Physik - Altklausuren (Bereich IT, Blankenbach)
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<strong>Physik</strong> - <strong>Altklausuren</strong> (<strong>Bereich</strong> <strong>IT</strong>, <strong>Blankenbach</strong>)<br />
Achtung:<br />
Die Klausuren stammen aus Vorlesungen mit unterschiedlichem Inhalt, Klausuren mit<br />
unterschiedlichen Hilfsmitteln sowie unterschiedlichen Übungsaufgaben im<br />
betreffenden Semester. Vom Niveau her sind die Aufgaben also unterschiedlich.<br />
Die einzelnen Aufgaben haben eine unterschiedliche Punktzahl (also „geplante“<br />
Bearbeitungszeit). Die Punkteverteilung in einer Klausur ist so ausgelegt, dass Skizze<br />
und Ansatz, Formeln zusammenführen etc. typischerweise relativ viele, „Zahlen<br />
einsetzen“ dagegen relativ wenig Punkte einbringen.<br />
Die Lösungen sind ohne Gewähr, falls keine Angaben vorhanden: „siehe Skript“.<br />
Neben diesen Aufgaben werden zur Vorbereitung auf die Klausur entsprechende<br />
Aufgaben aus der im Skript empfohlenen Literatur und anderen Quellen empfohlen!<br />
Allgemeine Fragen als Beispiel, siehe auch jeweilige Themengebiete<br />
Weitere ähnliche Fragen finden Sie thematisch einsortiert.<br />
1. Welche Erhaltungssätze der Mechanik kennen Sie und wo werden sie angewendet<br />
(je 1 stichwortartiges Beispiel)?<br />
2. Listen Sie die Modellkörper der Mechanik und Schwingungslehre auf und geben Sie<br />
jeweils 1 technische Anwendung (Stichworte) wo diese üblicherweise verwendet werden<br />
können und wo nicht.<br />
3. Welche Bewegungsformen kennen Sie? Verdeutlichen Sie dies mit je einem Beispiel.<br />
4. Mit welchen allgemeinen Formeln können Weg, Geschwindigkeit und Beschleunigung<br />
ausgehend vom Weg bzw. der Beschleunigung berechnet werden? Es sind für beide Fälle<br />
jeweils 2 Gleichungen anzugeben.<br />
<strong>Blankenbach</strong> / <strong>Physik</strong>_<strong>Altklausuren</strong>_mit_Loesungen.doc / 02.01.14 1 / 46
5. Erläutern Sie das d’Alembertsche Prinzip für den Freien Fall.<br />
6. Geben Sie für die folgenden physikalischen Grundprinzipien jeweils die Formel und ein<br />
stichwortartiges Beispiel an.<br />
7. Welche Bewegungsformen kennen Sie; geben Sie außerdem jeweils ein Beispiel an.<br />
8. Skizzieren Sie die Schwingungsformen, welche beispielsweise bei einem Feder-Masse-<br />
System auftreten können.<br />
9. Wärmelehre<br />
- Geben Sie die Formel für die Wärmemenge an<br />
- Wie ist der Wärmestrom definiert? Vergleichen Sie dies mit den kinematischen<br />
Größen Geschwindigkeit und Beschleunigung.<br />
- Zu welchem anderen Gebiet besteht eine Analogie der Wärmelehre?<br />
Mechanik Statik<br />
Siehe Übungsblatt bzw. Aufgaben zur Dynamik und Schwingungen – meist Kräftezerlegung<br />
bzw. Drehmoment.<br />
<strong>Blankenbach</strong> / <strong>Physik</strong>_<strong>Altklausuren</strong>_mit_Loesungen.doc / 02.01.14 2 / 46
Mechanik Kinematik Translation<br />
Kinematik Translation 1<br />
Sie wollen mit einem Zeppelin genau nach Süden fliegen. Ihre Antriebsmaschinen erlauben<br />
Ihnen bei Windstille eine maximale Geschwindigkeit von 20 km/h. Bei dieser Geschwindigkeit<br />
treibt Sie ein Wind aus Westen genau nach Osten mit 10 km/h ab. Lösen Sie die Aufgaben<br />
zeichnerisch und rechnerisch.<br />
a) Um wie viel Grad kommen Sie ohne Rudereinschlag vom Kurs Süd ab?<br />
b) Welche Geschwindigkeit über Grund erreichen Sie dabei? 22,36 km/h<br />
c) In welche Richtung steuern Sie, um genau nach Süden zu fliegen?<br />
d) Ihre Restentfernung über Grund beträgt 10 km. Wie lange brauchen<br />
Sie für diese Strecke bei konstanter Geschwindigkeit? 34,6 min.<br />
Kinematik Translation 2<br />
Aufgaben aus dem Themenbereich Bahn<br />
a) Bei Querwind wird die Rauchfahne eines 90m langen Zuges, der mit 70 km/h fährt,<br />
abgetrieben. Die Rauchfahne ist am Zugende 30 m seitwärts. Welche Geschwindigkeit<br />
hat der Wind (zeichnerische und rechnerische Lösung)? 6,48 m/s<br />
b) In sträflichem Leichtsinn werfen Sie (rechtwinklig und horizontal) eine Bierflasche aus<br />
einem fahrenden Zug. Sie fällt auf eine 4 m unter dem Abwurfpunkt gelegene Wiese.<br />
Der Auftreffpunkt liegt 20 m in Fahrtrichtung und 8 m entfernt vom Abwurfpunkt.<br />
Berechnen Sie die Geschwindigkeit des Zuges, die Abwurf und die<br />
Auftreffgeschwindigkeit der Flasche. 80,5 km/h 32,36 km/h 25,7 m/s<br />
Kinematik Translation 3<br />
In der Ebene legt ein Fahrzeug 1 km in 60s zurück; danach 2km in 100s und anschließend 1<br />
km in 100s. Skizzieren dies und berechnen Sie die Momentantgeschwindigkeiten und die<br />
Durchschnittsgeschwindigkeit (Beschleunigungsvorgänge werden vernachlässigt).<br />
16,66 m/s 20 m/s 10 m/s 15,38 m/s<br />
<strong>Blankenbach</strong> / <strong>Physik</strong>_<strong>Altklausuren</strong>_mit_Loesungen.doc / 02.01.14 3 / 46
Kinematik Translation 4<br />
Teilchen der Ladung q und Masse m durchlaufen ein Gebiet in dem ein elektrisches und<br />
magnetisches Feld herrschen. Beide sind homogen und senkrecht zueinander. Die<br />
Erdanziehung ist hier vernachlässigbar.<br />
a) Welche Kräfte wirken auf die Ladungen?<br />
b) Welche Geschwindigkeit müssen die Teilchen haben, damit sie nicht abgelenkt werden? v<br />
= E / B<br />
c) Geben Sie die Beschleunigungen und die Bahnkurve nur für ein homogenes<br />
elektrisches Feld an. Parabel<br />
Kinematik Translation 5<br />
Aus einem Flugzeug, welches mit 100 m/s parallel zum Erdboden fliegt, springen im Abstand<br />
von 1 s zwei Fallschirmspringer. Sie möchten sich nach möglichst kurzer Zeit in der Luft und<br />
noch ohne geöffnete Fallschirme gegenseitig fotografieren. Beim Freien Fall mit<br />
Luftwiderstand wird die Beschleunigung nach einer gewissen Fallzeit Null. Der Einfachheit<br />
halber nehmen wir deshalb für beide Springer konstante Geschwindigkeiten an. Beide<br />
Springer bewegen sich in horizontaler Richtung mit der entsprechenden Geschwindigkeit<br />
beim Absprung, diese ändert sich also nicht. Der erste Springer 'liegt' flach in der Luft, seine<br />
Vertikalgeschwindigkeit beträgt 20 m/s. Der Zweite fliegt steiler mit der<br />
Vertikalgeschwindigkeit A. Für die Rechnung nimmt man an, dass sie sich beim<br />
Fotografieren zum gleichen Zeitpunkt am selben Ort befinden.<br />
a) Zeichnen Sie ein Ortsdiagramm zum Zeitpunkt des Absprunges des zweiten Springers<br />
b) Zeichnen Sie die Geschwindigkeitskomponenten und die Resultierenden ins das<br />
Diagramm ein.<br />
c) Berechnen Sie die Koordinaten des Treffpunktes und die Flugdauer des zweiten<br />
Springers. T treff = 20 / (A-20) x treff = 100 T treff y treff = A T treff<br />
d) Berechnen Sie diese 3 Werte für A = 40 m/s<br />
e) Betrachten Sie die Extremwerte der Flugdauer bei sehr großen bzw. sehr kleinen<br />
Werten von A.<br />
<strong>Blankenbach</strong> / <strong>Physik</strong>_<strong>Altklausuren</strong>_mit_Loesungen.doc / 02.01.14 4 / 46
Kinematik Translation 6<br />
a) Welche kinematischen Bewegungsformen kennen Sie? Verdeutlichen Sie dies mit<br />
je einem Beispiel.<br />
b) Mit welchen allgemeinen Formeln können Weg, Geschwindigkeit und Beschleunigung<br />
ausgehend vom Weg bzw. der Beschleunigung berechnet werden? Es sind für beide<br />
Fälle jeweils 2 Gleichungen anzugeben.<br />
Kinematik Translation 7<br />
Klein Fritzle will mit seinem neuen, nicht funkferngesteuerten Modellboot über einen 20 m<br />
breiten Fluss fahren. Er startet senkrecht vom Ufer mit einer konstanten<br />
Antriebsgeschwindigkeit von 1 m / s , das Ruder ist auf Geradeausfahrt festgestellt. Leider<br />
weist der Fluss eine Strömung auf, deren Geschwindigkeitsprofil durch eine Parabel<br />
beschrieben werden kann: y = a(x - b)² + c mit a = -0,01 1 / ms ; b = 10 m ; c = 1 m / s<br />
Diese treibt das Boot ab.<br />
a) Skizzieren Sie die Strömungsgeschwindigkeit.<br />
b) Wie lange braucht das Boot zum anderen Ufer? 20 s<br />
c) Geben Sie den Weg, die Geschwindigkeit und die Beschleunigung mit einer<br />
zeitabhängigen Formel an (Vektor!)<br />
t <br />
s <br />
t³ <br />
<br />
0,01<br />
10t²<br />
<br />
3 <br />
d) Wann und wo ist die Bootsgeschwindigkeit über Grund am größten?<br />
Geben Sie den absoluten Wert an.<br />
Mitte, nach 10 sec<br />
<strong>Blankenbach</strong> / <strong>Physik</strong>_<strong>Altklausuren</strong>_mit_Loesungen.doc / 02.01.14 5 / 46
Kinematik Translation 8<br />
Sie wollen möglichst schnell nach Frankreich über den Rhein paddeln. Auf einem ruhigen<br />
See ohne Strömung und Wind kommen Sie mit einer Geschwindigkeit von 20 km/h voran.<br />
Der Rhein treibt Sie mit 10 km/h flussabwärts. Lösen Sie die Aufgaben zeichnerisch<br />
(maßstäblich) und rechnerisch<br />
a) Sie starten senkrecht zum Ufer mit 20 km/h und behalten diese Richtung bei.<br />
Um wie viel Grad kommen Sie ohne Rudereinschlag vom direkten Weg ab?<br />
Welche Absolutgeschwindigkeit Grund erreichen Sie dabei? 28,6° 22,36 km/h<br />
b) In welcher Richtung steuern Sie für die kürzeste Strecke über den 100 m breiten<br />
Rhein? Wie lange brauchen Sie dann, wenn Sie konstant mit 20 km/h paddeln?<br />
0,346 min<br />
