Sie sind hier: Startseite / Studium / Lehrveranstaltungen / Experimentalphysik 2 (Elektrizität, Optik)

Experimentalphysik 2 (Elektrizität, Optik)

Fortsetzung der einführenden Darstellung klassischer Teilgebiete der Physik: Elektrizitätslehre, Magnetismus und Optik.

2. Semester – VO – 6 ECTS
Vortragende(r): Neger Theo, Lammegger Roland, Hohenau Andreas
TUGonline

2. Semester – UE – 3 ECTS
Vortragende(r): Lammegger Roland, Koch Markus, Volk Alexander, Kraus Patrick, Hohenau Andreas, Schaffernak Gernot
TUGonline

Modus und Unterlagen

Die Vorlesungsprüfung ist schriftlich und umfasst Herleitungen und Verständnisfragen. Bei den Übungen sind Beispiele abzugeben, zweimal an der Tafel vorzurechnen und es werden zwei Teilklausuren geschrieben.

Das Skriptum von H. Jäger wird zu Beginn des Semesters ausgegeben bzw. ist im Experimentalphysik-Sekretariat erhältlich. Die Vorlesung ist auch an „Experimentalphysik 2“ (Demtröder) angelehnt. Weiterführende Informationen sind nach Anmeldung auch auf der Institutshomepage unter Lehre / LV-Zusatzinformation zu finden.

