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Physik Übungsfragen

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Physics

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Karl-Franzens-Universität Graz - KFU

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Übungsfragen Klausur Erziehungswisse­nsc­haft 1. 3 Fragen, die die Anthropologie zu beantworten versucht. 1) Was ist der Mensch? 2) Wie wird der Mensch, wie er wird? 3) Unter welchen Bedingungen, kann was aus dem Menschen werden? 4) Was verbindet Körper und Geist des Menschen? 2. Erklären warum / was man darunter versteht, dass sich die Schere zwischen  Lebens- und Weltzeit immer weiter öffnet. Mit mehr Wissen und den Anreicherungen mit Möglichkeiten öffnet sich die Zeitschere zwischen Lebenszeit und Weltzeit so, dass die Angst…
Elektrische Felder: Homogenes und Inhomogenes Feld; Influenz Elektrische Feldlinien: verlaufen vom positiven zum negativen geladenen Körper; Innere eines metallischen Körpers ist feldfrei; auf leitenden Oberflächen stehen die Feldlinien senkrecht zu einander. Radialsymmetris­che­s Feld: elektrisches Feld um eine kugelförmige Ladung; E( = Feldstärke) ist nicht konstant Homogenes Feld: E überall gleich groß; Feldlinien laufen parallel; Beispiel: Innenraum Kondensator Influenz bei Leitern: Annäherung eines elektrisch…

1. Erläutern Sie Arbeit und Leistung und geben Sie entsprechende Formeln an. Wie lautet der Energieerhaltungssatz in seiner allgemeinsten Form?


Arbeit:

  • Konstante Kraft F = |F|
  • Die Arbeit W ist in der Physik die Energie, die durch eine Kraft längs eines Weges auf einen Körper übertragen wird. In einem konservativen Kraftfeld ist die geleistete Arbeit wegunabhängig.
  • W = F * s (Arbeit = Kraft * Weg) (gilt wen Kraft und Weg parallel sind)
  • Allgemein: Produkt aus der Kraftkomponente in Bewegungs- Richtung und der zurückgelegten Wegstrecke s
  • Erfolgt die Bewegung des Körpers unter der Wirkung der Kraft nicht auf geradliniger Bahn und/ oder ist die Kraft längs des Weges nicht konstant, ergibt sich der Betrag dW zur Gesamtarbeit auf dem Wegelement ds zu: dW = F * ds

Bzw. die instgesamt verrichtete Arbeit zwischen Punkt 1 und 2


  • Einheit = Joul (J) 1 J = 1N * m
  • Die Arbeit ist das Wegintergral der Kraft


Leistung:

  • = das Verhältnis aus zu verrichtender Arbeit und der dafür benötigten Zeit. Für die mittlere Leistung P erhält man daher: P = W / t
  • momentane Leistung P, die die im Zeitintervall dt verrichtete Arbeit dW angibt, ist gegeben durch P = dW / dt
  • Einheit = Watt (W)
  • Die Leistung ergibt sich damit als Skalarprodukt P = F * v


Energieerhaltungssatz:

  • In jedem abgeschlossenen System bleibt die Gesamtenergie, das ist die Summe aus potentieller und kinetischer Energie, konstant.

Eges = Epot + Ekin = konstant

  • Handelt es sich bei einem Körper um eine Kugel: setzt sich die kinetische Energie aus Translation und Rotation zusammen, d.h.

Eges = Epot + Ekin + Erot= konstant

  • Berücksichtigung durch Wärmeenergie Q

Eges = Epot + Ekin + Q = konstant


2. Erklären Sie die unterschiedlichsten Formen der Reibung und geben Sie die Formel für das Coulumb´sche Gesetzt


FR = μ + N ( N= Normalkomponente des Gewichts G des zu bewegenden Körpers auf die Berührungsfläche der Körper)

1.      Reibung zwischen Festkörpern

      • Haftreibung: tritt zwischen relativ zueinander unbewegten Körpern auf; μh (Haftreibungskoeffizient) abh. Von Material u. Oberflächenbeschaffenheit
      • Gleitreibung: bei gegeneinander bewegten Körpern; μg
      • Rollreibung: bei Kugellagern und Abrollvorgängen (z.B.: Rad) auf; μr

Bei gleichen Materialien: μh > μg >> μr

2.      Reibung zwischen Festkörpern und Flüssigkeiten oder Gasen

      • Viskose Reibung: bei nicht zu großen Relativgeschwindigkeiten zwischen Festkörper und umströmenden Medium wirkt auf den umströmten Körper die FR~ v (Stokes- Reibung), wobei v die Relativgeschwindigkeit von Körper und Medium ist.