c) Wann sind Sie schneller an einer Stelle genau gegenüber Ihrem Startpunkt Fall b)<br />
oder a), wenn Sie im letzteren mit 5 km/h am Ufer laufen.<br />
b schneller<br />
Kinematik Translation 9<br />
Zwei Testfahrzeuge beginnen gleichzeitig eine geradlinige Bewegung mit der<br />
Anfangsgeschwindigkeit Null am gleichen Ort. Das Fahrzeug A beschleunigt mit a A = a o =<br />
const. , Auto B mit a B = kt mit k = const. Beide Fahrzeuge legen in der Zeit t 1 die Strecke s 1<br />
zurück.<br />
a) Skizzieren Sie den Verlauf beider Bewegungen im a(t)- , v(t)- und s(t)-Diagramm.<br />
b) Nach welcher Zeit und Strecke sind die Fahrzeuge gleichauf?<br />
t 1 = 3 a o / k s 1 = 9/2 a o ³ /k²<br />
c) Welche Geschwindigkeiten haben die Fahrzeuge dann erreicht?<br />
v A1 = 3 a o ² / k<br />
v B1 = 9/2 a o ² / k<br />
d) Nach welcher Zeit haben beide Fahrzeuge dieselbe Geschwindigkeit? t 2 = 2 a o / k<br />
<strong>Blankenbach</strong> / <strong>Physik</strong>_<strong>Altklausuren</strong>_mit_Loesungen.doc / 02.01.14 6 / 46
Kinematik Translation 10<br />
Sie sind bei einem Automobilhersteller beschäftigt und bekommen die Aufgabe, eine gerade<br />
Teststrecke für Versuchsfahrten zu planen. Hierzu wird angenommen, dass Kleinfahrzeuge<br />
mit 2,0 m/s² beschleunigen und eine Geschwindigkeit von 108 km/h erreicht werden soll.<br />
a) Skizzieren Sie die Aufgabenstellung.<br />
b) Auf dem Werksgelände befindet sich eine 150 m lange gerade Strecke. Diese wäre<br />
von der Versuchsdurchführung optimal. Reicht diese Länge aus, um die vorgegebene<br />
Höchstgeschwindigkeit zu erreichen?<br />
c) Wie lange muss die Teststrecke mindestens sein? 225 m<br />
Kinematik Translation 11<br />
Ein anfänglich ruhender Fußball wird in einem Winkel von 30° mit einer Geschwindigkeit von<br />
20 m/s „geschossen“.<br />
Bem.: sin(30°) = 0,5 ; cos(30°) = 0,87; keine Reibung.<br />
a) Skizzieren Sie ein Ortsdiagramm der Aufgabenstellung mit den relevanten Parametern.<br />
Skizzieren Sie den Geschwindigkeitsvektor bei der maximalen Höhe.<br />
Parabel<br />
b) Berechnen Sie die maximale Höhe des Balls über dem Fußballfeld. 11,25 m<br />
c) Berechnen Sie die Flugdauer bis der Ball wieder auf dem Boden aufkommt. 1,5 s<br />
d) Berechnen Sie die Entfernung des Auftreffpunktes vom Startpunkt. 78 m<br />
e) Wie groß ist die Beschleunigung des Fußballes während des gesamtes Fluges nach<br />
dem der Ball den Stiefel des Fußballers verlassen hat?<br />
<strong>Blankenbach</strong> / <strong>Physik</strong>_<strong>Altklausuren</strong>_mit_Loesungen.doc / 02.01.14 7 / 46
Kinematik Translation 12<br />
Sie starten Ihr Auto und fahren mit 108km/h 10km weit auf einer ebenen Strecke. Dann geht<br />
Ihnen das Benzin aus, der Wagen bleibt „schlagartig“ stehen. Während der nächsten 30<br />
Minuten laufen Sie die ebene Straße zu Fuß weiter bis zu einer Tankstelle, die Sie vom<br />
Pannenort aus gesehen haben.<br />
a) Welchen Weg legen Sie insgesamt zurück? Annahme : Fußgänger 6 km/h<br />
b) Wie lange benötigen Sie insgesamt vom Start bis zu Tankstelle? 35,6 min<br />
c) Wie groß ist Ihre Durchschnittsgeschwindigkeit vom Start bis zur Tankstelle. Berechnen<br />
Sie dies und ermitteln das Ergebnis auch aus einem Weg-Zeit-Diagramm. 21,9 km/h<br />
Kinematik Translation 13<br />
Schiffbrüchigen und Schwimmern wird oft „Erste Hilfe“ per Flugzeug geleistet, in dem dieses<br />
einen Schwimmring bzw. Rettungskapsel abwirft. Dabei wird der Gegenstand in horizontalem<br />
Flug (Geschwindigkeit 50m/s) in Richtung Mensch aus 500m Höhe abgeworfen. Das<br />
Rettungsgerät soll natürlich idealerweise direkt beim Schwimmer landen. Damit der Copilot<br />
diese Aufgabe bewältigen kann, sollen Sie ihm einen Winkel vorgeben, unter dem der<br />
Schwimmer bezogen auf die horizontale Linie (Flugtrajektorie) erscheint. Dies soll der<br />
Einfachheit nur die die angegebenen Werte gelten.<br />
a) Skizzieren Sie die Aufgabenstellung.<br />
b) Um welche kinematische Bewegung handelt es sich? waagrechter Wurf<br />
c) Berechnen Sie den Winkel allgemein und mit den Werten der Aufgabenstellung. 45°<br />
<strong>Blankenbach</strong> / <strong>Physik</strong>_<strong>Altklausuren</strong>_mit_Loesungen.doc / 02.01.14 8 / 46
Mechanik Kinematik Rotation<br />
Kinematik Rotation 1<br />
Sie befinden sich in einem vertikalen Karussell (ideal), das einen Durchmesser von 20 m und<br />
eine Umdrehungsdauer von T = 10 s hat. Bei der Aufwärtsbewegung lassen Sie in 10 m<br />
Höhe einen Ball los.<br />
a) Stellen Sie die Gleichung h(t) für die Wurfbewegung auf. h = 2 R t/ T - 1/2 g t²<br />
b) Wenn Sie das nächste Mal an diese Stelle kommen, ist der Ball dann über oder unter<br />
Ihnen?<br />
c) Wie groß müsste die Umdrehungsdauer T sein, damit Sie den Ball wieder „an seiner<br />
Abwurfstelle“ fangen können? T = 3,5 s<br />
Kinematik Rotation 2<br />
Bei einer Fluggeschwindigkeit von 420 km/h legt die Nabe der Luftschraube während jeder<br />
Umdrehung die Strecke 3,6 m zurück.<br />
a) Welche Drehzahl hat der Propeller? 32,4 1/s<br />
b) Welche Energie steckt in dem Propeller (J = 60 kg m²)? 1,24 MJ<br />
<strong>Blankenbach</strong> / <strong>Physik</strong>_<strong>Altklausuren</strong>_mit_Loesungen.doc / 02.01.14 9 / 46
Mechanik Dynamik Translation<br />
Dynamik Translation 1<br />
Eine Kugel der Masse 100 g liegt auf einer (idealen) Feder (D = 100 kg/s²), welche um 10 cm<br />
aus ihrer Ruhelage zusammengedrückt wurde. Die Feder steht parallel zum Gravitationsfeld.<br />
Das System wird plötzlich losgelassen.<br />
a) Wie hoch ist die Geschwindigkeit der Kugel bei der Ruhelage der Feder? 3,16 m/s<br />
b) Berechnen Sie die maximale Höhe, welche die Kugel über der Nulllage erreicht. 0,5 m<br />
c) Wie hoch ist die Geschwindigkeit im höchsten Punkt des Fluges ?<br />
d) Wie lange ist die Kugel unterwegs, bis sie die Feder wieder erreicht? 0,632 s<br />
Dynamik Translation 2<br />
Eine Aufgabe zu Fahrzeugbewegungen; hier am Beispiel eines Autos mit der Masse 1t:<br />
a) Das Auto beschleunigt von 0 auf 108 km/h in 10s.<br />
Wie groß ist die Durchschnittsleistung? 45 kW<br />
b) Welche Bewegung vollführt das Ventil eines Reifens? Zykloide<br />
Dynamik Translation 3<br />
Ein Auto fährt an eine Bergstrecke mit konstanter Steigung (Neigung 10°) mit 72 km/h heran.<br />
Innerhalb eines Kilometers zurückgelegten Weges beschleunigt es auf 108 km/h.<br />
Wie viel Arbeit (reibungsfrei) ist verrichtet worden? 1,78 MJ<br />
Dynamik Translation 4<br />
Ein Auto fährt in der Ebene auf gerader Strecke mit konstant 98,76 km/h und verbraucht<br />
dabei 5,4321 l/100km (nur Motor, keine Heizung, Licht, etc.). Wie groß ist der Wirkungsgrad<br />
des gesamten Fahrzeugsystemes? 0<br />
<strong>Blankenbach</strong> / <strong>Physik</strong>_<strong>Altklausuren</strong>_mit_Loesungen.doc / 02.01.14 10 / 46
Dynamik Translation 5<br />
2 Wagen mit den angegebenen Massen hängen über<br />
den skizzierten Seilmechanismus (masselos)<br />
reibungsfrei miteinander zusammen. Zahlen runden ist<br />
erlaubt! Nach welcher Richtung und mit welcher<br />
Beschleunigung setzt sich die Anordnung in Bewegung?<br />
0,6 m/s² , nach rechts<br />
Dynamik Translation 6<br />
Aus der Pforzheimer Zeitung anlässlich eines Firmenjubiläums: ‘Bungee mit VW Beetle’ „...<br />
von der das 1,2 Tonnen schwere neue Kult-Auto abfahren sollte, um nach 45 m Fall wieder<br />
in die Höhe geschnellt zu werden. Dazu kamen Insassen und Spezialseil nebst Aufhängung.<br />
Auf rund 150 km/h beschleunigte der Beetle in Sekundenbruchteilen ...... an die sechs<br />
Tonnen wirkten auf das Seil kurzfristig ein. ... „<br />
a) Stimmen die Angaben ? Nein, da Fallhöhe deutlich kleiner<br />
b) Beschreiben Sie die tatsächliche Bewegung für eine maximale Seillänge von 35 m,<br />
unbelastet ist das Seil 10 m lang mit einer Skizze unter Berücksichtigung von Reibung.<br />
c) Wie groß sind mit den Angaben aus b) die Geschwindigkeiten nach 10 m und 45 m<br />
nach dem Start ? v 10 = 14,14 m/s , v 45 = 0<br />
<strong>Blankenbach</strong> / <strong>Physik</strong>_<strong>Altklausuren</strong>_mit_Loesungen.doc / 02.01.14 11 / 46
Dynamik Translation 7<br />
Case study: Sie sind Projektleiter ‘Advanced Stunts’ in bei einem großen Filmstudio in<br />
Hollywood. Ihre Aufgabe besteht darin, alte und neue Stunts auf ihre Machbarkeit hin<br />
abzuschätzen. Ziel ist es, bei Sprüngen ein praktisch unmerkliches Auftreffen auf bewegten<br />
Objekten zu erreichen/berechnen, d.h. es soll kein Abfedern mit den Knien notwendig sein:<br />
a) Sprung auf Fahrstuhl (James Bond ‘a view to a kill’):<br />
Der Fahrstuhl habe eine konstante Abwärtsgeschwindigkeit von 10 m/s. Der Stuntman<br />
springt (‘Schritt ins Leere’, 1D) von einer festen Rampe neben dem Aufzug:<br />
- Wie hoch muss der Absprungpunkt oberhalb des Auftreffpunktes liegen? 5 m<br />
- Bei welcher relativen Position des Aufzuges muss der Stuntman starten? 5 m oberhalb<br />
- Wie groß ist die Geschwindigkeitsdifferenz, wenn der Stuntman aus<br />
Reaktionszeitgründen 0,1 s zu spät dran ist ? 0,95 m/s<br />
b) Sprung (nach unten, 2D) auf schnell abwärtsdrehende Riesenradgondel von<br />
Rampe aus:<br />