Prüfungsfragen

Fragenkataloge

Verständnisfragen

  1. Welcher qualitative Zusammenhang besteht zwischen der relativen Dielektrizitätskonstante eines Dielektrikums und dem Dipolmoment seiner Moleküle bzw. der Größe Polarisation?
  2. Wie kann man den aus dem Polgebiet eines Magnetstabes austretenden magnetischen Fluß bestimmen?
  3. Wie kann man – im Prinzip – elektrische Schwingungen konstanter Amplitude erzeugen (Schaltskizze)?
  4. SI-Einheiten:
    1. Wie lauten die SI-Einheiten (Einheitenterme, Herleitung mit Hilfe der Definitionsgleichungen) von elektrischer und magnetischer Feldstärke, Kapazität, Induktivität und elektrischem Widerstand und, soweit gegeben, die Namen dieser Einheiten?
    2. wie oben: elektrische Stromstärke, Spannung, Widerstand, magnetische Flußdichte
    3. Was muss man unternehmen, um von folgenden SI-Größenarten jeweils der Definitionsgleichung entsprechend die Einheit(-sgröße) zu realisieren? elektrische Spannung, elektrische Feldstärke, Widerstand, Kapazität, Induktivitätl
  5. In welcher Relation stehen elektrische Verschiebungsdichte und Polarisation zueinander (Begründung)?
  6. In der Nähe einer von einem Wechselstrom durchflossenen Spule wird auf gleicher Achse ein metallischer Ring gebracht. Wie ist der zeitliche Stromverlauf nach Betrag und Richtung im Vergleich zu dem in der Spule während einer Wechselstromperiode?
  7. Warum hat ein Lichtbogen eine fallende Charakteristik?
  8. Wie kann man die zwischen den Enden eines Leiterstabes bei Bewegung in einem Magnetfeld induzierte Spannung auf die Lorenz-Kraft zurückführen?
  9. Welche Methoden der Ladungstrennung gibt es (nähere Beschreibung)?
  10. Was sagt der Gauss'sche Satz der Elektrostatik aus und wie lautet die analoge Beziehung für das Magnetfeld?
  11. Was ist ein magnetisches Moment und wie äußert es sich?
  12. Wie kann man die elektrische Verschiebungsdichte (Flußdichte) im Feld eines leeren und eines mit einem flüssigen Dielektrum gefüllten Plattenkondensators messen?
  13. Wie kann man experimentell das magnetische Moment eines Magnetstabes oder eines Stromschleife bestimmen (beim Magnetstab zwei Methoden)?
  14. Zwischen den Unterbrecherkontakten im Primärkreis einer Autozündspule wird ein Kondensator zur Rundfunkentstörung geschaltet. Warum gelingt das dadurch?
  15. Welche Erscheinung man als piezoelektrischen Effekt? Wie heißt die Umkehrung dieses Effekts und welche technischen Anwendungen haben beide gefunden?
  16. Wie funktioniert ein einfacher Transistor?
  17. Wie kann man von der Lorenz-Kraft ausgehend verstehen, dass bei der Bewegung eines metallischen Leiterstabes in einem Magnetfeld zwischen den Enden eines Leiters eine Spannung auftritt? Wovon hängt der Wert dieser Spannung ab?
  18. Ein Plattenkondensator liegt permanent an einer Spannungsquelle. Die Distanz der Platten wird vergrößert. Was ist die Folge? Ein Dielektrikum wird eingebracht. Was ist die Folge? Wie kann man diese beiden Effekte anschaulich erklären?
  19. Was ist der Unterschied zwischen einer unselbständigen und einer selbständigen Gasentladung? Zeichnen Sie das Strom-Spannungsdiagramm für den Übergang zwischen den beiden Entladungsformen!
  20. Beim Öffnen eines Schalters in einem Stromkreis entsteht zwischen den Schaltkontakten kurzzeitig ein kleiner Lichtbogen. Warum? Wann entsteht keiner?
  21. Was versteht man unter der elektrischen Verschiebungsdichte? Warum heißt diese Größe so?
  22. Was zeigt der Barkhausen-Effekt?
  23. Welche Vorgänge gehen in einem elektrischen Schwingkreis vor sich? Wofür werden elektrische Schwingkreise verwendet?
  24. Was zeigt das Joule-Gesetz in seiner allgemeinsten Form aus?
  25. Wie kann man die Induktivität einer Spule ermitteln?
  26. Was versteht man unter Selbstinduktion? Wie wirkt sie sich in einem Leiterkreis aus, und wie muss eine Spule aufgebaut sein, damit sie eine große Induktivität hat?
