SS2013 1. Klausur als pdf-file

Institut für Physik Name: Vorname:<br />

Universität Mainz Matrikelnummer:<br />

<strong>Klausur</strong> zum Physikalischen Praktikum<br />

für Mediziner und Pharmazeuten SS 13 A ERGEBNISSE<br />

____________________________________________________________________________________________________________<br />

- <strong>Klausur</strong>en ohne deutlich lesbaren Namen und Matrikelnummer sind ungültig!<br />

- Der Lösungsweg muss klar erkennbar sein (ausgenommen multiple choice Fragen)!<br />

____________________________________________________________________________________________________________<br />

1) Skizzieren Sie die Amplitude der Grundschwingung und ersten Oberschwingung in<br />

einem Rohr mit einem offenen und einem geschlossenen Ende. Die Frequenz der ersten<br />

Oberschwingung beträgt f=360Hz, das Rohr ist 72cm lang. Berechnen Sie die<br />

Schallgeschwindigkeit des unbekannten Gases im Rohr.<br />

2) Im Schleudergang dreht eine Waschmaschine mit 1500 Umdrehungen pro Minute,<br />

während sie beim Waschvorgang selbst pro Sekunde eine dreiviertel ( ¾ ) Umdrehung<br />

macht. Wie groß ist die Periodendauer im Schleudergang und wie groß ist das Verhältnis<br />

der Drehfrequenzen von Schleudergang und Waschvorgang?<br />

̅<br />

-1-

---

3.) Durch eine Leitung mit Innendurchmesser von d 1 = 12 mm fließt Wasser mit einer<br />

Druckdifferenz p 1 = 5 bar. Wie hoch ist die Druckdifferenz, wenn der gleiche<br />

Volumenstrom durch eine gleichlange Leitung mit einem Innendurchmesser d 2 = 15 mm<br />

fließt?<br />

2,048bar<br />

4.) Ein Kondensator (Kapazität C=25 μF, Anfangsladung Q 0 =2 mAs) soll über einen<br />

Schalter S und eine Parallelschaltung aus zwei Widerständen (R 1 = 300Ω und R 2 = 100Ω)<br />

entladen werden. Wie groß ist der Anfangsstrom unmittelbar nach Schließen des Schalters?<br />

1,07A<br />

2

---

5.) Linear polarisiertes Licht fällt nacheinander durch zwei Polarisatoren P 1 und P 2 . P 1 ist<br />

um 20°, P 2 um einen unbekannten Winkel α gegenüber dem einfallenden Licht gedreht.<br />

Nach dem zweiten Polarisator wird eine Intensität von<br />

(50% der<br />

Anfangsintensität) gemessen. Wie groß ist der Winkel α zwischen P 2 und der<br />

Polarisationsrichtung des einfallenden Lichtes?<br />

6.) Welche vier der folgenden Aussagen sind korrekt? (Je richtiger Antwort ¼ Punkt, pro<br />

f<strong>als</strong>cher Antwort ¼ Punkt Abzug, minimal erreichbare Punktzahl 0. Aufmerksam lesen!)<br />

x Die Polarisationsachse von linear polarisiertem Licht lässt sich durch optische aktive<br />

Substanzen drehen.<br />

Beim Vorhandensein zweier Farbstoffe in einer Flüsssigkeit ist die resultierende<br />

Extinktionskonstante k durch das Produkt der beiden Konstanten k 1 und k 2 gegeben.<br />

x Wird ein Lichtstrahl im Brewsterwinkel auf ein optisch dichteres Medium<br />

eingestrahlt, so schließen reflektierter und transmittierter Strahl einen rechten Winkel ein.<br />

Unpolarisiertes Licht lässt sich durch Reflektion an einer Glasoberfläche nicht<br />

polarisieren.<br />

Die Absorption von Licht in einem Material ist proportional zur Strecke, die es in<br />

dem Material zurücklegt.<br />

x Die Drehung der Polarisationsachse von Licht in optisch aktiven Substanzen hängt<br />

linear mit deren Konzentration im Lösungsmittel zusammen (bei kleinen Konzentrationen).<br />

Die Frequenz von blauem Licht ist kleiner <strong>als</strong> die von rotem.<br />

x Der in der Dosimetrie verwendete Begriff der Energiedosis für ionisierende<br />

Strahlung ist definiert <strong>als</strong> Quotient aus absorbierter Strahlungsenergie und Masse des<br />

bestrahlten Gewebes.<br />

3

---

7.) In einem Experiment soll die Erdbeschleunigung ermittelt werden. Hierzu wird eine<br />

Kugel eine schiefe Bahn der Länge ( ) und Höhendifferenz ( )<br />

hinabrollen gelassen und die hierfür benötige Zeit t gemessen. Aus der gemessenen Zeit<br />

