistung! (3 Punkte)
c) Berechnen Sie die maximale Geschwindigkeit wenn die Kiste aus 1,5 m Höhe zu
Boden fällt! (3 Punkte)
d) Berechnen Sie die Zeit, in der die Kiste zu Boden fällt! (3 Punkte)
e) Berechnen Sie die Kraft, die auf die Kiste während des Falls wirkt (ohne Reibung)! (4
Punkte)
f) Berechnen Sie die Beschleunigung, wenn während des Falls eine konstante
Luftreibung (unabhängig von der Geschwindigkeit) mit einer Reibkraft von 10 N wirkt!
(4 Punkte)
g) Berechnen Sie die maximale Geschwindigkeit, wenn die Kiste aus 1,5 m Höhe zu
Boden fällt und eine konstante Luftreibung (unabhängig von der Geschwindigkeit) mit
einer Reibkraft von 10 N wirkt! (4 Punkte)
Musterlösung:
h
1,5 m
2
1m
1
a) Wenn nur konservative Kräfte herrschen (ohne Reibung), dann ist die geleistete Arbeit
für beide Wege gleich groß!
m
b)
5Kg  9.81  1,5m
W
m g h
s
P1 


 9,20W
t
t1  t 2  t 3
8s
P2 
5 Kg  9.81
3s
m
 1,5m
s
5 von 10
 24,52Seite
W
c)
d)
e)
f)
g)
m g h 
x(t ) 
1 2
mv
2
 v  2  g  h  2  9.81
1 2
at  v0 t  x0
2
F  m  g  5kg  9,81
 1,5m 
m
 49,05 N
s2
Fges  m  a  m  g  FR
mah 
1 2
mv
2
1 2
gt  t 
2
a
m  g  FR

m
 v  2  a  h  2  7.81
m
m
 1,5m  5,42
2
s
s
2  1.5m
 0,55s
m
9,81 2
s
m
kg  m
 10 2
2
m
s
s
 7,81 2
5kg
s
5kg  9.81g
m
m
 1,5m  4,84
2
s
s
Seite 6 von 10
3. Aliens auf dem Stern Radioaktivia
Auf dem Stern Radioaktivia leben Aliens, die gegenüber Radioaktivität völlig resistent
sind. Ihr Anführer hat das Gesetz erlassen, dass zur besseren Altersbestimmung
jedes Alienbaby sofort nach der Geburt eine radioaktive Quelle implementiert
bekommt. Sie hat eine Aktivität von 2000 Pulsen/Sekunde. Die Halbwertszeit beträgt
500 Jahre.
a) Eine etwas ältere Alienjungfrau hat ein Alter von 375 Jahren. Welche Aktivität zeigt
die Quelle?
b) Diese Alienjungfrau führt eine Verjüngungskur durch, indem sie von einem gerade
verstorbenen Alien, der 1000 Jahre alt geworden ist, die radioaktive Quelle klaut und
verschluckt. Um viele Jahre hat sich die Dame jetzt „verjüngt“?
c) Bei einer Alterskontrolle wird ein defektes Messgerät benutzt, welches nur 70 % der
Radioaktivität detektiert. Um welchen Faktor wirken die Aliens älter. (Die
Anfangsaktivität wurde korrekt gemessen.)
Musterlösung:
Seite 7 von 10
Seite 8 von 10
4. Atomphysik
a) Ein Elektron der äußeren Schale (Bohrsches Atommodell) eines Lithiumatoms (3.
Element im Periodensystem) sei angeregt worden und befinde sich anschließend auf
einer Schale mit n=3. Nun springe es in seinen Grundzustand zurück. Wie groß ist die
Frequenz des Photons, das abgestrahlt wird? Für ein Energieniveau eines LithiumElektrons gilt in Abhängigkeit von der Hauptquantenzahl in grober Näherung:
En = -13,6 eV * Z² * 1/n² . (7 P)
b) Haben die Photonen einen Impuls? Wenn ja, wie groß ist er? Wenn nein, welche
Objekte haben einen Impuls? (4 P)
c) Mehrere der oben beschriebenen Photonen treffen auf ein Material mit einer
Austrittsarbeit von 3 eV. (Wenn Sie Aufgabenteil b nicht gelöst haben, nehmen Sie an,
die Photonen hätten eine Wellenlänge von 300nm). Wie viele Elektronen kann jedes
Photon maximal ausschlagen? Begründen Sie. Wodurch kann die Anzahl der
ausgeschlagenen Elektronen erhöht werden? (6 P)
d) Angenommen Elektronen sind ausgeschlagen worden. Haben diese eine
Wellenlänge? Wenn ja: Welche Wellenlänge haben die ausgeschlagenen Elektronen
maximal? Unter welcher Bedingung ist die Wellenlänge maximal?
Wenn nein: Welche Objekte haben eine Wellenlänge und welche nicht? Warum haben
einige Objekte keine Wellenlänge? (7 P)
h = 6,626 * 10^-34 Js; c = 3 * 10^8 m/s; Masse des Elektrons: m = 9,1 * 10^-31 kg;
e = 1,6 * 10^-19 C
Musterlösung:
Seite 9 von 10
Seite 10 von 10