Lösungen bei Leifiphysik

Die beiden Blätter heute waren von Leifiphysik abgeschrieben (im Wesentlichen).
Ich gebe die Links zu den Aufgaben, unten findet ihr dann die Lösungen

Hier die beiden zum Photoeffekt
http://www.leifiphysik.de/themenbereiche/quantenobjekt-photon/lb/photoeffekt-2011
http://www.leifiphysik.de/themenbereiche/quantenobjekt-photon/lb/auge-als-lichtsensor

und hier die zu den de-Broglie-Wellen
http://www.leifiphysik.de/themenbereiche/quantenobjekt-elektron/lb/doppelspaltversuch-mit-elektronen
http://www.leifiphysik.de/themenbereiche/quantenobjekt-elektron/lb/materiewellen-bei-fullerenen

übrigens, die Leifi-Seiten sind für Lehrer sehr interessant, wenn man nach Aufgaben sucht.
http://media.4teachers.de/images/thumbs/image_thumb.4871.jpg

Abschnitte im Buch

Wie gesagt, mag ich den Aufbau im Buch nicht so, weil dort viel zwischen Wellen und Quanten hin- und hergesprungen wird. Alles was wir über Quanten bisher behandelt haben, steht auf folgenden Seiten im Buch:

Seiten 195-203 Lichtquanten, Photonen
Überblick auf den Seiten 224-225 der Abschnitt Lichtquanten. (den Abschnitt Wellenoptik brauchen wir auch)

Seiten 226 bis 232 Quantenobjekte, Abschnitt 6.1.
NICHT den Abschnitt 6.1.3 über Verschränkung, den ich lieber später machen würde, nicth den Kasten zur Teleportation ("beam me up, Scotty") und nicht den kurzen Abschnitt üpber Elektronenbahnen auf S232

Aufgaben habt ihr hier schon, und habt ihr auch heute nochmal bekommen.
Spontan gefallen mir noch S223/1,2,4 und S240/5,6,7,9,11

nächste Klausur

Weil wir so viel durcheinandergekommen sind mit der Betreuung der Kleinen und auch mit meiner Exkursion nach Dettingen, hätte ich einen Änderungsvorschlag.

Machen wir unsere Klausur am Dienstag 20.12. statt am Donnerstag 15.12.? Lasst uns das morgen früh mit der dritten Gruppe nochmal besprechen.

Außerdem weise ich nochmal auf die Übungsaufgaben hin, die hier im Blog genannt sind, und zu denen ich Lösungswege aufgeschrieben habe.
Es geht also um alles, was wir seit dem Photoeffekt hatten.
Photonen, Impuls von Photonen p=h/lambda, Energie von Photonen W=hf, und die DeBroglie-Welle, die wir bei den Elektronen gesehen haben.

Weitere Aufgaben,

... an denen ihr üben könnt.

S223/13 a) nicht unbedingt, aber b)

S222/8
S201/6

Überlegt euch sinnvolle Kommentare zu S223/15

Und schließlich Aufgaben zur De-Broglie-Wellenlänge
S233/2
S233/6

Lösungen zu den Aufgaben aus dem Buch

Im Post vom 29.11. stehen einige Aufgaben aus dem Buch. Hier sind Lösungen dazu.

S 202/3
Man muss sich die Masse des Meteoriten Überlegen. Weiß man natürlich nicht genau, drum muss man sinnvoll abschätzen.
Volumen: Bei einem Durchmesser von 1m sollte es etwas weniger als 1m³ sein.
Bei einem Würfel mit Kantenlänge 1m ist es genau 1m³.
Bei einer Kugel mit Durchmesser 1m ist es 4/3*pi/8 m², also etwas über 0,5m³.
Nehmen wir 0,7m³ als sinnvolles Mittelmaß.
Dichte. Wasser hätte 1000 kg/m³, typisches Gestein um die 3000 kg/m³. Nehmen wir wieder die Mitte, also 2000 kg/m³. Das macht  eine Masse von eta
m = 1,4 t = 1400 kg

Bei jedem Photon ist
die Energie W=hf = hc/lambda,
der Impuls  p = h/lambda
Also ist p = W/c, egal welche Wellenlänge/Frequenz das Photon hat.
Umgestellt ergibt sich W=p*c. Um also den Impuls p zu übertragen, brauche ich die Energie =p*c.

