Gruppe A - Institut für Physik

Klausur Physik II
MES/MLS
Experimentelle Physik
für
MLS und MIW
Klausur
Sommersemester 2008
05.08.2008
Universität zu Lübeck
Institut für Physik
Bitte füllen Sie die folgenden Felder in Druckschrift aus:
Vorname (first name): ________________________
Nachname (surname): ________________________
Matrikelnummer: ____________
Studienfach: ____________
Hörsaal: ____________
Die Abschlussklausur besteht aus 28 Aufgaben. Die Lösungen sind auf beiliegendem Papier
anzugeben bzw. in der Lösungstabelle anzukreuzen.
Verwenden Sie bitte nur Füller oder Kugelschreiber, keine Bleistifte. Erlaubte Hilfsmittel
sind Schreibzeug, Taschenrechner und eine Formelsammlung. Bei Aufgaben, die nicht zum
Typ "multiple choice" gehören, ist immer auch der Lösungsweg (Formeln, Zwischenschritte,
Einheiten und Rechnung) mit anzugeben; alleinige Angabe des Endergebnisses zählt nicht.
Für weiteres Lösungspapier fragen Sie die Klausuraufsicht. Auf zusätzlichen Zetteln sind
Name und Matrikelnummer zu vermerken.
Gruppe A
Klausur Physik II
MES/MLS
Elektrizitätslehre
1. Aufgabe (2 Punkte)
Rechnen Sie um!
a) 511 keV in J
b) 15 MΩ in mV/nA
c) 80 mT in µV*µs/ cm²
d) 30 kHz in min-1
2. Aufgabe (1 Punkt)
Welche Aussage trifft zu?
Durch die Parallelschaltung zweier Widerstände R1 = 6 Ω und R2 = 12 Ω fließt ein Strom
der Stärke I = 0,3 A (vgl. Schaltung). Die Stromstärke durch den Widerstand R1 beträgt
dann
A) 0,3 A
B) 0,2 A
C) 0,15 A
D) 0,1 A
E) 0,075 A
3. Aufgabe (1 Punkt)
Im Feld einer positiven punktförmigen Ladung Q befindet sich wie dargestellt ein
elektrischer Dipol so, dass Q auf der verlängerten Achse des Dipols liegt. Welche
der folgenden Aussagen treffen auf diese Anordnung zu?
+Q
(1) Es wird kein Drehmoment auf den Dipol
ausgeübt.
(2) Es wird eine resultierende Kraft auf den Dipol ausgeübt.
(3) Es wird eine Kraft auf die Ladung Q ausgeübt.
A)
B)
C)
D)
E)
nur 1
nur 2
nur 3
nur 2 und 3
1 bis 3 (alle)
-q
+q
l
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MES/MLS
4. Aufgabe (1 Punkt)
Bringt man in den unten dargestellten Ausschnitt eines inhomogenen elektrischen
Feldes eine Probeladung q, so wirkt auf diese eine Kraft.
Für diese Kraft gilt:
A) Sie ist überall im Feld gleich
B) Ihre Richtung ist senkrecht zu den Feldlinien
C) Sie ist proportional zur Geschwindigkeit der Probeladung
D) Sie ist proportional zum Betrag von q
E) Ihre Richtung ist unabhängig vom Vorzeichen von q
5. Aufgabe (5 Punkte)
a) Berechnen Sie die elektrische Feldstärke (Richtung und Betrag) und das elektrische
Potential im Punkt A in nachstehender Skizze!
b) Berechnen Sie das elektrische Potential in Punkt B!
q1 (+e) und q2 (-e) sollen dabei eine positive bzw. eine negative Elementarladung tragen.
6. Aufgabe (2 Punkte)
Ein Strom von 2,4 A fließt 13,2 min lang durch einen Widerstand R. Welche
Ladung in Coulomb fließt, und wie viele Elektronen treten während dieser Zeit
durch einen beliebigen Querschnitt dieses Widerstands?
