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Experimentalphysik 1 (Mechanik, Wärme)

Dies ist der erste Teil der 3-semestrigen physikalischen Grundvorlesung für Studenten der Studienrichtungen Physik und Technische Physik. Er hat die grundlegenden Begriffe der klassischen Gebiete Mechanik, Schwingungen und Wellen und Wärmelehre zum Inhalt.

1. Semester – VO – 6 ECTS
Vortragende(r): Wolfgang Ernst, Peter Knoll
TUGonline

1. Semester – UE – 3 ECTS
Vortragende(r): Roland Lammegger, Alexander Volk, Markus Koch, Andreas Hauser, Ilse Letofsky-Papst
TUGonline

Modus und Unterlagen

Die Vorlesungsprüfung ist schriftlich und umfasst Herleitungen und Verständnisfragen. Bei den Übungen sind Beispiele abzugeben, vorzurechnen und es werden zwei oder mehr Teilklausuren geschrieben.

Die Vorlesungen ist auch an „Experimentalphysik 1“ (Demtröder) angelehnt. Weiterführende Informationen sind nach Anmeldung auch auf der Institutshomepage unter Lehre / LV-Zusatzinformation zu finden.

Prüfungsfragen

Vorlesungsprüfungen

Verständnisfragen

  1. Wie lauten die SI-Einheiten (Einheitenterme, und, so weit gegeben, Einheitenname, Herleitung mit Hilfe der Definitionsgleichungen) von Beschleunigung, Dichte, spezifisches Volumen, Wichte, Kraft, Arbeit, Leistung, Druck, Winkelgeschwindigkeit, Drehimpuls, Drehmoment, Impuls?
  2. Wie lassen sich die jeweils der Def.-Gl. entsprechenden SI-Größenarten von Winkelgeschwindigkeit, Kraft, Arbeit, Druck, Impuls realisieren?
  3. Länge, Zeit und daraus abgeleitete Größen (M 1,2)
  4. Einige Begriffe der Bewegungslehre, Punktkinematik (M 3):
    1. Warum kann man mit einem Fahrrad freihändig Kurven fahren?
    2. Wie kann man die Erdbeschleunigung ermitteln (Kurzbeschreibung der Methoden)?
    3. Wie wurde sie in früheren Zeiten bestimmt, als es noch keine sehr schnellen Uhren gab?
  5. Kraft – Masse (M 4):
    1. Was versteht man in der Physik unter Kraft, Masse und Arbeit bzw. Energie?
    2. Wie lassen sich davon Quantitäten experimentell erfassen?
    3. Ein Raumschiff bewegt sich in großer Entfernung, beschleunigt durch ein Triebwerk. Im Inneren des Raumschiffs schwingt ein Fadenpendel. Welche Bewegung führt dieses Fadenpendel aus, wenn das Triebwerk plötlich abgestellt wird, und zwar
      1. wenn sich das Pendel zu diesem Zeitpunkt gerade in einem der beiden Umkehrpunkte befindet und
      2. wenn sich das Pendel gerade bewegt? (mit Begründungen)
    4. Im Aufzug eines Wolkenkratzers hängt eine Pendeluhr. Wie wird der Gang der Uhr durch die verschiedenartigen Bewegungszustände des Aufzugs beeinflusst?
    5. Wie die Erfahrung zeigt, fallen große Regentropfen schneller als kleine. Wieso? (Kugelform angenommen, beschleunigt bewegter Körper in Medium)
  6. Arbeit – Energie (M 5):
    1. Was versteht man unter einem Feld, im speziellen einem Gravitationsfeld, unter Gravitationsfeldstärke und Gravitationspotential und warum sind diese beiden Größen miteinander verknüpft?
    2. Was versteht man unter der ersten und der zweiten kosmischen Geschwindigkeit und wie können diese hergeleitet werden?
  7. Leistung – Wirkung (M 6,7)
  8. Kraftstoß – Impuls, Stoßvorgänge (M 8,9):
    1. Welche Größen können mit einem mechanischen Stoßpendel gemessen werden? (Beschreibung des Messvorganges und der Vorraussetzungen)
    2. Eine mit einer bestimmten Geschwindigkeit bewegte Masse (z.B. Auto) stößt unelastisch, weitgehend zentral auf eine zweite gleiche, ruhende Masse. Was geschieht mit der kinetischen Energie der stoßenden Masse?
    3. Ein Komet bewegt sich auf die Erde zu.Welche Arten von Bahnkurven kann er im Prinzip beschreiben? Wovon hängt es ab, welche Kurve entsteht?
