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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 Energie eines Gases.


Ideales Gas:

      • Molekühle sind punktförmig
      • Keine intermolekularen Wechselwirkungen
      • Verhalten sich beim zusammenstoßen wie elastische Kugeln

= alle Gase weit oberhalb ihres Siedepunktes

Aus dem Avogadro´schen Gesetz folgt dass für ein ideales Gas bei 1013,25 hPa (Normdruck) und bei 0° (Normtemperatur) das molare Volumen Vm,0= 22,41 l/mol beträgt.

Idealse Gas mit konstanter Masse m= n*M, d.h mit konstanter Stoffmenge, werden isobar von T0 auf T erwärmt und dann isotherm von .....[read full text]

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= … 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 Feldlinien nie im freien Raum

*     schneiden sich Feldlinien niemals

*     gibt es keine in sich geschlossenen Feldlinien

*     beginnen Feldlinien an der positiven und enden an der negativen Ladung

*     ist die Dichte der Feldlinien ein Maß für die Stärke des Feldes

Das elektrische Feld lässt sich durch Einführung einer vektoriellen Größe, der elektrischen Feldstärke \vec{E} beschreiben. Diese ist in einem gegebenen Punkt definiert durch q (mit Vorzeichen!) bedeutet dabei eine kleine Probeladung, die sich am gegebenen Punkt befindet. \vec{F} ist die auf diese Probeladung wirkende Kraft. Diese Definition ist wegen der Proportionalität von Kraft und Ladung sinnvoll.


Die SI-Einheit von \vec {E} ist Newton pro Coulomb oder Volt pro Meter.


\vec{E} = \frac{\vec{F}}{q}.


7. Geben Sie die Formel für das elektrische Potential sowie die Spannung und erklären Sie, was mit Erde in der Elektrostatik gemeint ist.


Verschiebt man in einem elektrostatischen Feld eine Ladung q vom Ort 1 zum Ort 2, so ist dafür eine Kraft notwendig und es wird entlang des Weges folgende Arbeit verrichtet:


PO sei ein Bezugspunkt und die Ladung werde bis zu P verschoben ] Zuordnung von potentieller Energie.


Die potentielle Energie ist eine für jeden Raumpunkt P des Feldes charakteristische Größe, sobald P0 festgelegt ist. Mit folgt:


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.





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Danach gelangt der Ionenstrahl zur Massentrennung in ein homogenes Magnetfeld der Flussdichte senkrecht zur Feldrichtung. Dabei durchlaufen die Ionen Kreisbahnen, deren Radien sich folgender- maßen ergeben




Daraus erhält man die spezifische Ladung q/m


10. Erklären Sie den Unterschied zwischen Leitern, Nicht-Leitern und Halbleitern sowie das Prinzip der Influenz.


Leiter: Materialien, in denen sich elektrische Ladungen nahezu frei bewegen können, z.B.: Metalle (Cu, Al, An und Ag), Salzlö- sungen, heiße Gase

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.

.....

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Zentrifugen nutzen die Massenträgheit im Zentrifugiergutraum zur Stofftrennung. Partikel oder Medien mit höherer Dichte wandern aufgrund der höheren Trägheit nach außen. Dabei verdrängen sie die Bestandteile mit niedrigerer Dichte, die hierdurch zur Mitte gelangen. Der Prozess ist gegenüber der Sedimentation durch die Schwerkraft wesentlich schneller oder wird überhaupt erst möglich


13. Wie lautet das Hebelgesetz und welche Gleichgewichtsarten gibt es?

Einen um eine Achse drehbaren Körper, an dem zwei oder mehrere Kräfte Angreifen nennt man Hebel.

Dieser befindet sich dann im Gleichgewicht, wenn die Summe der an ihm wirkenden Drehmomente bzgl. des Drehpunktes D gleich Null ist. Greifen an einem Hebel nur zwei Kräfte an à Drehmomente


UND

Es herrscht Gleichgewicht wenn T1 = T2

Hebelgesetz:

Kraftarm mal Kraft = Lastarm mal Last


Gleichgewichtsarten:

In welcher Gleichgewichtslage sich ein Körper befindet, hängt vom Verhalten seines Schwerpunkts bei Bewegung des Körpers ab.


stabil: bei jeder Verrückung aus Ggw.-Lage wird Schwerpunkt angehoben

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 .....

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Die Stromstärke I ergibt sich zu

Bei zeitlich nicht konstanter Stromstärke gilt:


  • Einheit: 1 Ampere (A)
  • Bei einer Stromstärke von 1A fließt in 1s die Ladungsmenge 1C durch den Leiter.


16. Detaillieren Sie den freien Fall und den horizontalen Wurf im Schwerfall der Erde

(Bahnkurve, Momentangeschwindigkeit, Endgeschwindigkeit, Beschleunigung, Fallweg)

Momentangeschwindigkeit:

Wenn mittlere Geschwindigkeit zwischen beliebigen Punkten der Bahn nicht konstant ist, sondern sich dem Betrag und der Richtung nach ändert à Angabe der Momentangeschwindigkeit (= differentielle Abschnittsgeschwindigkeit): v={\mathrm{d}x \over \mathrm{d}t} = \lim_{\Delta t \to 0}{\Delta x \over \Delta t}


Beschleunigung:

Beschleunigung ist die Änderung der Geschwindigkeit eines Körpers.

Beschleunigung ist 1. Differentialquotient der Geschwindigkeit nach der Zeit bzw. der 2. Differentialquotient des Ortsvektors nach der Zeit. Einheit: m/s2


Richtung der Beschleunigung relativ zur Bahnkurve: Zerlegung in eine zur Bahn tangentiale und eine dazu normale Komponente


Die Tangentialkomponente at(t) ändert den Betrag der Geschwindigkeit und die

Normalkomponente an(t) führt zu einer Richtungsänderung der Geschwindigkeit


Fr.....

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Einheit: Newton (N)

1 N = 1 kg · m · s-2


Beharrungskraft eines Körpers bzgl. Änderung des Bewegungszustandes

à Trägheitskraft FT (Pseudo- oder Scheinkraft)

III. Reaktionsprinzip: wirken zwischen zwei Körpern Kräfte, so ist die Kraft

F12, die der Körper 1 auf Körper 2 ausübt, dem Betrag nach gleich F21, aber

der Kraft des Körpers 2, die auf Körper 1 wirkt, entgegengesetzt gerichtet

(actio = reactio)


18. Beschreiben Sie die Möglichkeiten der Temperaturmessung.


Bimetallstreifen: Aufeinanderbringen von zwei unterschiedlichen Metallen, die sich unterschiedlich stark bei Temperatur- Änderungen ausdehnen. (biegt sich bei Temp. Änderung) – 50° und 400°


Flüssigkeitsthermometer:

  • Quecksilber (- 39°-300°) ° Quecksilber mit Argon oder Stickstoff (-39°-700°)
  • Alkohol od. Toluol ( -100°-200°) ° Pentan (-190°-700°)


Widerstandsthermometer:

  • Bei Metallen steigt der elektrische Widerstand, abhängig von der Art und Reinheit des Metalls, mit steigender Tempertatur. (Platin: -250° - 1000°)
  • Bei Halbleitern sinkt der elektrische Widerstand mit steigender Temperatur und Empfindlichkeit nimmt mit abnehmender Temperatur zu.


19. Entropie und Zusammenhang zwischen Entropie und Wahrs.....

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