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7. Aufgabe (1 Punkt)
An einer Spannungsquelle mit einer Leerlaufspannung von 200 Volt und einem
Innenwiderstand von 10 kΩ wird ein Voltmeter mit einem Innenwiderstand von 10
kΩ angeschlossen.
Welche Spannung zeigt es?
A) 200 V
B) 190 V
C) 100 V
D) 10 V
E) keine
8. Aufgabe (2 Punkte)
Welche Aussagen sind richtig, und ist die
kausale Verknüpfung gegeben?
In nebenstehender Schaltung zeigt Ampèremeter 1 eine
größere Stromstärke als Ampèremeter 2
weil
in dem Widerstand R elektrische Energie in Wärmeenergie umgewandelt wird.
←
Antwort
A)
B)
C)
D)
E)
Aussage 1
Richtig
Richtig
Richtig
Falsch
Falsch
Aussage 2
Richtig
Richtig
Falsch
Richtig
Falsch
Verknüpfung
Richtig
Falsch
9. Aufgabe (6 Punkte)
Ein Plattenkondensator ohne Dielektrikum hat eine Fläche von A = 600 cm2. Die
Platten haben einen Abstand d1 = 0,5 cm und sind zunächst mit einer Batterie mit
einer Spannung U1 = 300 V verbunden.
a) Berechnen Sie die Kapazität C1 des Kondensators, seine Ladung Q1 , die elektrische
Feldstärke E und die Feldenergie W.
b) Bei angeschlossener Batterie wird der Plattenabstand auf d2 = 1 cm vergrößert. Wie
groß sind jetzt U2 und E2 ?
c) Von a) ausgehend wird die Verbindung zur Batterie unterbrochen und dann der
Abstand auf d2 = 1 cm vergrößert. Welche Werte nehmen Q3 und E3 nun an?
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MES/MLS
10. Aufgabe (1 Punkt)
Die Membran einer biologischen Zelle besitzt zunächst eine auf einen
Quadratzentimeter Membranoberfläche bezogene elektrische Kapazität von 0,6
μF/cm. Nach einer induzierten Phasenumwandlung in der Membran (mit
veränderter Anordnung der Lipidmoleküle) ist ihre Dicke um 20 % vermindert und
die Permittivitätszahl (Dielektrizitätszahl) um 20 % vergrößert. Etwa wie groß ist
die auf einen Quadratzentimeter bezogene Kapazität nach der Umwandlung, wenn
man als Näherung von einem Plattenkondensator ausgeht?
A) 0,2 μF/cm2
B) 0,4 μF/cm2
C) 0,6 μF/cm2
D) 0,9 μF/cm2
E) 1,2 μF/cm2
11. Aufgabe (1 Punkt)
Welche Antwort trifft zu?
Der magnetische Fluss Φ durch eine Leiterschleife ändert
sich zeitlich gemäß nebenstehender Abbildung. Wie sieht der
zeitliche Verlauf der induzierten Spannung aus?
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12. Aufgabe (2 Punkte)
Welche Aussagen sind richtig, und ist die kausale Verknüpfung gegeben?
Ein Elektron, das in ein homogenes Magnetfeld senkrecht zu den Feldlinien geschossen
wird, beschreibt eine Kreisbahn,
weil
die Lorentz-Kraft stets senkrecht auf dem Geschwindigkeitsvektor steht.