  9. Kräfte am starren Körper (M 10):
    1. Der Stiel eines Besens wird mit je einem gestreckten Finger der linken und rechten Hand so unterstützt, dass er horizontal auf beiden Fingern liegt. Bewegt man nun die beiden Finger aufeinander zu, so treffen sie sich beiderseits des Schwerpunktes. Warum?
    2. Was ist der Massenmittelpunkt eines Körpers?
    3. Warum hängt die Empfindlichkeit einer Waage von ihrer Belastung ab? Auf einer austarierten Waage steht ein teilweise mit Wasser gefülltes Becherglas. Was beobachtet man, wenn man einen Finger in das Wasser eintaucht? Wie ist diese Beobachtung zu erklären? Angenommen, die den Finger eintauchende Person steht ebenfalls auf dieser Waage: Wie reagiert diese Waage?
  10. Drehbewegungen starrer Körper (M 11, 12):
    1. Analogie zwischen Größen und Größengleichungen der Translation und Rotation
    2. Wie kann man das Trägheitsmoment eines Körpers um eine bestimmte Achse messen?
    3. Wie ist das Richtmoment einer Drillachse definiert und wie kann man es bestimmen?
    4. Was ist ein Deviationsmoment, wann treten sie auf bzw. wann spielen sie keine Rolle?
    5. Ein scheibenförmiger Körper rotiert, an einem nicht zu dünnen Faden hängend, um eine der Achsen, die in der Scheibenebene liegen (Achse des kleinsten Trägheitsmomentes). Wie kann man die Scheibe vom Faden aus dazu bringen, dass sie um eine andere stabile Achse rotiert? Was geht dabei physikalisch vor sich?
    6. Was versteht man unter den freien Achsen eines starren Körpers? Welche Vorraussetzungen müssen erfüllt sein, damit irgendeine Drehachse eines Körpers eine freie Achse ist? Für welche geometrische Achsen eines Körpers trifft dies zu?
    7. Was versteht man unter der Präzessionsbewegung eines Kreisels? Geben die mindestens zwei Beispiele des täglichen Lebens!
    8. Was versteht man unter Trägheitskräften und wo treten solche auf?
    9. Wie kann man bei einem Kreisel erreichen, dass er gleichzeitig eine Präzessions- und eine Nutationsbewegung ausführt?
    10. Wozu kann man einen Pronyschen Zaum verwenden?
    11. An irgendeinem Ort der Südhalbkugel wird ein Geschoß horizontal auf einen nahegelegenen Zielpunkt abgefeuert. Auch wenn keine Auswirkungen der Gravitation und des Luftwiderstandes vorhanden wären, kann das Geschoß den Zielpunkt nicht erreichen. Warum und in welche Richtung erfolgt eine Ablenkung in der Horizontalebene und wo müsste der Ort gelegen sein, und warum dort, damit keine Ablenkung in der horizontalen Ebene erhalten wird? In welche Richtung müsste der Schuss erfolgen, damit überhaupt keine Ablenkung eintritt?
    12. Was ist ein Kreiselmoment?
    13. Wie funktioniert im Prinzip ein Kreiselkompass?
    14. Welche Drehung macht ein drehbarer Spielzeugkreisel, wenn seine Figurrenachse aus der Vertikallage gebracht wird? (Begründung)
  11. Elementare Grundbegriffe der Elastomechanik, Hydro- und Aerostatik:
    1. Wie sind die Druckeinheiten Pascal, bar, physikalische und technische Atmosphäre definiert und wie erhält man den Umrechnungsfaktor von bar in Pascal?
    2. In einem Schacht steht das Wasser 20 m tief. Kann man durch eine Saugpumpe am oberen Schachtrand das Wasser zur Gänze abpumpen?
  12. Mechanische Grenzflächenerscheinungen (M 14):
    1. Über den Schenkeln eines U-förmig gebogenen Drahtes ist ein Querbügel angebracht. In dem so geschlossenen Drahtrahmen ist eine Flüssigkeitslamelle gespannt, deren Oberfläche durch Verschieben des Querbügels vergrößert werden kann. Erläutern sie an diesem Beispiel die Begriffe Oberflächenspannung und spezifische Oberflächenenergie. Warum funktioniert dieser Versuch nur schlecht mit reinem Wasser?
