Prüfung aus Physik IV (PHB4) 26. Januar 2010

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1 Fachhochschule München FK06 Wintersemester 2009/10 Prüfer: Prof. Dr. Maier Zweitprüfer: Prof. Dr. Herberg Prüfung aus Physik IV (PHB4) 26. Januar 2010 Zulassungsvoraussetzungen:./. Zugelassene Hilfsmittel: Formelsammlung (wird ausgegeben), Taschenrechner (nicht alphanumerisch) Bearbeitung der Aufgaben auf dem Angabenblatt! Das Angabenblatt muss abgegeben werden! Arbeitszeit: 90 min. Name:... Vorname:... Studiengruppe:... Saal-Nr.:... Platz-Nr.:... Unterschrift:... Aufsicht:... Hinweis: Leichter Aufgabenüberhang! Aufgabe 1: (Welleneigenschaften) 7 P Das Magnetfeld einer Lichtwelle in einem isotropen Medium schwingt parallel zur y-achse gemäß B y B sin( t kz) mit: ˆ0 a) In welcher Richtung breitet sich die Welle aus? ˆ 5 2 B Vs/m = /s; k = /m E b) Wie groß ist die Brechzahl n und die Wellenlänge 0? c) Wie groß ist die Amplitude des E-Feldes? B d) Die Abbildung rechts zeigt eine Momentaufnahme des elektromagnetischen. Feldes. Bewegt sich die Welle in die Papierebene hinein oder aus ihr heraus? (Begründung) PHB4_PR_WS0910_Site.doc

2 Aufgabe 2: (Akustik) 6 P Ein isotrop, kugelförmig abstrahlender Lautsprecher erzeugt in einem Abstand von 1,0 m einen Schall(druck)pegel von L P = 65 db. a) Wie groß ist die Schallintensität I in 1 m Abstand vom Lautsprecher? b) Wie groß ist die Gesamt-Schallleistung des Lautsprechers? c) Wie weit ist der Lautsprecher zu hören, wenn dafür der Pegel größer/gleich dem Hintergrundgeräusch von 40 db sein muss? Seite 2/6 Aufgabe 3: (Reflexion) 11 P Ein unpolarisierter Lichtstrahl verläuft innerhalb einer Glasplatte (n = 1,7) und wird an der Grenzfläche zur umgebenden Luft reflektiert bzw. gebrochen. a) Berechnen Sie den Grenzwinkel der Totalreflexion G Luft (n = 1,0) b) Berechnen Sie den Brewsterwinkel B Glas (n = 1,7) Die folgenden Fragen behandeln das Reflexionsvermögen R S und R P für senkrecht bzw. parallel polarisiertes Licht. c) Berechnen Sie R S und R P für senkrechten Lichteinfall (α = 0). d) Wie groß sind R S und R P am Brewsterwinkel B? (wenn b nicht gelöst wurde, dann mit B = 45 weiterrechnen) e) Zeichnen Sie den Verlauf für R P und R S ein (ohne zu rechnen!! aber so gut als möglich) 1 Reflexion 0, Einfallswinkel in

3 Aufgabe 4: (Strahlungsdruck) 6 P Ein HeNe-Laser hat eine Leistung von 5 mw bei einer Wellenlänge von 633 nm. Der Strahl wird von einer Linse zu einem kreisrunden Fleck fokussiert, dessen effektiver Durchmesser 2 Wellenlängen beträgt. a) Berechen Sie die Intensität des fokussierten Laserstrahls. Seite 3/6 r b) Berechnen Sie den Strahlungsdruck, der auf eine vollkommen absorbierende Kugel ausgeübt wird, welche den selben Durchmesser hat wie der fokussierte Strahl. c) Berechnen Sie die Kraft, die auf die Kugel ausgeübt wird. d) Welche Beschleunigung erfährt die Kugel hierbei? (Dichte: = 4, kg/m 3, V = (4 /3)r 3 ) Aufgabe 5 (Praktikum Michelson-Interferometer) 4 Punkte Ergänzen Sie die Skizze zu einer Schemazeichnung des Michelson-Interferometeres. Zeichnen Sie den genauen Strahlenverlauf und fügen Sie Bezeichnungen für die Komponenten ein.

