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Physik für Studierende der Bio- und Lebensmitteltechnologie

Die Physikklausur für Studierende der LT/BT enthält Aufgaben aus den Gebieten

•Allgemeine Grundlagen

•Mechanik und Fluidmechanik

•Elektrizität

•Optik

•Atomphysik

Es wird erwartet, dass der Lösungsverlauf angegeben wird und dass, wenn möglich, die Aufgabe grafisch skizziert wird. (z.B. Vektordiagramme von Kräften und anderen vektoriellen Größen, Lichtstrahlen in der Konstruktion von optischen Abbildungen). Rechnungen können näherungsweise durchgeführt werden, wenn angegeben wird, welche Näherungen verwendet werden.

Allgemeine Aufgaben sollten wenn möglich in Form einer Gleichung angegeben werden, wobei die in der Gleichung verwendeten physikalischen Symbole und Parameter defi-niert werden müssen.

Notwendig ist ein Lineal und ein Taschenrechner. Konstanten und Parameter werden zur Verfügung gestellt. Winkelfunktionen brauchen nicht numerisch ausgerechnet zu werden. Als Antwort genügt beispielsweise 10m · sin 27°. Die Dimensionen müssen jedoch angegeben werden.

3Generelle Fragen (10,5Pkt.)

1.:

Geben Sie die 3 Newtonschen Axiome an und erläutern Sie diese mit Beispielen (je 1Pkt.).

2.:

Beschreiben Sie die 3 klassischen Grundkräfte (Gravitationskraft, Coulombkraft, Lorentzkraft) (je 1Pkt.).

3.:

Welche Erhaltungssätze kennen Sie und wie lauten sie? (0,5 Pkt. pro Erhaltungssatz)

4.:

Wie ist die Formel für den Drehimpuls? (1Pkt.)

Was ist die Formel für das Drehmoment? (1Pkt.)

Erklären oder skizzieren sie die eingesetzten Größen.

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Überlagerung von Kräften (2Pkt.)

An der Masse greifen 6 Kräfte an (Pfeile zeigen die Richtung an). Die Kraftvektoren liegen alle in einer Ebene.Wie groß ist die resultierende Kraft?

60°

60°

60°

60°

60°

5N

3N

6N

2N

4N

4N

Wie groß ist die resultierende Kraft? Geben Sie diese graphisch und numerisch an!

Welche Kraft muss addiert werden, damit die Masse in Ruhe bleibt.

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Einfaches Tragwerk (2 Pkt.)

Wand

Regal (2D)

x=1m

y=0,2mDübel

Fdiag

Fhor m=10kg

Ein Regal mit den oben angegebenen Dimen-sionen wird durch eine Masse m belastet. Gegeben m=10 kg, y=1m, x=2m

Gesucht: FL, Fhor, Fdiag (Druck oder Zugkräfte?). Wie groß ist die Belastung der Dübel?

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Energiespeicher (2Pkt.)

Ein Wasserbecken (Länge 100m, Breite 1000m, Tiefe 3m) befindet sich in einer mittleren Höhe von h=50m. Wie viel Energie muss man aufwenden, um es aus einer ebenerdigen Quelle (h=0) zu füllen? (ohne Reibung!)

Dichte des Wassers ρ = 1000 kg/m3, Erdbeschleunigung g = 10 m/s2

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Karussel (4Pkt.)

Gegeben: m=50 kg, r = 5 m, =2πf = 0,5 s-1 (1 Umdrehung in ca.6 s) Skizzieren Sie die auftretenden Kräfte (1Pkt.) und berechnen Sie die Gewichtskraft Fg, die Zentrifugalkraft Fzent, die Kraft Fres und den Winkel θ (3 Pkt.)

r

θ

m

Fres

Eine Masse hängt an einem Seil, das an einer rotieren-den Achse befestigt ist. Sie wird durch die Zentrifugal-kraft ausgelenkt und bildet den Winkel θ in Bezug auf die Achse.

