Klausur GPH 1 21-3-12 Musterlo sung

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Matrikelnummer:
Studienfach:
Physik 1 (GPh1) am 21.03.2012
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
3a
3b
3c
4a
4b
4c
4d
4e
Form
Gesamt
MÖGLICHE
ERREICHTE
PUNKTZAHL PUNKTZAHL
6
14
4
6
6
6
6
6
12
6
5
5
5
5
4
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.
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1. Physikalische Kleinigkeiten
a)Welche der folgenden Aussagen stellen physikalisch gesehen „Blödsinn“ dar:
1. Das Auto hat ein Leergewicht von 1450 kg. (Blödsinn)
Das Auto hat eine Masse von.....
2. Die Strecke hat eine Länge von 103km . (Blödsinn)
Einheiten stehen nie alleine im Exponenten.
3. Das Auto beschleunigt schnell. (Blödsinn)
Eine Auto fährt schnell und beschleunigt stark (wenn überhaupt).
4. Das Drehmoment bei Benzinmotoren steigt in der unteren Hälfte des
Drehzahlbereichs an. Dieses ist in der Tat so.
5. Kugelstoßer üben einen Kraftstoß aus. Ein Kraftstoß ist F*t, also eine Kraft über
eine gewisse Zeit ausüben.
6. Jupp schleppt zwei volle Bierkisten bei Edeka durch die Gänge. Er hat echte Arbeit.
(Blödsinn) Kraft und Weg stehen senkrecht aufeinander => Arbeit = Null.
b) Welche der folgenden Alternativen ist/sind richtig (Buchstaben einkreisen):
1)
A)
Zwei Kugeln aus Metall werden vom Dach eines
zweigeschossigen Gebäudes zum gleichen
Zeitpunkt fallengelassen. Beide Kugeln haben
die gleiche Größe, aber die eine ist doppelt so
schwer wie die andere. Für die Zeit bis zum
Auftreffen auf dem Boden gilt (bitte ankreuzen):
B)
C)
D)
E)
2)
A)
B)
Ein LKW bleibt mit Motorschaden liegen und
wird von einem Kleinwagen zur nächsten
Tankstelle geschoben.
Während der PKW beschleunigt, um beim
Schieben auf eine bestimmte Geschwindigkeit
zu kommen, gilt:
C)
D)
die schwerere Kugel braucht etwa die
halbe Zeit.
die leichte Kugel braucht etwa die halbe
Zeit.
beide brauchen etwa die gleiche Zeit.
die schwere Kugel braucht deutlich
weniger Zeit, aber nicht unbedingt die
halbe Zeit.
die leichte Kugel braucht deutlich weniger
Zeit, aber nicht unbedingt die halbe Zeit.
Der Betrag der Kraft, mit der das Auto
gegen den LKW drückt, ist gleich groß
wie derjenige, mit dem der LKW gegen
das Auto zurückdrückt.
Der Betrag der Kraft, mit der das Auto
gegen den LKW drückt, ist kleiner als
derjenige, mit der der LKW gegen das
Auto zurückdrückt.
Der Betrag der Kraft, mit der das Auto
gegen den LKW drückt, ist größer als die
derjenige, mit der der LKW gegen das
Auto drückt.
Der Motor des PKW läuft; daher übt der
PKW eine Kraft aus, während er gegen
den LKW drückt. Aber der LKW-Motor
läuft nicht; daher kann der LKW nicht
gegen das Auto zurückdrücken. Der LKW
wird einfach deshalb nach vorne
geschoben, weil er dem PKW im Wege
steht.
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E)
3)
Weder der LKW noch der PKW üben
aufeinander irgendeine Kraft aus. Der
LKW wird einfach deshalb nach vorne
geschoben, weil er dem PKW im Wege
steht.
Eine Bowlingkugel fällt versehentlich aus dem
Frachtraum eines Flugzeuges, während das
Flugzeug in horizontaler Richtung fliegt. Wenn
man den Vorgang von der Erde aus
beobachtet: Welche Kurve beschreibt die
Flugbahn der Kugel nach dem Herausfallen
am besten?
Flugbahn D
4)
Ein Golfball bewegt sich längs eines "fairway"
mit folgender Flugbahn durch die Luft (s.
Abbildung)
Welche Kraft wirkt, bzw. welche Kräfte wirken
während der gesamten Flugphase auf den Ball:
1.
2.
3.
die Gravitationskraft
die Abschlagskraft
die Luftwiderstandskraft
A)
B)
C)
D)
E)
nur 1
1 und 2
1, 2 und 3
1 und 3
2 und 3
c)
Gibt es die folgenden zusammengesetzten Einheiten? Wenn ja, bitte dann die richtige
Bezeichnung schreiben, wie z.B. Watt, Ohm, etc.
1. kg * m2 / s2 = Nm = Joule
2. kg2 * m / s3 = gibt es nicht
3. kg * m * s2 = gibt es nicht
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2. Ort, Geschwindigkeit, Beschleunigung, entspr. Winkel
Ein Auto fahre 5s mit der konstanten Geschwindigkeit von 5 m/s und wird
anschließend für 5s mit a = 5m/s2 beschleunigt.
a) Skizzieren Sie das Weg-, das Geschwindigkeits- und das BeschleunigungsZeit-Diagramm für die ersten 5s! (Berücksichtigen Sie gleich Aufgabe b)
b) Skizzieren Sie (in die gleiche Skizze) das Weg-, das Geschwindigkeits- und das
Beschleunigungs-Zeit-Diagramm für die letzten 5s! Berechnen Sie dafür für
jedes Diagramm mindestens 5 Werte!
Jetzt fahre das Auto mit einer Geschwindigkeit von 130km/h über einen 10 m hohen
Abhang (Reibungskräfte können vernachlässigt werden).
c) Wie lange befindet sich das Auto in der Luft?
d) Wie weit ist es geflogen?
Musterlösung:
a) + b)
1 2
at  v 0 t  x0
2
Geschwindigkeit Beschleunigung
5
0
5
0
5
0
5
0
5
0
10
5
15
5
20
5
25
5
30
5
x(t ) 
Zeit
Weg
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
5
10
15
20
25
32,5
45
62,5
85
112,5
120
100
Weg
Geschwindigkeit
80
Beschleunigung
60
40
20
0
1
2
3
4
5
6
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7
8
9
10
c+d)
v x  130km / h  36,1m / s
vx  t


