Experimentalphysik 96-05

Experimentalphysik
2005
1. Von der Spitze des vereisten Flügels eines Windrades (Durchmesser d = 40 m) löst sich ein Eisstück in
dem Moment, wo sich die Flügelspitze an der höchsten Stelle befindet. Die Drehzahl des Windrades beträgt
n = 20 min-1. Die Drehachse des Windrades befindet sich in einer Höhe von h = 70 m.
a) In welche Richtung fliegt das Eisstück beim Lösen?
b) Wie hoch ist seine Anfangsgeschwindigkeit V0?
c) In welcher Höhe H über dem Erdboden löst sich das Eisstück?
d) Wie weit würde das Eisstück fliegen, wenn man die Luftreibung vernachlässigt und das Gelände
horizontal und eben ist?
e) Mit welcher Geschwindigkeit trifft das Eisstück auf die Erde? (Energiesatz!)
2. Eine Masse m1 = 1 kg gleitet auf einer geneigten Ebene (α =
30°) und ist über eine Rolle mit einer Masse m2 = 2 kg verbunden
(siehe Skizze; Pfeil zeigt Bewegungsrichtung an). Der
Gleitreibungskoeffizient beträgt µG = 0,3.
a) Wie groß ist die Beschleunigung der Massen und
b) Wie groß ist die Fadenkraft? (Luftreibung, Massen der Rolle und
des Fadens vernachlässigbar).
3. Im Zirkus fährt ein Motorradfahrer in einer Hohlkugel mit dem
Radius R = 3 m.
a) Welche Geschwindigkeit muss er mindestens haben, damit er in
halber Höhe in der Kugel (siehe Skizze) kreisen kann, wenn µH =
0,6 beträgt?
b) Welche Neigung nehmen Fahrer und Motorrad gegenüber der
Horizontalen ein: genau horizontal, schräg nach oben oder schräg
nach unten? Kurze Begründung!
4. Ein Voltzylinder (Js = m r2/2) und eine Kugel (Js = 2 m r2/5) von gleicher Masse und gleichem Radius rollen
eine geneigte Ebene hinab. Begründen Sie kurz, welcher Körper die größere Beschleunigung erfährt!
5. Eine Seiltrommel von 30 cm Durchmesser kann maximal eine Masse von 100 kg anheben (Masse des
Seiles ist vernachlässigbar).
a) Wie groß ist das maximale Drehmoment des Motors, der diese Seiltrommel antreibt?
b) Welche Leistung bringt der Motor auf, wenn eine Masse von 50 kg mit einer Geschwindigkeit von 1 m/s
nach oben gehoben wird?
c) Wie groß ist die kinetische Energie des Systems in Teilaufgabe b), wenn das Massenträgheitsmoment der
Seiltrommel einschließlich Rotor des Motors Js = 0,25 kgm2 beträgt?
6. Beim Rangieren fährt ein Waggon der Masse m1 = 30 t mit einer Geschwindigkeit von v1 = 6 m/s auf einen
stehenden Waggon (ohne automatische Kupplung). Unmittelbar nach dem Zusammenstoß bewegen sich
beide Waggons mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten in Richtung von v1, wobei die Geschwindigkeit des
stoßenden Waggons v'1 = 4 m/s und die des zuvor ruhenden Waggons v´2 = 6 m/s beträgt?
a) Wie groß ist die Masse des zuvor ruhenden Waggons?
b) Wie viel mechanische Energie wurde beim Zusammenstoß in Wärmeenergie umgewandelt? Hinweis:
teilweise elastischer Stoß! Fertigen Sie sich eine Skizze an! Verwenden Sie den Impulserhaltungssatz und
die Energiebilanz!
Wiederholungstestat 2005
1. Eine zylindrische Saftzentrifuge mit einem Durchmesser von 30 cm dreht
sich mit einer Winkelgeschwindigkeit von ω = 20 s-1
a) Mit dem Wievielfachen der Erdbeschleunigung g wird der Feststoff gegen
die perforierte Wand des Zylinders gepresst?
b) Mit welcher Geschwindigkeit und in welche Richtung (tangential oder radial)
verlässt der Saft den Zylinder?
Hinweis: Geschwindigkeit des Saftes = Bahngeschwindigkeit des Zylinders!