Seil

Achse

8Rotationsenergie (2Pkt.)

l

m

α

• Welcher der beiden Gegenstände kommt zuerst unten an? (ohne Rechnung)(2 Pkt.)

Ein Quader und ein gleichschwerer Zylinder (Rad) gleiten bzw. rollen reibungsfrei eine schiefe Ebene herunter. Sie starten zur gleichen Zeit in gleicher Höhe.

9Schiefe Ebene

l

Gegeben: Masse des Körpers m=1,3 kgNeigungswinkel α = 30°

Länge der schiefen Ebene l=5 m

m

FHA

α

h

10Schiefe Ebene (Fortsetzung) (13Pkt.)

• Skizzieren Sie das Kräfteparallelogramm bestehend aus Normalkraft FN, Gewichts-kraft FG und Hangabtriebskraft FHA(1 Pkt.)

• Wie groß ist die Gewichtskraft FG, die Normalkraft FN und die Hangabtriebkraft FHA? Berechnen Sie numerisch! (2 Pkt.)

• Wie groß ist die Geschwindigkeit v und die Energie Ekin des Körpers am Ende der schiefen Ebene (l=5m)? Berechnen Sie numerisch!(2Pkt.)

• Wie groß ist h? Berechnen Sie numerisch! (1 Pkt.)

• Wie groß ist die Reibungskraft? (2 Pkt.)• Welche resultierende Kraft beschleunigt die Masse m? (1 Pkt.)• Wie groß ist die Energie am Ende der schiefen Ebene (l=5m)? (2 Pkt.)• Wieviel Energie geht durch Reibung verloren? (1 Pkt.)

Ohne Reibung (7Pkt.):

Mit Reibung(6Pkt.) Berchnen Sie numerisch! :

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Die Vakuumkanone (1Pkt.)

F=A·p

l=1m

Ein zylindrischer Körper ( ) der Masse = 0,1kg) wird in ein evakuiertes Rohr ( ) hineingesaugt und durchläuft dort die Strecke l=1m. Die Querschnitt des Rohres und zugleich der des Zylinders hat eine Fläche von A=40 cm2. Der Außendruck beträgt 1000 hPa. Wie groß ist die kinetische Energie Ekin

(1Pkt.) nach Durchlaufen dieser Strecke?

Vakuum

Luft

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Wellenausbreitung (1Pkt.)

Wie ist der Zusammenhang zwischen Wellenlänge λ, Frequenz f und Ausbreitungsgeschwindigkeit c einer (ebenen) Welle?(1Pkt.)

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Widerstandsnetz (3Pkt.)

• Wie groß ist i, i1, i2? (1Pkt.)• Wie groß ist die an R2 abfallende Spannung?

(1Pkt.)• Wie groß ist der Gesamtwiderstand? (1Pkt.)

Gegeben: R1=50Ω, R2=150Ω, R3=200Ω

R1 R2R3

10V

i1

i2

i

141-Linsensystem (4Pkt.)

Geometrische Konstruktion: Konstruieren Sie den Strahlengang! Wo befindet sich das Bild? (2Pkt.)f=10cm, g=30cm, G (Höhe des Gegenstandes)=5cm.Berechnen Sie mit Hilfe der Linsengleichung b und B (Höhe des Bildes) (1Pkt.)Wie nennt man eine solche Anwendung? (1Pkt.)

G

g

ff

152-Linsensystem (7Pkt.)

Geometrische Konstruktion: Konstruieren Sie den Strahlengang zunächst nur mit Linse1, (1Pkt.) dann mit beiden Linsen (2Pkt.).

G1

g

f1f1

f2f2

dLinse1Linse2

Berechnung für 2 Linsen mit Hilfe der Linsengleichunggegeben: g=500 mm, f1=250 mm, f2=100 mm, d=350 mm, G=50 mmWie groß ist b1, B1(Bildweite und -größe nach der Linse 1)? (1Pkt.) Wie groß ist, b2, B2(Bildweite und -größe nach der Linse 2)? (3Pkt.)