Geschwindigkeitsänderung um 1m/s entspricht eine Impulsänderung um 1400 kg*m/s.
Dazu braucht man eine Energie von
1400 kg*m/s * 3*10^8 m/s  = 4,2*10^11 J.
Strahlung von 0,5 kW = 500 W bringt pro Sekunde 500J.
Also braucht man insgesamt viele Sekunden, nämlich
4,2*10^11 / 500  s = 8,4*10^8 s = 10 000 Tage = 26,5 Jahre.

Hinweise:
S202/1 Denkt dran, ob Photonen absorbiert oder "zurückgeschleudert" werden.
S202/2 Überlegt euch um wieviel kleiner die Querschnittsfläche und das Volumen werden, wenn ich einen Klumpen von 1m Durchmesser auf 1mm verkleinere.
Energie- und Impulsaufnahme geschehen über die Fläche, die Masse und damit die Trägheit hangen ab vom Volumen.

S222/6
Es liegt am sog. Compton-Effekt. Die Elektronen im Graphitblock werden von den Photonen angestoßen und nehmen Impuls und Bewegungsenergie auf. Diese Energie fehlt den gestreuten Photonen, weshalb sie eine niedrigere Frequenz und größere Wellenlänge haben.
Die Wellenlängenänderung ist
lambda_nachher - lambda_vorher = h/(mc)*(1 - cos(theta)) = 2,2*10^-12 m = 2,2 pm.
Die neue Wellenlänge ist also größer, nämlich 4,7 pm.

S201/5
Wichtig 1 eV =  1,6*10^-19 C * 1 V = 1,6*10^-19 J
Energie eines Photons mit lambda=230 nm
W = h f = h*c/lambda = 8,6*10^-19 J = 5,4 eV
Weil Elektronen nur mit 1,8 eV austreten, muss die Austrittsarbeit
WA = 3,6 eV = 5,8*10^-19 J sein.

S201/3
In einem Metall sind frei bewegliche Elektronen (Leitungselektronen) und positiv Geladene Reste ("Rümpfe") der Atome. Diese binden die Elektronen an den Metallkörper. Gegen ihre Anziehungskraft muss man Energie aufbringen, wenn man Elektronen herauslösen will - die Autrittsenergie.

z.B. so: Bestrahle das Metall mit Photonen mit einer festen Wellenlänge bzw. Frequenz. Daraus bestimmt man die Energie der Photonen, W = h*f.
Miss die maximale Energie, die die Elektronen haben, wenn sie das Metall verlassen, z.B. mit einer Gegenspannung, ab der der Photostrom versiegt. Diese Maimalenergie ist kleiner als die der Photonen, weil sie beim Austritt etwas "bezahlen" müssen.
Die Differenz beider Energien ist die Austrittsenergie.

S223/10
Energie der Photonen  W=h*c/lambda=4,97*10^-19 J
Austrittsenergie von Caesium 1,94eV=3,10*10^-19 J
Energie der ausgetretenen Elektronen  W=1,87*10^-19J
entspricht einer Geschwindigkeit  v = Wurzel(2W/m) = 6,4*10^5 m/s

S223/11
Minimal benötigte Energie pro Sekunde:    10^-18 J
Energie der Photonen   h*c/lambda=3,43*10^-19 J
Das entspricht 10^-18/3,43*10^-19 = 2,9 oder knapp 3 Photonen pro Sekunde.

Erläuterungen zur Qantendarstellung

• Erläuterung zur de.Broglie-Welle
  http://www.leifiphysik.de/quantenphysik/quantenobjekt-elektron/de-broglie-wellenlaenge#leifi--colobox-hidden

Eine gute Einführung bietet der Münchner Lehrgang zur Quantenphysik:
http://homepages.physik.uni-muenchen.de/~milq/milq_basiskursp01.html

Zum bisherigen Unterricht passen vor allem die Kapitel 1, 3, 4, 5.

Dienstag 29.11.

Liebe Mitphysiker

leider bin ich erst spät heimgekommen uns schreibe erst jetzt.

Wie ausgemacht, brauche ich morgen das erste Drittel von euch zur Unterstützung bei der Betreuung der Grundschulkinder.