( ) ergibt sich eine Erdbeschleunigung von .<br />

Berechnen Sie aus den Fehlern der Bahnlänge, des Neigungswinkels sowie der Zeitmessung<br />

den absoluten Größtfehler der ermittelten Erdbeschleunigung.<br />

Hinweis: Für die Berechnung von<br />

gilt:<br />

8.)Ein Auto fährt mit einer konstanten Geschwindigkeit von 120 km/h, <strong>als</strong> der Fahrer ein<br />

Hindernis bemerkt. Nach einer Reaktionszeit von 1,5 Sekunden betätigt der Fahrer die<br />

Bremse (konstante Beschleunigung). Nach weiteren 5 Sekunden kommt das Fahrzeug zum<br />

Stillstand.<br />

a) Welchen Weg legt das Fahrzeug während der Reaktionszeit zurück?<br />

b) Bestimmen Sie die Beschleunigung, mit der das Fahrzeug gebremst wird.<br />

c) Welche Gesamtstrecke legt das Fahrzeug bis zum Stillstand zurück?<br />

Lösung:<br />

a)<br />

b)<br />

c)<br />

4

---

9.) Welche vier der folgenden Aussagen sind richtig? (Je richtiger Antwort ¼ Punkt, pro<br />

f<strong>als</strong>cher Antwort ¼ Punkt Abzug, minimal erreichbare Punktzahl 0. Aufmerksam lesen!)<br />

x Eine Vergrößerung der Gitterkonstante bei der Beugung einer ebenen Welle an<br />

einem Gitter bewirkt eine Verkleinerung des Abstandes der Interferenzmaxima.<br />

x Zur Beobachtung von Beugungserscheinungen ist Laserlicht dem weißen Licht einer<br />

Glühlampe vorzuziehen.<br />

In einem Laser wird inkohärentes Licht erzeugt.<br />

Im Gegensatz zu Schallwellen tritt Licht nur in Form einer Longitudinalwelle auf.<br />

Das Auflösungsvermögen eines Mikroskops hängt nicht von der Wellenlänge des<br />

verwendeten Lichtes ab.<br />

x<br />

Natürliches Licht ist inkohärent.<br />

Destruktive Interferenz zwischen zwei ebenen Wellen kommt genau dann zustande,<br />

wenn deren Phasendifferenz Δφ einem ganzzahligen Vielfachen von 2π entspricht.<br />

x<br />

Die Lichtgeschwindigkeit ist abhängig vom Ausbreitungsmedium.<br />

10.) Malaria lässt sich recht einfach durch Mikroskopieren einer Blutprobe diagnostizieren.<br />

Die zu identifizierenden Plasmodien (Krankheitserreger) haben eine Größe von etwa<br />

.<br />

a) Welches Auflösungsvermögen muss das Mikroskop haben?<br />

b) Ist bei einem Mikroskop mit 20° Öffnungswinkel der Objektivlinse, welches mit Licht<br />

von Wellenlänge betrieben wird, zusätzlich die Verwendung einer<br />

Immersionsflüssigkeit nötig? (Bitte begründen)<br />

a) ( )<br />

b) (<br />

Keine Immersionsflüssigkeit nötig.<br />

5

---

1<strong>1.</strong>) In der Mitte eines Seiles, welches an beiden Enden befestigt ist, hängt eine Masse<br />

. Das Seil hängt durch und die beiden Hälften bilden einen Winkel von<br />

zur Horizontalen (siehe Skizze). Welche Kraft wirkt entlang des Seiles?<br />

(Hinweis: Erdbeschleunigung )<br />

α<br />

Seil<br />

F s<br />

F s<br />

m<br />

F G<br />

Lösung:<br />

α<br />

Seil<br />

F s<br />

F s<br />

m<br />

F G<br />

12.) (Pro richtiger Antwort 0,25 Punkte, pro f<strong>als</strong>cher Antwort 0,25 Punkte Abzug, minimal<br />

erreichbare Gesamtpunktzahl 0, Aufmerksam lesen! Richtige Antworten ankreuzen)<br />

a) Sie vergleichen Translations- und Rotationsbewegung eines Körpers. Welche Größen<br />

sind formal zueinander äquivalent?<br />

X Masse und Trägheitsmoment Impuls und Drehmoment Beschleunigung und<br />

Drehmoment<br />

b) Ein Fahrzeug wird während einer Zeit konstant beschleunigt. Dabei legt es die Strecke<br />

zurück und besitzt eine kinetische Energie . Welche der folgenden Aussagen sind<br />

korrekt:<br />

Nach der doppelten Zeit ( ) hat das Fahrzeug die doppelte Strecke ( )<br />

zurückgelegt.<br />

X Nach der doppelten Zeit ( ) hat das Fahrzeug die vierfache Strecke ( )<br />

zurückgelegt.<br />

Nach der doppelten Zeit ( ) hat das Fahrzeug die doppelte kinetische Energie<br />