3. Geben Sie die Formel eines idealen Gasse und eines realen Gases an und detaillieren Sie den Zusammenhang zwischen Druck und E.....[read full text]


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    1. Offenes System: durch Grenzfläche kann Materie und Energie ausgetauscht werden
    2. Geschlossenes System: Grenzflächen für Materie undurchlässig
    3. Abgeschlossenes System: undurchlässig für Materie und jede Art Energie

2 HS der Thermodynamik:

´´Es gibt keine periodisch arbeitende Maschine, die nichts anderes bewirkt als die Erzeugung mechanischer Arbeit unter Abkühlung eines Wärmereservoirs´´


Reversibler Prozeß: wenn dem vorgegebenen Prozeß ein im umgekehrten Sinne ablaufender Prozeß folgen kann, ohne daß in der Umgebung Änderungen zurückbleiben. Erreicht durch langsame Zustandsänderungen (Prozeß verläuft quasistatisch).

Irreversibler Prozeß: das System kann nicht in den Ausgangszustand zurückkehren, ohne dass Änderungen in der Umgebung aufgetreten sind. Irreversible Vorgänge laufen spontan nur in einer Richtung ab, z.B. Erwärmung durch Reibung à Umkehrvorgang ist unmöglich (2. HS). In realen Wärmekraftmaschinen verlaufen zumindest Teilprozesse irreversibel, d.h.



6. Beschreiben Sie das elektrische Feld und geben Sie die Formel für die elektrische Feldstärke an.

= … ist der Raum um elektrische Ladungen, in dem andere Ladungen Kräfte erfahren. Beschreibung des elektrischen Feldes mittels Feldlinien.


Der Begriff des elektrischen Feldes bezeichnet in der Elektrostatik und in der Elektrodynamik einen Zustand des Raumes, der

  • von den vorhandenen elektrischen Ladungen und
  • von der zeitlichen Änderung des magnetischen Feldes

verursacht wird. Das elektrische Feld ist ein Vektorfeld: Jedem Punkt des Raumes wird gemäß der Definition weiter unten ein Vektor zugeordnet, nämlich die elektrische Feldstärke


Im elektrostatischen Feld

*     verlaufen die Feldlinien von einer Ladung einer Polarität zur Ladung der entgegengesetzten Polarität

*     beginnen oder enden Feld.....

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Charakterisierung des Punktes P unabhängig vom Probeladung q ] Einführung der feldbeschreibenden Zustandsgröße



Die Potentialdifferenz Δφ = φ (2) – φ(1) nennt man die Spannung U21 zwischen den Punkten 1 und 2.


Als Bezugspunkt wird in Elektrostatik meinst ein unendlich ferner Punkt gewählt (oft Punkt der Erdoberfläche ] Bezeichnung des Punkts als „Erde“). Potential des Bezugspunkts P0 wird gleich null gesetzt: φ(P0)=0.

Das Potential φ(P) im Punkt P(x, y, z) ist nur abhängig vom extern vorgege- benen elektrischen Feld und nimmt in Richtung von fortschreitend ab ]


8. Beschreiben Sie das Magnetische Feld und geben Sie die Formel für die magnetische Kraftflussdichte an.

*     Magnetische Feldlinien sind von Nord nach Süd gerichtet und sind in sich geschlossen

*     Gleichnamige Pole stoßen sich ab, ungleichnamige ziehen sich an.

*     Es gibt keine magnetischen Monopole (Nord- und Südpol treten immer paarweise als Dipol auf).


Kraftflussdichte:

Magnetische Flussdichte zur Beschreibung des Felds eines Permanent- magneten wie auch einer Spule. Betrag der Flussdichte .


Ierr: Erregerstrom

l: Länge der Spule

.....

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Nichtleiter (Isolatoren): zB Glas, Kunststoffe, Porzellan, Quarz, etc. Es gibt keinen idealen Nichtleiter, sehr gut isolierende Wirkung hat zB Quarzglas (isoliert 1025-mal besser als Cu)

Leitung beruht auf der quasifreien Bewegung von Elektronen als Ladungsträger im Metall, positive Ladungen sind unbeweglich. In anderen Leitern, zB Elektrolyte, bewegen sich sowohl negative als auch positive Ladungsträger (Ionen).

Halbleiter: zB Elementhalbleiter Silicium und Germanium. Zum Ladungstransport tragen sowohl negative (Elektronen) als auch positive (Defektelektronen) bei.


Influenz:

Störung der Gleichgewichts-Ladungsverteilung durch Annäherung einer Ladung an einen (metallischen) Leiter


11. Geben Sie die Formel für die Potentielle und die kinetische Energie an.

Potentielle Energie:

Es handelt sich dabei um diejenige Energie, welche ein Körper durch seine Position oder Lage in einem konservativen Kraftfeld enthält. Ein bestimmter Ort in diesem Feld dient dabei als Bezugspunkt; beim Gravitationsfeld der Erde kann dies beispielsweise die Erdoberfläche sein.