Für die anderen hätte ich einige Aufgaben:
zum Photonenimpuls als Strahlungsdruck
S203/3 und zum freiwilligen kurzen Nachdenken noch 1 und 2
und zum freiwilligen längeren Nachdenken S222/7

zum Photonenimpuls und Compton-Effekt
S222/6
zum Photoeffekt und zur Austrittsenergie
S201/5 und 3
S223/10, 11

Bis morgen

Martin Rost

Blatt Elektromagnetische Wellen vom 26.9.

Aufgabe 1
Das Klystron mit lambda = 3,6 cm
1. f = c/lambda
2. sin(alpha) = n* lambda/d mit n = 0, 1, 2, 3, ...
3. sin(alpha) = (n + 1/2)*lambda/d
4. Es ist eine stehende Welle mit Knoten und Bäuchen. Die Knoten befinden sich im Abstand n*lambda/2  (n = 0, 1, 2, 3, ...) vor der Wand.

 Aufgabe 2
1. Faradayscher Käfig. Die Wellen sollen im Innern bleiben, immer nach innen hin reflektiert werden.
2. Überlagerung von Wellen mit ihren Reflektierten Wellen.
3. Typischer Abstand ist lambda/2, also ist lambda = 14 cm. Dann f = c/lambda.
Bemerkung: Wenn der Innenraum ein perfekter Quader ist und die Maße genau ein Vielfaches von 7 cm, hat man eine perfekte Stehende Welle mit würfelförmigen Bäuchen und Knotenflächen im Abstand 7 cm zueinander. Im allgemeinen sind die Knotenflächen aber verbogen und haben nicht überall den gleichen Abstand.
4. Sie würden sonst nur an den Bäuchen der Welle erhitzt werden udn dort verbrennen und bei den Knoten kalt bleiben. Kommt jeder Punkt des Essens mal an einem Bauch vorbei und alles wird gleichmäßig warm.

Blatt "Elektromagnetische Wellen"

also das mit dem Sender vor der Metallwand und den Mikrowellen im Doppelspalt. Das sind bayrische Abiaufgaben, zu denen ihr auf leifiphysik.de noch mehr findet.

Aufgabe 1
1. Die Wellen erreichen den Empfänger über 2 Wege, direkt und refliektiert. Dabei kann es zu destruktiver Interferenz kommen, wenn die Längen der beiden Wege sich um eine (oder 2 oder 3 oder ...) ganze Wellenlängen unterscheiden. Bei der Reflexion an der Metallwand gibt es noch einen Sprung um eine halbe Wellenlänge (festes Ende) und das macht dann insgesamt einen Gangunterschied von 0,5 oder 1,5 oder 2,5 oder 3,5 oder ... Wellenlängen aus.

2. Miss mit dem Empfänger die Stehende Welle auf der direkten Verbindungslinie zwischen Sender und Metallplatte. Man sieht Knoten und Bäuche, und der Abstand zwischen benachbarten Knoten ist lambda/2. In unserem Fall waren das ca. 1,8 cm also lambda = 3,6 cm.

Aufgabe 2
1. f = c/lambda und lambda berechnet man  lambda = b * sin(alpha_1) = 4,16 cm
2. Siehe die Lichtaufgabe auf dem anderen Blatt, maximale ganze Zahl, so dass n*lambda<b. In dem Fall hier ist n=4, man misst also links und rechts vom Hauptmaximum jeweils 4 Nebenmaxima, also insgesamt 9.
3. 6,5 GHz -> lambda1 =  0,4615 m -> Maxima bei  alpha_1 = 13,3° und alpha_2 = 27,5°
15 GHz -> lambda2 = 0,02 m -> Maxima bei alpha_1 =  5,74° und alpha_2 = 11,5°.
Das erste Maximum erstrekkt sich also von 5,74° bis 13,3° und das zweite Maximum von 11,5° bis 27,5°. Sie überlappen sich also.
 

Klausur

Ganz wichtig.
Die Klausur am 18.10. findet statt!
Ich bin zwar ab der 3. Stunde nicht im Unterricht, weil ich eine Fortbildung mache, und so steht es auch auf der gymi-app, aber die ersten beiden Stunden bei euch habe ich mir freigehalten. Soll ja auch nicht jemand da Aufsicht machen, der von Physik nichts versteht. :-)

Blatt "Interferenz mit Licht"

also das Blatt, wo das Spektrum der Leuchtstoffröhre in Aufgabe 2 abgebildet ist.