- Welche Bedingungen müssen hier für einen sanften Aufprall erfüllt sein? v gleich<br />
- Geben Sie hierzu die wichtigsten Formeln, ausgehend von einer<br />
konstanten Winkelgeschwindigkeit, an. v kx = R cos t ; v ky = -R sin t<br />
Dynamik Translation 8<br />
Aus W = Fdr (1D, r: Weg) kann die Arbeit berechnet werden.<br />
Berechnen Sie diese für die Gewichtskraft, die Reibungskraft<br />
F<br />
C<br />
Q1 Q2<br />
<br />
4 r²<br />
o<br />
W R = k v² r ; W C = Q 1 Q 2 /4r<br />
F R = kv² und die Coulomkraft<br />
<strong>Blankenbach</strong> / <strong>Physik</strong>_<strong>Altklausuren</strong>_mit_Loesungen.doc / 02.01.14 12 / 46
Dynamik Translation 9<br />
Auf einem ideal runden und glatten Fußball mit Radius r liegt auf dem höchsten Punkt außen<br />
ein kleines, rundes Sandkorn. Dieses gleitet nun aus der Ruhe heraus reibungsfrei ab. Das<br />
Korn löst sich an einer bestimmten Stelle von der Kugeloberfläche. Um welchen<br />
Höhenunterschied h liegt diese Stelle tiefer als der höchste Punkt? h = r/3<br />
Dynamik Translation 10<br />
Erläutern Sie das d’Alembertsche Prinzip für den Freien Fall.<br />
Dynamik Translation 11<br />
a) Worin besteht der Unterschied zwischen Energie und Arbeit ?<br />
b) Worin unterscheidet sich die Hubarbeit von der Beschleunigungs- und<br />
Spannarbeit bei beliebigen Startpunkten ?<br />
c) Beschreiben Sie 5 verschiedene Energieformen mit jeweils Formel, Skizze des<br />
wichtigsten Zusammenhanges und einem stichwortartigen Beispiel.<br />
Dynamik Translation 12<br />
Zwei Blöcke sind durch eine gewichtslose Schnur über eine Rolle miteinander verbunden<br />
gemäß der nachfolgenden Skizze. Die Masse m 2 sei doppelt so groß wie m 1 , der Einfluss der<br />
Rolle und der Reibung wird vernachlässigt.<br />
Bem.: sin30° = 0,5 ; sin60° = 0,87<br />
a) Skizzieren Sie die Aufgabe auf Ihrem Lösungsblatt und zeichnen die relevanten<br />
Parameter ein.<br />
b) Erklären Sie kurz in Stichworten das d‘Alembertsche Prinzip, ggf. mit Skizze.<br />
c) In welche Richtung und mit welcher Beschleunigung bewegt sich das System? 5,5 m/s²<br />
<strong>Blankenbach</strong> / <strong>Physik</strong>_<strong>Altklausuren</strong>_mit_Loesungen.doc / 02.01.14 13 / 46
Dynamik Translation 13<br />
Ein Stabhochspringer erreicht kurz vor dem „Einrammen“ seines Stabes seine<br />
Höchstgeschwindigkeit v max . Wir nehmen an, dass der Stab diese Energie ideal (also ohne<br />
Verluste) umwandelt und dass der Springer einen Massepunkt in 1 m Höhe über der<br />
Anlaufbahn repräsentiert wird. Der Springer habe ein Gewicht von 70 kg und soll die<br />
Hochsprunglatte in 6,0 m Höhe überqueren (keine Rotation etc., sondern Massepunkt).<br />
a) Skizzieren Sie die Aufgabenstellung mit den relevanten Parametern.<br />
b) Berechnen Sie die Höchstgeschwindigkeit v max zum Überqueren der Latte. 10 m/s<br />
c) Vergleichen Sie diesen Wert mit der Durchschnittsgeschwindigkeit beim 100 m Lauf<br />
mit einer Dauer von 10 s.<br />
Dynamik Translation 14<br />
Berechnen für ein Elektroauto mit einer Masse von 1.500 kg folgende Fahrdynamik-<br />
Situationen zur Auslegung der Antriebsleistung, bei a) und b) ohne Verluste. Bem: P = Fv.<br />
a) Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit von 72 km/h einen Berg mit einem<br />
Steigungswinkel von 10°.<br />
51 kW<br />
b) Beschleunigung auf ebener Strecke von 72 km/h auf 108 km/h in 10 s als Grundlage<br />
für Überholvorgänge.<br />
1 m/s²<br />
c) Die typischen Verluste vom Motor zu den Rädern betragen 20%. Wie groß muss die<br />
Motorleistung nun für a) sein? Berechnen Sie diese auch für b), wobei zu den 20% noch<br />
30% für den Luftwiderstand hinzu kommen. Rechnen Sie diese Werte in die immer noch<br />
gebräuchlichen PS um (100 kW = 137 PS). 61 kW ; 0<br />
<strong>Blankenbach</strong> / <strong>Physik</strong>_<strong>Altklausuren</strong>_mit_Loesungen.doc / 02.01.14 14 / 46
Mechanik Dynamik Rotation<br />
Dynamik Rotation 1<br />
Ein Voll- und ein dünnwandiger Hohlzylinder gleichen Gewichtes und gleichen Radius<br />
werden auf einer schiefen Ebene losgelassen. Sie rollen ohne zu rutschen.<br />
a) Begründung ohne Rechnung: Welcher Zylinder ist schneller?<br />
b) Wie verhalten sich die Geschwindigkeiten der Körper zueinander?<br />
Tipp: Radius und Masse fallen heraus, da für beide Körper gleich. 3 v 1 = 2 v 2<br />
Dynamik Rotation 2<br />
Folgende Achterbahn sei gegeben:<br />
h<br />
R = 1 0 m<br />
0 ,5 m<br />
a) Aus welcher Höhe h muss ein Massepunkt starten, damit er im Looping<br />
nicht hinunterfällt?<br />
25 m<br />
b) Welche Geschwindigkeit hat er dann im tiefsten Punkt? 22,36 m/s<br />
c) Es sei h nun 0,5 m. Beschreiben Sie die sich ergebende Bewegung, stellen Sie<br />
die Bewegungsgleichung auf, lösen Sie sie und geben die relevante Kenngröße an.<br />
Harmonische Schwingung da kleine Auslenkung, T = 6,28 s<br />
<strong>Blankenbach</strong> / <strong>Physik</strong>_<strong>Altklausuren</strong>_mit_Loesungen.doc / 02.01.14 15 / 46
Dynamik Rotation 3<br />
Eine Eiskunstläuferin (Gesamtgewicht 50kg) bringt sich durch ein geschicktes Fahrmanöver<br />
in eine Rotation um ihre Längsachse. Zu Beginn hat sie die Arme ausgestreckt und dreht<br />
sich in 1 Sekunde einmal um sich selbst. Dann legt sie die Arme eng an ihren Körper - wie<br />
schnell dreht sie sich nun? T = 0,41 s<br />
Betrachten sie zur Vereinfachung den Körper als Vollzylinder mit einem Durchmesser von<br />
50cm; die Arme seien Massepunkte mit 5kg, ausgestreckt haben sie den Abstand 100cm von<br />
der Drehachse, angelegt befinden sie sich auf der Zylinderoberfläche.<br />
Dynamik Rotation 4<br />
Wie lautet der Energiesatz beim Freien Fall mit Rotation in Abhängigkeit von der Fallhöhe?<br />
Dynamik Rotation 5<br />
Wie ist der Mond entstanden? Die sogenannte Kollisionshypothese geht von einem<br />
Meteoritenaufschlag (etwa Marsgröße) unter flachem Winkel aus. Dabei wurden große<br />
Mengen Erdmantelmaterial herausgeschleudert, welche sich durch Massenanziehungskraft<br />
zum Mond verdichteten.<br />
Diese Hypothese wird dadurch gestützt, dass das Mondmaterial relativ leicht ist und der<br />
chemischen Zusammensetzung des Erdmantels entspricht. Vor allem aber erklärt sie, warum<br />
die Erde vergleichsweise rasch rotiert - ein Venustag ist 242, der Merkurtag 58 Erdtage lang.<br />
Die Erde befindet sich vor dem Zusammenprall in Ruhe (Translation und Rotation).<br />
Angaben: m Meteorit = m Erde /10, J Kugel = 0,4 m r² , r Erde = 6400 km<br />
a) Nehmen Sie die Erde (homogene Kugel) als ruhend gegenüber dem Meteoriten an.<br />
Dieser prallt nun schräg auf und versetzt die Erde in Rotation (Translation<br />
vernachlässigen). Wie groß muss die Geschwindigkeit des Meteoriten vor dem Aufprall<br />
mindestens gewesen sein? 0,93 km/s<br />
b) Welche Effekte ergäben sich bei Berücksichtigung der Mondmasse, einer Translation<br />
der Erde nach Aufprall und der Erdanziehungskraft?<br />
<strong>Blankenbach</strong> / <strong>Physik</strong>_<strong>Altklausuren</strong>_mit_Loesungen.doc / 02.01.14 16 / 46
Dynamik Rotation 6<br />
Ihr ehemaliger Kommilitone und Motorradfreak Klittich fährt mit seiner Enduro gerne schnell,<br />
ihn stört aber aus ästhetischen Gründen das langgezogene hintere Schutzblech. Er möchte<br />
es gerne verkürzen und muss dazu aber für den TÜV einige Berechnungen anstellen. Er<br />
geht hierbei von einer Maximalgeschwindigkeit von 113,1 km/h und einem Raddurchmesser<br />
von 1m aus.<br />
a) Bestimmen Sie die Drehzahl und die Winkelgeschwindigkeit des Reifens.<br />
10 1/s ; 62,8 1/s<br />
b) Bei höherer Geschwindigkeit werden kleine Steine im Profil ein Stück mitgeführt und<br />
lösen sich dann später tangential ab. Wie hoch kann ein solcher Stein (ideal, Werte s.o.)<br />
steigen? Zur leichteren Berechnung befinde sich das Motorrad auf einem<br />
Rollenprüfstand, d.h. es besitzt keine translative Geschwindigkeit. 48,5 m<br />
c) Wie weit muss das Schutzblech hinuntergezogen werden, damit ein solcher Stein nicht<br />
höher als 1m hoch steigen kann. Die ‘Abwurfhöhe’ darf vernachlässigt werden.<br />
Es genügt hier ein Näherungswert. 8° ; „fast bis unten“<br />
Dynamik Rotation 7<br />
Anfang des 20. Jahrhunderts fuhr ein Zirkusartist als erster von einer Rampe durch einen<br />
Looping mit einem Fahrrad. Der Radius des Loopings war 3m.<br />
a) Skizzieren Sie die Aufgabenstellung mit den relevanten Parametern.<br />
b) Welche Bedingung muss erfüllt sein, damit der Radfahrer im Scheitelpunkt des<br />
Loopings nicht „herunterfällt“?<br />
c) Berechnen Sie die „Eintrittsgeschwindigkeit“ in den Looping, wenn der Radfahrer<br />
danach nur noch rollt, also nicht in die Pedale tritt. 16,5 m/s<br />
d) Wie hoch muss die Rampe sein falls des Rad zu beginnt in Ruhe ist und<br />
keine Treten der Pedale erfolgt (also nur Rollen)? 13,6 m<br />
<strong>Blankenbach</strong> / <strong>Physik</strong>_<strong>Altklausuren</strong>_mit_Loesungen.doc / 02.01.14 17 / 46
Dynamik Rotation 8<br />
Maschinenteile (Räder, Scheiben, Bohrer etc.), welche in der Anwendung rotieren, werden in<br />
einem Rotationsversuch getestet. Hierbei wird das Teil (hier als Scheibe angenommen)<br />
