Klausur - physik online lernen

physik (Fach) / Klausur (Lektion)

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Aufgabe 2.1 Zwei geladene Metallkugeln (4 Punkte) Zwei 10 kg schwere Metallkugeln seien mit 10−10 C bzw. −10−10 C geladen (entsprechend einer Ladespannung von ≈15 V). (a) Wie groß ist die Kraft zwischen ihnen bei einem Abstand von r = 0.3 m? (b) Wie groß ist die Gravitationskraft zwischen ihnen bei gleichem Abstand (γ = 6, 67 · 10−11 Nm2 kg2 )? a) F= 1/(4π*ε0)*(Q1*Q2)/r2 (69) b)F=γ*(m1*m2)/r2 (11)
Aufgabe 2.2 Drehmoment eines Dipols im Plattenkondensator (4 Punkte) Wie groß ist das Drehmoment, welches ein aus zwei Elementarladungen Q = ±1, 6 ·10−19 C im Abstand ℓ = 0, 5 ·10−8 cm bestehender Dipol im Feld eines Plattenkondensators erfährt? Der Plattenkondensator habe d = 1 cm Plattenabstand und sei auf U = 5000 Volt aufgeladen. Der Dipol bilde mit der Feldrichtung einen Winkel von α = 45◦ M=p*E*sin α (74) p=q*r (73) E=U/d (86) ⇒ M=q*r*U/d *sin α
Aufgabe 3.1 Schwebende Wattekugel (3 Punkte) Eine Wattekugel mit einer Masse m = 3 · 10?2 g sei mit einer Ladung Q = 4 · 10?8 C geladen. Wie groß muss die Spannung zwischen den Platten eines waagrecht liegenden Plattenkondensators (Plattenabstand d = 5 cm) sein, damit die Wattekugel schwebt? Gewichtskraft muss durch Feldkraft ausgeglichen werden: m*g=q*E (78) E=U/d ⇒m*g*d/q=U
Aufgabe 3.4 Plattenkondensator (4 Punkte) (a) Wie groß ist die Kapazität C eines ebenen Plattenkondensators mit Fl¨ache A = 1500 cm2 und Plattenabstand d = 2 mm? (b) Berechnen Sie die elektrische Energie W, wenn dieser Plattenkondensator auf U = 1000 V aufgeladen ist. (c) Bestimmen Sie die Anziehungskraft zwischen den Platten aus dem Energiegehalt des Kondensators. a) C=Q/U b) W=1/2 C*U2 c)F=W/d
Aufgabe 5.1 Autobatterie (6 Punkte) Eine Autobatterie mit einer reduzierten Quellspannung von 11,4 V und einem Innenwiderstand von 0,01 Ω werde mit einer 2 Ω Last verbunden. Zur Unterstutzung der schadhaften Batterie werde diese mit einer zweiten Bat ¨ terie mit einer Quellspannung von 12,6 V und einem Innenwiderstand von 0,01 Ω uber ein Starthilfekabel parallel verbunden. ¨ (a) Zeichnen Sie ein Schaltbild der Anordnung. (b) Wie groß sind die Stromst¨arken in den einzelnen Teilen der Schaltung? (c) Welche Leistung gibt die zweite Batterie ab? Ermitteln Sie, wo diese Leistung bleibt. Nehmen Sie dabei an, dass Quellspannungen und Innenwiderst¨ande der Batterien konstant bleiben. b) I. 12,6V-0.01Ω*I1-2Ω*I3 II. 11,4V-0.01Ω*I2-2Ω*I3 III. I1+I2=I3 c) PB=U*I PW=R*I2
Aufgabe 6.1 Kreisstrom (3 Punkte) Berechnen Sie das magnetische Feld B im Mittelpunkt eines kreisf¨ormig fließenden Stroms (I = 10 A, r = 10 cm). B=μ0*I/2r
Mit einem Massenspektrometer (siehe Abbildung 1) k¨onnen Molekule anhand ihres Ladungsmassenverh¨altnisses aufgetrennt werden. Die Molekule fliegen senkrecht zu einem homogenen Magnetfeld in das Ger ¨ ¨at. Bestimmen Sie das Verh¨altniss q m in Abh¨angigkeit des Radius r, bei gegebener Beschleunigungsspannung U und dem homogenen Magnetfeld B. FLorentz=FZentripetal q*v*B=m*v2/r ⇒ q/m = v/r*B Energieerhaltung: qU=1/2 m*v2 ⇒ v=√(2*(q/m)*U) ⇒⇒q/m = (2U)/r2B2