( ) gespeichert.<br />

c) Was versteht man unter dem Impuls?<br />

das Produkt aus Masse und Beschleunigung<br />

X das Produkt aus Masse und Geschwindigkeit<br />

den Quotient aus Masse und Geschwindigkeit<br />

d) Eine massive Kugel und eine Hohlkugel mit gleichen Umfang und gleicher Masse rollen<br />

eine schiefe Ebene hinab. Für die Zeiten t, die die beiden Kugeln zum Hinabrollen der<br />

schiefen Ebene benötigen, gilt<br />

X<br />

6

---

13.) Einem Körper mit einer Masse von 300 g wird eine Wärmemenge von 5 kJ zugeführt.<br />

Die Temperatur des Körpers erhöht sich dadurch um 3 K.<br />

a) Bestimmen Sie die spezifische Wärmekapazität.<br />

b) Welche Menge Wasser besitzt die gleiche Wärmekapazität wie der obige Körper?<br />

(Hinweis: spezifische Wärmekapazität von Wasser: )<br />

Lösung:<br />

a)<br />

b)<br />

14.) Eine Sauerstoffflasche mit einem Volumen von 25 Litern ist bei einer Temperatur von<br />

25 °C mit einem Druck von 200 bar gefüllt. (Hinweis: Allg. Gaskonstante<br />

)<br />

a) Welche Menge (Molzahl) Sauerstoff befindet sich in der Flasche?<br />

b) Wie groß ist der Druck in der Flasche bei einer Temperatur von 12 °C?<br />

Lösung:<br />

a)<br />

b)<br />

7

---

15.) Durch ein Linsensystem soll ein Gegenstand auf einem Schirm abgebildet werden.<br />

Dazu werden zwei dünne Sammellinsen mit den Brennweiten f 1 = 0,2 m und f 2 = 0,4 m<br />

direkt hintereinander aufgestellt.<br />

a) Wie groß ist die Gesamtbrechkraft des Linsensystems?<br />

b) In welcher Entfernung muss der Schirm hinter den Linsen aufgestellt werden, wenn sich<br />

der Gegenstand 1,2 m vor dem Linsensystem befindet?<br />

a) 7,5Dpt<br />

b) 0,15Dpt<br />

16.) Welchen Durchmesser müssten die Kapillargefäße eines Baumes haben, wenn das<br />

Wasser allein aufgrund der Kapillarwirkung 12 m hoch aufstiege (σ Wasser =0.0727 N/m;<br />

ρ Wasser =1 g/cm 3 ; Erdbeschleunigung g=9,81 m/s 2 )?<br />

2,48m<br />

8

---

17.) Eine Kochplatte mit dem Widerstand R hat eine elektrische Leistung von 1 kW, wenn<br />

sie direkt an einer Steckdose (U = 230 V) betrieben wird (linke Skizze). Welche Leistung<br />

setzt die Kochplatte um, wenn sie an einem langen Verlängerungskabel (Kabelwiderstand<br />

1 Ω) angeschlossen ist (rechte Skizze)?<br />

Ohne Verlängerungskabel:<br />

P 1 = 52,9<br />

Mit Verlängerungskabel:<br />

P 2 = 963,2W<br />

18.) Zeichnen Sie eine Reihenschaltung aus zwei Widerständen R 1 und R 2 und einer<br />

Spannungsquelle. Es soll die Spannung gemessen werden, die über R 1 abfällt, sowie der<br />

Strom, der durch R 2 fließt. Zeichnen Sie die Lage der Messgeräte in den Stromkreis ein.<br />

9

---

19.) Bei einer Wellenlänge von hat Fruchtzucker ein spezifisches Drehvermögen<br />

von .<br />

a) Bei welcher Küvettenlänge wird die Polarisationsebene von linear polarisiertem Licht<br />

(590nm Wellenlänge) um 15° gegen den Uhrzeigersinn gedreht, wenn die Konzentration<br />

der Zuckerlösung<br />

beträgt?<br />

b) Welche Konzentration muss die Zuckerlösung haben, um die Polarisationsebene von<br />

Licht in der gleichen Küvette um 25° gegen den Uhrzeigersinn zu drehen?<br />

a)<br />

b)<br />

= ̅<br />

20.) Ein Gerät zur Bestimmung der Glucose-Konzentration im Kapillarblut zeigt einen Wert<br />

von an. Laut Hersteller ist die letzte Ziffer der Digitalanzeige um<br />

fehlerbehaftet.<br />

Bestimmen Sie den relativen Fehler der Messung.<br />

Lösung:<br />

10