2. Ein Dachziegel löst sich, rutscht 10 m ein Dach (42°-Neigung gegenüber der Horizontalen) hinab und fällt
anschließend auf die Straße.
a) Welche Beschleunigung wirkt während der Rutschphase auf den Dachziegel, wenn der
Gleitreibungskoeffizient zwischen Dach und Ziegel µG = 0,3 beträgt?
b) Mit welcher Geschwindigkeit verlässt der Dachziegel das Dach?
c) Mit welcher Geschwindigkeit trifft der Ziegel auf der Straße auf, wenn die Dachkante sich 15 m über der
Straße befindet. Luftreibung sei vernachlässigbar!
Hinweis: Fertigen Sie sich eine Skizze an! Verwenden Sie für c) den Enerqieerhaltunqssatz!
3. Ein Motorradfahrer fährt mit einer Geschwindigkeit von 72 km/h durch eine nicht überhöhte Kurve, die
einen Radius von 80 m hat. Der Haftreibungskoeffizient zwischen Reifen und Straße beträgt µH = 0,7.
a) Welchen Winkel zur Straße nimmt der Motorradfahrer mit seinem Motorrad ein? Skizze mit wirkenden
Kräften!
b) Bei Überschreitung welcher Geschwindigkeit würde der Motorradfahrer in dieser Kurve weg- rutschen?
Hinweis: Normalkraft = Gewicht von Fahrer und Motorrad!
4. Eine an einem Fadenpendel angehängte Masse m1 = 3 kg stößt mit der
Geschwindigkeit v0 = 10 m/s zentral auf eine Masse m2 = 5 kg, die frei und in
Ruhe an einem Faden hängt.
a) Auf welche Höhe steigt die stoßende Masse m1 nach dem vollkommen
elastischen Stoß wieder, wenn die Masse m2 mit der Geschwindigkeit v2 = 7,5
m/s davon fliegt?
b) Wie groß ist die gemeinsame Geschwindigkeit beider Massen unmittelbar
nach dem Stoß, wenn es sich um einen vollkommen unelastischen Stoß
handelte?
Hinweis: Verwenden Sie den Impulserhaltungssatz und für a) zusätzlich den Energieerhaltungssatz!
5. Ein Zylinder (Radius r = 0,5 m, Massenträgheitsmoment um die
Schwerpunktsachse Js = m r2/2) läuft aus der Ruhe reibungsfrei aus einer
Höhe von h =10 m in eine Loopingbahn vom Radius R = 2,5 m hinein
(siehe Skizze).
a) Wie groß ist die Bahngeschwindigkeit des Zylinders am Ende (Punkt h
A) der Loopingbahn?
b*) Wie groß ist die Bahngeschwindigkeit des Zylinders am höchsten
Punkt (Punkt B) der Loopingbahn?
Hinweis: Verwenden Sie den Energieerhaltungssatz und beachten Sie die
Rotation des Zylinders!
2004 – 1. Semester
1. Ein Skifahrer gleitet mit einer konstanter Geschwindigkeit einen ebenen Hang hinab (Neigungswinkel 20°).
a) Der Luftwiderstand ist zu vernachlässigen. Wie groß ist der Gleitreibungskoeffizient?
b) Wie groß ist der Gleitreibungskoeffizient, wenn der Luftwiderstand nicht vernachlässigt wird (Skifahrer: m
= 70 kg, cw = 0,5, Querschnittsfläche A = 0,5 m2, v = 20 m/s; Dichte der Luft ρL = 1,3 kg/m3)? ...
2. Ein Golfspieler schlägt den Ball unter einem Winkel von 30° ab. Die Geschwindigkeit des Balles beträgt in
5 m Höhe über dem Rasen v1 = 40 m/s. Luftreibung soll vernachlässigt werden!
Hinweis: Verwenden Sie für a) den Energieerhaltungssatz und für b) und c) die Komponenten der
Anfangsgeschwindigkeit!
a) Wie groß war die Anfangsgeschwindigkeit beim Abschlag?
b)- Wie hoch fliegt der Ball bezogen auf den Abschlagpunkt?
c) Wie weit fliegt der Ball, wenn er in gleicher Höhe wie beim Abschlag aufkommt?