4 Seite 4/6 Aufgabe 6: (Polarisation) 7 P In den folgenden 3 Abb. breitet sich Licht in z-richtung aus und trifft dabei auf eine Polfilter-Anordnung. a) Hier trifft linear (in y-richtung) polarisiertes Licht auf einen mit rotierenden Polfilter. Welchen Intensitätsverlauf I(t) erhält man am Ausgang des Polfilters? (saubere Auftragung I = I(t) über 1 Periode, Startlage des Polfilters = 45 -Richtung beachten!) x z I(t) y t I(t) = T/4 (90 ) T/2 (180 ) 3T/4 (270 ) T (360 ) b) Hier trifft rechts zirkular polarisiertes Licht auf einen mit rotierenden Polfilter. Welchen Intensitätsverlauf erhält man am Ausgang des Polfilters? (saubere Auftragung I = I(t) über 1 Periode, Startlage des Polfilters = x-richtung) x z I(t) y t I(t) = T/4 (90 ) T/2 (180 ) 3T/4 (270 ) T (360 ) c) Hier trifft unpolarisiertes Licht auf eine Anordnung von drei Polfiltern, wobei der vordere und hintere feststehen (Durchlassachse wie gezeichnet). Der mittlere dreht sich mit der Frequenz. (saubere Auftragung I = I(t) über 1 Periode, Startlage beachten!) (Hinweis: cos sin = 1/2 sin2 ) x I(t) z y unpol. t I(t) = T/4 (90 ) T/2 (180 ) 3T/4 (270 ) T (360 )

5 Seite 5/6 Aufgabe 7: (Interferenz) 5 P An den planparallelen Innenflächen einer leeren Küvette der Schichtdicke d für die IR-Spektrometrie kann es zu Interferenzerscheinungen kommen. Bei der Wellenzahl ~ m = 1370 cm -1 und bei der Wellenzahl ~ m 1 = 1375 cm -1 beobachtet man aufgrund dieses Effekts bei senkrechtem Einfall eine Verstärkung der Transmission ( ~ 1/ ; m ist die Interferenzordnung) m m Transmission d m m+1 λ n = /cm -1 a) Geben Sie die Bedingungen für eine Verstärkung bei den Wellenzahlen ~ m 1 und ~ m an. b) Bestimmen Sie die Schichtdicke d der Küvette. Aufgabe 8: (Beugung) 5 P Auf ein 5 mm breites Transmissionsgitter mit 600 Strichen pro mm trifft Licht der Wellenlänge = 500 nm senkrecht auf. a) Wie groß ist die Gitterkonstante d? b) Bis zu welcher Ordnung m ist die Beugung zu beobachten? c) Wie groß darf der Wellenlängenunterschied zweier Linien bei 500 nm sein, damit sie vom Gitter in 3. Ordnung noch aufgelöst werden können.

6 Seite 6/6 Aufgabe 9: (Kurzfragen) 14 P 9.1 Eine Reihe von Dipolantennen wird von einer Radiowelle angestrahlt. Die Dipole haben einen Abstand von d = 1,5. Unter welchem Winkel müssen die Dipolantennen angestrahlt werden, damit sich in Richtung der Verbindungsgerade (siehe Skizze) ein Maximum der Abstrahlung ergibt? Einstrahlung Abstrahlung 9.2 Welche Eigenschaft des Lichtes zeigt, dass es eine transversale Welle sein muss? 9.3 Spiegel bestehen oft aus einer dünnen Goldschicht auf einem Glassubstrat. Für Gold gilt bei = 589 nm: n = 0,37 ; = 4,9. Berechnen Sie den Reflexionsgrad R und die Eindringtiefe bei der Wellenlänge = 589 nm. 9.4 Für Kalkspat gilt: n o = 1,65846; n ao = 1, Wie dick muss ein Plättchen aus Kalkspat mindestens sein, um die Polarisationsrichtung von Licht der Wellenlänge = 633 nm um 90 zu drehen. 9.5 Die sog. Winkeldispersion D eines Gitters ist gegeben durch d D d Zeigen Sie, dass für ein Transmissionsgitter gilt D (tan )/. Viel Erfolg! Ende der Aufgaben