  27. Was zeigt der Versuch mit dem Barlow-Rad?
  28. Eine Spule hat eine Induktivität von einem Henry. Was und wie muss gemessen werden und wie müssen die erhaltenen Messwerte lauten, damit dieser Wert festgestellt werden kann?
  29. An einer Serienschaltung von RLC liegt eine Wechselspannung mit einer Frequenz, die gleich der Resonanzfrequenz dieses Schwingkreises ist. Es sei ein Zeitraum betrachtet, an dem die Spannungsquelle den Maximalwert \( U_0 \) erreicht. Welche Ladungen sind an den Anschlüssen der Bauelemente R, L und C im Überschuß vorhanden?
  30. In welche Gruppen kann man die Stoffe bzgl. ihres Verhaltens in magnetischen Feldern grob unterteilen? Wonach wird unterschieden?
  31. Wie ist ein Drehspulmeßinstrument, mit dem elektrische Leistungen gemessen werden können, im Prinzip aufgebaut?
  32. Wie funktioniert ein Mikrophon?
  33. Wie ist ein einfaches Modell eines selbsterregenden Gleichstromgenerators aufgebaut? Wie funktioniert die Selbsterregung?
  34. Kann man mit einem Eisenblech ein magnetisches Feld abschirmen?
  35. Wie läßt es sich verstehen, dass die Kapazität eines Kondensators um so größer wird, je größer die Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums ist?
  36. Wodurch unterscheiden sich Transformator und Induktor bzgl. technischem Aufbau, Wirkungsweise und Sekundärspannung?
  37. Wie verhält sich ein elektrischer Dipol in einem homogenen und wie in einem inhomogenen elektrischen Feld (Energie und Drehmoment)?
  38. Was ist der Koeffizient der Selbstinduktion bzw. wie ist die Induktivität eines elektr. Bauelements definiert?
  39. Durch welche Überlegungen kommt man zu der fundamentalen Beziehung für Ladungs- und Massentransport bei einer Elektrolyse und wie kann man daraus die Faraday'schen Gesetze ableiten?
  40. Woran erkennt man einen paraelektrischen und woran einen ferroelektrischen Stoff?
  41. Beschreiben sie eine Anordnung zur Bestimmung des Wirkungsgrades eines mit Wechselspannung betriebenen E-Motors! Welche Größen sind zu messen und wie ergibt sich der Wirkungsgrad aus ihnen?
  42. Wenn man bei einer elektrischen Klingel die beiden Kontakte des Unterbrechers anfaßt, erhält man in der Regel heftige elektrische Schläge. Warum?
  43. Welche Überlegungen führen zur Definition einer effektiven Stromstärke bzw. effektiven Spannung beim Wechselstrom und welcher Zusammenhang besteht bei sinusförmigen Wechselstrom zwischen Effektivgrößen und Scheitelgrößen?
  44. Welche prinzipiellen Unterschiede bestehen zwischen Photowiderstand, Photodiode und Photoelement hinsichtlich Aufbau und Wirkungsweise?
  45. Wie wird bei der Registrierung einer periodischen Spannungsänderung mit einem Kathodenstrahloszillographen erreicht, dass auf dem Bildschirm ein stehendes Bild entsteht?
  46. Wie erfolgt der Übergang einer unselbständigen Stromleitung in eine selbständige bei Gasen (Strom-Spannungsdiagramm)?
  47. Was sind die gebräuchlichsten galvanischen Elemente?
  48. Skizzieren sie die Schaltung einer Transistor-Verstärkerstufe für Wechselspannung!
  49. Was versteht man bei einem elektrichen Generator unter Selbsterregung? (Dynamisches Prinzip von Siemens)
  50. Ein dielektrischer Körper wird in ein elektrisches Feld gebracht. Wovon (von welchen Vorgängen im Körper bzw. von welcher physikalischen Größe) hängt es ab, wie groß die Feldstärke wird?
  51. Gegenüberstellung der Einteilungen der Stoffe nach ihren elektrischen und magnetischen Eigenschaften bzgl. der Werte von \( \varepsilon \) und \( \mu \)?
  52. Was versteht man in der Wechselstromlehre unter Blindleistung und unter welchen Bedingungen ist in einem Stromkreis die Blindleistung 0?
  53. Warum bewirkt eine Verringerung des Drucks in einer Gasentladungsstrecke eine Erniedrigung der Zündspannung?