waagrecht auf einem Motor befestigt und auf hohe Drehzahlen gebracht.<br />
Für „Ihren“ Versuch sollen Sie eine Scheibe mit 100kg Gewicht (G) und einem Radius R von<br />
1m untersuchen, welches in der Mitte an der Motorachse befestigt ist; das<br />
Massenträgheitsmoment errechnet sich nach J = 0,5 G R².<br />
a) Skizzieren Sie die Aufgabenstellung mit den relevanten Parametern.<br />
b) Berechnen Sie die Energie für eine Winkelgeschwindigkeit von 10.000 Umdrehungen<br />
pro Minute nach E rot = 0,5 J ².<br />
27,4 kJ<br />
c) Da solche Versuche üblicherweise in einem Gebäude durchgeführt werden, ist auf<br />
„Sicherheit“ zu achten. Mit 1kg TNT (ca. 10 9 J) sprengt man abbruchreife Gebäude.<br />
Wie hoch darf also die Drehzahl maximal sein, damit die Energie Ihres Versuches um<br />
den Faktor 10 geringer bleibt? 19.080 U/min<br />
<strong>Blankenbach</strong> / <strong>Physik</strong>_<strong>Altklausuren</strong>_mit_Loesungen.doc / 02.01.14 18 / 46
Mechanik Impuls<br />
Impuls 1<br />
Wie hängen Kraft und Impuls zusammen - warum benötigen Sie diesen Zusammenhang für<br />
Raketen? zeitabhängige Masse<br />
Impuls 2<br />
2 Kugeln gleicher Massen stoßen zusammen. Eine ruht zu Beginn, die andere bewegt sich<br />
mit der Geschwindigkeit v 1 .<br />
a) Wie groß sind die Geschwindigkeiten der Kugeln nach einem ideal elastischem Stoß.<br />
v’ 2 = v 1<br />
b) Wie schnell bewegt sich der Schwerpunkt des Systemes aus a) fort, wenn man das<br />
Experiment beobachtet. v 1 /2<br />
c) Statt mit 2 Kugeln wird das Experiment nun mit 2 ‘griffigen’ Autoreifen auf einer<br />
rauen Fahrbahn durchgeführt, d.h. die Reibung kann hier nicht vernachlässigt werden.<br />
Versuchen Sie die auftretenden Effekte beim Stoß in einem Gedankenexperiment zu<br />
beschreiben. „wird reflektiert“<br />
<strong>Blankenbach</strong> / <strong>Physik</strong>_<strong>Altklausuren</strong>_mit_Loesungen.doc / 02.01.14 19 / 46
Impuls 3<br />
Der Pforzheimer Kurier berichtete über ein neuartigen Raumfahrzeuges:<br />
'Ionenantrieb gibt Deep Space sanften Schub'<br />
„Der revolutionäre Ionenantrieb ... Die ionisierten Xenon-Atome werden in elektrischen<br />
Feldern beschleunigt. Mit einer Geschwindigkeit von rund 40 km / s schießt dann der scharf<br />
gebündelte Ionenstrahl nach hinten aus einer Düse und schiebt dabei das Raumfahrzeug<br />
nach vorne. Das ionisierte Gas übt einen stetigen, wenn auch nur schwachen Schub auf das<br />
Raumfahrzeug aus. Während eines kontinuierlichen Betriebes von 335 Stunden erhöht Deep<br />
Space seine Geschwindigkeit um etwa 500 Stundenkilometer - eine Beschleunigung von<br />
etwas mehr als einem Kilometer pro Stunde. ... In 14 Tagen ständigen Betriebes hat Deep<br />
Space etwas weniger als 2,5 kg Treibstoff verbraucht. ... „<br />
a) Stimmen die Angaben ?<br />
b) Wie groß ist die Masse von Deep Space? 720 kg<br />
Welche Näherung ist zweckmäßig? m = const<br />
c) Warum kann der Ionenantrieb nicht zum Start einer vernünftigen Rakete von der<br />
Erde aus verwendet werden? Beschleunigung zu gering<br />
Impuls 4<br />
Zwei Autos stoßen mit gleich großer Geschwindigkeit (20 m/s) frontal zusammen. Der Stoß<br />
sei vollkommen inelastisch. Das eine Auto besitzt eine doppelt so große Masse wie das<br />
andere (1000 kg).<br />
a) Welche Geschwindigkeit haben beide Wagen nach dem Stoß? 6,6 m/s<br />
b) Die Knautschzonen führen während der Dauer (0,1 s) des Zusammenstoßes zu einer<br />
konstanten Beschleunigung. Welchen Wert nimmt diese für jeden Wagen an?<br />
134 m/s² ; 266 m/s²<br />
c) Welche Energiemenge wird bei dem Zusammenstoß in Wärme umgewandelt? 534 kJ<br />
d) Berechnen Sie den Winkel um den das leichtere der beiden Autos abgelenkt wird,<br />
wenn beide senkrecht zusammenstoßen. 63,4°<br />
<strong>Blankenbach</strong> / <strong>Physik</strong>_<strong>Altklausuren</strong>_mit_Loesungen.doc / 02.01.14 20 / 46
Impuls 5<br />
Eine Silvesterrakete (m = 0,1 kg, in a) und b) = const. (Näherung) ) soll senkrecht nach oben<br />
starten (v Gas = 5 km/s). Benutzen Sie zur Lösung den Kraft-Impuls-Zusammenhang.<br />
a) Welcher Gasausstoß dm/dt ist erforderlich, damit die Rakete gerade über dem<br />
Startplatz schwebt?<br />
1/5000 kg/s<br />
b) Wie groß ist die Beschleunigung bei 3* so großem Gasausstoß wie bei a)? 2g<br />
m o g = dm/dt v Gas - m o a<br />
aus a) dm/dt = m o g / v Gas<br />
m o g = 3 m o g v Gas / v Gas - m o a<br />
g = 3 g - a -> a =<br />
c) Nach Brennschluss fliegt die Rakete (m nunmehr 0,08 kg) mit 20 m/s und explodiert in<br />
zwei Teile. Teil 1 wiegt 0,03 kg und fliegt mit 40 m/s und Teil 2 mit 30 m/s. Bestimmen<br />
Sie den Winkel, den die (gerade) Flugbahn der beiden Bruchstücke einschließt. 105°<br />
<strong>Blankenbach</strong> / <strong>Physik</strong>_<strong>Altklausuren</strong>_mit_Loesungen.doc / 02.01.14 21 / 46
Mechanik allgemein<br />
Mechanik allgemein 1<br />
Welche Erhaltungssätze der Mechanik kennen Sie und wo werden sie angewendet (je 1<br />
stichwortartiges Beispiel)?<br />
Mechanik allgemein 2<br />
Geben Sie die Modellkörper der Mechanik und Schwingungslehre an und beschreiben<br />
jeweils eine technische Anwendung (Stichworte) wo diese üblicherweise verwendet werden<br />
können und wo nicht.<br />
Mechanik allgemein 3<br />
Geben Sie für die folgenden physikalischen Grundprinzipien jeweils die Formel und ein<br />
stichwortartiges Beispiel an.<br />
a) Newtonsche Gesetze<br />
b) Impulserhaltung<br />
c) Grundgesetz der Rotation<br />
Mechanik allgemein 4<br />
Erläutern Sie das d’Alembertsche Prinzip und geben Sie 2 Beispiele an.<br />
Mechanik allgemein 5<br />
Erklären Sie den Drehimpuls und den Zusammenhang mit dem Drehmoment. Vergleichen<br />
Sie ferner Impuls und Drehimpuls.<br />
Mechanik allgemein 6<br />
Welche Bewegungsformen kennen Sie; geben Sie außerdem jeweils ein Beispiel an.<br />
<strong>Blankenbach</strong> / <strong>Physik</strong>_<strong>Altklausuren</strong>_mit_Loesungen.doc / 02.01.14 22 / 46
Schwingungen<br />
Schwingungen 1<br />
In einem idealen Fußball befindet sich innen (rund, glatt) ebenfalls ein kleines rundes<br />
Sandkorn. Nach einem Torschuss rollt der Ball langsam über die Torlinie und wird vom Netz<br />
gestoppt. Das Korn „wandelte seine kinetische Energie in potentielle um“ und rollt dann aus<br />
einer Höhe von einem Zehntel des Radius mittig nach unten und vollführt danach eine<br />
unbeeinflusste Bewegung.<br />
a) Stellen Sie mit Hilfe einer Skizze die idealisierte Bewegungsgleichung des Kornes<br />
auf und geben die Bewegungsform und die Lösung an.<br />
b) Nach welcher Zeit ist das Korn wieder am Ausgangspunkt?<br />
c) Wie groß ist die Geschwindigkeit v im tiefsten Punkt? 2gh<br />
Schwingungen 2<br />
Wir untersuchen die Zeitungsmeldung: ‘Am Bungee-Seil in 7,5s 220m in die Tiefe’ (James<br />
Bond - Opening Stunt Golden Eye).<br />
a) Wie groß wäre die Fallzeit ohne Seil? 6,6 s<br />
b) Wie hoch ist die Geschwindigkeit nach 220m ohne bzw. mit Seil? 66,3 m/s , 0 m/s<br />
c) Der Springer bleibt am Schluss 160m unterhalb der Absprungstelle hängen.<br />
Die anfängliche Bewegung, nachdem er 160m gefallen ist, wird durch z(t) = z o sin( o t)<br />
beschrieben, das Seil hierbei als Feder angenähert.<br />
Berechnen Sie die maximale Auslenkung der anfänglich angenähert ungedämpften<br />
Schwingung und die Kreisfrequenz o . 60 m ; 0,94 1/s<br />
(Hinweis: beginnen Sie mit den Anfangsbedingungen für t=0).<br />
Vergleichen Sie diesem Ansatz mit Teil a) - Fazit?<br />
<strong>Blankenbach</strong> / <strong>Physik</strong>_<strong>Altklausuren</strong>_mit_Loesungen.doc / 02.01.14 23 / 46
Schwingungen 3<br />
Ein Wagen (Dimensionen vernachlässigen) befindet sich in einer Zylinderwanne mit dem<br />
Radius 10 m. Er wird in einer Höhe von 0,5 m über dem tiefsten Punkt losgelassen.<br />
a) Stellen Sie die idealisierte Bewegungsgleichung auf.<br />
b) Nach welcher Zeit ist der Wagen wieder am Ausgangspunkt? s<br />
c) Wie groß ist die Geschwindigkeit v im tiefsten Punkt? 3,16 m/s<br />
Schwingungen 4<br />
Berechnen Sie die Schwingungsdauer eines kreisförmig, unter kleinem Winkel schwingenden<br />
Mathematischen Pendels ausgehend von einer Kreisbewegung (Verwenden Sie nicht die<br />
Überlagerung harmonischer Schwingungen).<br />
Wie „normales“ MP<br />
Schwingungen 5<br />
Folgende Achterbahn sei gegeben:<br />
h<br />
R = 1 0 m<br />
0 ,5 m<br />
a) Aus welcher Höhe h muss ein Massepunkt starten, damit er im Looping nicht<br />
hinunterfällt?<br />
25 m<br />
b) Welche Geschwindigkeit hat er dann im tiefsten Punkt? 22,36 m/s<br />
c) Es sei h nun 0,5 m. Beschreiben Sie die sich ergebende Bewegung, stellen Sie die<br />
Bewegungsgleichung auf, lösen Sie sie und geben die relevante Kenngröße an. T= 6,28s<br />
<strong>Blankenbach</strong> / <strong>Physik</strong>_<strong>Altklausuren</strong>_mit_Loesungen.doc / 02.01.14 24 / 46
Schwingungen 6<br />
Eine 1kg schwere Kugel hängt an einem 1m langen, dünnen und steifen Faden. Das System<br />
dreht sich nach entsprechendem Anwerfen kreisförmig (vergleichbar mit Ketten-Karussell)<br />
