sind d Blei £ ` kJ/kg bzw. ©feBlei £g Yh`ipV` C.

Nur vom Korrektor auszufüllen
1
2
3
4
5
6
7
8
Note
Bettina Hartmann Uli Katz Cristoph Marquardt Markus Meißner Rainer Ostasch
Andreas Schmidt Frank Sukowski Thomas Uhl Ole Wieckhorst
Experimentalphysik für Naturwissenschaftler 2, Sommersemester 2003
Universität Erlangen–Nürnberg
Nachholklausur, 10.10.2003
Achtung:
Ersatzlösungen sind fiktive Zahlenwerte, die
zum Weiterrechnen in nachfolgenden
Teilaufgaben verwendet werden können, aber
nicht den richtigen Lösungen entsprechen.
Name:
Vorname:
Matrikel-Nummer:
Studiengang:
1) Der Taucher und die Luftblase
Ein Taucher befindet sich in einem See in m Tiefe bei einer Wassertemperatur von C.
Aus seinen Atemgerät entweicht eine Luftblase mit einem Volumen cm und steigt nach
oben. An der Oberfläche beträgt die Wassertemperatur C, der Luftdruck ist !#" Pa.
8
(a) Welches Volumen hat die Blase in dem Moment, als sie die Wasseroberfläche erreicht?
(b) Um wieviel Prozent ändert sich die mittlere Geschwindigkeit
steigen der Blase?
$ %'& )(
der Gasmoleküle beim Auf-
Hinweise: Die Luft in der Blase hat zu jeder Zeit die gleiche Temperatur wie das umgebende Wasser
und kann als ideales Gas betrachtet werden. Die Oberflächenspannung kann vernachlässigt werden.
Die Dichte von Wasser ist *+ ! kg , m .
2) Bleigießen
Es ist Silvester und Sie wollen Ihre Zukunft durch Bleigießen ermitteln. Dazu erwärmen Sie - g
Blei in einem Edelstahllöffel, bis es gerade vollständig geschmolzen ist. Die Umgebungstemperatur
und damit die Anfangstemperatur des Löffels beträgt /.0 C.
7
(a) Welche Wärmemenge müssen Sie zuführen, wenn der vordere Teil des Löffels die Masse 12 g
hat und stets auf der gleichen Temperatur wie das Blei ist?
(b) Sie gießen das Blei anschließend in ein Gefäß mit -435
das Wasser?
6
g Wasser. Um wieviel erwärmt sich
Hinweise: Vernachlässigen Sie die Erwärmung des Löffelstiels sowie das Wassergefäßes und den
Wärmeaustausch mit der Umgebung. Die spezifischen Wärmekapazitäten sind: 7 Blei 98:!; kJ/(kg K),
7 Edelstahl 98< kJ/(kg K), 7 Wasser =>8:!? kJ/(kg K); die Schmelzwärme und der Schmelzpunkt von Blei
A C;DEF8< C.
sind @ Blei kJ/kg bzw. BBlei
3) Coulomb-Kraft
8
Gegeben sind zwei Punktladungen G
H ! nC und GIJ
F8< nC im Abstand von K4 cm.
(a) Welche Kraft üben die beiden Ladungen aufeinander aus?
Q1
Q2
q
x=0
x=L
xq
x
(b) Welche Energie war nötig, um die beiden Ladungen aus unendlicher Entfernung auf den Abstand
K zu bringen?
(c) Eine negative Probe-Punktladung L wird entlang der M -Achse verschoben, die GN
und GI miteinander verbindet (siehe Skizze). Bei welcher Position MPO wirkt keine Kraft auf L ?
6
4) Ferromagneten
Nennen Sie drei Möglichkeiten, die Magnetisierung eines Ferromagneten zu verringern. Beschreiben
Sie jeweils die mikroskopischen Vorgänge.
5) Widerstände
8
Gegeben ist die nebenstehend gezeigte Schaltung mit identischen Einzelwiderständen QR
CQBSCQ CQUTS=;WV .
(a) Berechnen Sie den Gesamtwiderstand der Schaltung
zwischen den Punkten X und Y .
(b) Wie groß ist der Spannungsabfall an Widerstand QZT ,
wenn zwischen X und Y eine Spannung [.\ V
angelegt wird?
(c) Welche Ströme ]^
)_`]a!_b]
Widerstände?
6) Kondensatoren
_`]cT
R1
A
R4
fließen durch die einzelnen
R2
R3
B
Zwei Kondensatoren mit den Kapazitäten de
f; pF und dgih pF sind in Serie geschaltet und mit
einer Spannungsquelle mit [=j6 V verbunden.
(a) Zeichnen Sie das Schaltbild.
8
(b) Wie groß ist die Gesamtkapazität der Schaltung?
Ersatzlösung: di pF.
(c) Berechnen Sie die Ladungen auf den beiden Kondensatoren.
(d) Wie groß ist der Spannungsabfall an den beiden Kondensatoren?
(e) Welche Energie ist insgesamt in den Kondensatoren gespeichert?
7) Magnetfeldmessung
8
ω
Sie wollen mit Hilfe einer drehbar gelagerten Spule (Fläche Xk.l ! cm ,
m Windungen) das Erdmagnetfeld YZn bestimmen, indem Sie die effektive
induzierte Spannung [ eff und die Drehfrequenz o messen.
(a) Bei welcher Orientierung der Spule zum Erdmagnetfeld erhalten Sie einen
minimalen und bei welcher Orientierung einen maximalen magnetischen
Fluss durch die Spule?
(b) Zeigen Sie, dass am Messgerät die Spannung [+pqsrZ m oXk.`YBnRtsuwvxpqoWsr anliegt, wenn zur Zeit y das Magnetfeld senkrecht auf der Spulenfläche
steht und die Drehachse senkrecht zum Magnetfeld ausgerichtet ist.
(c) Wie groß müssen Sie o wählen, um bei einem Erdmagnetfeld von
Dgz T eine effektive Spannung von [ eff j mV zu erhalten?
Hinweis: Für die Einheiten gilt: T j Vs , m .
Ykn5
Ueff
8) Licht im Zylinder
7
Betrachten Sie als Modell einer Glasfaser einen Glaszylinder mit Brechungsindex m 8<;E . Durch die Mitte der Bodenfläche dringt Licht unter einem Winkel { in den Zylinder ein (siehe Skizze).
(a) Wie groß darf { maximal sein, um sicherzustellen, dass
kein Licht die Glasfaser seitlich verlassen kann?
(b) Was passiert, wenn die Glasfaser an einer Stelle von einem Wassertropfen (Brechungsindex m 3|y8};; ) eingehüllt ist?
β
α
β