3. Wie groß ist die Beschleunigung des abgebildeten Massesystems (m1 = 1 kg,
m2 = 10 kg, m3 = 7 kg, µG = 0,3 zwischen m2 und der Unterlage, Masse der
Rollen soll vernachlässigt werden, Bewegung in Pfeilrichtung)?
Zusatzaufgabe: Wie groß ist die Fadenspannkraft zwischen m1 und m2?
4. Ein Vollzylinder ( JS = ½ m r2 ) und ein dünnwandiger Hohlzylinder ( Js = m r2 )
rollen eine geneigte Ebene hinab, wobei der Höhenunterschied h = 5 m beträgt.
Wie groß ist das Verhältnis der Translationsgeschwindigkeiten beider Körper bei
gleicher Masse und gleichem Radius am Ende dieser schiefen Ebene?
Hinweis: Verwenden Sie den Energieerhaltungssatz!
5. Ein Bremsklotz wird mit einer konstanten Kraft Von F = 10 N radial auf einen Zylinder gedrückt, der mit
einer Winkelgeschwindigkeit von ω0 = 10 s-1 rotiert. Die Gleitreibungszahl zwischen Bremsklotz und Zylinder
beträgt µG = 0,4, der Radius des Zylinders r = 0,5 m. Der Zylinder kommt nach tB = 20 s zum Stehen.
a) Wie groß ist der Betrag des Drehmoments, das durch die Bremskraft hervorgerufen wird?
b) Wie groß ist das Trägheitsmoment des Zylinders?
6. Ein. Student steht auf einer ruhenden Drehscheibe mit einem
rotierenden Rad, das er so hält, dass die Drehachse horizontal
ausgerichtet ist (siehe Skizze).
Erläutern Sie mit Hilfe des Drehimpulserhaltungssatzes, was
passiert, wenn der Student das Rad um 90° schwenkt, so dass ω
jetzt nach oben zeigt! Reibung sei vernachlässigbar!
2004 - 2. Semester
1. Ein ideales Gas expandiert isotherm (Temperatur 30°C, Anfangsdruck 200 kPa, Ausgangsvolumen 10 l).
Nach der Expansion beträgt der Druck 100 kPa.
a) Welches Volumen liegt dann vor?
b) Wie groß ist die Masse des Gases, wenn es sich um Argon handelt (relative Molmasse MAr = 40 )?
2. Ein Elektronenstrahl mit einer Energie von 10 keV wird durch eine Spannung U = 5 kV . weiter
beschleunigt. Anschließend wird der Strahl durch ein senkrecht zum Strahl an- gelegtes homogenes
elektrisches Feld E = 104 V/m (Plattenkondensator) auf einer Strecke von 20 cm nach unten abgelenkt.
a) Wie groß ist die Energie des Strahles in keV nach Durchlaufen der Beschleunigungsspannung U?
b) Welche Richtung muss das senkrechte Feld haben?
c) Welche Bahnform beschreibt der Strahl unter Einfluss des senkrechten Feldes?
d) Um welchen Winkel wird der Strahl durch das senkrechte Feld abgelenkt?
Hinweis: Fertigen Sie eine Skizze an!
3. Eine lange Spule (Windungszahl N = 500, Länge L = 20 cm, Durchmesser d = 1 cm) wird von einem
Gleichstrom von I = 1 A durchflossen.
a) Wie groß ist die magnetische Induktion B im Innern der Spule?
b) Wie groß ist der magnetische Fluss φ im Innern der Spule?
4. Auf einen stromdurchflossenen Draht von 10 cm Länge, der senkrecht zu den Feldlinien eines
homogenen Magnetfeldes (B = 0,5 T) angeordnet ist, wirkt eine magnetische Feldkraft von 0,2 N.
a) Wie groß ist die Stromstarke?
b) Wie groß wäre die Kraft, wenn der Draht parallel zum Magnetfeld angeordnet würde? Begründen Sie kurz
Ihre Antwort!
5. Eine sehr kurze Spule (Windungszahl N = 100, Fläche A = 100 cm2 rotiert mit einer Frequenz von f = 50
Hz in einem homogenen Magnetfeld B = 0,2 T (Drehachse senkrecht zum Magnetfeld (Generatorprinzip)).
a) Wie ändert sich die in der Spule induzierte Spannung mit der Zeit, wenn die Spulenachse zum Zeitpunkt t
= 0 senkrecht zum Magnetfeld ausgerichtet war?
b) Wie groß ist die Amplitude der erzeugten Spannung?
