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Physik 1 (GPh1) am 9.07.2012

Fachbereich Elektrotechnik und Informatik, Fachbereich Mechatronik und Maschinenbau

Zugelassene Hilfsmittel zu dieser Klausur: Beiblätter zur Vorlesung Physik 1 ab WS 10/11 (Prof. Sternberg, Prof. Müller, Prof. i.V. Lütticke, Prof. Albers) ohne Veränderungen oder Ergänzungen, Taschenrechner (ohne drahtlose Übertragung mit einer Reichweite von größer als 30 cm wie Funkmodem, IR-Sender, Bluetooth), kein PDA oder Laptop.

Dauer: 2 Stunden Maximal erreichbare Punktezahl: 100. Bestanden hat, wer mindestens 50 Punkte erreicht.

Bitte beginnen Sie die Lösung der Aufgabe unbedingt auf dem betreffenden Aufgabenblatt! Falls Sie weitere Blätter benötigen, müssen diese unbedingt deutlich mit der Aufgabennummer gekennzeichnet sein.

Achtung! Bei dieser Klausur werden pro Aufgabe 1 Punkt für die Form (Gliederung, Lesbarkeit, Rechtschreibung) vergeben!

Bitte kennzeichnen Sie dieses Blatt und alle weiteren, die Sie verwenden, mit Ihrem Namen, Ihrer Matrikelnummer und Ihrem Studienfach.

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AUFGABE MÖGLICHE PUNKTZAHL

ERREICHTE PUNKTZAHL

1 a 121 b 61 c 62 a 32 b 32 c 32 d 32 e 42 f 42 g 43 a 73 b 103 c 74 a 74 b 44 c 64 d 7

Form 4Gesamt 100

1. Physikalische Kleinigkeiten

a) Allerlei (3 – 6 – 3 Pkte):

1. Bei einem 400-m-Lauf wird auf 1/10 Sekunde genau gemessen und dann aus etlichen Messungen der Mittelwert gebildet. Es ergibt sich 198,3465 Sekunden. Ist dieser Mittelwert so dargestellt sinnvoll? (Begründung ggf. Korrektur)

2. Gibt es die folgenden zusammengesetzten Einheiten? Wenn ja, bitte dann die richtige Bezeichnung schreiben, wie z.B. Watt, Ohm, etc. Wenn nein, dann auch hinschreiben!

kg * m * s2

kg * m2 / s3

kg / s2

3. Früher wurde das Urmeter in Paris, welches aus einer speziellen Legierung hergestellt worden ist, als Normal genommen. Die Messvorschrift sagte, dass die Länge bei 20°C galt. Warum wird dieses heute nicht mehr genommen?(Heute wird das Vielfache einer speziellen Lichtwellenlänge, die durch Atome ausgesandt wird, genommen.)

b) Welche der folgenden Alternativen ist/sind richtig (Buchstaben einkreisen):

Zwei Schüler, von denen Schüler "a" die Masse 95 kg und Schüler "b" die Masse 77 kg hat, sitzen sich auf zwei gleichen Bürostühlen direkt gegenüber. Schüler "a" stellt seine Füße auf die Knie von Schüler "b" (s. Abbildung). Schüler "b" hat seine Füße angehoben. Plötzlich streckt Schüler "a" seine Beine aus, wodurch beide Stühle in Bewegung versetzt werden.

Welche Aussage trifft zu:

A) Keiner der Schüler übt eine Kraft auf den anderen aus.

B) Schüler "a" übt eine Kraft auf "b" aus, aber "b" übt keine Kraft auf "a" aus.

C) Jeder der Schüler übt eine Kraft auf den anderen aus, aber "b" übt die größere Kraft aus.

D) Jeder der Schüler übt eine Kraft auf den anderen aus, aber "a" übt die größere Kraft aus.

E) Jeder der beiden Schüler übt eine gleich starke Kraft auf den anderen aus.