um den Aufhängepunkt. Der Auslenkwinkel gegenüber der Ruhelage beträgt ca. 5°.<br />
a) Berechnen Sie die Drehzahl und die Dauer einer Umdrehung. T = 2 l/g<br />
b) Nun führt das System eine Harmonische Schwingung aus. Vergleichen Sie die<br />
Schwingungsdauer (fertige Formel darf verwendet werden) mit dem Ergebnis aus a).<br />
Schwingungsdauer ist identisch<br />
Schwingungen 7<br />
Beim Absprung eines Skispringers führt die Skispitze Schwingungen aus, welche der<br />
Einfachheit halber als harmonisch betrachtet werden. Folgende Näherungen und<br />
Vereinfachungen gelten: Länge des Skis vor der (starren und ‘ortsfesten’) Bindung: 1m mit<br />
einem Gewicht von 1kg. Nach 2 Schwingungen, welche zusammen 2 Sekunden dauern, ist<br />
praktisch keine Auslenkung zu beobachten.<br />
a) Erklären Sie diese Beobachtung.<br />
b) Berechnen Sie die Dämpfungskonstante. Amplitude Null bei e -5 (Vorlesung!) ; 2,5 1/s<br />
c) Wie groß ist die Eigenfrequenz des ungedämpften Skis. 0,928 s<br />
Schwingungen 8<br />
Skizzieren Sie die Schwingungsformen, welche beispielsweise bei einem Feder-Masse-<br />
System auftreten können.<br />
<strong>Blankenbach</strong> / <strong>Physik</strong>_<strong>Altklausuren</strong>_mit_Loesungen.doc / 02.01.14 25 / 46
Schwingungen 9<br />
An einer Schwingtür, die bezogen auf ihre vertikale Drehachse ein Trägheitsmoment J = 15<br />
kg m² besitzt und von einer Spiralfeder mit der Winkelrichtgröße D = 60 Nm/rad in ihre<br />
Ruhelage zurückgezogen wird, ist ein Öldruckdämpfer angebracht, der im Abstand l von der<br />
Türachse mit einer tangentialen Kraft von r o * v angreift (r o : Reibungskonstante,<br />
v : Geschwindigkeit).<br />
a) Geben Sie die Bewegungsgleichung und die Lösungen mit Skizze an. Lösung wie Skript<br />
b) Wie groß muss die Reibungskonstante sein, damit die Tür nach dem Öffnen so schnell<br />
wie möglich von selbst schließt, ohne sich über die Ruhelage hinauszubewegen.<br />
Aperiodischer Grenzfall: b/2J = <br />
Schwingungen 10<br />
Eine homogene kreisförmige Scheibe (Masse m, Radius R, Massenträgheitsmoment<br />
bezogen auf den Schwerpunkt J SWP = 1 / 2 m R² ) ist im Abstand r vom Mittelpunkt drehbar<br />
aufgehängt. Die Drehachse ist horizontal bzgl. der Erdoberfläche.<br />
a) Welches Massenträgheitsmoment besitzt die Scheibe bezogen auf die Drehachse? SvS<br />
b) Welches Drehmoment ist notwendig, um die Scheibe um 30° aus der Ruhelage<br />
auszulenken?<br />
1/2 mgr<br />
c) Leiten Sie die Bewegungsgleichung für kleine Auslenkungen her. '' + mgr/J = 0<br />
d) Wie groß wird die Schwingungsdauer, wenn die Scheibe am oberen Rand aufgehängt<br />
wird? 2 (3R / 2g)<br />
<strong>Blankenbach</strong> / <strong>Physik</strong>_<strong>Altklausuren</strong>_mit_Loesungen.doc / 02.01.14 26 / 46
Schwingungen 11<br />
Senkrecht unter dem Aufhängepunkt eines Fadenpendels der Länge 100 cm befindet sich<br />
ein Stift als Anschlag im einem gewissen Abstand. Das Pendel wird zu Beginn auf die 'freie'<br />
Seite hin ausgelenkt und dann losgelassen. Das Pendel schwingt dann bis zur Ruhelage mit<br />
voller Fadenlänge, an der Nulllage legt sich der Faden an den Stift an und der untere Teil<br />
schwingt bis zum Umkehrpunkt und wieder zurück bis zur Nulllage mit verkürzter<br />
Pendellänge, danach setzt sich die Schwingung wieder mit voller Pendellänge fort usw. .<br />
a) Skizzieren Sie die Aufgabenstellung.<br />
b) Wie groß ist der Abstand des Stiftes vom Aufhängepunkt, wenn die Schwingungsdauer<br />
1,5 s beträgt? 74 cm<br />
c) Wie hoch schwingt die Pendelmasse auf der verkürzten Seite, wenn das Pendel zu<br />
Beginn 1,80° ausgelenkt worden ist? 96,9 cm<br />
Schwingungen 12<br />
a) Mit welcher Eigenfrequenz und Schwingungsdauer kann ein Pkw aufgrund seiner<br />
Federung schwingen, wenn sich seine Karosserie mit der Leermasse 800 kg bei einer<br />
Zuladung von 200 kg um 20 mm senkt?<br />
a) Ermitteln Sie die Federkonstante. 100.000 kg/s²<br />
b) Stellen Sie die Schwingungsgleichung eines horizontalen Feder-Masse-Schwingers,<br />
ausgehend vom d’Alembertschen Prinzip auf mit Skizze, relevante Kräften etc.<br />
c) Berechnen Sie damit die Eigenfrequenz für das Auto. o = 10 1/s bzw. 11.2 1/s<br />
d) Mit dem Fahrzeug aus a) fahren Sie auf die Autobahn, welche Schwellen (Erhöhungen)<br />
im von Abstand knapp 19 m. Ihre Stoßdämpfer haben aus Altersgründen nur noch eine<br />
schwache Wirkung. Sie beschleunigen langsam über eine Strecke von mehreren<br />
Kilometern von 0 auf 150 km/h<br />
- Was bemerken Sie?<br />
- Skizzieren Sie den Verlauf und geben die Geschwindigkeit bei der wichtigen<br />
Kenngröße an. 30,25 m/s<br />
<strong>Blankenbach</strong> / <strong>Physik</strong>_<strong>Altklausuren</strong>_mit_Loesungen.doc / 02.01.14 27 / 46
Wärmelehre allgemein<br />
Wärmelehre allgemein 1<br />
Werte: c Wasser = 4,0 kJ / kgK ; r Wasser = 2,0 MJ / kg ; Wasser = 10 -4<br />
a) Ein elektrischer Tauchsieder soll 10 kg Wasser bei Normaldruck von 20°C genau auf<br />
100°C erwärmen. Wie viel Energie ist hierzu nötig? 3200 kJ<br />
b) In welcher Zeit hat ein 5 kW Tauchsieder das Wasser erwärmt? 640 s<br />
c) Welches Volumen hat das Wasser bei 80°C? Welche Vernachlässigung bzw. Näherung<br />
liegt Ihrer Rechnung zu Grunde? 10,06 l<br />
d) Der Tauchsieder bleibt weiterhin eingeschaltet und führt dem Wasser 10 Minuten<br />
weiter Energie zu. Wie viel Wasser verdampft? 1,5 kg<br />
Wärmelehre allgemein 2<br />
a) Warum muss bei einem quadratischen Körper bei Temperaturänderung mit dem<br />
Volumenausdehnungskoeffizienten gerechnet werden. Begründen Sie, warum bei<br />
Rohren und Stäben meist nur der Längenausdehnungskoeffizient verwendet wird.<br />
b) Bei 100 °C soll ein Aluminiumrohr ( = 25 x 10 - 6 1/K) exakt 400,00 mm lang sein und<br />
einen Innendurchmesser von 30,00 mm aufweisen. Welche Maße muss das Rohr in<br />
der Fertigung bei einer Temperatur von 20 °C besitzen? 399,20 mm ; r=14,970 mm<br />
Wärmelehre allgemein 2 (mit Wellen)<br />
Bei HeNe-Lasern ( Luft = 632 nm, n Luft = n Vakuum = 1) werden die Spiegel zur Erzeugung<br />
stehender Wellen direkt auf das Entladungsrohr aus Quarzglas ( Quarz = 0,5*10 -6 1 / K ,<br />
n Quarz = 1,5) geklebt (Klebstoff vernachlässigen).<br />
a) Wie groß ist die Wellenlänge im Glas? 421,3 nm<br />
b) Wie lang muss der Quarzstab für max. Leistung gewählt werden? quarz = 2L / n+1<br />
c) Wohin verschiebt sich die Resonanzwellenlänge in Abhängigkeit von der Temperatur<br />
bei einer Länge von 421,3 mm bei Normaltemperatur und einer Temperaturänderung<br />
von 30 K? Resonanzwellenlänge wird größer<br />
d) Welche Temperaturänderung ist zulässig, damit sich der relative<br />
Spiegelabstand nur um 10 -5 ändert? 20 K<br />
<strong>Blankenbach</strong> / <strong>Physik</strong>_<strong>Altklausuren</strong>_mit_Loesungen.doc / 02.01.14 28 / 46
Wärmelehre allgemein 3<br />
a) Welcher Effekt wird als Anomalie des Wassers bezeichnet?<br />
b) Wie lautet die allgemeine Formulierung der Zustandsgleichung für<br />
Ideale Gase? Erläutern Sie die Größen.<br />
Wärmelehre allgemein 4<br />
Eine Eiskunstläuferin gleitet über das Eis, indem dieses unter den Kufen schmilzt.<br />
a) Erklären Sie dieses Phänomen. Druckerhöhung erniedrigt Schmelzpunkt<br />
b) Wie groß darf die Kufenfläche maximal sein, wenn die Läuferin 50 kg wiegt und die<br />
Eistemperatur -5C beträgt? Die Steigung der Schmelzdruckkurve beträgt<br />
..- 10000 Pa/K.. (Tripelpunkt 0C). 0,01 m 2<br />
Wärmelehre allgemein 5<br />
Gegeben sind zwei identische Metallstangen, die exakt dieselbe Temperatur aufweisen. Eine<br />
der beiden steht senkrecht auf einer Platte, die andere hängt an einem dünnen Faden. Nun<br />
wird beiden Stangen genau dieselbe Wärmemenge zugeführt. Anschließend wird die<br />
Temperatur der beiden Stangen exakt gemessen - sie weisen leicht unterschiedliche<br />
Temperaturen auf - warum?<br />
Alle Wärmeverluste durch Strahlung, Aufhängung, Platte, etc. sind zu vernachlässigen. Keine<br />
Formeln erforderlich, Stichworte als Begründung genügen!<br />
Die stehende Stange muss ihren Schwerpunkt bei Längenausdehunung heben, bei der<br />
anderen sinkt er ab, d.h. Unterschied in Hubarbeit bzw. E pot<br />
Geben Sie die Formel für die Wärmemenge an<br />
Wärmelehre allgemein 6<br />
- Wie ist der Wärmestrom definiert? Vergleichen Sie dies mit den kinematischen Größen<br />
Geschwindigkeit und Beschleunigung.<br />
<strong>Blankenbach</strong> / <strong>Physik</strong>_<strong>Altklausuren</strong>_mit_Loesungen.doc / 02.01.14 29 / 46
Wärmelehre allgemein 7<br />
‘Deep Impact’: Ein Meteorit aus Eisen streift kurzzeitig die Erdatmosphäre und verringert<br />
dabei wegen Luftreibung seine Geschwindigkeit von 8 km / s auf 7 km / s . Die dabei auftretende<br />
Reibungswärme geht zu 95% in die umgebende Luft, der Rest erwärmt den Meteoriten<br />
(c Eisen = 0,5 J / gK ).<br />
a) Um wie viel Grad steigt die Temperatur des Meteoriten? 750 K<br />
b) Unter der Annahme, dass die Reibung die Masse des Meteoriten real durch Verdampfen<br />
der äußeren Schichten halbiert, verliert der Meteorit wie viel Prozent seines<br />
Anfangsimpulses? 56%<br />
Wärmelehre allgemein 8<br />