Antwort
Aussage 1
Aussage 2
Verknüpfung
A)
B)
C)
D)
E)
Richtig
Richtig
Richtig
Falsch
Falsch
Richtig
Richtig
Falsch
Richtig
Falsch
Richtig
Falsch
13. Aufgabe (6 Punkte)
Ein Stromkreis enthält in Serie geschaltet einen ohmschen Widerstand mit R = 10
Ω, einen Kondensator der Kapazität C = 4 µF und eine Induktionsspule der
Induktivität L = 0, 2 H. Er ist an eine Wechselspannung von Ueff = 220 V mit der
Netzfrequenz f = 50 Hz angeschlossen.
a) Wie groß ist die effektive Stromstärke?
b) Welche Effektivwerte haben die Spannungen an den einzelnen Bauelementen?
c) Zeichnen Sie für obige Schaltung ein Zeigerdiagramm im korrekten Maßstab mit
folgenden Impedanzen: R = 4 Ω, XL = 2 Ω , XC = 3 Ω! Zeichnen Sie zusätzlich den
Blind- und den Scheinwiderstand ein.
14. Aufgabe (1 Punkt)
Eine reine Induktivität L liegt an Wechselspannung. Welche der folgenden
Darstellungen gibt die Abhängigkeit der Impedanz XL von der Frequenz f
qualitativ richtig wieder?
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15. Aufgabe (2 Punkte)
Welche Aussagen sind richtig, und ist die kausale Verknüpfung gegeben?
Die Leitfähigkeit einer verdünnten wässrigen NaCl-Lösung nimmt mit zunehmender
Konzentration ab,
weil
mit zunehmender Konzentration einer Elektrolytlösung die Konzentration der
Ladungsträger steigt.
Antwort
Aussage 1
Aussage 2
Verknüpfung
A)
B)
C)
D)
E)
Richtig
Richtig
Richtig
Falsch
Falsch
Richtig
Richtig
Falsch
Richtig
Falsch
Richtig
Falsch
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16. Aufgabe (2 Punkte)
Eine Membran trennt zwei wässrige Ca2+-Lösungen mit den Konzentrationen von
10-2 M und 0.4 M. Welche Membranspannung liegt bei einer Temperatur von 37°C
an der Membran an?
Optik
17. Aufgabe (3 Punkte)
a) Zu bestimmen ist die Vakuum-Wellenlänge elektromagnetischer Wellen, deren
Frequenz 250 GHz beträgt.
b) Wie groß sind Ausbreitungsgeschwindigkeit, Frequenz und Wellenlänge in Benzol, das
eine Dielektrizitätszahl von 2,28 besitzt?
18. Aufgabe (1 Punkt)
Ein leuchtendes Glühlämpchen L befinde sich an der eingezeichneten Stelle unter
Wasser. Aus welcher Richtung sieht das Auge eines Beobachters über der
Wasseroberfläche (an Luft) das Licht?
19. Aufgabe (2 Punkte)
Ein Lichtstrahl durchquert einen Diamanten, der sich im Wasser befindet.
a) Unter welchem Winkel trifft der Lichtstrahl auf die Diamant-Wasser-Grenzschicht,
wenn er unter einem Winkel von 43° aus dem Diamanten austritt.
b) Wann kommt es im Diamanten zur Totalreflexion?
(nDiam = 2,42, nWasser = 1,33)
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20. Aufgabe (1 Punkt)
Durch den koaxialen Aufbau zweier dünner Sammellinsen mit den Brennweiten f1
und f2 soll ein einlaufendes paralleles Lichtbündel in ein auslaufendes ebenfalls
paralleles Lichtbündel umgewandelt werden (Skizze). Welcher Bedingung muss
der Abstand d der beiden Linsen genügen?
A)
B)
C)
D)
E)
21. Aufgabe (6 Punkte)
Mit einer dünnen, bikonvexen Linse wird ein 2,2 cm hoher Gegenstand auf einen
Schirm abgebildet. Die Bildweite beträgt 3 cm, die Gegenstandsweite 5 cm.
a) Welche Brennweite hat die Linse und welche Vergrößerung wird erreicht?
b) Zeichnen Sie maßstabsgetreu die Abbildung mit 3 charakteristischen Strahlen (siehe
Millimeterpapier auf Lösungszettel).