Aufgabe 1
Für unsere Rechnung ist ein Gitter wie ein Doppelspalt. Wenn die Wellen von zwei benachbarten Spalten konstruktiv interferieren, tun sie es auch mit allen anderen Spalten. Die maximalen Winkel erscheinen also beim Gitter unter den selben Winkeln wie beim Doppelspalt:  d*sin(alpha) = n*lambda

Gitterabstand  d = 1 cm/500 = 2*10^-5 m
a) Berechne sin(alpha_n) = n*lambda/d mit n=1, 2, 3 und dann mit sin^-1 den Winkel dazu.
b) maximales n, so dass n*lambda/d gerade noch kleiner als 1 ist. Hier 31. Also gibt es ein Hauptmaximum in der Mitte und rechts und links jeweils 31 Nebenmaxima, also insgesamt 63. Andere Überlegung: wie oft passt lambda in d hinein, das ist der maximal mögliche Gangunterschied.
c) Abstand des 2 Maximums zur Mitte ist  x_2 = 4,00m * tan(alpha_2), ca. 25 cm in unserem Fall.
d) Jetzt ist d=2*10^-6, also lambda/d = 0,3165. Die Winkel sind entsprechend größer, und links und rechts vom Hauptmaximum passen nur noch 3 Nebenmaxima. Es gibt also insgesamt 3+1+3 = 7 Maxima.

Aufgabe 2
Jetzt ist d = 1 mm / 570 = 1,754*10^-6 m.
a) Rechnung wie in Aufgabe 1 a, nur für die anderen Wellenlängen.
b) Man erkennt unter der Linie einen Spektralbereich von etwa 580nm=5.80e-7m bis 635nm=6.35e-7 m. Das Licht strahlt dann in den Winkelbereich zwischen minimaler (580) und maximaler Wellenlänge (635) dieses Spektralteils.
c) Tageslicht enthält alle Wellenlängen des sichtbaren Lichts. Man sieht also alle Farben des Regenbogens.
d) Schaut auf der Graphik nach. 460nm blau, 530 nm grün, 620 nm rot oder rotorange. Man sieht ein Hauptmaximum bei 0°, das alle Anteile enthält, also weiß ist, und Nebenmaxima in diesen Farben, dabei ist das Blaue am nächsten an der Mitte und das Rote am weitesten weg.

Aufgabe 3
Wenn der Strahl unter dem Winkel phi vom Lot entfernt einfällt, ist der Gangunterschied zwischen zwei reflektierten Strahlen delta s = 2*d*cos(phi). Das heißt, der Glanzwinkel erfüllt cos(phi) = lambda/(2 d), und ich bekomme da ca. 83° raus.

Aufgabe 4
1. Beim Einfachspalt ist der Winkel des ersten Minimums so, dass sin(alpha) = lambda/d
das heißt sin(alpha) = 6,33e-4 und damit alpha = 0,0363°. Der Winkel zwischen den beiden Minima ist daher 2 alpha = 0,0725°.
2. Beim Schirm in 1m Entfernung ist das Minimum 1m*tan(alpha) ober- und unterhalb. Der helle fleck in der Mitte ist daher 1,266 mm breit, also breiter als der Spalt selbst.
3.Ist ein bisschen weiterführend und auch nur eine Näherung, kommt am Dienstag also sicher nicht dran. Der entscheidende Gedanke ist: Je kleiner der Spalt, desto größer ist der helle Fleck wegen der Beugung, weil dann die Minima nach außen wandern. Andererseits: Je größer der Spalt, desto größer wird der Lichtfleck auf der Wand, weil er mindestens die SPaltbreite b haben muss. Wenn man das sich überlegt ist die breite eines Flecks wegen der Interferenz bei Wandabstand l = 1m
2* l * tan(sin^-1(lambda/b)) =  2 l lambda/b  (Kleinwinkelnäherung tan(x)=sin(x)=x)
Wir brauchen also das Minimum von
f(b) = b + 2 l lambda/b
was wir als Nullstelle der Ableitung berechnen zu
b = (2 l lambda)^0.5

Michael Faraday - heute vor 225 Jahren geboren

Neues Schuljahr und neues Thema - elektromagnetische Wellen.
Heute morgen kam im Deutschlandfunk das Kalenderblatt.

Hier eine ältere Sendung vom BR, ursprünglich BBC auf youtube.