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Ein Fahrstuhl wird in einem Fahrstuhlschacht über ein Stahlseil heraufgezogen. Die Kabine bewegt sich während des Heraufziehens mit konstanter Geschwindigkeit. Welche der folgenden Aussagen beschreibt die Bewegung korrekt?

A) Die nach oben gerichtete Kraft durch das Stahlseil ist größer als die nach unten gerichtete Gravitationskraft.

B) Die nach oben gerichtete Kraft durch das Stahlseil ist genauso stark wie die nach unten gerichtete Gravitationskraft.

C) Die nach oben gerichtete Kraft durch das Stahlseil ist kleiner als die nach unten gerichtete Gravitationskraft.

D) Die Kabine bewegt sich nach oben, weil das Seil kürzer wird; nicht etwa weil das Seil eine Kraft auf die Kabine ausübt.

E) Die nach oben gerichtete Kraft durch das Stahlseil ist größer als die nach unten gerichtete Kombination aus der Gravitationskraft und dem Effekt des Luftdrucks.

Ein schwerer Ball ist an einem Faden befestigt und wird, wie in der Abbildung gezeigt, im Kreis horizontal herumgeschwungen. An dem gekennzeichneten Punkt reißt plötzlich der Faden. Der Vorgang wird von oben betrachtet: Welchen Weg nimmt der Ball, nachdem der Faden gerissen ist?

c) Wieder mal ein paar „schlaue“ Statements. Bitte schreiben Sie hin, ob diese physikalisch richtig sind oder falsch und begründen Sie es.

Ein Gewichtheber braucht viel Energie.

Bremskraftverstärker

Energiedrink

Musterlösung:

a)1. Wenn nur ein auf eine Zehntelsekunde genau gemessen, ist es Blödsinn auf 4 Stellen hinter dem Komma anzugeben, da diese alleine durch die Messungenauigkeit variieren können. Max. 2 Stellen hinter dem Komma reichen.

2. kg * m * s2 nein!

kg * m2 / s3 = N m kg / s2 nein

3. Man muss hier eine zweite Größe, die Temperatur, konstant halten und auch messen, welches zusätzliche Messunsicherheit erzeugt.

b) (E) und (B) und (B)Seite 3 von 10

c) Gewichtheber braucht Kraft und kaum Energie, da es sich das Gewichtheben ja in Sekunden-Zeitraum abspielt.

Bremskraftverstärker ist richtig, da hier wirklich die Kraft der Bremsklötze verstärkt wird.

Energiedrink ist irreführend. Meistens sind darin Aufputschmittel, die den Kreislauf anregen. Energie für den Körper in Form von Traubenzucker ist eher sekundär.

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2. Das Problem mit der Kiste

Eine 5 kg schwere Kiste wird auf zwei unterschiedlichen Wegen auf eine Höhe von 1,5 m angehoben. Für den ersten Weg, wird die Kiste in 2 Sekunde auf 1m angehoben, dann wird eine Pause für 5 Sekunden eingelegt und anschließend wird die Kiste in einer weiteren 1 Sekunde auf 1,5 m gehoben. Beim zweiten Weg wird die Kiste direkt in 3 Sekunden auf 1,5 m angehoben.

a) Bei welchem Weg wird mehr Arbeit geleistet, wenn nur konservative Kräfte wirken? (3 Punkte)

b) Berechnen Sie für beide Wege die gesamte, mittlere Leistung! (3 Punkte)c) Berechnen Sie die maximale Geschwindigkeit wenn die Kiste aus 1,5 m Höhe zu

Boden fällt! (3 Punkte)d) Berechnen Sie die Zeit, in der die Kiste zu Boden fällt! (3 Punkte)e) Berechnen Sie die Kraft, die auf die Kiste während des Falls wirkt (ohne Reibung)! (4

Punkte)f) Berechnen Sie die Beschleunigung, wenn während des Falls eine konstante