Die beiden Dr¨ahte einer 2 m langen Stromleitung haben einen Abstand von 3 mm und fuhren einen Gleichstrom von ¨ 8 A (in entgegengesetzte Richtungen). Berechnen Sie die zwischen diesen beiden Dr¨ahten wirkende Kraft. Magnetfeld B=(μ0*I)/(2π*r) (r in diesem falle die 0.003m) Lorentzkraft: F=q*v*B q=I*t v=s/t ⇒ F=I*s*B
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Aufgabe 7.1 Flussdichte B (4 Punkte) Ein sog. ”ballistisches Galvanometer” kann zur Messung der magnetischen Flussdichte B verwendet werden, wobei die Skala des Galvanometers die Ladungsmenge Q anzeigt. Fur ein reales Galvanometer habe die Galvanometerspule ¨ 50 Windungen und einen Windungsquerschnitt von 4 cm2 . (Der Vektor der magnetischen Flussdichte B sei parallel zur Spulen-Fl¨achennormalen An.) Wie groß ist die magnetische Flussdichte B, wenn beim schnellen Entfernen der Spule aus dem Magnetfeld die Skala eine Ladungsmenge von Q = 8, 3 · 10−6 C anzeigt (innerer Widerstand des Galvanometers sei Ri = 40 Ω, Messspulenwiderstand sei RS = 18 Ω)? Uind= -NdΦ/dt |*dt Uind*dt=-NdΦ | ∫ ∫Uind*dt=NBA U=I*R ∫I*R*dt= R∫I*dt = NBA ∫I*dt = Q = Ladung R*Q=NBA B=R*Q/N*A
Um Funkenbildung beim Abschalten einer Spule zu vermeiden wird ein Kondensator parallel zum Schalter geschaltet. Die Induktivit¨at einer Schaltspule betrage L = 4 H, der Spulenstrom I = 5 A, und der Kondensator besitze eine Spannungsfestigkeit von 10 kV. Wie groß ist die Kapazit¨at C des Kondensators zu w¨ahlen? 0.5*CU2=0.5LI2 C=(L*I2)/U2
Aufgabe 8.1 Rotierende Spule (3 Punkte) Eine Flachspule aus 200 Windungen umschließe eine Fl¨ache von 150 cm2 und rotiere mit einer Drehzahl von 800 Umdrehungen/min in einem homogenen Magnetfeld B~ (B~ stehe senkrecht zur Drehachse). Fur welche Feldst ¨ ¨arke B wird eine Scheitelspannung von Up = 48 V induziert? Uind=NBA*ω*sin(fωt) Up = sinustherm = 1 Up=NBA*ω ⇒ B= Up/NA*ω
Aufgabe 8.2 Wechselstromschaltung (4 Punkte) Berechnen Sie fur die Schaltung nach Abb. 2 die Stromst ¨ ¨arke, den Phasenverschiebungswinkel φ und die Wirkleistung im Wechselstromnetz (U = 230 V, f = 50 Hz). I=U/Z tan φ = (R(L)+R(C))/R(R) Wirkungsgrad: P=U*I*cosφ
Aufgabe 9.1 Selbstinduktion (3 Punkte) In einer luftgefullten zylindrischen Spule der L ¨ ¨ange 70 cm mit 500 Windungen und einem Durchmesser von 12 cm wird die Stromst¨arke innerhalb 2 s von 1 A auf 8 A gleichm¨aßig gesteigert. Berechnen Sie die Induktivit¨at der Spule und die Selbstinduktionsspannung. Uind=-L*I' L=(μ0*N2*A)/l I'=ΔI/Δt