  13. Einige Grundbegriffe der Hydromechanik (M 15):
    1. Wie lässt sich das Gesetz von der Erhaltung der Masse in Form der Kontinuitätsgleichung allgemein formulieren? (Begründung, bzw. Erläuterung)
    2. Wie hängt die Viskosität bei Flüssigkeiten und bei Gasen von der Termperatur ab? (Erklärung)
    3. Welche charakteristische Erscheinung tritt in der Umgebung von Körpern auf, die sich in einer Überschallströmung befinden? (Skizze für einen kleinen kugelförmigen Körper, Begründung)
    4. Unter welchen Vorraussetzungen spricht man von einer idealen Flüssigkeit und wie lautet die Kontinuitätsgleichung in ihrer allgemeinen Form?
    5. Wie kann man den Koeffizienten der Zähigkeit einer Flüssigkeit ermitteln?
    6. Wie lautet die Bernoulli-Gleichung und wie kann man auf ihrer Grundlage Strömungsgeschwindigkeit messen?
    7. Warum wirkt auf einen Körper, der sich in einer Flüssigkeit oder in einem Gas bewegt, eine Reibungskraft? (Beschreibung des Entstehens dieser Kraft)
  14. Schwingungen (S 1):
    1. Wie sieht die resultierende Bewegung eine Massenpunktes aus, die durch Überlagerung zweier linearer, harmonischer, senkrecht zueinander orientierter Schwingungen entsteht? (Abhängigkeit von den Amplituden, dem Phasenunterschied und von den Frequenzen der beiden Schwingungen)
    2. Was versteht man unter Selbststeuerung oder Rückkopplung eines schwingenden Systems und inwieweit besteht hier bezüglich der Erzeugung von Schwingungen konstanter Amplitude ein Unterschied zu einer erzwungenen Schwingung?
    3. Wie findet man mit Hilfe eines Zeigerdiagramms Amplitude und Phase der resultierenden Schwingung, die durch Überlagerung von zwei harmonischen Schwingungen gleicher Richtung, gleicher Frequenz, verschiedener Amplitude und einer bestehenden Phasendifferenz \( \Delta \phi \) entsteht?
    4. Wie kann man die Überlagerung zweier senkrecht zueinander orientierter, linearer, harmonischer Schwingungen experimentell realisieren und in welche Fällen ensteht eine elliptisch polarisierte Schwingung?
  15. Wellen (S 2):
    1. Was versteht man unter Rotationsdispersion und wie kann man sie experimentell zeigen?
    2. Wie kann man sich das Zustandekommen einer Schallwelle aus den Bewegungen der Teilchen anhand des Modells einer Kette aus elastisch gekoppelten Massenpunkten („Elementarwellen“) veranschaulichen? (Skizze verschiedener zeitlich aufeinanderfolgender Zustände)
    3. Warum erhält man für die Frequenzverschiebung zufolge des Dopller-Effektes bei Schall zwei verschiedene Beziehungen, je nachdem, ob die Quelle in Ruhe ist und der Beobachter sich bewegt oder umgekehrt? Skizzieren Sie kurz die Ausgangsüberlegungen der beiden Herleitungen. Unter welcher Vorraussetzung gilt näherungsweise für beide Fälle die gleiche Beziehung?
    4. Was ist der Doppler-Effekt und inwieweit und warum besteht bei diesem Effekt ein Unterschied zwischen Schallwellen und Licht?
    5. Was ist zirkular polarisiertes Licht? Wodurch unterscheidet es von natürlichen Licht und wie kann man es nachweisen?
    6. Wie kann man elliptisch polarisierte Schwingungen erzeugen?
    7. Was versteht man unter Interferenz?
    8. Wozu dienen optische Interferometer und auf welchem Prinzip beruhen sie?
    9. Wie kann man die Schallfeldgrößen Intensität, Druckamplitude und Geschwindigkeitsamplitude bestimmen?
    10. Wie kann man die Schallintensitäten messen?
    11. Auf welche Weise kann man mit einem Interferometer Brechzahlen bestimmen?