Es ist Sommer, sie liegen im Freibad und beobachten den Sprungturm. Von der 10m -<br />
Plattform (ohne Sprungbrett) lässt sich ein mutiger Springer nach vorne überfallen.<br />
a) Welche Bewegung beobachten Sie?<br />
b) Der Springer wird durch eine homogene Stange mit 2m Länge angenähert. Er dreht<br />
sich einmal pro Sekunde senkrecht zu seiner Längsachse. Wie groß ist die<br />
Eintauchgeschwindigkeit? 14,14 m/s<br />
c) Um schmerzhafte Folgen zu vermeiden, trägt der Springer einen Taucheranzug,<br />
welche ideal gut isoliert; somit wird die gesamte Reibungsenergie beim Eintauchen<br />
auf das Wasser übertragen (da der Springer Glück hat, spritzt auch kein Wasser hoch).<br />
Um wie viel Grad wird das Becken (Würfel mit Kantenlänge 10m, c = 4,2 kJ/kgK)<br />
erwärmt? 2,4 * 10 -7 K<br />
Wärmelehre allgemein 9 (mit Wellen)<br />
Wie lange muss das Rohr einer Querflöte sein (beidseits offen), damit sie bei 20 o C als<br />
tiefsten Ton c’ = 264 Hz erzeugt? Während des ‘Einblasens’ vor Konzertbeginn erhöht sich<br />
die Temperatur von Rohr und Luftsäule auf 30 o C - wie ändert sich der Grundton, geben Sie<br />
die Frequenz an? 271,7 Hz<br />
Schallgeschwindigkeit 340 m/s (20 o C), 350 m/s (30 o C)<br />
Längenausdehnungskoeffzient 20*10 -6 1/K<br />
<strong>Blankenbach</strong> / <strong>Physik</strong>_<strong>Altklausuren</strong>_mit_Loesungen.doc / 02.01.14 30 / 46
Wärmelehre allgemein 10<br />
Die bei 5 o C 1cm breiten Stoßfugen zwischen 10m langen und 20cm dicken Betonplatten ( =<br />
12*10 -6 1/K) einer Autostraße sind mit Teer (= 0,00055 1/K) zugegossen. Wie viel Teer quillt<br />
je 10cm Fugenlänge heraus, wenn sich die Temperatur auf 30 o C erhöht hat? 62,75 cm³<br />
Wärmelehre allgemein 11<br />
Gegeben: 1kg H 2 0 soll von -10°C auf +10°C erwärmt werden.<br />
Parameter: c = 4.000 J/kgK ; q = 300 kJ/kg<br />
a) Berechnen Sie die hierzu notwendige Wärmemenge. 380 kJ<br />
b) Geben Sie eine Begründung an, weshalb das Ergebnis mit den angegebenen<br />
Parametern (nicht evtl. Abweichungen dieser Werte von Tabellen) nicht ganz richtig<br />
sein kann.<br />
c) Geben Sie die Formel für eine korrektere Berechnung an.<br />
Schmelzwärme, c für Eis und Wasser<br />
d) Bei einer Umgebungstemperatur von 25°C (normale Raumtemperatur) lassen Sie<br />
das Gefäß mit dem Wasser nun stehen. Skizzieren Sie den zeitlichen Temperatur-<br />
verlauf.<br />
e) Sie erhitzen nun das Wasser auf 55°C. Berechnen Sie die elektrische Leistung des<br />
Tauchsieders, wenn diese Temperatur konstant gehalten werden soll und der<br />
thermische Widerstand (des Gesamtsystems) 10K/W beträgt. 3 W<br />
<strong>Blankenbach</strong> / <strong>Physik</strong>_<strong>Altklausuren</strong>_mit_Loesungen.doc / 02.01.14 31 / 46
Wärmetransport<br />
Wärmetransport 1<br />
LEDs werden zunehmen zu Beleuchtungszwecken eingesetzt. Für eine Parkplatzleuchte<br />
sollen 100 LEDs mit je 1 W verbaut werden. Der Gesamtwirkungsgrad der in der Lampe<br />
verbauten Ansteuerelektronik beträgt 80%, Die Lampe wird bei einer Umgebungstemperatur<br />
von 30°C betrieben, die Innentemperatur muss kleiner 92,5°C sein.<br />
a) Meist wird die elektrische Leitungsaufnahme gleich der elektrischen Verlustleistung<br />
gesetzt. Welche Näherung liegt dieser Betrachtung zu Grunde?<br />
b) Welche Leistung muss der Lampe zugeführt werden? 125 W<br />
c) Welchen Wert darf der Wärmewiderstand der Lampe höchsten haben? 0,5 K/W<br />
Falls Sie A8b nicht lösen konnten, nehmen Sie 150 W (ist aber nicht Lösung A8b) an.<br />
d) Berechnen Sie nun die Fläche A des 2 mm dicken LED-Lampengehäuses<br />
( = 10 W/Km), wenn innen quasi ruhende Luft herrscht ( = 3 W/m²K) und außen eine<br />
leichte Strömung ( = 30 W/m²K) herrscht. 0,734 m²<br />
Wärmetransport 2<br />
a) Welche Arten des Wärmetransports gibt es? Charakterisieren Sie diese und geben<br />
je ein Beispiel an.<br />
b) Geben Sie jeweils die typische Formel für den Wärmestrom an und beschreiben<br />
stichwortartig die wichtigsten Parameter.<br />
c) Schätzen Sie mittels Überschlagsrechnungen ab, welcher der drei Effekt den größten<br />
Beitrag zur Wärmeabfuhr eines typischen elektronischen Gerätes mit ca. 100 W<br />
Verlustleistung und 100 cm² schwarzer Gehäuseoberfläche (1 mm dick) und ohne<br />
Lüfter bei typischer Raumtemperatur liefert.<br />
Werte: = 5,7 10 -8 W ; = 10<br />
4<br />
m 2 K<br />
W<br />
K m<br />
Wärmeleitung 100 W<br />
<strong>Blankenbach</strong> / <strong>Physik</strong>_<strong>Altklausuren</strong>_mit_Loesungen.doc / 02.01.14 32 / 46
Wärmetransport 3<br />
Zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit von Isoliermaterial wird folgender Versuchsaufbau<br />
verwendet: Zwischen 2 Eisenplatten (Fläche 10 cm x 10 cm, Dicke 1 cm) wird das zu<br />
untersuchende Material (gleiche Fläche, Dicke 3 mm) gelegt. Die obere Eisenplatte wird<br />
durch elektrische Heizung auf 80°C erwärmt, die untere durch Kühlung auf 20°C gebracht<br />
bzw. gehalten (stationärer Zustand). Durch Isolierung werden Wärmeverluste an die<br />
Umgebung vermieden. Werte für Eisen: c = 0,5 kJ/kgK; = 8.000 kg/m³ Wie groß ist die<br />
Wärmeleitzahl des zu untersuchenden Stoffes, wenn nach Abschalten der Heizung die<br />
Temperatur der oberen Platte nach einer Minute um 3 K gesunken ist? 0,1026 W / m K<br />
Wärmetransport 4<br />
LEDs werden zunehmend auch für<br />
Beleuchtungszwecke eingesetzt.<br />
Dabei spielt das<br />
Thermomanagement eine große<br />
Rolle. Entscheidend für die<br />
Lebensdauer der LEDs ist die<br />
sogenannte Junction-Temperatur T J<br />
im Halbleiter.<br />
Diese kann jedoch nicht direkt in der Anwendung gemessen werden. Deshalb wird die<br />
sogenannte Solder-Point-Temperatur T S in der Spezifikation angegeben.<br />
a) Geben Sie die Formel an, nach der die Sperrschichttemperatur ausgehend von einer<br />
gemessenen Solder-Point Temperatur berechnet werden kann.<br />
b) Berechnen Sie die maximal erlaubte Solder-Point Temperatur, wenn der<br />
Wärmewiderstand vom Solder Point zur Halbleiter 10 K/W beträgt und die maximale<br />
Junction-Temperatur 125°C nicht überschreiten darf. T S = 398 K - 10 P LED /K<br />
c) Wir gehen nun von einer LED-Leistung von 10 W und einer Solder-Point-Temperatur<br />
von 75°C und aus. Dimensionieren Sie den Wärmewiderstand des an der<br />
Solder-Point-Fläche anzubringenden Kühlkörpers. Welche Angaben benötigen Sie<br />
hierfür zusätzlich? Nehmen Sie in einem Gedankenexperiment „sinnvolle und<br />
typische“ Werte an und berechnen die Kenngröße des Kühlkörpers. A 40 cm²<br />
<strong>Blankenbach</strong> / <strong>Physik</strong>_<strong>Altklausuren</strong>_mit_Loesungen.doc / 02.01.14 33 / 46
Wärmetransport 5<br />
Eine Hybridschaltung wird in einem Gehäuse montiert und mit 2 Harzen vergossen. Die<br />
Hauptquelle der Verlustwärme ist ein Chip; für die Abschätzung des Wärmestromes kann<br />
also mit ebenen Schichten gerechnet werden. Der Wärmestrom durchfließt vom Chip aus:<br />
- eine erste Epoxidharzschicht (d = 0,5 mm , = 0,1 W/mK)<br />
- eine zweite Epoxidharzschicht (d = 5,0 mm , = 1,0 W/mK)<br />
- die Gehäusewand aus Thermoplast (d = 1,0 mm , = 0,5 W/mK)<br />
a) Welcher Wärmestrom tritt auf, wenn der Chip eine Fläche von 1 cm² hat und bei 120°C<br />
betrieben wird. An der Außenseite des Gehäuses herrsche eine Temperatur von 50°C.<br />
= 0,583 W<br />
b) Berechnen Sie die Temperaturen an den Grenzflächen und zeichnen das<br />
Temperaturprofil vom Chip bis in den Außenraum. 363,85 K ; 334,7 K ; 323 K<br />
c) Welche Schicht würden Sie warum ändern, wenn Sie mehr Wärme abführen müssten?<br />
Die mit Widerstand am größten analog E-Technik<br />
Wärmetransport 6<br />
Ein elektronisches Gerät 'verbrät' in seinem luftgefüllten Gehäuse (frei schwebend und ohne<br />
Öffnungen angenommen) eine Leistung von 10 W.<br />
A = 0,1 m²; innen: = 5 W/m²K ; außen: = 10 W/m²K ; Wanddicke 1 cm, = 10 W/mK<br />
a) Welche Gleichgewichtstemperatur stellt sich bei Vernachlässigung der Wärmestrahlung<br />
ein, welcher Anteil kann hier vernachlässigt werden?<br />
330 K ; vernachlässigbar : Wärmeleitung durch Wand..<br />
b) Falls sich das Gehäuse (innen trotzdem luftgefüllt) im Weltraum (T = 0 K) befände,<br />
welche Temperatur würde sich einstellen, wie müssen die Bauelemente dann ausgelegt<br />
werden? Nur Wärmestrahlung ; 203 K<br />
<strong>Blankenbach</strong> / <strong>Physik</strong>_<strong>Altklausuren</strong>_mit_Loesungen.doc / 02.01.14 34 / 46
Wärmetransport 7<br />
Eine vandalensichere Schutzscheibe ist 10 mm dick. Die Wärmeleitfähigkeit des Glases<br />
beträgt 1,0 W/Km, die Wärmeübergangskoeffizienten betragen bei praktisch ruhender<br />
Innenluft 10 W/Km² und 20 W/Km² bei leicht bewegter Außenluft. Im Innenraum wird die<br />
Temperatur konstant gehalten, die Außenluft weise ebenfalls eine konstante Temperatur auf.<br />
Unterhalb welcher Außentemperatur kann sich an der Innenseite der Scheibe Eis bilden?<br />
251 K = - 12°C<br />
Tipp: Berechnen Sie den Wärmestrom von außen bis zur Innenseite des Glases und<br />
denjenigen von der Innenseite zur „Innenluft“; anschließend „gleichsetzen“. Dann ist jeweils<br />