Interferenz zweier Wellen

Die Geogebra-Animation zeigt die Interferenz zweier Wellen
https://www.geogebra.org/m/aKGCCPju

Induktion

Aufgabenblatt für die Zweistündingen mit Lösungen https://drive.google.com/file/d/0B06_CcbKkwlKOUxwZTc1MGFTRGc/view?usp=sharing

für die Klausur der Zweistündigen

Alles was wir zur Induktion gemacht haben

• in einem im Magnetfeld bewegten Leiter werden die Elektronen durch die Lorentzkraft verschoben. Eine Spannung wird induziert.
  Für den einfachen Draht gilt U = v B d,
  z.B. für die Achse eines Zuges, der durch das Erdmagnetfeld fährt haben wir das ausgerechnet.
• Magnetscher Fluss  Phi = A*B, Querschnittsfläche mal Flussdichte, man kann sie sich vorstellen als die Gesamtzahl an Feldlinien, die eine Fläche durchdringen.
• Allgemeines Induktionsgesetz
  U = - n Phi'(t)   (eigentlich Phi-Punkt, aber da fehlt mir der Zeichensatz, gemeint ist die Ableitung nach der Zeit, die Änderungsrate des magnetischen Flusses)
  Wir haben Beispiele gesehen und gerechnet: Stecke einen Stabmagneten in eine Spule. Wenn man ihn bewegt, also wenn der Fluss sich ändert, wird eine Spannung induziert. Wenn er in Ruhe bleibt, geht die Spannung auf 0 V zurück.
  Wir hatten eine Spule, durch die Strom fließt und die damit ein Magnetfeld erzeugt, eine sogenannte Feldspule. Wenn ihre Linien durch eine andere Spule gehen, die z.B. in ihrem Innern liegt, oder die auf einem gemeinsamen Eisenkern steckt, wird in der Anderen immer dann eine Spannung induziert, wenn sich der Strom und damit das Magnetfeld in der Feldspule ändern.
• Selbstinduktion: Eine Spule wirkt auf sich selbst zurück. Strom beginnt nur allmählich zu fließen in der Spule, weil mit dem ansteigenden Strom das Magnetfeld zunimmt, damit der Fluss zunimmt, was wiederum eine dem ansteigenden Strom entgegenwirkende Spannung erzeugt. Wenn der Strom bereits fließt und abgeschaltet wird, wirkt eine Induktionsspannung dem Strom entgegen. Bei schnellem Abschalten kann die induzierte Spannung sehr heftig sein, siehe Weidezaun. In Formeln:
  U = - L I'  (also wieder I-Punkt, die Zeitableitung, aber ... ihr wisst schon, s.o.)
  L = my_0  my_r  N² A/l
• Verallgemeinerung: Lenzsche Regel. Immer wenn eine Ursache einen Magnetischen Fluss ändert, wird die induzierte Spannung der Ursache entgegen.
  Anwendungsbeispiel Wirbestrombremse. Erinnert ihr euch, wie ihr die kleinen "Supermagneten" an der Aluplatte vorbeibewegen wolltet und da die bremsende Kraft des Wirbelstroms gespürt habt?

Übungsblatt von letzter Woche

So, hier habe ich endlich einen Scan der Lösungen.
Aufgabe 7 habe ich weggelassen, weil wir das ausführlich im Unterricht gemacht haben. Die anderen sind alle da.
Kleine Bemerkung. Ich habe alle Zahlen gerundet hingeschrieben, aber bei Zwischenrechnung habe ich über "Ans" im GTR die volle Genauigkeit der vorherigen Ergebnisse mitgenommen.

Hier die beiden Scans.

Aufgaben für Freitag

Hier ist das Blatt, das ich mit euch am Freitag besprechen wollte. Die Aufgabe mit dem Schwingkreis ist etwas knackig, so wie sie da steht. Ich überlege mir noch eine einfachere Variante. Update: Seit Donnerstagmorgen etwas leichter verdaulich :-)
https://drive.google.com/file/d/0B06_CcbKkwlKeE5rOFlScy12WmM/view?usp=sharing

Wellen

• Modell einer laufenden Welle
  s(x,t) = s0 * sin( 2 pi (x/lambda - t/T))
  https://drive.google.com/file/d/0B06_CcbKkwlKUnllWGRrTVRtTjg/view?usp=sharing
  (download und mit geogebra öffnen)
  Du kannst Amplitude, Wellenlänge und Periodendauer verändern.
  An der Stelle des blauen Punktes zeigt der dicke rote Punkt die Bewegung des dortigen Schwingers.
  Notiere nochmals die Gleichung für den Zusammenhang zwischen Periodendauer, Wellenlänge und Ausbreitungsgeschwindigkeit.
  