    12. Wie lauten die wichtigsten Kenngrößen eines Schallfeldes und was versteht man unter den einzelnen Größen?
    13. Wie kann eine zirkular polarisierte Schwingung erzeugen? (Prinzip der Erzeugung und experimentellen Beweis)
    14. Was versteht man in der Wellenlehre und der Gruppengeschwindigkeit und was unter Phasengeschwindigkeit? Was lässt sich bezüglich Gleichheit oder Verschiedenheit dieser beiden Geschwindigkeiten grundsätzlich aussagen?
    15. Was ist eine Schallwelle, wie entsteht sie und wie geht die Energieabgabe der Schallwelle an einem Mikrophon vor sich?
    16. Wie sollte eine Wand beschaffen sein, damit sie möglichst wenig Schallintensität durchlässt?
    17. Wenn eine \( \lambda/4 \)-Schicht auf eine Glasoberfläche aufgedampft wird, kann das Reflektionsvermögen dieser Oberfläche sehr stark verringert oder erhöht werden, je nachdem, ob die Lichtgeschwindigkeit im aufgedampften Material größer oder kleiner als in Glas ist. Warum?
    18. Wie lautet das Lambertsche Absorbtionsgesetz und welcher Unterschied besteht zwischen echter Absorbtion und Streuabsorbtion?
    19. Wie wird die Längeneinheit Meter mit Hilfe des Michelson-Interferometer realisiert? (Skizze)
    20. Worauf beruht die charakteristische Klangfarbe der verschieden Saiteninstrumente? Warum hängt diese davon ab, in welcher Entfernung von der Mitte der Saite man ihre Schwingung anregt und warum ändert sich die Klangfarbe, wenn man eine schwingende Saite an irgendeiner Stelle schwach berührt?
    21. In einem beiderseits offenen Rohr werden stehende Schallwellen bzw. Eigenschwingungen erzeugt. Wie ist der Druckverlauf in den beiden Extremzuständen der dritten und fünften Oberschwingung?
    22. Ein Wellenstrahl fällt auf eine Grenzfläche zweier Medien. Wovon hängt es ab, was von da an mit diesem Wellenstrahl geschieht? (2x)
    23. Ein dünner Schallstrahl fällt auf eine Wand aus irgendeinem homogenen, festen Medium, z.B. Eisen. Skizzieren Sie grob qualitativ den weiteren Verlauf dieses Strahls bzw. seiner Veränderungen. An welchen Stellen der Wandoberfläche wird Schall austreten?
    24. Nach welchem Prinzip werden heute Schallgeschwindigkeiten in Gasen und Lichtgeschwindigkeit im Vakuum gemessen? (Warum nicht nach Laufzeitmethoden?)
  16. Was versteht man unter Drosselung eines Gases? Wann treten bei adiabatischen Vorgängen Temperaturänderungen auf und wann nur kommt es zu einer Temperaturabnahme?
  17. Was ist der Unterschied zwischen Reaktionsenergie und Reaktionswärme bei einer chemischen Reaktion? Wann ist bei einer isotherm und isobar exotherm verlaufenden Reaktion die Reaktionswäre kleiner als die Reaktionsenergie?
  18. Eine umgekehrt laufende Carnotsche Wärmekraftmaschine arbeitet als Wärmepumpe. Beschreiben Sie den Kreisprozess einer solchen Wärmepumpe. In welchen Betriebsabschnitten wird bei einer Wärmepumpe Wärme zu- bzw. abgeführt, wenn die Pumpe einen anderen, beliebigen Kreizprozess vollzieht?
  19. Was sagen die 3 Hauptsätze der Wärmelehre aus?
  20. Wie hängt bei einer chemischen Reaktion die Wärmetönung mit der Änderung der inneren Energie unter Änderung der Enthalpie zusammen? (Begründung)
  21. Eine bestimmte Wassermenge wird verdampft. Nimmt die Entropie des Systems Wasser plus Dampf dabei zu oder ab? (Begründung) Welche Größen muss man kennen, um die Entropieänderung für eine totale Verdampfung berechnen zu können?
  22. Was versteht man unter technischer Arbeit und wo spielt diese eine Rolle? Was ist zum Unterschied dazu Ausdehnungsarbeit?
  23. Welche Erscheinung wird als Brownsche Bewegung bezeichnet und welche Schlüsse lassen sich daraus ziehen, vor allem aus der Änderung der Bewegung bei Erhöhung der Temperatur?
