1. Aufgabe (10 Punkte) Erklären Sie folgende physikalischen

1. Aufgabe (10 Punkte)
Erklären Sie folgende physikalischen Begriffe: Gravitationsfeld, Wellenlänge, Zeitdilatation, konservative Kraft, elektrischer Strom.
2. Aufgabe (3, 3 Punkte)
Eine Masse m1 = 5 g trifft mit einer Geschwindigkeit v1 = 200 m/s entlang der
x−Achse zentral auf eine zweite, ruhende Masse m2 = 20 g und bleibt in ihr
stecken. Die Bewegung erfolgt reibungslos.
a) Welche Geschwindigkeit hat die Gesamtmasse nach dem Stoß?
b) Wie viel kinetische Energie wird während des Stoßes in andere Energieformen
(z.B. Wärme, Verformung, etc.) umgewandelt?
3. Aufgabe (10 Punkte)
Bewerten Sie die folgenden Aussagen mit richtig oder falsch, und geben Sie eine
Begründung bzw. einen Beweis an. (Antworten ohne Begründung/Beweis werden
nicht gewertet.)
a) Bei einer gleichförmigen Kreisbewegung bleibt die Zentripetalbeschleunigung
konstant.
b) Elektrostatische Felder sind immer homogen.
c) Die Lorentzkraft ist immer positiv.
d) Wenn zwei rotierende Körper dieselbe Masse und dieselbe Winkelgeschwindigkeit haben, haben Sie auch identische Drehimpulse.
e) Wellen gleicher Wellenlängen haben immer ebenfalls gleiche Frequenzen.
4. Aufgabe (2,4,4,4 Punkte)
Ein elektrisch neutrales Molekül besteht aus 5 negativen und somit 5 positiven
Ladungen. Das Molekül hat ein elektrisches Dipolmoment von |~p| = 16 · 10−30 Cm.
a) Wie weit sind die Ladungsschwerpunkte voneinander entfernt?
b) Das Molekül befindet sich in einem homogenen elektrischen Feld der Stärke
2, 0 · 105 N/C. Welches maximale Drehmoment kann das Feld ausüben?
c) Welche Position (Skizze) haben die Ladungen relativ zu den Feldlinien des homo~
genen E-Felds
bei maximalem Drehmoment? Zeichnen Sie in die Skizze ebenfalls
die Vektoren folgender Größen ein: elektrisches Dipolmoment, Kräfte, Drehmoment.
d) Wie groß ist die Änderung der kinetischen Energie, wenn der Vektor des Dipolmoments aus einer antiparallelen Orientierung zum elektrischen Feld in eine
parallele Position überführt wird?
5. Aufgabe (2, 5 Punkte)
Zur Strom-, bzw. Spannungsmessung stehen Ihnen ein Ampèremeter bzw. ein Voltmeter zur Verfügung. Für die in der Abbildung dargestellten Schaltung sollen der
Strom, der durch den Widerstand R3 fließt und der Spannungsabfall an R2 gemessen werden.
a) Ergänzen Sie - an der richtigen Stelle - die Schaltung durch das Ampèremeter
und das Voltmeter.
b) Müssen die Innenwiderstände Ihres Ampèremeters RA bzw. Ihres Voltmeters RV
groß oder klein sein? Beweisen Sie Ihre Antwort mit Hilfe des Ohm’schen Gesetzes.
6. Aufgabe (6, 3 Punkte)
Der dargestellte Schaltkreis wird über zwei Spannungsquellen gespeist mit U1 =
6, 0 V und U2 = 10, 0 V. Durch den Widerstand R2 fließt der Strom I2 = 1 A. Die
drei Widerstände haben die Werte: R1 = 8, 0 Ω, R2 = 4, 0 Ω, R3 = 7, 0 Ω.
a) Stellen Sie die Kirchhoff’schen Gleichungen für Knoten 1 und 2 und die Maschen
1 und 2 auf. Nutzen Sie hierzu die vorgegebenen Strom- und Maschenrichtungen.
b) Berechnen Sie die Ströme I1 und I3 . Interpretieren Sie hierzu die Vorzeichen
Ihrer Ergebnisse.
7. Aufgabe (2, 2, 4 Punkte)
Bei Caesium ist die Austrittsarbeit für eine Elektron Wa = 1,9 eV. Es wird mit
Licht der Wellenlänge λ = 589 nm bestrahlt.
a) Welche Frequenz hat das Licht?
b) Welchen Impuls haben die Photonen des Lichts?
c) Welche Gegenspannung muss angelegt werden, damit der durch den Photoeffekt
erzeugte Elektronenstrom gerade verschwindet?
8. Aufgabe (3,3,4,3,3)
a) Erklären Sie die Begriffe Knoten und Bauch einer stehenden Welle
b) Erklären Sie den Unterschied zwischen Masse und Gewicht.
c) Ein Elektron des Wasserstoffatoms befindet sich im 1. angeregten Zustand.
Geben Sie die möglichen Quantenzahlen des Elektrons an.
d) Was ist eine elktromagnetische Welle?
e) Zwei gleich große Quader unterschiedlicher Massen gleiten reibungsfrei aus der
Ruhe eine schiefe Enbene hinunter. Kommen die beiden Quader gleichzeitig am
Ende der Ebene an oder ist der mit der großen oder der mit der kleinen Masse eher
unten? (Begründung!)
Konstanten
Gravitationskonstante
G = 6,67 ·10−11 N m2 /kg2
Boltzmannkonstante
k = 1,38·10−23 J/K
Gaskonstante
R = 8,314 J/(mol K)
Avogadrokonstante
NA = 6,022 ·1023 mol−1
Rydbergkonstante
Ry = 1,097 ·107 m−1
Elementarladung
e = 1,602·10−19 C
Erdbeschleunigung
g = 9,81 m/s2
Lichtgeschwindigkeit
c = 2,998 ·108 m/s
Plancksche Konstante
h = 6,626 ·10−34 J s
h = 4,14 ·10−15 eVs
Elektronenmasse
me = 9,109 ·10−31 kg = 0,51 MeV/c2
Protonenmasse
mp = 1,673 ·10−27 kg ≈1 GeV/c2
Neutronenmasse
mn ≈1 GeV/c2
Elektrische Feldkonstante
ǫ0 = 8, 9 · 10−12 C2 /(N m2 )
Magnetische Feldkonstante µ0 = 4π10−7 N s2 /C2
Umrechnungen
−19
1 eV = 1,602 ·10 J
ϑ/◦ C = T /K - 273