  54. Auf dem Umfang eines Kreises befindet sich in gleichen Abständen gleiche elektrische Ladungen. Wie groß ist die elektrische Feldstärke im Zentrum des Kreises? Versuchen sie den Feldlinienverlauf in der Kreisebene für den Fall von vier Ladungen grob zu skizzieren! Wie läßt sich der Feldlinienverlauf im Prinzip ermitteln?
  55. Wie entstehen elektromagnetische Wellen?
  56. Wie kann man den Kurzschlußstrom und den inneren Widerstand eines Akkumulators durch Strom- und Spannungsmessung ermitteln, ohne den Akku wirklich kurzzuschließen? Schaltungsskizze!
  57. Zeichnen Sie in eine gegebene Schaltung den Innenwiderstand des Spannungsmessgerätes ein und beschreiben bzw. berechnen Sie die Auswirkungen auf Spannungen und Stromstärken. (Stromrichtige bzw. spannungsrichtige Messung)
  58. Beschreiben Sie die Vorgänge in einem elektrischen Schwingkreis im Verlauf einer vollen Periode!
  59. Wie kann man zwischen einem di-, para- und ferro-elektrischen Stoff unterscheiden?
  60. Was versteht man unter einer Niederdruck- und unter einer Hochdruckgasentladung?
  61. Auf welche Weise können experimentell hohe Induktionsspannungen erzeugt werden?
  62. Was ist der magnetische Widerstand?
  63. Ein Waltenhofensches Pendel wird nach Verlassen des Magnetfeldes zurückgezogen. Warum?
  64. Was ist ein Tesla-Trafo und wozu kann er verwendet werden?
  65. Was ist das Prinzip der Modulation und Demodulation einer mit Tonfrequenz amplitudenmodulierten Radiowelle (Schaltskizze)?
  66. Was versteht man unter elektrischer Polarisation?
  67. Wie eicht man ein ballistisches Galvanometer durch Spannungs- und durch Stromstöße?
  68. Auf einen vertikal stehenden Eisenstab wird eine Spule geschoben. Über ihr liegt, den Stab ebenfalls umschließend, ein Kupferring. Wenn man eine Gleichspannung an die Spule legt, fliegt der Ring nach oben weg. Warum? Warum zeigt sich dieser Effekt auch bei Verwendung von Wechselspannung?
  69. Ein Glasrohr enthält ein Gas bei einem Druck von einigen Torr. Um das Rohr ist eine Drahtwicklung gelegt, durch die Hochfrequenzstrom fließt. Das Gas leuchtet insbesondere in der Nähe der Wicklung. Warum? Warum leuchtet die Luft außerhalb des Rohres nicht?
  70. Wie verläuft – rein qualitativ – die Bahn eines elektrisch geladenen Körpers, der in ein homogenes Magnetfeld eindringt, bei verschiedenen Winkeln zwischen Eintritts- und Feldrichtung?
  71. Eine Glühlampe brennt durch Anschluß an ein galvanisches Element. In welcher Weise erfolgt hier eine Energieumsetzung?
  72. Wie werden elektrische Kippschwingungen erzeugt?
  73. Wie läßt sich anhand der Beziehung für die Abhängigkeit des spezifischen Widerstands von der Anzahldichte und der Beweglichkeit der Ladungsträger eines Leiters erklären, warum der spezifische Widerstand in manchen Fällen mit zunehmender Temperatur ansteigt, oder in anderen Fällen absinkt?
  74. Was ist ein Kondensator und wie kann man seine Kapazität messen?
  75. Wie funktioniert im Prinzip ein Digitalvoltmeter (ein Beispiel)?
  76. Wie ist die elektrische Spannung definiert (Definitionsgleichung und SI-Einheit) und wie kann man Spannungen messen (4 unterschiedliche Methoden, kurze Beschreibung).
  77. Woraus besteht ein Bleiakkumulator und welche Vorgänge gehen in einem solchen beim Laden und beim Entladen vor sich?
  78. Beschreiben Sie die Vorgänge und die Energieformen in einem elektrischen Schwingkreis im Verlauf einer vollen Schwingung (ungedämpfte elektrische Schwingung)! Wovon hängt die Schwingungsfrequenz ab?
  79. Wie groß ist das Magnetfeld genau in der Mitte zwischen zwei parallelen geraden Leitern, durch die gleiche Ströme fließen bei gleicher und bei entgegengesetzter Stromrichtung? Vergleich zur Feldstärke an diesem Ort, wenn nur ein Leiter vorhanden wäre.
  80. Erklären Sie die Stromverstärkung in einen npn-Transistor, der in Emitterschaltung betrieben wird (Skizze und Erklärungen)!
  81. Gaußscher Satz für die Oberfläche einer geladenen Kugel im SI-System
  82. Driftgeschwindigkeit und Stromdichte in Leitern und Halbleitern