  24. Was versteht man unter einem schwarzem Strahler und wodurch zeichnet sich ein solcher aus? Inwieweit unterscheiden sich davon nicht schwarze Temperaturstrahler? Durch welche Größe wird diese Abweichung vom schwarzen Körper berücksichtigt?
  25. Warum ist die Größenart Enthalpie bei Wärmekraftmaschinen und warum bei chemischen Reaktionen von Bedeutung?
  26. Beim Auflösen von Zink in Schwefelsäure entsteh ein Wasserstoffgas. Warum ist die entstehende Bindungswärme („Wärmetönung“) verschieden, je nachdem, ob man bei der Reaktion den Druck oder das Volumen konstant hält? Wann ist die Bildungswärme kleiner und wie hängt sie in den beiden Fällen mit der Änderung von Enthalpie und innerer Energie zusammen?
  27. Wie sieht im Prinzip räumlich (\( pVT \)-Koordinaten) ein Zustandsdiagramm aus?
  28. Man hat ein Gas vorliegen, das sich in einem Gefäß mit beweglichen Kolben befindet. Das Gas expandiert und verschiebt den Kolben um eine Strecke \( x \) auswärts. Welche Zustandsgrößen müssen gemessen werden, um die bei der Expansion vom Gas abgegebene Arbeit ermitteln zu können und wie wird man dabei vorgehen?
  29. Wie hängen die Dichteanomalien des Wassers und die Regelation des Eises zusammen?
  30. Wann und warum kommt es beim Drosseln eines Gases zu einer Abkühlung oder einer Erwärmung des Gases?
  31. Auf welchen Überlegungen beruht die thermodynamische Temperaturskala und wie wird sie in der Praxis realisiert?
  32. Warum ist der Gleichgewichtszustand eines abgeschlossenen thermodynamischen Systems jener mit der größten Entropie und bei \( T = \text{const.} \) und \( V = \text{const.} \) gleichzeitig auch jener mit der niedrigsten freien Energie?
  33. Auf welche Arten kann Wärme von einem heißen zu einem kalten Körper übergehen? (genauere Beschreibung) Wie kann man den Wärmeübergang in den einzelnen Fällen erschweren bzw. überhaupt unterbinden?
  34. Was ist eine Wärmepumpe? (nähere Erläuterung eines der technisch angewandten Verfahren)
  35. Warum ist die Aussage, dass \( \Delta S_\text{irr} > 0 \) sein muss, äquivalent jener für die Richtung des Wärmeflusses zwischen zwei Körpern verschiedener Temperatur?
  36. Warum ändert sich die Temperatur eines idealen Gases nicht, wenn man es adiabatisch ins Vakuum ausströmen lässt?
  37. Wie hängen bei einer Wärmepumpe der maximale thermodynamische Wirkungsgrad und die Leistungsziffer zusammen? (Begründung)
  38. Beschreiben Sie ein Experiment zum Nachweis der Äquivalenz von Arbeit und Wärme. (Skizze)
  39. Es liegt ein Körper bzw. ein Medium mit einer Temperatur oberhalb von etwa 2000 °C vor. Die Temperatur soll gemessen werden. Wie wird man vorgehen? (Annahme: Es besteht die Möglichkeit, einen anderen Körper mit bekanntem Emissionskoeffizienten, z.B. \( \varepsilon (p) = 1 \), durch Wärmekontakt auf dieselbe Temperatur zu bringen.)
  40. Was sagt das Kirchhoffsche Strahlungsgesetz aus und wie kann man es auf Grund der Beziehung für den Reflexionsgrad einer Grenzfläche zwischen zwei Medien verstehen?
  41. Unter welchen Bedingungen verhalten sich reale Gase annähernd wie ein ideales Gas? (Begründung der Antwort anhand der Van-der-Waalsschen Zustandsgleichung)
  42. Bei welcher Art von Systemen spielen freie Energie und freie Enthalpie eine Rolle? Wo liegt die wesentliche Bedeutung dieser beiden Größen?
  43. Was versteht man ganz allgemein unter einem Wirkungsgrad, was im besonderem unter dem Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine und wovon hängt dieser nur ab, wenn er für einen bestimmten Prozess den maximal möglichen Wert hat?