Luftreibung (unabhängig von der Geschwindigkeit) mit einer Reibkraft von 10 N wirkt! (4 Punkte)

g) Berechnen Sie die maximale Geschwindigkeit, wenn die Kiste aus 1,5 m Höhe zu Boden fällt und eine konstante Luftreibung (unabhängig von der Geschwindigkeit) mit einer Reibkraft von 10 N wirkt! (4 Punkte)

Musterlösung:

a) Wenn nur konservative Kräfte herrschen (ohne Reibung), dann ist die geleistete Arbeit für beide Wege gleich groß!

b)

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1m 2

1

1,5 m h

Ws

msmKg

P

Ws

msmKg

ttthgm

tWP

52,243

5,181.95

20,98

5,181.95

2

3211

c)

d)

e)

f)

g)

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smhgvmvhgm 42,55,181.922

21

22

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smhavmvham 84,45,181.722

21

22

3. Aliens auf dem Stern Radioaktivia

Auf dem Stern Radioaktivia leben Aliens, die gegenüber Radioaktivität völlig resistent sind. Ihr Anführer hat das Gesetz erlassen, dass zur besseren Altersbestimmung jedes Alienbaby sofort nach der Geburt eine radioaktive Quelle implementiert bekommt. Sie hat eine Aktivität von 2000 Pulsen/Sekunde. Die Halbwertszeit beträgt 500 Jahre.

a) Eine etwas ältere Alienjungfrau hat ein Alter von 375 Jahren. Welche Aktivität zeigt die Quelle?

b) Diese Alienjungfrau führt eine Verjüngungskur durch, indem sie von einem gerade verstorbenen Alien, der 1000 Jahre alt geworden ist, die radioaktive Quelle klaut und verschluckt. Um viele Jahre hat sich die Dame jetzt „verjüngt“?

c) Bei einer Alterskontrolle wird ein defektes Messgerät benutzt, welches nur 70 % der Radioaktivität detektiert. Um welchen Faktor wirken die Aliens älter. (Die Anfangsaktivität wurde korrekt gemessen.)

Musterlösung:

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4. Atomphysik

a) Ein Elektron der äußeren Schale (Bohrsches Atommodell) eines Lithiumatoms (3. Element im Periodensystem) sei angeregt worden und befinde sich anschließend auf einer Schale mit n=3. Nun springe es in seinen Grundzustand zurück. Wie groß ist die Frequenz des Photons, das abgestrahlt wird? Für ein Energieniveau eines Lithium-Elektrons gilt in Abhängigkeit von der Hauptquantenzahl in grober Näherung: En = -13,6 eV * Z² * 1/n² . (7 P)

b) Haben die Photonen einen Impuls? Wenn ja, wie groß ist er? Wenn nein, welche Objekte haben einen Impuls? (4 P)

c) Mehrere der oben beschriebenen Photonen treffen auf ein Material mit einer Austrittsarbeit von 3 eV. (Wenn Sie Aufgabenteil b nicht gelöst haben, nehmen Sie an, die Photonen hätten eine Wellenlänge von 300nm). Wie viele Elektronen kann jedes Photon maximal ausschlagen? Begründen Sie. Wodurch kann die Anzahl der ausgeschlagenen Elektronen erhöht werden? (6 P)

d) Angenommen Elektronen sind ausgeschlagen worden. Haben diese eine Wellenlänge? Wenn ja: Welche Wellenlänge haben die ausgeschlagenen Elektronen maximal? Unter welcher Bedingung ist die Wellenlänge maximal? Wenn nein: Welche Objekte haben eine Wellenlänge und welche nicht? Warum haben einige Objekte keine Wellenlänge? (7 P)

h = 6,626 * 10^-34 Js; c = 3 * 10^8 m/s; Masse des Elektrons: m = 9,1 * 10^-31 kg;e = 1,6 * 10^-19 C

Musterlösung:

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