Klausur-PH2-15-03-16-Lo sungen

Name:
Matrikelnummer:
Studienfach:
Physik 2 am 15.03.2016
Fachbereich Elektrotechnik und Informatik, Fachbereich Mechatronik und Maschinenbau
Zugelassene Hilfsmittel zu dieser Klausur: Beiblätter zur Vorlesung Physik 1 + 2 ab
WS 10/11 (Prof. Sternberg, Prof. Müller, Prof. 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.
AUFGABE
1a
1b
1c
1d
2a
2b
2c
2d
3a
3b
3c
4a
4b
4c
4d
4e
4f
Form
Gesamt
MÖGLICHE
ERREICHTE
PUNKTZAHL PUNKTZAHL
6
6
6
6
2
8
12
2
6
14
4
6
6
2
2
2
6
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.
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.
Dauer: 2 Stunden
Maximal erreichbare Punktezahl: 100.
Bestanden hat, wer mindestens 50 Punkte
erreicht.
4
100
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1. Kreis- und Kugelwellen
Eine Welle ist die räumliche Ausbreitung einer zeitlichen Störung in Materie oder im
Vakuum.
a) Erläutern Sie den Begriff Longitudinalwelle und Transversalwelle und geben Sie zu
jedem Wellentyp ein klassisches Beispiel!
b) In einem See beobachten Sie den Wellengang einer ebenen Welle. In einer Minute
zählen Sie 10 Wellen, die Sie erreichen. Der Abstand von zwei Wellenbergen beträgt
12m. Wie groß ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellen?
c) Berechnen Sie die Auslenkung eines Wassermoleküls der in b beschriebenen ebenen
Welle in 200m Entfernung zum Entstehungsort nach 50 Sekunden! Am Entstehungsort
sei die Amplitude 2 m.
d) Wie groß wäre die Amplitude der in b beschriebenen Welle in 200 m Entfernung zum
Entstehungsort nach 50 Sekunden, wenn es sich um eine Kreiswelle mit einer
Anfangsamplitude von 2 m handelt?
a) Bespiele: Elastische Longitudinalwellen in Festkörper; Schallwellen in Gasen und
Flüssigkeiten
Transversalwellen: Die Auslenkung erfolgt senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Beispiele:
Schwingendes Seil; Elastische Transversalwellen in Festkörpern; Elektromagnetische Wellen
b)
c) Es gilt:
g ( x, t )  g 0 sin( kx  t )
g (200m,50 s )  2m  sin( k  200m    50 s )
2 2


T
6s
2
2
g (200m,50 s )  2m  sin(
 200m 
 50 s )
12m
6s
g (200m,50 s )  2m  sin( 105  52,4)  1,59m
mit
k
g ( x, t ) 
2