Hinweis: Wie ändert sich die vom Magnetfeld durchsetzte Flache mit der Zeit und damit der magnetische
Fluss?
2003 - 3. Semester
1. Berechnen Sie unter der Annahme, dass die Erde die Sonne in 365 Tagen auf einer Kreisbahn mit dem
Radius 1,5 108 km umläuft, die Masse der Sonne. (Gravitationskonstante γG = 6,67 10-11 Nm2/kg2)
2. Über Freiberg (51° nördlicher Breite) weht ein starker Wind aus Norden mit einer Geschwindigkeit von 100
km/h.
a) In welche Himmelsrichtung wird der Wind aufgrund der Corioliskraft abgelenkt?
b) Wie groß ist die Abweichung in Metern von der Nord-Süd-Richtung pro Kilometer?
3. Wie groß ist die mittlere Geschwindigkeit der Stickstoffmoleküle der Luft bei Raumtemperatur (g = 20°C).
4. Mit Hilfe des radioaktiven Nuklids 14C soll das Alter von Fossilien bestimmt werden. Die Halbwertszeit von
14C beträgt T½ = 5730 a.
Hinweis: Zerfallsgesetz: a (t ) = a 0 ⋅ e
− λt
a) Berechnen Sie Zerfallskonstante λ!
b) Welches Alter ergibt sich, wenn a(t) noch 12,5% von a0 ist?
5. Elektronen werden in einer mit Quecksilberdampf gefüllten Röhre
durch eine variable Spannung zwischen Katode und Anode
beschleunigt. Hinter der netzförmigen Anode befindet sich ein
Elektronenfänger, der gegenüber der Anode ein positives Potential
besitzt (Franck-Hertz-Versuch). Trägt man die Anzahl der Elektronen,
die den Elektronenfänger erreichen, über der
Beschleunigungsspannung U auf, so erhält man die in der Abbildung
dargestellte Abhängigkeit.
a) Worauf ist die periodische Abnahme der Elektronenzahl nach deren
Maxima bei U = 4,9 V, 9,8 V und 14,7 V zurückzuführen?
b) Wie groß ist die Wellenlänge der von den Quecksilberatomen
ausgesandten Lichtquanten (h = 6,626 10-34 Js)?
6 Betrachten Sie die Abbildung eines Gegenstandes (Pfeil) durch
eine dünne bikonvexe Linse mit einer Brennweite von f = 50 cm.
Berechnen Sie für die folgenden Fälle den Abstand b des Abbildes
von der Linsenmittelebene und die Vergrößerung! Fertigen Sie
jeweils eine Skizze des Strahlenganges an!
Der Abstand a des Pfeils von der Linsenmittelebene beträgt
a) a = 2.f
b) a = f
c) a = 0,5.f
2002 – 1. Semester
1. Ein Skifahrer gleitet aus der Ruhe einen ebenen Hang hinab (Neigungswinkel 20°). Der Luftwiderstand ist
zu vernachlässigen.
a) Welche Geschwindigkeit erreicht er bei sehr glatter Piste (reibungsfrei) nach einer Strecke von 50 m?
b) Danach ändert sich der Pistenuntergrund so, dass der Skifahrer schließlich mit konstanter
Geschwindigkeit weitergleitet Berechnen Sie den Gleitreibungskoeffizienten!
Hinweis: Welche Relation besteht zwischen Hangabtriebskraft und Reibungskraft im Falle konstanter
Geschwindigkeit?
2. Ein Tennisspieler schlägt von der Grundlinie auf. Wie groß war die Anfangsgeschwindigkeit des Balles,
wenn der Ball in einer Höhe von 2,2 m horizontal geschlagen wurde und er auf der 24 m entfernten
Grundlinie des Gegners landet. Die Luftreibung ist zu vernachlässigen. Der Abschlag geschieht senkrecht
zur Grundlinie.
Hinweis: Beachten Sie die Analogie zu einem Teil der Belegaufgabe 1 !