Sämtliche im Basisgruppenraum vorliegende Fragen wurden zusammengefügt. Die Ausarbeitung der Fragen liegen im Basisgruppenraum auf. 9. Februar 2010

  1. Bringt man bei einer Lupe den Gegenstand außerhalb der Brennweite an und hält das Auge genügend weit von der Lupe entfernt, so sieht man ein verkehrtes Bild. Warum? Skizze des Strahlenganges abseits der optischen Hauptachse!
  2. Wann sieht man bei einer Lupe ein verkehrtes Bild? Skizze unter Einbezug des Auges!
  3. Wie sieht der Strahlengang bei einem Mikroskop bei normalem Gebrauch und bei Abbildung des Objektes auf eine Wand aus?
  4. Gesamtbündeldarstellung für einen Gegenstand abseits der optischen Hauptachse
  5. In der Brennebene einer dünnen Sammellinse befindet sich etwas abseits der optischen Hauptachse eine punktförmige Lichtquelle. Wo entsteht das Bild dieser Lichtquelle, wenn an der anderen Seite der Linse in kürzerer Distanz ein ebener Spiegel (Spiegelebene senkrecht zur optischen Hauptachse) angebracht wird, der das Licht wieder durch die Linse zurückreflektiert?
  6. Warum sieht man auf einer versilberten Kugel sein verkleinertes Spiegelbild (Strahlengang unter Einbezug des Auges)?
  7. Wie sieht der Strahlengang bei einem astronomischen Fernrohr für einen endlich fernen Gegenstandspunkt abseits der optischen Hauptachse aus (Einbezug des Auges)?
  8. Wie kann man das Bild umkehren?
  9. Warum sieht man mit einer Lupe ein vergrößertes Bild? Wo muß sich der Gegenstand befinden, damit man ihn mit entspanntem Auge betrachten kann? Warum wird das Bild größer, wenn man mit dem Gegenstand näher zur Lupe heranrückt und wodurch ist dieser Vergrößerung schließlich eine Grenze gesetzt (Skizze)?
  10. Ein Parallelstrahlbündel fällt entlang der optischen Hauptachse auf eine Zerstreuungslinse der Brennweite \( f \). Durch welchen dahintergestellten Spiegel kann erreicht werden, daß das Bündel in sich selbst reflektiert wird? In welchem Abstand ist dieser aufzustellen? Skizze!
  11. Wie kann man mit einem Mikroskop ein reelles Bild erzeugen? Skizze!
  12. Worin besteht der Unterschied zwischen einem Mikroskop und einem astronomischen Fernrohr? Skizze des Strahlenganges für einen achsenfernen, im endlichen liegenden Gegenstandspunkt unter Einbezug des Auges!
  13. Ein Parallelstrahlenbündel trifft schräg zur optischen Hauptachse auf eine Sammellinse bzw. eine Zerstreuungslinse. Wie sieht in beiden Fällen das Bündel nach Verlassen der Linse aus?
  14. Welchen Zweck hat der Kondensator bei einem Projektionsapparat und warum ändert sich die Ausleuchtung eines Diapositivs, wenn man ihn entfernt?
  15. Ein Projektor besitzt zwei auswechselbare Objektive. Das erste liefert zu große, das zweite richtige Bilder. Welches der beiden Objektive hat die kleinere Brennweite? Begründung!
  16. Wie funktioniert ein Prismenspektrograph und wie ein Gitterspektrograph? Skizze des Strahlenganges! Erkläre das Prinzip der Aufspaltung des Lichts in beiden Fällen!
  17. Was spricht dagegen und was dafür, die Öffnung einer Linse, mit der eine reelle Abbildung erzeugt werden soll, möglich groß zu machen?
  18. Auf welchem Prinzip beruht die Farbkorrektur bei optischen Objektiven?
  19. Durch welche Eigenschaften zeichnet sich Laserstrahlung aus und welche wichtigsten technischen Anwendungen ergeben sich daraus? Welche speziellen Eigenschaften spielen bei den einzelnen Anwendungen jeweils eine Rolle?
  20. Wann – und warum dann – entsteht durch einen Konkavspiegel ein virtuelles Bild? Skizze!
  21. Ein Gegenstand soll mit einer Linse abgebildet werden. Beweise anhand der Abbildungsgleichung und zeichnerisch: Bei gegebener Gegenstandsweite liefert die Linse mit der größeren Brennweite das größere Bild. Bei gegebener Bildweite liefert die Linse mit der kleineren Brennweite das größere Bild.
  22. Wie groß muss ein ebener Spiegel mindestens sein – und wie hoch muss er hängen –, damit sich eine davorstehende Person in ihm in voller Größe sehen kann?
  23. Warum besteht ein Kamera-Objektiv aus mehreren Linsen? Beschreiben Sie kurz drei der wesentlichsten Linsenfehler!