22. Aufgabe (1 Punkt)
In nebenstehender Abbildung sehen Sie den
Intensitätsverlauf in Abhängigkeit vom
Beugungswinkel von monochromatischem Licht
hinter einem Transmissionsgitter. Wie ändert sich der
Intensitätsverlauf, wenn die Breite der Einzelspalte
des Gitters vergrößert wird, die Gitterkonstante sowie
die Anzahl der Einzelspalte jedoch konstant bleiben.
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23. Aufgabe (3 Punkte)
Paralleles, monochromatisches Licht der Wellenlänge 532 nm falle auf einen
schmalen Spalt der Breite 250 µm. Ein Schirm befinde sich im Abstand von 1,5 m
zum Spalt.
a) Wie groß ist der Abstand zwischen den jeweils ersten Minima auf beiden Seiten
des Hauptmaximums?
b) Wie ändert dieser sich, wenn man die Spaltbreite verdoppelt?
c) Wie groß ist der Abstand, wenn man die Wellenlänge verdoppelt?
24. Aufgabe (1 Punkt)
Linear polarisiertes Licht (vertikal polarisiert) trifft auf ein Verzögerungsplättchen.
Nach dem Plättchen ist das Licht zirkular polarisiert. Um welches Plättchen
handelt es sich und wie ist die Achse zur Vertikalen geneigt?
A) 0°, λ/2
B) 45°, λ/4
C) 45°, λ/2
D) 90°, λ/4
E) 0°, λ/4
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25. Aufgabe (1 Punkt)
Welche der folgenden Aussagen treffen zu? Das räumliche Auflösungsvermögen
eines Mikroskops kann verbessert werden durch
(1) Verwendung höherfrequenten Lichts
(2) Vergrößerung der Öffnung der Objektivlinse bei konstanter Brennweite
derselben
(3) Verwendung eines Mediums mit größerer Brechzahl zwischen Objekt und
Objektiv
A) nur 3
B) nur 1 und 2
C) nur 2 und 3
D) nur 1 und 3
E) 1 bis 3 (alle)
26. Aufgabe (1 Punkt)
Welche Effekte können Licht polarisieren?
1) Doppelbrechung an Kalkspat
2) Streuung
3) Beugung am Spalt
4) Luftspiegelung (Fata Morgana)
5) Reflexion
A) nur 1
B) nur 5
C) 1,2,5
D) 1,2
E) 1,3,4
27. Aufgabe (1 Punkt)
Welche der folgenden Aussagen über den Aufbau neutraler Atome trifft nicht zu?
(A) Atomkerne sind stets positiv geladen.
(B) Atomkerne enthalten stets Neutronen.
(C) Atomkerne enthalten stets Protonen.
(D) Die Atomhülle besteht aus Elektronen.
(E) Die Atomhülle ist stets negativ geladen.
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28. Aufgabe (2 Punkte)
Eine Lichtquelle habe eine elektrische Leistung von 5 W, einen elektrischoptischen Wirkungsgrad von 40 % und emittiere Licht der Wellenlänge 500 nm.
Wie viele Photonen werden pro Sekunde emittiert?
29. Aufgabe (2 Punkte)
Die Sonnenoberfläche habe eine Temperatur von 5800 K .
a) Bei welcher Wellenlänge liegt das Maximum der von der Sonne emittierten
elektromagnetischen Strahlung?
b) Bei welcher Wellenlänge liegt das Maximum der Ausstrahlung eines Menschen
bei normaler Körpertemperatur (T=37°C)?
(Wiensche Konstante k = 2,8978 mm*K)
30. Aufgabe (3 Punkte)
Die Rakete Phönix VII reist mit einer Geschwindigkeit von 0.5c zum Mars. Von
der Erde aus gesehen, ist sie 14 m lang und hat einen Durchmesser von 3 m.
a) Welche Maße hat die Sonde für einen mitreisenden Forscher?
b) Die Bodenstation genehmigt dem mitreisenden Forscher einen Mittagsschlaf von
einer Stunde. Wie lange kann er im Raumschiff schlafen?