3. Eine zylindrische Seiltrommel (Vollzylinder) hat einen Radius von 0,2 m und
eine Masse von mz = 10 kg. Am Seilende hängt eine Masse von m = 20 kg.
a) Wie groß ist das auf die Seiltrommel wirkende Drehmoment bei zunächst
arretierter Seiltrommel?
b) Nach welcher Strecke H erreicht die am Seil hängende Masse H eine
Geschwindigkeit von v = 10 m/s? Die Bewegung soll reibungsfrei sein und aus
der Ruhe beginnen. Vernachlässigen Sie die Seilmasse. Sie können hier
vorteilhaft den Energieerhaltungssatz anwenden.
c) Wie groß ist der Drehimpuls der Seiltrommel?
d*) Wie groß ist die Winkelbeschleunigung der Seiltrommel?
4) Ein bei Berlin gebautes Luftschiff (CargoLifter C160 - vgl. Vorlesung) ist in der Lage, Lasten bis zu 160 t
zu transportieren. Es hat eine Leermasse (ohne Helium) von 260 t und ist für eine maximale Steighöhe von
2000 m ausgelegt. Welches Hüllenvolumen, mit Helium gefüllt, ist für dieses Luftschiff mindestens
notwendig, wenn in 2000 m Höhe die Dichten von Luft pL=0,966 kg/m3 und Helium pHe=0,174 kg/m3
betragen? (Den Auftrieb der Last können Sie vernachlässigen.)
5. Die mittlere Korngröße von AI-Grieß (kleine Kügelchen der Dichte ρK = 2,7 g/cm3) soll durch
Sedimentation in einer Flüssigkeit der Viskosität = 0,1 kg/(ms) und der Dichte ρF = 1,2 g/cm3 abgeschätzt
werden. Dazu misst man die konstante Grenzgeschwindigkeit der Kügelchen, die sich schon nach kurzer
Zeit einstellt. Im vorliegenden Fall erhielt man vG=1 10-3 m/s.
a) Geben Sie die Kräfte an, die auf die Kügelchen wirken! Welche Beziehung gilt zwischen diesen Kräften im
Fall der konstanten Sinkgeschwindigkeit?
b) Welchen Wert erhalten Sie für den Durchmesser der Kügelchen?
Hinweis: Benutzen Sie für die Abschätzung das Stokes´sche Reibungsgesetz-
1999
1. Zwei elektrische Leiter, durch die jeweils ein Strom I = 300 A in die gleiche Richtung fließt, verlaufen an
Luft im Abstand r = 35 cm parallel zueinander.
a) Wie groß ist die zwischen den Leitern wirkende Kraft bei einer Leitungslänge l = 200 m? Handelt es sich
um eine anziehende oder um eine abstoßende Kraft?
*b) (Zusatzaufgabe) Skizzieren Sie das magnetische Feldlinienbild in einer Schnittebene senkrecht zu den
Leitern!
2. Eine Glühlampe, die bei der Spannung 12 V einen Leistungsverbrauch von 20 W hat, wird über eine 15 m
lange Doppelleitung aus Kupfer (Leitungsquerschnitt jeweils 0,75 mm2) an ein Gerät angeschlossen, das
eine konstante Spannung von 12 V bereitstellt.
a) Berechnen Sie den gesamten Widerstand der Zuleitung! (spezifischer Widerstand von Kupfer: ρCu= 1,7
10-8 Ωm)
b) Skizzieren Sie die Schaltung! Stellen Sie den Leitungswiderstande dabei als diskretes Bauelement dar!
c) Geben Sie den Strom I durch. die Lampe, die an, der Glühlampe abfallende Spannung UG sowie die von
ihr verbrauchte Leistung PG an! (Hinweis: Berechnen Sie zuerst den Widerstand der Lampe!)
3. Zur Bestimmung des Volumenstromes von Wasser (Dichte ρH2O= 1
g/cm3) in einem horizontalen Rohr misst man die Veränderung des
statischen Druckes p aneiner Verengung des Querschnittes (sog. VenturiDüse, s. Skizze). Der Querschnitt des Rohres beträgt A1 = 300 cm2, an
der Verengung ist er A2 = 30 cm2
a) Berechnen Sie das Verhältnis der Geschwindigkeit v1 im Rohr zur
Geschwindigkeit an der Verengung v2!
b) Ein seitlich angeschlossenes quecksilbergefülltes u-Rohr- Manometer
zeigt einen Steighöhenunterschied von h = 4 mm. Wie groß ist die
Differenz des statischen Druckes P1-P2 zwischen Rohr und Verengung?