Herleitungen

  • Zeitliche Zunahme von \( v(t) \) bei einem in Vakuum/Luft fallenden Körper
  • Raketengleichung
  • Abhängigkeit der Umlaufperiode der Schwingungsebene des Foucault-Pendels vom Breitengrad des Pendelorts auf der Erde
  • Schwingungsdauer eines Federpendels
  • Trägheitsmoment eines Kreiszylinders
  • Trägheitsmoment einer Kugel
  • Satz von Steiner
  • Gedämpfte Schwingung: Ausdruck für Auslenkung als Funktion der Zeit bei Dämpfung des aperiodischen Grenzfalls und unter der Anfangsbedingung des Anstoßens aus der Ruhelage
  • Schwingfall - Anstoßen
  • Beziehung für die Amplitude einer erzwungenen Schwingung
  • Eigenfrequenz eines einseitig eingespannten Stabes
  • Druckeinheiten Umrechnung
  • barometrische Höhenformel
  • Steighöhe einer Kapillare
  • Hagen-Poisseuiellsches Gesetz
  • Formeln Doppler-Effekt
  • relativistische Änderung der Länge eines Stabes in einem in Längsrichtung des Stabs bewegten System, wahrgenommen von einem ruhenden Beobachter
  • Gangunterschied des an der oberen und der unteren Grenzfläche einer planparallelen Platte (Brechzahl \( n \)) reflektierten Lichtstrahls (Einfallswinkel \( \alpha \))
  • Normalvergrößerung einer Lupe und Vergrößerung, wenn das virtuelle Bild im Abstand der „deutlichen Sehweite“ vor der Lupe gesehen werden soll
  • Brechung nach dem Fermatschen Prinzip
  • Brechung nach dem Hygenschen Prinzip
  • Abbildungsgleichungen
  • Beugung an Gitter – Interferenzmaximum
  • Ausdrücke für die isotherme und adiabatische Arbeit bei einem idealen Gas
  • Carnotscher Wirkungsgrad ist der größte
  • Beziehung für den Druck nach der kinetischen Gastheorie
  • Zustandsgleichungen des idealen Gases in fünf verschiedenen Formen
  • Spezifische Wärmekapazität für ein zweiatomiges Gas nach der kinetischen Gastheorie. Wann und warum werden die experimentell niedrigeren Werte gefunden?
  • Beziehung für den Wärmedurchgang durch eine Wand zwischen zwei flüssigen oder gasförmigen Medien verschiedener Temperatur
  • \( \oint \frac{\mathrm{d} Q}{T} = 0 \) (reversibel), \( \oint \frac{\mathrm{d} Q}{T} < 0 \) (irreversibel)
  • Beziehung für die technische Arbeit
  • Adiabatengleichung für das ideale Gas
  • Die Entropie nimmt bei irreversiblen Vorgängen in einem abgeschlossenen System zu
  • Aussagen des dritten Hauptsatzes der Wärmelehre
  • Beziehung für die Maxwellsche Geschwindigkeitsverteilung
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