1
m 2 

r (t ) 
 9,81 2  t
s
2



0


1
m
1
m
ry   9,81 2  t 2  10m   9,81 2  t 2
2
2
s
s
10m  2
t 
 1,43s
m
9,81 2
s
m
rx  v x  t  36,1  1,43s  51,6m
s
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3. Starre Körper
Eine Kegelkugel hat ein Gewicht von 2,85 kg und einen Durchmesser von 160 mm.
a) Bestimmen Sie das Massenträgheitsmoment der Kugel.
b) Ein Kegler übt über 4 Sekunden eine Leistung von 100 W aus und lässt dann die
Kugel auf der Bahn rollen. Wie schnell rollt die Kugel? (Reibungskräfte können
vernachlässigt werden.)
c) Welche Geschwindigkeit würde eine Bowlingkugel unter gleichen Bedingungen wie
unter b) erreichen, die 3,5 kg schwer ist und auf der Bahn rutscht ohne zu rollen?
(einige Massenträgheitsmomente: IZylindermantel = ½ m (Ri²+Ra²); IPunktmasse = m R²;
IKugel = (2/5) m R²; IZylinder= ½ m R² (Rotation um Zylinderachse);
IQuader=(1/12)m(a2+b2)
(Rotationachse
senkrecht
Mittelpunkt))
Lösung:
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zur
Oberfläche
durch
den
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4. Atomphysik
a) Wie sieht die Konfiguration von Aluminium im Grundzustand aus? D.h. wie viele
Elektronen befinden sich in den einzelnen Schalen/Orbitalen? Aluminium hat 13
Elektronen.
b) Das energetisch höchste Elektron wird angeregt und springe in die energetisch
nächsthöhere Schale/Orbital (Hinweis: nach 3p kommt 4s, danach 3d und danach 4p;
es liege kein Magnetfeld an, d.h. unterschiedliche magnetische Quantenzahlen führen
zu keinem unterschiedlichen Energieniveau). Welche Quantenzahlen n und ℓ hat das
Elektron nun? Welche Werte sind quantenmechanisch für die magnetische
Quantenzahl m für dieses Elektron erlaubt?
c) Nun springe ein Elektron eines Heliumatoms mit n=4 in eine Schale/Orbital mit n=3.
Wie groß ist die Wellenlänge des Photons, das abgestrahlt wird? Für ein
Energieniveau eines Elektrons in Helium gilt in Abhängigkeit von der
Hauptquantenzahl in grober Näherung:
En = -13,6 eV * 2² * 1/n² .
d) Dieses Photon trifft auf ein Material mit einer Austrittsarbeit von 2,5 eV. (Wenn Sie
Aufgabenteil c nicht gelöst haben, nehmen Sie eine Wellenlänge des Photons von
400nm an). Wird ein Elektron ausgeschlagen? Wenn ja, wie schnell kann das durch
das Photon ausgeschlagene Elektron maximal sein? Wenn nein, warum nicht?
e) Angenommen, es sei ein Elektron ausgeschlagen worden. Hat das ausgeschlagene
Elektron auch eine Wellenlänge? Wenn ja, geben Sie die Formel für diese
Wellenlänge an? Wenn nein, welche Objekte haben eine Wellenlänge?
h = 6,626 * 10- 34 Js;
c = 3 * 108 m/s;
Masse des Elektrons: m = 9,1 * 10- 31 kg;
e = 1,6 * 10-
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