eine Temperatur die Glastemperatur auf der Innenseite, die ja dann mit 0°C angenommen<br />
werden soll.<br />
Wärmetransport 8<br />
Eine 12 cm dicke Ziegelwand ( = 0,9 W/Km), beiderseits mit 1,5 cm Putz ( = 0,7 W/Km)<br />
soll mit einer Styroporschicht ( = 0,07 W/Km) verstärkt werden, so dass der gesamte<br />
Wärmeleitwiderstand demjenigen eine 36 cm dicken Ziegelwand ( = 0,9 W/Km), welche<br />
ebenfalls beiderseits verputzt (je 1,5 cm, = 0,7 W/Km) ist, entspricht. Wie dick muss das<br />
Styropor sein? 1,8 cm<br />
Wärmetransport 9<br />
Ein ständig stromdurchflossener Lastwiderstand der Fläche 10 cm² gibt Wärme durch<br />
Wärmestrahlung und -leitung an die umgebende, ruhende Luft ab.<br />
Daten: T R = 400 K, T Luft = 300 K, = 0,9<br />
W<br />
4 4 8<br />
W<br />
10<br />
Strahlung<br />
kB A TR TLuft<br />
kB<br />
57 10<br />
m² K<br />
, <br />
, , m²<br />
K<br />
4<br />
a) Berechnen Sie die beiden Wärmeströme und vergleichen Sie diese. 8,98 W ; 10 W<br />
b) Berechnen Sie den Strom durch den Widerstand bei einem Spannungsabfall von 1 V.<br />
I = ges / U = 19 A<br />
<strong>Blankenbach</strong> / <strong>Physik</strong>_<strong>Altklausuren</strong>_mit_Loesungen.doc / 02.01.14 35 / 46
Deformierbare Medien<br />
Siehe Übungsblatt, eher Randgebiet in der Vorlesung außer Hookesches Gesetz.<br />
<strong>Blankenbach</strong> / <strong>Physik</strong>_<strong>Altklausuren</strong>_mit_Loesungen.doc / 02.01.14 36 / 46
Wellen<br />
Wellen 1<br />
Erläutern Sie stichwortartig die folgenden Begriffe und Phänomene und verdeutlichen<br />
sie mit einem kurzen Beispiel sowie einer Skizze:<br />
- Huygens‘sches Prinzip<br />
- Fraunhofersche Beugung an einem Gitter. Skizzieren Sie das Beugungsbild<br />
eines Gitters mit vielen Linien pro mm auf einem Schirm. Erklären stichwortartig,<br />
warum dieses Ergebnis auftritt.<br />
- Wellenknoten und Wellenbäuche<br />
- Reflexion am festen bzw. losen Ende<br />
- Was beschreibt die Gleichung y = y o sin(t kx + )?<br />
Was bedeuten die einzelnen Variablen und Vorzeichen?<br />
- Konstruktive und destruktive Interferenz bzw. Gangunterschied.<br />
Geben Sie auch die typischen Werte an.<br />
- Was versteht man unter Polarisation einer Welle?<br />
- Welche Wellen sind polarisierbar?<br />
- Warum misst man bei der Lichtabstrahlung einer 230V-Glühbirne eine Frequenz von<br />
100 Hz anstatt die Wechselstromfrequenz von 50 Hz?<br />
- Zusammenhang von Ausbreitungsgeschwindigkeit, Wellenlänge und Frequenz (Formel)<br />
- Welcher Effekt tritt in der Akustik bei bewegter Quelle und ruhendem Beobachter auf,<br />
geben Sie ein Beispiel an?<br />
- Skizzieren Sie die Effekte beim Übergang einer Welle von einem Medium in ein anderes.<br />
Welche Gesetze gelten hier?<br />
- Beschreiben Sie je 2 Wellenarten und -formen und geben jeweils ein Beispiel an.<br />
<strong>Blankenbach</strong> / <strong>Physik</strong>_<strong>Altklausuren</strong>_mit_Loesungen.doc / 02.01.14 37 / 46
Wellen 2<br />
Bei HeNe-Lasern ( Luft = 632 nm, n Luft = n Vakuum = 1) werden die Spiegel zur Erzeugung<br />
stehender Wellen direkt auf das Entladungsrohr aus Quarzglas<br />
(n Quarz = 1,5) geklebt (Klebstoff vernachlässigen).<br />
a) Wie groß ist die Wellenlänge im Quarzglas-Rohr? 421,3 nm<br />
b) Welcher Bedingung muß die Länge des Rohres für maximale Leistung erfüllen?<br />
Stehende Welle<br />
c) Wie lang muß der Quarzstab genau sein, wenn er etwa 100m lang sein soll?<br />
100m / 421,3 nm = „ganze Zahl“<br />
d) Wie viele Wellenlängen „passen“ dann in das Rohr? Siehe c)<br />
e) Was passiert, wenn sich das Rohr erwärmt bzw. die Temperatur ändert?<br />
Wellen 3<br />
a) Beschreiben und skizzieren Sie die typischen Eigenschaften von Longitudinal- und<br />
Transversalwellen. In welchen Medien etc. können diese jeweils auftreten?<br />
b) Sie sind auf der International Space Station und fliegen über ein senkrecht nach oben<br />
abstrahlendes Mikrowellensignal mit einem Öffnungskegel von etwa 1°. Können Sie<br />
hiermit messtechnisch Ihre Geschwindigkeit bestimmen?<br />
Wenn ja wie, wenn nein warum.<br />
Ja (Doppler-Effekt) oder Nein (geringe Relativgeschwindigkeit) ; beides OK<br />
Skizzieren Sie die relevanten Dinge am besten mit zwei Zeichnungen.<br />
c) Skizzieren, erläutern und beschreiben Sie was passiert, wenn eine – hier optische –<br />
Welle von einem optisch dünneren in ein dichteres Medium übergeht.<br />
Welche Parameter sind hier relevant? Welcher Spezialfall kann bei umgekehrtem<br />
Lichtweg auftreten?<br />
d) Nennen und skizzieren Sie ein Anwendungsbeispiel der Totalreflexion.<br />
<strong>Blankenbach</strong> / <strong>Physik</strong>_<strong>Altklausuren</strong>_mit_Loesungen.doc / 02.01.14 38 / 46
Wellen 4<br />
Drei aufeinander folgende Resonanzfrequenzen einer Orgelpfeife wurden mit 1310 Hz, 1834<br />
Hz und 2358 Hz gemessen.<br />
a) Ist die Pfeife an einem Ende geschlossen oder an beiden Enden offen?<br />
verschiedene Enden<br />
b) Wie hoch ist ihre Grundfrequenz? 262 Hz<br />
c) Wie lang ist die Pfeife bei einer Schallgeschwindigkeit von 330 m/s? 0,315 m<br />
Wellen 5<br />
Zwei im Abstand d voneinander angeordnete Lautsprecher strahlen phasengleich einen<br />
Messton ab. Ein Beobachter, der sich zunächst in genügend großem Abstand genau auf der<br />
Mittelsenkrechten der gedachten Verbindungslinie beider Lautsprecher befindet, hört dort<br />
die maximale Lautstärke. Nun bewegt er sich genau parallel zur Lautsprecherverbindungslinie<br />
und bemerkt eine abnehmende Lautstärke. An einem Punkt ist es ganz still. Der<br />
Abstand d der beiden Lautsprecher sei bekannt.<br />
a) Skizzieren Sie die Aufgabe und leiten daraus die geometrischen Bedingungen ab.<br />
b) Geben Sie auf Basis der Skizze die Formeln an, mit der die Frequenz aus den<br />
Geometriedaten errechnet werden kann, diese ist jedoch nicht explizit aufzulösen.<br />
f = c / 2(s 2 - s 1 ) ; s 1 ² = (y 1 - d/2)² + l² ; s 2 ² = (y 1 + d/2)² + l²<br />
Wellen 6<br />
Welche Wellenlängen aus dem sichtbaren <strong>Bereich</strong> des Spektrums werden bei Reflexion an<br />
einer 750nm dicken Seifenlamelle (n = 1,35) in Luft (n=1) bei senkrechtem Strahleneinfall<br />
verstärkt und ausgelöscht. Beginnen Sie mit einer Skizze.<br />
Verstärkung: 405 nm, 506 nm, 675 nm ; Auslöschung: 450 nm, 579 nm<br />
<strong>Blankenbach</strong> / <strong>Physik</strong>_<strong>Altklausuren</strong>_mit_Loesungen.doc / 02.01.14 39 / 46
Wellen 7<br />
Ein Laserstrahl ( = 632 nm) wird in einen Gasstrahl (v = 1000 m/s) parallel<br />
hineingeschossen. Er trifft dort auf Gasmoleküle, welche sein Licht auch auf einen direkt<br />
neben dem Laser positionierten Empfänger werfen.<br />
a) Welcher Effekt tritt auf? Dopplereffekt<br />
b) Wie oft tritt dieser Effekt in welcher Ausprägung auf? 2x<br />
c) Wie groß ist die Frequenzverschiebung? 3 GHz<br />
Wellen 8<br />
Zwei Lautsprecherboxen sind in einem Abstand von 4 m nebeneinander aufgestellt und<br />
zeigen senkrecht bzgl. einer gedachten Verbindungslinie zwischen beiden von dieser weg.<br />
Ein Hörer befindet sich 4,2 m vom einen und 3,2 m vom anderen Lautsprecher entfernt. Sein<br />
'Gehör' wird als punktförmiger Detektor angenähert. Aus beiden Lautsprechern wird dasselbe<br />
Programm ohne Phasenverschiebung in Näherung als ebene Harmonische Welle<br />
abgestrahlt.<br />
a) Welche Frequenzen 'hört' der Zuhörer nicht (Formel f = ... genügt)? 495 Hz , 825 Hz, ...<br />
b) Würde dies (aus a)) auch in einem 'normalen' Zimmer so auftreten? nein<br />
c) Was ändert sich, wenn einer der beiden Lautsprecher verkehrt gepolt angeschlossen<br />
wurde? Gangunterschied ist um 1/2 'früher' da, d.h. = m<br />
Wellen 9<br />
Ein Wanderer steht an einem Gebirgsbach und macht sich Gedanken über zwei<br />
Erscheinungen (Werte: c Wasser = 1500 m/s, c Luft = 330 m/s, n Luft = 1, n Wasser = 1,33):<br />
a) Vom Grund des Baches dringt das Mahlgeräusch der Steine nach außen.<br />
Nähert man sich dem Ufer, so nimmt man das Geräusch erst wahr, wenn<br />
man relativ nahe herankommt. Ab welchem Winkel ist dieses Geräusch<br />
hörbar (Annahme: geradlinige Ausbreitung)? 13°<br />
b) Auf dem Grund des Baches sitzt ein Frosch. Dieser sieht den Mond<br />
unter einem Winkel von 45° zur Vertikalen. Unter welchem Winkel sieht<br />
er den Mond, wenn er dem Strahl folgend aufgetaucht ist? 70°<br />
<strong>Blankenbach</strong> / <strong>Physik</strong>_<strong>Altklausuren</strong>_mit_Loesungen.doc / 02.01.14 40 / 46
Wellen 10<br />
Am Meer beobachtet ein Badegast Wasserwellen mit einer Wellenlänge von 10 m und einer<br />
Periodendauer von 10 s. Die Wellen treffen unter 45° zum Lot auf eine Stufe unter der<br />
Wasseroberfläche, danach ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit nur noch 75 % der<br />
ursprünglichen Geschwindigkeit weit draußen.<br />
- Geben Sie eine Wellenfunktion für die Auslenkung der Wasseroberfläche an.<br />
z = z 0 sin(t + kx)<br />
- Wie groß ist die Wellenzahl und die Ausbreitungsgeschwindigkeit vor der Stufe<br />
(weit draußen) ? 0,63 1/m ; 1 m/s<br />
- Wie heißt der Oberbegriff des an der Stufe auftretenden Effektes (nur ein Stichwort)?<br />