(Dichte von Quecksilber ρHg= 13,55 g/cm3)
c) Berechnen Sie die Strömungsgeschwindigkeit v1 im Rohr! (Benutzen
Sie dafür das Ergebnis von Teilaufgabe a)!)
d) Wie groß ist der Volumenstrom ∆ V / ∆t in dieser Anordnung?
4) In einem Dieselmotor wird die angesaugte Luft mit der Temperatur υ1 = 65 °C sehr schnell vom Volumen
V1 auf das Volumen V2 verdichtet. Nach diesem Prozess soll die Luft eine Temperatur υ2 = 720 °C besitzen,
damit der eingespritzte Kraftstoff sich entzünden kann.
a) Um welche Zustandsänderung handelt es sich bei diesem Prozess?
b) Welches Verdichtungsverhältnis V1/V2 muß dabei erreicht werden? (cp/cv = 1,4)
5) Eine selbständige Leitung in Luft erfolgt bei Feldstärken von E >= 106 V/m. Diese sogenannten
Coronaentladungen führen z.B. dazu, daß geladene Körper entladen werden. Im vorliegenden Fall soll eine
an Luft befindliche, metallische Hohlkugel mit dem Radius .r0 = 1 cm untersucht werden, auf der sich die
positive Gesamtladung q befindet.
a) Zeichnen Sie das elektrische Feldlinienbild außerhalb der Kugel! Wie groß ist die elektrische Feldstärke
im Innern der Kugel ?
b) Geben Sie die Formel für die elektrische Feldstärke unmittelbar oberhalb der Kugeloberfläche an! Wie
groß ist die Ladung, die diese Kugel bei Berücksichtigung der Coronaentladungen maximal aufnehmen
kann?
1997
1. Im Vakuum fließt durch einen geradlinigen Draht ein Strom I = 2,5 A.
a) Skizzieren Sie bei vorgegebener Stromrichtung die Form und Richtung der magnetischen Feldlinien um
diesen Draht!
b) Geben sie den Betrag der magnetischen Feldstärke und den der magnetischen Flußdichte im Abstand r =
2 cm vom Leiter an!
2. Das Volumen einer mit Luft gefüllten Kammer werde schlagartig auf 150% vergrößert (wie z.B. beim
Vorlesungsversuch "Expansionsnebelkammer"!). Die Kammer besaß eine Anfangstemperatur υ1 = 22 °C.
Luft verhält sich näherungsweise wie ein ideales Gas.
a) Betrachten Sie die Expansion als adiabatisch und berechnen Sie dafür die Endtemperatur des
Luftvolumens! Der Adiabatenkoeffizient beträgt κ = 1,4.
b) Skizzieren Sie in einem p- V -Diagramm den Verlauf der Zustandsänderung! Zeichnen Sie die Isothermen
der Anfangs- und der Endtemperatur mit ein!
*c) Aus welchen Größen kann man den Adiabatenkoeffizient berechnen?
3. Im homogenen elektrischen Feld eines Plattenkondensators wird ein Elektronenstrahl senkrecht zu den
Platten beschleunigt und kann anschließend durch ein Loch in der positiven Platte austreten (s. Skizze). An
den Platten liegt eine Spannung von 500 V an.
a) Geben Sie die kinetische Energie eines Elektrons nach dem Durchfliegen der Beschleunigungsstrecke in
eV und in Ws an! (e = 1,602.10-19 As)
Der Elektronenstrahl tritt anschließend in ein homogenes elektrisches Feld ein, das senkrecht zu seiner
Bahn orientiert ist.
b) Was für eine Bahnkurve durchläuft der Strahl in diesem zweiten Feld? Geben Sie eine kurze Begründung
dafür an.
4. Ein Wasserrohr hat einen kreisförmigen Querschnitt (Radius R = 0,5 cm) und die Länge l = 10 m. Bei
einer anliegenden Druckdifferenz ∆p = 400 Pa wird es laminar durchströmt.
a) Berechnen Sie den Volumenstrom und die mittlere Strömungsgeschwindigkeit durch dieses Rohr!