Aufgabe 9.2 Wechselstromschaltung (3 Punkte) Ein 1200 pF Kondensator wird durch eine 500 V Gleichspannungsquelle vollst¨andig aufgeladen. Zum Zeitpunkt t = 0 wird der Kondensator von der Spannungsquelle getrennt und mit einer 75 mH Spule zu einem Schwingkreis verbunden. Den ohm’schen Widerstand dieser Schaltung vernachl¨assigen wir. a) Bestimmen Sie die anf¨angliche Ladung auf dem Kondensator. b) Wie groß ist der maximale Strom, der im Schwingkreis fließt? c) Bestimmen Sie die Frequenz und die Schwingungsdauer der Oszillation. d) Wie groß ist die Gesamtenergie im System? e) Zeigen Sie, dass die Gesamtenergie zu jedem Zeitpunkt konstant ist. a) C=Q/U b) 0.5CU2=0.5LI2 ⇒ I=√(CU2/L) c) T= 2π√(LC) f=1/T
Aufgabe 9.3 Trafo (3 Punkte) Ein Trafo soll aus der Netzspannung (230 V) eine Niederspannung von 6 V erzeugen. Damit wird ein Motor betrieben, durch den bei dieser Spannung ein Strom von 100 mA fließt. Der Trafo hat eine Prim¨arwindungszahl von 500. a) Wie groß muss die Sekund¨arwindungszahl sein? b) Welcher Prim¨arstrom fließt? c) Welchen Widerstand hat der Motor? a) U1/U2 = N1/N2 b) P1=U1*I1 P2=U2*I2 P1=P2 ⇒ I1= (U2*I2)/U1 c) R=U/I
Aufgabe 9.4 Hochspannungsleitung (3 Punkte) Ein Kraftwerk mit einer Leistung von 120 kW liefert Strom an eine 10 km entfernte Kleinstadt. Die Ubertragungsleitungen haben einen Gesamtwiderstand von 0,4 Ω. B ¨ erechnen Sie den Leistungsverlust, wenn die Leistung bei a) 230 V und b) 110 kV ubertragen wird. ¨ Tipp: Erstellen Sie ein Ersatzschaltbild mit einem Ohmschen Widerstand fur die ¨ Ubertragungsleitungen und z.B. ¨ einer Gluhlampe f ¨ ur die Stadt. P=U*I ⇒ I=P/U PWiderstand=R*I2
Aufgabe 10.1 Leuchtfleck (3 Punkte) Eine punktf¨ormige Lichtquelle strahle in einer Wassertiefe von 0,9 m in alle Richtungen ab. Auf der Wasseroberfl¨ache beobachtet man einen kreisf¨ormigen Leuchtfleck. Wie groß ist der Durchmesser dieses Leuchtflecks? (Wasser: n = 1, 33, Luft: nL = 1) Totalreflexion: sin α= n2/n1 Trigonometrie: tanα=r/h ⇒d=2r
Aufgabe 10.2 Laufzeit (3 Punkte) Ein optisches Glas besitze einen Brechungsindex n(680 nm) = 1, 514 fur Licht mit einer Wellenl ¨ ¨ange von 680 nm und einen Brechungsindex n(500 nm) = 1, 522 fur Licht mit einer Wellenl ¨ ¨ange von 500 nm. Wie groß ist der Laufzeitunterschied von Licht mit 500 nm und 680 nm Wellenl¨ange in einer 1 km langen Glasfaser aus diesem Glas? Welche Strecke legt ein Lichtpuls innerhalb dieser Zeit im Vakuum zuruck? n=c0/cm ⇒ cm=c0/n
Aufgabe 10.3 Planparallele Platte (3 Punkte) Eine d = 1 cm dicke planparallele Glasplatte mit einem Brechungsindex n = 1, 51 stehe unter einem Winkel von α = 45◦ zu einem monochromatischen Lichtstrahl. Um welche Strecke b wird der Lichtstrahl beim Durchgang versetzt? n1sinα=n2sinβ
Aufgabe 10.4 Brewster Winkel und Totalreflexion (3 Punkte) (a) Unter welchem Winkel muss man einen linear polarisierten Laserstrahl (λ=600 nm) mit Polarisation in der Einfallsebene auf eine Glasplatte treffen lassen (Brechungsindex n2 = 1, 5), damit der Strahl ohne Reflexionsverluste durch die Platte geht? (b) Unter welchen Bedingung tritt im Allgemeinen zwischen zwei Medien Totalreflexion auf? a) Brewsterwinkel: tanφ =n2/n1 b) sinα > n2/n1
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