Prüfung Physik II 2016-06-29

Rechenteil: Physik 2 Prüfung, 29.06.2016 1A) Zwei Sammellinsen, beide mit einer Brennweite von 15 cm sind 35 cm voneinander entfernt. 10 cm links von der ersten Linse befindet sich ein Gegenstand (siehe Abbildung). Wie weit entfernt vom Gegenstand entsteht das Endbild? Ist das Endbild virtuell oder reell? Steht es aufrecht oder ist es umgedreht? Wie groß ist die gesamte Vergrößerung? Skizzieren Sie die Bildkonstruktion. (4 Punkte) G
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1B) Eine Zerstreuungslinse und eine Sammellinse, beide mit einer Brennweite von 15 cm sind 35 cm voneinander entfernt. 20 cm links von der Zerstreuungslinse befindet sich ein Gegenstand (siehe Abbildung). Wie weit entfernt vom Gegenstand entsteht das Endbild? Ist das Endbild virtuell oder reell? Steht es aufrecht oder ist es umgedreht? Wie groß ist die gesamte Vergrößerung? Skizzieren Sie die Bildkonstruktion. (4 Punkte) G
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2A) Ein dünnes Glasplättchen (beidseitig Luft) der Dicke d=1 m und Brechzahl n=1.5 wird mit weißem Licht unter dem Einfallswinkel  =55° bestrahlt. Welche Wellenlängen des Bereichs =400‐800 nm haben im reflektierten Strahl ein Interferenzminimum? (4 Punkte) 2B) Ein dünnes Glasplättchen (beidseitig Luft) der Dicke d=1 m und Brechzahl n=1.5 wird mit weißem Licht unter dem Einfallswinkel  =75° bestrahlt. Welche Wellenlängen des Bereichs =400‐800 nm haben im reflektierten Strahl ein Interferenzmaximum? (4 Punkte) 3A) Eis (m=1kg, T=‐20°C) und Wasserdampf (m=100g, T=100°C) werden in einem abgeschlossenen Behälter vermischt. a) Wie groß ist die Endtemperatur der Mischung? b) Welche Phasen treten nach dem Mischen auf? c) Wie groß sind die Massen der nach dem Mischen vorhandenen Phasen? (Spezifische Wärme von Eis cE = 2.09 kJ kg‐1 K‐1 , spezifische Wärme von Wasser cW = 4.18 kJ kg‐1 K‐1; Verdampfungswärme von Wasser V=2257 kJ kg‐1, Schmelzwärme von Eis S=334 kJ kg‐1; Annahme: kein Wärmeaustausch mit der Umgebung). (4 Punkte) 3B) Ein Bleigeschoss treffe mit einer Geschwindigkeit von 300 ms‐1 und einer Anfangstemperatur von 30 °C auf eine Stahlplatte. Berechnen Sie den Anteil des Geschosses der aufgeschmolzen wird unter der Annahme, dass die gesamte kinetische Energie in innere Energie des Geschosses umgewandelt wird. Der Schmelzpunkt von Blei beträgt 600 K, seine spezifische Wärmekapazität c = 0.129 kJ kg‐1 K‐1, und seine molare Schmelzwärme S = 4.77 kJ mol‐1. (4 Punkte) Theoretischer Teil: Physik 2 Prüfung, 29.06.2016 (2 Fragen nach Wahl beantworten) 1A) Zeigen Sie explizit, dass für eine ebene, linear in y‐Richtung polarisierte und sich in x‐
Richtung im Vakuum ausbreitende harmonische elektromagnetische Welle das B‐Feld in Phase mit dem E‐Feld schwingt, und dass gilt E y / Bz  c (c = Lichtgeschwindigkeit  
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im Vakuum). Hinweis: Nutzen Sie dazu das Induktionsgesetz   E   dB / dt . (4 Punkte) 1B) Zeigen Sie explizit, dass für eine ebene, linear in y‐Richtung polarisierte und sich in x‐
Richtung im Vakuum ausbreitende harmonische elektromagnetische Welle das B‐Feld in Phase mit dem E‐Feld schwingt, und dass gilt E y / B z  c (c = Lichtgeschwindigkeit 
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im Vakuum). Hinweis: Nutzen Sie dazu das Ampere‐Maxwell Gesetz   B   0  0 dE / dt . (4 Punkte). 2A) Der idealisierte Stirling Kreisprozess für ein ideales Gas besteht aus vier Zustandsänderungen: 1: isotherme Verdichtung; 2: isochore Drucksteigerung; 3: isotherme Expansion; 4: isochore Druckabsenkung. a) Geben Sie für alle vier Zustandsänderungen den Druck als Funktion des Volumens an, und skizzieren Sie den Kreisprozess in einem p‐V Diagramm. b) Geben Sie für die Zustandsänderungen auch die Entropie als Funktion der Temperatur an, und skizzieren Sie den Kreisprozess in einem T‐S Diagramm. (4 Punkte) 2B) Der idealisierte Otto Kreisprozess für ein ideales Gas besteht aus vier Zustandsänderungen: 1: adiabatische Verdichtung; 2: isochore Drucksteigerung; 3: adiabatische Expansion; 4: isochore Druckabsenkung. a) Geben Sie für alle vier Zustandsänderungen den Druck als Funktion des Volumens an, und skizzieren Sie den Kreisprozess in einem p‐V Diagramm. b) Geben Sie für die Zustandsänderungen auch die Entropie als Funktion der Temperatur an, und skizzieren Sie den Kreisprozess in einem T‐S Diagramm. (4 Punkte) 3A) Röntgenstrahlung: Skizzieren Sie das Diagramm eines Röntgenspektrums als Funktion der Wellenlänge und als Funktion der Energie. Warum gibt es eine Grenzwellenlänge für die Bremsstrahlung und wie hängt sie mit der Beschleunigungsspannung in der Röntgenröhre zusammen. Erklären Sie die Entstehung der charakteristischen Strahlung mittels eines Energieniveau‐Schemas. Das Moseley’sche Gesetz für die Emission einer Röntgen K Linie lautet  K  a /( Z  1) 2 wobei a eine Konstante und Z die Kernladungszahl sind. Begründen Sie diese Formel und erklären Sie insbesondere warum im Nenner (Z‐1)2 und nicht Z2 auftritt. (4 Punkte). 3B) Welche Energieniveaus hat ein Elektron das an einen Kern mit Kernladungszahl Z gebunden ist (z.B. Wasserstoffatom)? Die genaue Formel mit Naturkonstanten (0, h, etc.) ist nicht nötig, aber En relativ zur niedrigsten Energie E1 ist formelmäßig anzugeben. Zeichnen Sie auch ein schematisches Energieniveauschema und mögliche Energieübergänge. Wie kommt es zum charakteristischen Spektrum bei der Röntgenstrahlung und warum haben die Spektrallinien hier viel höhere Energien als beim Wasserstoffatom? (4 Punkte).