• Modell derselben Welle (schwarz) und einer an der y-Achse reflektierten Welle (blau). Die beiden gegenläufigen Wellen überlagern sich zu einer stehenden Welle (rot).
  s(x,t) = s0 * sin( 2 pi (x/lambda - t/T)) +  s0 * sin( 2 pi (x/lambda + t/T))
  https://drive.google.com/file/d/0B06_CcbKkwlKam1GQU9Bejg2bmc/view?usp=sharing
  
  An einem festen Ende des Wellenträgers (hier bei x=0) wird die Welle so reflektiert, dass die Auslenkungen von einlaufender und auslaufender Welle entgegengesetzt sind.
  Klicke den Pause-Button zu verschiedenen Zeitpunkten und überprüfe.
  
  Verschiebe den blauen Punkt auf der x-Achse und finde die Knoten der stehenden Welle, d.h. die Punkte an denen der große rote Punkt in Ruhe bleibt. Wie weit sind sie jeweis vom Ende entfernt? Vergleiche den Abstand mit der Wellenlänge.
  
  Finde die Lage der Maxima der Amplitude, die Bäuche der stehenden Welle. Vergleiche ihre Lage mit der der Knoten. Notiere sie.
  
  
• Modell derselben Welle (schwarz) und einer an der y-Achse reflektierten Welle (blau). Die beiden gegenläufigen Wellen überlagern sich zu einer stehenden Welle (rot).
  
  s(x,t) = s0 * sin( 2 pi (x/lambda - t/T)) -  s0 * sin( 2 pi (x/lambda + t/T))
  https://drive.google.com/file/d/0B06_CcbKkwlKTWlVTWliM3pnM1k/view?usp=sharing
  
  An einem losen Ende des Wellenträgers (hier bei x=0) wird die Welle so reflektiert, dass die Auslenkungen von einlaufender und auslaufender Welle gleich gerichtet sind.
  Klicke den Pause-Button zu verschiedenen Zeitpunkten und überprüfe.
  
  Verschiebe den blauen Punkt auf der x-Achse und finde die Knoten der stehenden Welle, d.h. die Punkte an denen der große rote Punkt in Ruhe bleibt. Wie weit sind sie jeweis vom Ende entfernt? Vergleiche den Abstand mit der Wellenlänge.
  
  Finde die Lage der Maxima der Amplitude, die Bäuche der stehenden Welle. Vergleiche ihre Lage mit der der Knoten. Notiere sie.

Schwingungen mit Video aufgenommen

ungedämpfte Schwingung

 Dämpfung mit konstanter Kraft (Faden reibt an Stange)

 Dämpfung mit Luftreibung   F_R = c_w * rho * A * v²

 Dämpfung proportional zur Geschwindigkeit   F_R = - b * v

Schwingung im U-Rohr

Hier habe ich kurz unser Beispiel vom U-Rohr aufgeschrieben.
Länge der (gebogenen) Wassersäule im Rohr:  l = 20 cm = 0,20 m
Querschnittsfläche: A = 4 cm² = 0,0004 m²
Ortsfaktor. g = 10 N/kg = 10 m/s²
Dichte des Wassers rho = 1,0 g/cm³  = 1000 kg/m³

Differentialgleichungen von Schwingungen

Sind in einem älteren Blogeintrag  http://viererphysik.blogspot.de/2014/02/differentialgleichungen.html beschrieben.