16Optische Geräte (5Pkt.)

Skizzieren Sie den (geometrischen) Strahlengang eines eines Mikroskops (2Pkt.).Wovon hängt die Vergrößerung und die Auflösung ab. Geben Sie an welche Parameteränderung die Vergrößerung bzw. die Auflösung erhöhen oder verringern (z.B. beim Fernrohr: Vergrößerung steigt mit größerer Objektivbrennweite) (1Pkt. pro Parameter)

17Auflösung von optischen Geräten:

Kamera (2Pkt.)

Aufnahme mit einer Satellitenkamera:

Abstand des Satelliten: 200 km

Durchmesser des Objektivs: d=50 cm

Wellenlänge λ=500 nm.

Wie groß ist die Auflösung (kleinster auflösbarer Gegenstand)? (2Pkt.)

18Innerer Photoeffekt (2Pkt.)

Photon e-

Valenzband

Leitungsband

E (Bandabstand – band gap)

Welche maximale Wellenlänge kann ein auf dem inneren Photo-effekt basierender Detektor messen, wenn der Bandabstand vom Valenz- zum Leitfähigkeitsband E = 1,1 eV (Si) ist?

19Atomaufbau (klassisch) (1Pkt.)

Beschreiben Sie den Aufbau eines Atoms ! (Bohrsches Atommodell)

20Atomaufbau (nichtklassisch) (2Pkt.)

Welche Quantenzahlen gibt es, wie heißen sie und was beschreiben sie?

21H-Atom (nichtklassisch) (5Pkt.)

Kontinuum(ungebundenes

Elektron)

Grundzustand

angeregte Zustände

E=0

(0) E0=-13,6 eV

IP(1) E1=-3,4 eV

(2) E2=-1,5 eV

Das Atom ist in Grundzustand (0): Welche Wellenlänge muss das Licht haben, um den Zustand (1) oder (2) anzuregen?(2Pkt.) Welche Wellenlänge muss das Licht haben, um das Atom zu ionisieren?(1Pkt)

Das Atom ist im Zustand (2) angeregt: Welche Wellenlängen können die emittierten Photonen haben?(2Pkt.)Welche Wellenlänge muss das Licht haben, um das Atom aus diesem Zustand (2) zu ionisieren?(1Pkt)

Anregung

und

Emission

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Atomkonfiguration (3Pkt.)

• Beschreiben Sie den Aufbau des neutralen 146C-Atoms

und beschreiben sie seine Elektronenkonfiguration.(2Pkt.)

• Wie sieht die Elektronenkonfiguration des zweifach positiv geladenen Ions aus?(1Pkt.)

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Kernzerfall (1Pkt.)

23892U zerfällt als α-Strahler. Wie ist die Gesamt-

masse m und die Ordnungszahl Z des gebildeten Zerfallsprodukts?

24Beispiele für KlausuraufgabenBeispiel 1: Definieren Sie den Impuls :

a. p = m·v p: Impuls, m:Masse, v:Geschwindigkeit

p,v sind Vektorgrößen, m: Skalar

b. Der Impuls ist das Produkt aus Masse und Geschwindigkeit. Masse und Geschwindigkeit sind Vektorgrößen.

Bei Vektorprodukten muss der Typ des Produkts (Skalarprodukt bzw. Vektorprodukt) angegeben werden.

Beispiel 2: Definieren Sie die Grundgröße der Masse (Symbol, [Grundeinheit]).

Masse: m [kg]

oder

Masse: Symbol: m, Dimension: kg

Beispiel 3: Geben Sie die Coriolisbeschleunigung an.

Systemdrehenden imgkeit Geschwindi :V

Drehachse,der von Abstand :r Systems,drehenden desit chwindigke Winkelges:

System,drehenden im gungBeschleuni ´:a System,ruhenden im gungBeschleuni :a

V2 - )r( - a a :ngschleuniguCoriolisbe