Prüfung Physik I 24022011

NAME:
Matr.Nr.:
Stud.-Richt.:
Schriftliche Prüfung aus Physik I (Rechenteil) am 24.2.2011
(6 Beispiele: insgesamt 20 Punkte)
1. Ein Körper bewegt sich mit einer Anfangsgeschwindigkeit von 12m/s aufwärts entlang
einer schiefen Ebene mit einer Neigung von θ = 40° und einem Gleitreibungskoeffizienten
von µ = 0.35. a) Welche maximale Höhe bezüglich des Ausgangspunktes erreicht die
Masse? b) Mit welcher Geschwindigkeit kommt die Masse an den Ausgangspunkt zurück?
c) Begründen Sie warum die Endgeschwindigkeit kleiner ist als die
Anfangsgeschwindigkeit. (4 Punkte)
2. Gegeben Sei eine masselose feste Stange der Länge
L = 2m, die an einem Ende am Punkt D drehbar
aufgehängt ist und an deren anderem Ende eine
Punktmasse mit m1 = 2kg hängt. Eine weitere Masse
m2 = 3 kg ist 50 cm vom Ende entfernt montiert
(siehe Skizze). Die Stange wird aus der Ruhelage um
den Winkel 450 ausgelenkt und dann losgelassen. Mit
welchen Geschwindigkeiten bewegen sich beide
Massen durch den tiefsten Punkt? (4 Punkte)
D
α=450
m2=3kg
m1=2kg
v2=?
v1=?
3. Eine Membran (Lautsprecher) vollführe in vertikaler Richtung eine Sinusschwingung mit
einer Amplitude von 1 mm. Auf der Membran liege eine Masse die dieser Schwingung
folgt. Ab welcher Frequenz kann die Masse der Membran nicht mehr folgen und hebt
ab? (3 Punkte)
4. a) An welchem Punkt zwischen Erde und Mond heben sich deren Anziehungskräfte auf?
b) Berechnen Sie die Geschwindigkeit, mit der eine Raumkapsel der Masse 1000 kg vom
Stillstand weg von diesem kräftefreien Punkt aus auf die Mondoberfläche fällt?
Erdmasse: 6x1024kg; Mondmasse: 7.39x1022kg; Erdradius: 6380km; Mondradius: 1738km
Abstand Erde-Mond: 384400 km. (3 Punkte)
5.
Ein homogener Leiter von 30 m Länge und 1 mm2 Querschnitt habe einen elektrischen
Widerstand von 1 Ohm. Die Elektronenkonzentration des Leitermaterials betrage
n = 1026 m-3. a) Berechnen Sie die mittlere (Drift-) Geschwindigkeit der Elektronen bei
einem Strom von 10A. b) wie groß ist die Beweglichkeit μ der Elektronen? Geben Sie
auch die Einheit der Beweglichkeit an. (3 Punkte)
6. Eine rechteckige Leiterschleife (Breite 6cm und Länge 12cm) rotiert um eine Achse, die
senkrecht auf ein homogenes Magnetfeld der Stärke B=0.5 Tesla steht. Dabei entsteht
eine Wechselspannung der Amplitude Uˆ = 5 Volt. Berechnen Sie die Frequenz dieser
Wechselspannung. (3 Punkte)
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Matr.Nr.:
Stud.-Richt.:
Schriftliche Prüfung aus Physik I (Theoretischer-Teil) am 24.2.2011
(3 Fragen nach Wahl beantworten, bitte genau kennzeichnen!)
1. Flüssigkeiten: a) Erklären Sie die Begriffe Oberflächenenergie und Oberflächenspannung
von Flüssigkeiten. Wie hängen diese beiden Größen zusammen? Welche Kräfte sind für
ihr Auftreten verantwortlich? Argumentieren Sie, warum Wassertropfen und Seifenblasen
eine Kugelgestalt haben. b) Erklären Sie (z.B. mit Hilfe einer Seifenlamelle), woher der
Begriff der „Oberflächenspannung“ stammt, und vergleichen Sie diese mit der Definition
einer mechanischen Spannung in Festkörpern.
2. Gedämpfte Schwingung: Wie lautet die Differentialgleichung für eine gedämpfte
harmonische Schwingung? Beschreiben Sie die physikalische Herkunft und insbesondere
die Richtung der darin auftretenden Kräfte. Wie lautet der Ansatz für die allgemeine
Lösung dieser Gleichung? Skizzieren Sie die Lösung für die beiden Fälle i) schwache
Dämpfung und ii) starke Dämpfung. Was ist der wesentliche physikalische Unterschied
zwischen diesen beiden Fällen? (4 Punkte)
3. Elektrisches Feld: a) Skizzieren Sie das elektrische Feld für zwei negative Punktladungen
(Ladungen -e, -e) sowie für einen elektrischen Dipol (Ladungen +e, -e) im Abstand d. Gibt
es jeweils einen Punkt an dem das Feld verschwindet? b) Berechnen Sie die Feldverläufe
im Innenraum und im Außenraum einer leitenden und einer nichtleitenden geladenen
Hohlkugel? Wie sind die Feldverläufe im Innen-und im Außenraum einer nichtleitenden
bzw. leitenden Vollkugel? Verwenden Sie das Gauss’sche Gesetz für die quantitative
Herleitung der Beziehungen.
4. Protonen werden durch das Feld eines Plattenkondensators mit einer Spannung U
beschleunigt und durch ein Loch in das homogene Magnetfeld B (das aus der
Zeichenebene heraus zeigt) eines Elektromagneten eingeschossen (siehe Skizze). a) In
welchem Abstand d vom Eintrittsloch trifft der Ionenstrahl auf den Leuchtschirm auf. b)
Was ändert sich qualitativ und auch quantitativ (Abschätzung!) wenn man das elektrische
Feld umkehrt und Elektronen statt Protonen verwendet?