Man muss vorher noch die JAVA-Sicherheitseinstellungen ändern.
Start, in der Suchzeile "Java" eingeben, dann "Java konfigurieren" auswählen.
den Reiter "Sicherheit" auswählen, und dann "Siteliste bearbeiten"

Dort den Link von math.rutgers.edu hinzufügen (mit dem http:// am Anfang)

Übungsblatt, Lösungen

Aufgabe 1
a) Ohmscher Widerstand (wichtig bei späten Zeiten) R = U0/I0 = 12 V/ 0,4 A = 30 Ohm
b) Induktivität (wichtig bei t=0)  L = U0/I'(0) = 12 V / (0,2 A/s) = 60 H.
    Man kann es graphish machen und findet, dass I'(0) etwas mehr als 0,2 A/s sein sollte, vielleicht   0,3 A/s. Dann wären es 40 H. Ist ungenau, und der genaue Fit unserer Formel (den ich aber in der Klausur nicht verlange) gibt  L = 30 Ohm  *1 s / ln(2) = 43,3 H

Aufgabe 2
a) Siehe Aufschrieb aus dem Unterricht. Voltmeter an die Quelle, Ampèremeter in den Stromkreis.
b) Proportional, X_L = a * f, wobei wir kennen a = L * 2 pi
c ) X_L = omega L,   L = X_L/omega = 0,056 H
d) Ueff = U0 / sqrt(2)  --> U0 = 10 V
    bei f=1500Hz ist X_L = 525 Ohm
    und daher I0 = U0 / X_L = 0,019 A
e) Spannung: Sinuskurve mit Amplitude 10 V und Periode (1/1500)s = 2/3 ms
    Stromstärke: Sinus um 1/4 Periode nach rechts verschoben, Amplitude 0,019 A
f) Energie des Magnetfelds nimmt mit B² zu, B ist proportional zu I. Energie nimmt also immer dann zu, wenn der Betrag der Stromstärke steigt, wo sich I im Schaubild von der t-Achse wegbewegt.
Siehe auch die Formel W = 1/2 L I²

Aufgabe 3
a) Wie 2a)
b) Antiproportional X_C = a/f, wobei wir kennen a = 1/(C 2 pi)
c) X_C = 1 / ( omega C),    C = 1 /(omega X_C) = 1,77e-7 F = 177 nF
d) wie in 2d) U0 = 10 V
    bei f=1500Hz ist X_C = 600 Ohm
    I0 = 10 V / 600 Ohm = 0,017 A
e) Spannung wie in 2 e)
    Stromstärke um 1/4 Periode nach links verschoben, Amplitude 0,017 A
f) Energie proportional zu Q², Q proportional zu U (Q=CU), immer wenn der Betrag der Spannung steigt, steigt die Energie, wo also U im Schaubild von der t-Achse weggeht. Siehe auch die Formel
E = 1/2 C U²

Aufgabe 4
a) Kondensator, ohne Ohm-Widerstand. Stromstärke um 1/4 Periode voraus.
Berechne X_C = U0/I0 = 5 V / 0,003 A = 1667 Ohm
Periodendauer T=0,004s, f=250Hz, omega = 2 pi f,
C = 1/(omega X_C) = 3,82e-7 F = 382 nF
b) Bei 100 Hz ist X_C größer und daher I0 kleiner.  I0 = 1,2 mA
    Periodendauer = 1/100 s = 10 ms.
    U(t) : Sinus mit Periode 10 ms und Amplitude 5 V
    I(t): um 1/4 Periode, also 2,5 ms nach links verschoben, Amplitude 1,2 mA

Übungsblatt

Das hier wollte ich euch am Freitag machen lassen.
Die Geographen können es sich morgen schon mal anschauen.
Die ersten beiden Aufgaben sind von leifiphysik, dort gibt es auch Lösungen. Morgen schreibe ich noch mehr rein.
Also, hier ist das PDF des Blatts.

Aufgaben S61 1-4

Lösungen als PDF-Datei

Zyklotron Teilaufgaben a) und e)

Grober Erwartungshorizont

Nachschreibeklausur

Hier die Themen für die Physikklausur der Nachschreiber

1. Ihr solltet euch nochmal klar machen, was elektrische und was magnetische Felder sind, wie sie sich unterscheiden, was sie gemeinsam haben.

2. Wie bewegen sich geladene Teilchen in Magnetfeldern. Welche Kraft wirkt auf ein bewegtes Teilchen im Magnetfeld, welche Kraft im elektrischen Feld? Linke-Hand-Regel, Lorentzkraft, damit rechnen können.

3. Induktion. Die Änderungsrate des magnetischen Flusses in einer Leiterschleife oder Spule ist proportional zur induzierten Spannung.    U = - n Phi-Punkt

Schaut euch die entsprechenden Aufgaben an im Buch. Fragt mich am besten hier in der Kommentarfunktion, wenn ihr was wissen wollt. Dann können die anderen mitlesen und selber anmerken.