Herleitungen

  1. Spannung ist das Linienintegral der elektrischen Feldstärke
  2. Was sagt die 1. Maxwellsche Gleichung aus und was versteht man dabei im Besonderen unter einem Verschiebungsstrom? Umformung der Integralform in die Differentialform. Was sagen die beiden Gleichungen aus?
  3. Lorenz-Kraft aus dem Laplaceschen Gesetz
  4. Beziehung für die magnetische Feldstärke in einem Luftspalt eines Magneteisenkerns
  5. Beziehung für die spezifische Leitfähigkeit als Funktion von Kenngrößen der elementaren Ladungsträger
  6. Gauss'scher Satz der Elektrostatik – hergeleitet induktiv aus experimentellen Ergebnissen bei einem Plattenkondensator
  7. Wechselstromimpedanz für einen Serienkreis, der R, L und C enthält
  8. Wechselstromimpedanz für einen Parallelkreis, der R, L und C enthält
  9. Magnetische Feldstärke im Mittelpunkt einer sehr kurzen, stromdurchflossenen Spule (Windungszahlen!)
  10. Abhängigkeit der Änderung des Auftreffpunkts des Elektronenstrahls auf dem Schirm eines Oszillosgraphen, von der an einem Plattenpaar angelegten Spannung
  11. Beziehung für die magnetische Feldstärke im Normalabstand \( a \) von einem geradlinigen, unendlich langen stromdurchflossenen Leiter
  12. Coulombsches Gesetz der Magnetostatik im SI- und cgs-System im Vergleich
  13. RC-Kreis: Zeitlicher Anstieg und Abfall der Spannung am Kondensator beim Ein- und Ausschalten
  14. RL-Kreis: Zeitlicher Stromanstieg nach Anlegen einer Spannung an einer Spule, die mit einem Ohmschen Widerstand in Serie geschaltet ist
  15. Beziehung für die Hall-Spannung
  16. 2. Maxwellsche Gleichung: Überleitung von der Differentialform in die Integralform. Was sagen die Formeln in Worten?
  17. Formel für die Kapazität eines Kugelkondensators
  18. Herleitung der Kapazität pro Meter zweier paralleler Drähte mit gegebenem Radius und Abstand, Berechnung der elektrischen Feldstärke entlang der Verbindungslinie bei homogener Ladungsverteilung an der Oberfläche sowie der Spannung zwischen den Drähten
  19. Beziehung für die Rogowski-Spule
  20. Umrechnungsfaktor der SI-Einheit in die jeweilige cgs-Einheit für Stromstärke und Spannung
  21. \( H = \frac{n I}{l} \) aus dem Laplace'schen Gesetz
  22. Magnetische Feldstärke im Zentrum eines stromdurchflossenen Ringleiters
  23. Minuszeichen beim Induktionsgesetz
  24. Drehmoment- bzw. Kraftwirkung auf einen Dipol in einem homogenen und in einem inhomogenen Magnetfeld, sowie dessen Energie
  25. Brechung der B-Linien an einer Mediengrenzfläche
  26. 3. Maxwell'sche Gleichung: Überleitung der Differentialform in die Integralform. Was sagen die beiden Formeln aus (in Worten)?
  27. Gauss'scher Satz für den Plattenkondensator bzw. die Oberfläche einer geladenen Kugel im SI- und cgs-System
  28. Umrechnungsfaktor zwischen Weber und Maxwell (108)
  29. Beziehung für die momentane Wechselstromleistung
  30. Wechselstromimpedanz für einen seriellen und einen parallelen Resonanzkreis mit jeweils R, L und C, hergeleitet in komplexer Schreibweise
Bookmark & Share: