Physik M
14.3.2014

Name
Matrikelnr.


Problem 1

Zwei Metallkugeln sind elektrisch geladen. Kugel 1 mit Ladung 3×10-6 C ist an der Position

\[ \begin{equation} \large \vec{r}_1=3 \hat{x}- 5 \hat{y}+7 \hat{z}\hspace{0.5cm}\text{[cm]} \end{equation} \]

und Kugel 2 mit Ladung -5×10-6 C an der Position

\[ \begin{equation} \large \vec{r}_2=-4 \hat{x}+ 6 \hat{y}+8 \hat{z}\hspace{0.5cm}\text{[cm]} \end{equation} \]

Welche elektrostatische Kraft wirkt auf die Kugel 2?

$\vec{F} = $ $\hat{x} + $ $\hat{y} + $ $\hat{z}$ [N] 

Was ist das elektrische Feld an der Position $\vec{r}=0$?

$\vec{E} = $ $\hat{x} + $ $\hat{y} + $ $\hat{z}$ [V/m] 


Problem 2
Die Bahnkurve eines Teilchens der Masse $m=$ 33 g ist,

\[ \begin{equation} \large \vec{r}(t)= \left(t+\cos(3t)\right) \,\hat{x}+\left(t+ \sin(3t)\right)\,\hat{y}\hspace{0.5cm}\text{[m].} \end{equation} \]

Dabei ist $t$ die Zeit in Sekunden.

$y$

$x$

Welche Kraft wirkt auf das Teilchen zur Zeit $t=1$ s?

$\vec{F} = $ $\hat{x} + $ $\hat{y} + $ $\hat{z}$ [N] 


Problem 3

Ein Gewicht der Masse 2 kg wird an einer NICHT linearen Feder angebracht. Die Federkraft ist $F_{\text{feder}} = -3x|x|$ N. $x$ ist hierbei die Auslenkung von der Feder in Meter. Das Gewicht schwingt horizontal auf einem Tisch mit einer Reibungskraft, die entgegen der Richtung der Geschwindigkeit des Gewichts zeigt, $F_{fric}= -0.1\frac{dx}{dt}$ N.

Bei $t=0$ s:  $x=0$  m, $\frac{dx}{dt}=1$ m/s.

Wo ist das Gewicht zum Zeitpunkt $t=3$ s?

$x = $ [m]

Dieses Problem muß numerisch gelöst werden.


Problem 4
Laserlicht mit einer Wellenlänge von 623 nm scheint durch einen Einfachspalt der Breite 20 μm. Das Beugungsmuster wird auf einem Schirm beobachtet. Der Laser ist einen Meter links und der Schirm ist einen Meter rechts von dem Spalt positioniert. Wie breit ist das zentrale Maximum des Beugungsmusters (gemessen vom ersten Minimum links des Maximums bis zum ersten Minimum rechts des Maximums)?

$d = $ [m]


Problem 5
Eine gekrümmte Grenzfläche schneidet die optische Achse an $(x=0,y=0)$. Die Grenzfläche hat den Radius $R=5$ cm und ist zentriert um $C$. Der Brechungsindex links der Grenzfläche ist $n_1=1$ und rechts davon $n_2=2$. Ein Lichtstrahl (rot) wird von der Quelle $S$ (3 cm links von der Grenzfläche) emittiert und trifft auf die Grenzfläche am Punkt $P\,(x=0.101, y=1)$ cm. Ein Teil des Strahles wird reflektiert und ein Teil wird gebrochen. Der reflektierte Strahl ist blau und der gebrochene rot dargestellt. Wie groß ist der Winkel $\theta_2$?

$\theta_2 = $ [rad]


Problem 6
Ein vorbeifahrender Zug pfeift mit einer Frequenz von 440 Hz. Die Position der Dampfpfeife des Zuges ist durch den Vektor gegeben:

\[ \begin{equation} \large \vec{r}_1(t)= 20t\hat{x} \,\text{[m].} \end{equation} \]

Dabei ist $t$ die Zeit in Sekunden. Ein Mädchen auf einem Fahrrad hat die Position,

\[ \begin{equation} \large \vec{r}_2(t)= -3t\hat{y}\,\text{[m].} \end{equation} \]

Welche Frequenz hört das Mädchen an $t=6$ s?

Die Schallgeschwindigkeit ist $c=$ 340 m/s.

$\tilde{f}=$ [Hz]