2
12m
und  
g0
sin( kx  t )
r
g (200m,50s ) 
2m
Seite
 sin( 105
 522,4von
)  712
,95mm
200m
2. Polarisation
a) Unpolarisiertes Licht trifft auf zwei ideale Polarisationsfilter, die im Winkel von 45°
zueinander stehen. Wie groß ist die Intensität nach den beiden Filtern im Vergleich zu der
Intensität vor den Filtern?
O
0%
O
12,5 %
X
25 %
O
37,5 %
O
50 %
O
75 %
b) Es wird ein weiterer Filter hinzugeschaltet, der nur zu 50 % polarisiert und wieder in
Richtung des ersten Filters steht. Wie hoch ist jetzt die Intensität im Vergleich zu Intensität
vor den Filtern.
c) Es gibt eine Beschwerde, dass eine Sonnenbrille keinen richtigen Polarisationseffekt hat.
Also wird in einem Labor, in welchem Sie jetzt arbeiten, getestet, ob die Sonnenbrille
Defizite aufweist.
Die Intensität nach der Sonnenbrille wird gemessen, wobei mit 100 % polarisiertem Licht
eingestrahlt wird. Das Sonnenbrillenglas wird im Strahl gedreht. Dabei schwankt die
Helligkeit zwischen 2 % und 20 % der Intensität vor dem Glas. Wie hoch ist der
Polarisationsgrad des Brillenglases?
d) Warum polarisiert man Sonnenbrillen überhaupt? Oder ist dieses nur ein Verkaufstrick?
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d) Bei polarisierten Sonnenbrillen wird nicht nur das Licht gedämpft, sondern auch Reflexe, die z. B.
durch „Spiegelung“ der Sonne in Fensterschreiben entstehen, größtenteils eleminiert.
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3. Dispersion, das störende Phänomen
a) Linsen aus Glas besitzen natürlich auch Dispersion. Wie weit sind die beiden
Brennpunkte für blaues (350 nm) und rotes Licht ( 600 nm) für eine dünne Linse mit dem
Krümmungsradius 0,6 m voneinander entfernt?
Hinweis: Für dünne Linsen gilt: 1/g+1/b=(2/R)(N - 1)
g: Gegenstandsweite
b: Bildweite
R: Krümmungsradius
b) Sie haben einen Lichtleiter aus dem gleichen Material wie die Linse und schicken jeweils
ein Bit durch diesen. Dabei wird das eine Bit rotem Licht (600 nm) Wellenlänge und das
andere Bit blauem Licht (350 nm) Wellenlänge aufmoduliert. Beide Bits werden zur gleichen
Zeit auf eine 600 km lange Reise geschickt. Welchen zeitlichen Abstand haben die beiden
Bits nach 600 km? (Beachten Sie das Informationen mit der Gruppengeschwindigkeit
übertragen werden!)
c) Erklären Sie Ihnen allen eigentlich bekanntes Naturphänomen, welches auf der Basis von
Dispersion (und/oder Totalreflexion) beruht.
Für den Brechungsindex gilt: N(λ) = 1,33 + 0,01 * (λ – 600 nm) / 300 nm
λ: Wellenlänge des Lichts in nm.
Lösung:
d) Ein typischer Vertreter eines solchen Naturphänomens ist der Regenbogen. Hier findet im
Regentropfen bei Eintritt Brechung auf, die dispersiv ist und so die Farben aufspaltet. Danach wird
durch Totalreflexion die Strahlen an der Innenseite des Tropfens reflektiert und treten wieder aus.
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4. Linse
Gegeben sei eine bikonvexe sphärische dünne Linse mit einer Brennweite von 4,0 cm. Ein
2,5 cm hoher Gegenstand stehe von der Linsenmitte (d.h. von der Hauptebene) 1,5 cm
entfernt auf der optischen Achse.
a) Zeichnen Sie die geometrische Konstruktion der optischen Abbildung.
b) Was gilt für das Bild?
Das Bild steht auf der anderen Seite der Linse wie der Gegenstand.
Das Bild ist virtuell.
Das Bild ist umgekehrt zum Gegenstand. 



Das Bild ist verkleinert gegenüber dem Gegenstand. 

Das Bild reell. 







Das Bild ist gespiegelt zum Gegenstand. 



richtig






falsch






c) Berechnen Sie die Bildweite.
d) Berechnen Sie die Vergrößerung.
e) Berechnen Sie die Bildgröße.
f) Die geometrische Optik ist ein Näherungsverfahren zur Berechnung optischer
Abbildungen. Welche Annahmen gelten?
richtig
Es wird das Teilchenmodell für Licht verwendet.

Es wird das Strahlenkonzept verwendet. 




Es wird das Wellenmodell für Licht verwendet,
d.h. Beugung und Interferenz werden berücksichtigt. 

Es wird Brechung berücksichtigt. 





Es wird Reflexion berücksichtigt. 





Strahlen überlagern sich mit Wechselwirkung. 



a)
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falsch






b)
c)
d)
e)
f)
Bild ist virtuell
b = f*g/(g –f) = 4*1,5 cm²/(1,5 – 4) cm = -2,4 cm
V = b/g = -2,4 cm / 1,5 cm = -1,6 cm
B = V * G = -1,6 cm * 2,5 cm = 4 cm
Es wird das Strahlenkonzept verwendet., Es wird Brechung berücksichtigt., Es wird Reflexion
berücksichtigt.
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