Brechung<br />
- Um wieviel Grad ändert sich die Ausbreitungsrichtung der Wellen an der Stufe? 68,4 °<br />
<strong>Blankenbach</strong> / <strong>Physik</strong>_<strong>Altklausuren</strong>_mit_Loesungen.doc / 02.01.14 41 / 46
Optik<br />
Optik 1<br />
Sie bekommen die Aufgabe, für die Überwachung einer Produktionsanlage ein Videosystem<br />
zu implementieren. Hier geht es nun um die optische Auslegung. Die Rahmenbedingungen<br />
sind wie folgt: Das Band auf dem die zu überwachenden Gegenstände (mit Höhe Null<br />
angenommen) liegen ist 20 cm breit, die Kameralinse vom Band 10 cm entfernt zu<br />
positionieren. Der Kamerachip sei 4 cm hoch (Breite wird hier nicht betrachtet).<br />
a) Skizzieren Sie die Themenstellung maßstäblich und zeichnen die relevanten<br />
Parameter ein.<br />
b) Welchen Linsentyp müssen Sie beschaffen (hier Näherung Einzellinse)? Sammellinse<br />
c) Ermitteln Sie zeichnerisch näherungsweise die Brennweite der benötigten Linse.<br />
Beschreiben Sie diese Konstruktion mit ein paar Stichworten.<br />
d) Welchem der drei zugehörigen Abbildungsprinzipien entspricht dieser Fall? Fernrohr<br />
e) Berechnen Sie die Brennweite der Linse mit der Formel<br />
1<br />
f<br />
<br />
1<br />
a'<br />
<br />
1<br />
a<br />
5/3 cm<br />
f) In vielen Büchern und im Skript finden Sie die Formel<br />
1<br />
f<br />
1 1<br />
.<br />
a'<br />
a<br />
Erläutern Sie kurz den Unterschied der beiden Formeln. Welche Vereinfachung bzw.<br />
„Erleichterung“ stellt die Formel mit dem „+“-Zeichen dar?<br />
Optik 2<br />
Konstruieren Sie für eine Sammellinse und einem Abstand des Gegenstandes von der Linse<br />
das Bild desselben. Sie können z. B. folgende Werte verwenden: f = +30 mm, a = 50 mm und<br />
y = 20 mm.<br />
a) Skizzieren Sie die Aufgabe maßstäblich und zeichnen die relevanten Parameter ein.<br />
b) Warum ist der Linsentyp eine Sammellinse? Reelles Bild<br />
c) Ermitteln Sie zeichnerisch und rechnerisch die Bildgröße. 30 mm<br />
d) Beschreiben Sie diese Konstruktion mit ein paar Stichworten.<br />
e) Welchem der drei zugehörigen Abbildungsprinzipien entspricht dieser Fall? Projektor<br />
<strong>Blankenbach</strong> / <strong>Physik</strong>_<strong>Altklausuren</strong>_mit_Loesungen.doc / 02.01.14 42 / 46
Optik 3<br />
„Weißes“ Licht einer Glühlampe falle auf eine Glasscheibe mit darauf angebrachter<br />
transparenter Entspiegelungsschicht (Glas habe den höheren Brechungsindex). Wir<br />
betrachten nur die Reflexion mit der Näherung 5%-iger Reflexion.<br />
Einfallendes weißes Licht<br />
Messgerät bzw.<br />
Beobachter<br />
Transparente<br />
Entspiegelungsschicht<br />
Glas<br />
a) Lassen Sie in einem Gedankenexperiment eine ebene harmonische Welle<br />
einfallen. Was kann gemessen bzw. beobachtet werden (Extremfälle)?<br />
Verstärkung bzw. Auslösung einzelner Wellenlängen<br />
b) Zeichnen Sie die beiden Extremfälle in einer Skizze.<br />
c) Was tritt an den Grenzflächen auf?<br />
Reflexion, Reflexion und Transmission, Reflexion, ggf Totalreflexion<br />
d) Berechnen Sie die Schichtdichte der Entspiegelungsschicht für die beiden<br />
Extremfälle. Zur Vereinfachung gehen Sie von senkrechtem Einfall aus, skizzieren<br />
Sie aber den schrägen Einfall.<br />
167 nm ;125 nm<br />
e) Ist die wahrgenommene Farbe des reflektierten Lichtes anders als das der<br />
Glühbirne? Wenn ja bzw. nein, warum. Ja, da Verstärkung und Auslöschung<br />
Optik 4<br />
Erläutern Sie die folgenden Begriffe und Phänomene und<br />
verdeutlichen sie mit einem kurzen Beispiel:<br />
a) Huygens'sche Prinzip<br />
b) Fraunhofersche Beugung<br />
<strong>Blankenbach</strong> / <strong>Physik</strong>_<strong>Altklausuren</strong>_mit_Loesungen.doc / 02.01.14 43 / 46
Optik 5<br />
Zur Bestimmung der Brennweite einer Sammellinse nach dem Besselverfahren benutzt man<br />
die Tatsache, dass es bei hinreichend großem, fest vorgegebenen Abstand zwischen Objekt<br />
und Schirm zwei Stellungen der Linse gibt, bei denen ein scharfes Bild entsteht. Gemessen<br />
wird dann der Abstand der beiden Stellungen.<br />
a) Skizze<br />
b) Konstruktion zunächst einer scharfen Abbildung mit Bestimmung der Brennweite<br />
durch Abmessen, danach Konstruktion der anderen Abbildung.<br />
c) Mit welchen Formeln und welchen Verknüpfungen kann die Brennweite aus dem<br />
Abstand des Besselverfahrens berechnet werden?<br />
1/f = 1/a + 1/a' ; links: a' = l – a ; rechts : a = a' – d<br />
Optik 6<br />
Aus einer offenen Schiebetür der Breite 1 m, welche in der Mitte einer langen Wand liegt,<br />
dringt Lärm aus einem großen Maschinenraum. Man unterscheidet 2 Lärmeindrücke: Pfeifen<br />
und Zischen. Die Maxima der Emission liegen bei 1 kHz und bei 9 kHz. Rechnen Sie bitte mit<br />
diese diskreten Frequenzen. Ein Mann steht in großen Abstand im geometrischen Schatten<br />
hinter der Tür, im Winkel von 30° zur Durchgangsrichtung. Es wird angenommen, dass die<br />
Schallwellen als ebene Wellen senkrecht auf die Tür auftreffen, Reflexionen werden<br />
vernachlässigt. sin(30°) = 0,5 ; c = 333 m/s<br />
a) Welcher Effekt tritt hier auf ? Beugung<br />
b) Welches Modell verwenden Sie hier zur Rechnung? Fraunhofersche Beugung<br />
Warum ist können Sie dies anwenden? Mann steht weit hinter Tür<br />
c) Der Mann hört im Wesentlichen den tieferen Ton, warum?<br />
13. Ordnung leiser als 1. Beugungsordnung<br />
d) Wie weit muss die Tür geschlossen werden, damit die tiefe Frequenz im<br />
ganzen 'Beobachtungs-Raum' hörbar wird? Minimum 1. Ordnung bei 90° ; 33 cm<br />
e) Ist die höhere Frequenz im Fall d) dann an der Beobachtungsstelle<br />
(30°) leiser wie bei der 1 m weit geöffneten Tür, warum? 4. Ordnung d.h. lauter !<br />
<strong>Blankenbach</strong> / <strong>Physik</strong>_<strong>Altklausuren</strong>_mit_Loesungen.doc / 02.01.14 44 / 46
Optik 7<br />
Eine Linse habe die Brennweite 2 cm in Luft. Vor der Linse steht ein 2 cm hoher<br />
Gegenstand, der nacheinander auf die Positionen 1 cm, 3 cm, 4 cm und 6 cm von der Linse<br />
entfernt gesetzt wird.<br />
Konstruieren und berechnen Sie die (scharfe) Bildweite und die zugehörige Bildgröße.<br />
Sie dürfen alle Fälle in eine Skizze einzeichnen.<br />
1 cm : a' = -2 cm ; 3 cm : a' = 6 cm ; 4 cm : a' = 4 cm ; 6 cm : a' = 3 cm<br />
Optik 8<br />
Auf ein Beugungsgitter mit der Gitterkonstante g = 4 µm falle grünes Licht mit einer<br />
Wellenlänge von 550 nm.<br />
a) Skizzieren Sie die Intensitätsverteilung des gebeugten Lichtes als<br />
Funktion des Ablenkwinkels für den Fall, dass die Spaltbreite sehr<br />
klein ist und sehr viele Spalte ausgeleuchtet werden.<br />
b) Unter welchem Winkel beobachtet man das 2. Intensitätsmaximum? 16°<br />
c) Was geschieht, wenn nur wenige Spalte ausgeleuchtet werden?<br />
Intensitätsmaxima werden breiter<br />
d) Skizzieren Sie die Intensitätsverteilung, wenn die Spaltbreite<br />
merkliche Werte bezogen auf die Gitterkonstante annimmt.<br />
Optik 9<br />
Eine Sammellinse erzeugt von einem Gegenstand (Pfeil, Höhe 2 cm,<br />
Gegenstandsweite 10 cm) ein Bild.<br />
a) Konstruieren Sie die Lage des Bildes und die Brennpunkte maßstäblich je für ein um<br />
die Hälfte verkleinertes und ein doppelt so großes Bild.<br />
b) Berechnen Sie die Brennweite der Linse. 3,3 cm<br />
c) In welchem Abstand von der Linse muss der Gegenstand hingestellt<br />
werden, damit das Bild gleichgroß ist wie der Gegenstand?<br />
6,6 cm<br />
<strong>Blankenbach</strong> / <strong>Physik</strong>_<strong>Altklausuren</strong>_mit_Loesungen.doc / 02.01.14 45 / 46
Optik 10<br />
Das Display eines Beamers sei 24mm * 36mm groß, es wird auf eine quadratische<br />
Projektionsfläche der Seitenlänge 3m projiziert. Der Beamer steht im Abstand 10m vor der<br />
Leinwand. Es stehen 3 Wechselobjektive mit den Brennweiten 80mm, 120mm und 300mm<br />
zur Verfügung. Welches Objektiv muss benutzt werden, damit das Bild möglichst groß<br />
werden soll? 120mm<br />
Optik 11<br />
Eine Profi-Spiegelreflex-Digitalkamera hat 3 Wechselobjektive: normal mit 50 mm<br />
Brennweite, Weitwinkel mit 28 mm bzw. Tele mit 135mm Brennweite. Betrachten Sie die<br />
Objektive vereinfacht als Einzellinse. Ein Gegenstand ist 2,5m entfernt.<br />
a) Wie groß ist der Gegenstand, wenn ihn das Normal-Objektiv auf dem Film 15mm groß<br />
abgebildet? Ermitteln Sie den Abbildungsmaßstab? Bitte zeichnerische und<br />
rechnerische Lösung. 0,735m<br />
b) Berechnen Sie analog zu a) die Abbildungsmaßstäbe und Bildgrößen für die beiden<br />
anderen Objektive. 8,33 mm ; 41,96 mm<br />
c) Welche Objektabstände sind erforderlich, damit mit dem Tele- und dem<br />
Weitwinkelobjektiv ebenfalls eine Bildgröße von 15mm erzielt wird. 1,40m ; 6,75m<br />
Optik 12<br />
Konstruieren Sie das Bild eines 2 cm hohen Gegenstandes im Abstand von 5 cm von einer<br />
Sammellinse mit der Brennweite 2,5 cm<br />
Optik 13<br />
Wodurch wird das Auflösungsvermögen optischer Instrumente begrenzt?<br />
Skizzieren Sie den Helligkeitsverlauf. Beugung an Linsen<br />
<strong>Blankenbach</strong> / <strong>Physik</strong>_<strong>Altklausuren</strong>_mit_Loesungen.doc / 02.01.14 46 / 46