Kinetische Energie:

Die kinetische Energie oder auch Bewegungsenergie ist die Energie, die ein Objekt aufgrund seiner Bewegung enthält. Sie entspricht der Arbeit, die aufgewendet werden muss, um das Objekt aus der Ruhe in die momentane Bewegung zu versetzen. Sie hängt von der Masse m und von der Geschwindigkeit v des bewegten Körpers ab.


12. Geben Sie die Formel für die Zentripetal und Zentrifugalkraft an und erklären Sie die Funktionsweise einer Zentrifuge.

Zentripetalkraft: (wirkt nach innen)

Die Kraft, die benötigt wird, um einen bewegten Körper zu zwingen, der Krümmung einer Bahnkurve zu folgen. Somit ist die Zentripetalkraft für kreisförmige Bahnen ursächlich: Sie „zieht“ den Körper nach innen zum Kreismittelpunkt hin und hält den Körper so auf einer Kreisbahn.



Zentrifugalkraft: (wirkt n.....

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labil: bei jeder Verrückung aus Ggw.-Lage wird Schwerpunkt gesenkt

indifferent: bei jeder Verrückung aus Ggw.-Lage bleibt Schwerpunktslage unverändert


14. Wie lautet der 1 HS der Thermodynamik und geben Sie die Formel bei Wärmekapazität bei konstantem Volumen an.

Energie kann von einer Form in die andere umgewandelt, nicht aber erzeugt oder verrichtet werden.

´´Die Änderung der inneren Energie dU eines Systems ist gleich der Summe aus der dem System von außen zugeführten (bzw. nach außen abgegebenen) Wärmemenge dQ und der von außen zugeführten (bzw. vom System verrichteten Arbeit dW´´ (besondere Formulierung des Energieerhaltungssatzes)


Für ein abgeschlossenes System gilt: Die Summe der inneren Energien in einem abgeschlossenen System ist konstant.


Wärmekapazität:

Es muß einem Körper eine bestimmte Wärmemenge DQ zugeführt oder entzogen werden, um seine Temperatur von T1 auf T2 zu erhöhen oder zu erniedrigen.


Proportionalitätsfaktor c heißt spezifische Wärmekapazität = diejenige Wärmemenge, die einem homogenen Körper der Masse 1 kg zugeführt werden muss, um ihn um 1 K zu erwärmen (Einheit: J/(kg · K)).

c ist temperaturabhängig und außerdem abhängig von der Art der Erwärmung (Konstanthalten von Druck cp oder Volumen cV).


15. Wie lauten die Momentanwerte der Stromstärke und der Spannung bei Wechselstrom und skizzieren sie ein I/t sowie ein U/t Diagramm mit den jeweilige.....

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Freier Fall:

Alle Körper erfahren im Schwerefeld der Erde eine Beschleunigung a = g in Richtung des Erdmittelpunkts. Die Sog. Fallbeschleunigung g ist für einen festen Ort der Erdoberfläche konstant. Auf dem 50. nördlichen Breitengrad gilt g = 9,81 m·s-2 Wirken auf einen frei beweglichen Körper keine zusätzlichen Kräfte ein (z.B. Luftwiderstand) à gleichförmig beschleunigte Bewegung durch Fallbeschleunigung.

Freier Fall: Alle Körper fallen im luftleeren Raum gleich schnell und haben

Aus der Ruhe heraus nach Zeit t die Geschwindigkeit v = g·t


Fallweg (durchfallene Wegstrecke)


Fallhöhe (s = h) in der Zeit


Endgeschwindigkeit


Horizontaler Wurf:

Horizontaler Wurf: ein Körper wird zum Zeitpunkt t = 0 mit der Anfangs-Geschwindigkeit v0 in horizontaler Richtung (x-Richtung) abgeworfen. Durch Fallbeschleunigung g in vertikaler Richtung (y-Richtung) à Zusammensetzung der Bewegung des Körpers aus einer gleichförmig geradlinigen Bewegung in x-Richtung und einer gleichförmig beschleunigten Bewegung in y-Richtung. Für v0 ¹ 0 ergeben sich die sog. ´´Wurfparabeln´´


17. Beschreiben Sie die Newtonschen Axiome und das Gravitationsgesetz.

= 3 Grundgesetzte der Bewegung

I. Trägheitsprinzip: jeder Körper verharrt im Zustand der Ruhe oder der

geradlinig gleichförmigen Bewegung wenn er nicht durch äußere Kräfte

Gezwungen wird, diesen Zustand zu ändern


Diese Eigenschaft wird der trägen Masse des Körpers zugeschrieben.


II. Aktionsprinzip: Ein frei beweglicher Körper der Masse m erfährt durch

eine Kraft F eine Beschleunigung a, die der wirkenden Kraft proportional

ist


.....

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