Benutzen Sie für die Viskosität η = 1,0 10-3 kg m-1s-1 und für die Dichte ρ = 1,0 g/cm3!
b) Weisen Sie über die Berechnung der Reynoldszahl nach, daß es sich tatsächlich um eine laminare
Strömung handelt! Die kritische Reynoldszahl Rekrit, bei der die laminare in eine turbulente Strömung
umschlägt, ist Rekrit = 2320. Benutzen Sie als charakteristische Länge dabei den Rohrdurchmesser!
5. Eine Kfz-Batterie besitze die Urspannung U0 = 12
V und den Innenwiderstand Ri = 0,05 Ω. Bei
stehendem Motor seien allein die Lampen in
Betrieb, der Schalter S ist offen ( s. Skizze ). Der
Gesamtwiderstand der Lampen beträgt R1 = 1,275
Ω.
a) Welche Spannung UK liegt an den Klemmen der
Batterie an?
Für das Starten wird der Schalter S geschlossen, so daß parallel zu den Lampen der Anlasser mit dem
Widerstand R2 = 0,17 Ω angeschlossen ist.
b) Welcher Gesamtwiderstand ist jetzt an die Batterieklemmen angeschlossen?
c) Wie groß ist dann die Klemmenspannung UK?
1996
1. Ein rechtsläufiger Kreisprozeß mit dem Arbeitsgas Helium (m = 2 g; relative Atommasse MHe = 4) verläuft
über zwei isotherme (bei den Temperaturen T1= 300 K und T2 = 100 K) und zwei isochore (bei V1= 3 l und V2
= 10 l) Teilprozesse. Das Arbeitsgas wird dabei nicht ausgetauscht.
a) Skizzieren Sie den Kreisprozeß im p-V-Diagramm!
b) Berechnen Sie die nach außen abgegebene Arbeit !
2. Durch einen Silberdraht (Länge L = 1 m; Querschnitt A = 2 mm2) fließt ein elektrischer Strom von 10 A.
Berechnen Sie :
a) die dazugehörige Stromdichte,
b) den Widerstand des Drahts (spezifischer Widerstand ρAg= 1,5.10-8 Ωm),
c) den Spannungsabfall, der beim Stromfluß über dem Silberdraht auftritt !
d) Wieviele Elektronen fließen pro Sekunde durch den Leiterquerschnitt ?
e) Schätzen Sie die mittlere Geschwindigkeit der Elektronen (Driftgeschwindigkeit) ab (Avogadrozahl NA =
6,022.1023 mol-1 ; Silber: relative Atommasse MAg= 107,9; Dichte 10,5 g/cm3 ; jedes Silberatom soll ein
Leitungselektron zur Verfügung stellen)!
3. An eine Spannungsquelle mit der Urspannung Ue= 5 V und dem Innenwiderstand Ri= 10 Ω ist ein
Verbraucher mit veränderlichem Widerstand Ra angeschlossen.
a) Skizzieren Sie das Schaltbild !
b) Wie groß kann der Strom in diesem Stromkreis maximal werden ?
c) Welche Leistung stellt die Spannungsquelle Ue bereit, wenn der Strom gerade 100 mA beträgt ?
d) Welche Leistung wird dann am Verbraucher umgesetzt und wie ist die Differenz zu dem Ergebnis von c)
zu erklären ?
4. Vierfach positiv geladene Argon-Ionen (relative Atommasse MAr = 39,95 ; atomare Masseneinheit u = 1,66
10-27 kg) werden durch eine Spannung von 500 kV beschleunigt.
a) Welche Energie in keV bzw. Nm wird dabei erreicht ?
b) Welche Geschwindigkeit haben dann die Argon-Ionen ?
c) Welche Bahnform entsteht, wenn die Ionen senkrecht zu den Feldlinien in ein homogenes elektrisches
Feld geschossen werden ? Begründen Sie Ihre Antwort kurz!
5. Protonen werden mit einer Geschwindigkeit v = 2 106 m/s senkrecht zu den Feldlinien in ein homogenes
Magnetfeld (B = 0,1 T) geschossen.
a) Warum bewegen sich die Protonen in dem Magnetfeld auf einer Kreisbahn ?
b) Berechnen Sie den Radius der Kreisbahn.
c) Wie groß ist die Zeit, die ein Proton für einen Kreisumlaufbenötigt ?
d) Welche Arbeit verrichtet die Lorentzkraft bei einem Kreisumlauf am Proton ? Begründen Sie Ihr Ergebnis !