Physik III Übung 6 - Lösungshinweise

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1 Pysik III Übung 6 - Lösungsinweise Stefan Reutter WiSe 2012 Moritz Kütt Stand: Franz Fujara Aufgabe 1 [H] Rettungsscwimmen Eine Rettungsscwimmerin siet besorgt einer Gruppe Jugendlicer zu, die sic am Strand mit diversen Alkoolika volllaufen lassen und sic in und wieder gegenseitig ins Wasser scubsen. Zu einer späten Stunde passiert es scließlic: einer der Jugendlicen wird abgetrieben und screit nun um Hilfe. Er scafft es gerade so, x = 10 m vom Strand seine Position zu alten, kommt aber aus eigener Kraft nict wieder an den Strand zurück. Idiot x y Weitere Idioten x Rettungsscwimmerin Die Rettungsscwimmerin sprintet los, um den besoffenen Idioten zu retten. Am Strand kann sie 8 m/s laufen, im Wasser aber nur 2 m/s scwimmen. Der Rettungsturm ist zufälligerweise ebenfalls x = 10 m vom Wasser entfernt und y = 50 m in senkrecter Rictung vom Ertrinkenden. Berecne und skizziere den Weg, auf dem die Rettungsscwimmerin am scnellsten zu irem Ziel kommt. Was at das Ganze mit Brecung von elektromagnetiscen Wellen zu tun? Hier andelt es sic natürlic um ein Analogon zum Fermatscen Prinzip. Die Rettungsscwimmerin versuct, genau wie eine Welle, die an einer Grenzfläce zwiscen Medien mit untersciedlicen Lictgescwindigkeiten, die Zeit zu minimieren, die sie zum Ziel benötigt. Daer muss auc die Lösung so ausseen wie beim Fermatscen Prinzip: Es muss das Snelliussce Brecungsgesetz rauskommen. v 1 = sin α v 2 sin β Beim Berecnen aben wir uns leider etwas zu weit aus dem Fenster gelent. Will man das durcexerzieren, kommt eine rect komplizierte Gleicung eraus. Sowas kann man natürlic 1

2 nict in der Klausur nacrecnen, und war eigentlic auc nict Sinn der Aufgabe, desalb sparen wir es uns an dieser Stelle. Aufgabe 2 [H] Die Welle Eine Welle möcte sic in einem Material ausbreiten. Das Material at ein ɛ r = 6 und µ r = 1. a) Wie groß ist die Pasengescwindigkeit? b) Wie groß ist der Wellenwiderstand des Materials? a) v = 1 ɛ0 ɛ r µ 0 µ r = 0.4c b) Z W = µr µ 0 ɛ r ɛ 0 = 153.8Ω Aufgabe 3 [H]: Solarzellen Bei voller Sonneneinstralung fällt auf einen Quadratmeter Erdoberfläce eine Leistung von rund 1000 W. Diese kann man gescickt nutzen - für Pflanzen, um angeneme Temperaturen fürs Eisessen zu gewärleisten, aber auc zur Stromerzeugung: mit Solarzellen. Diese sind Halbleiter. Ire wictigsten elektriscen Eigenscaften kann man über eine Strom- Spannungs-Kennlinie darstellen. Die Kennlinie einer Solarzelle abe die Form I(U) = I S (e eu akt 1) IK Ist die elektrisce Leistung, die man anand dieser Kennlinie berecnen kann, negativ, kann man aus der Solarzelle Energie gewinnen. Wir wollen uns das im Folgenden etwas näer anscauen. a) Wie groß wäre der Wirkungsgrad (bei voller Sonneneinstralung) einer quadratiscen, 20 cm 20 cm großen Solarzelle für eine Spannung von U = 8 V? Die Solarzelle weist einen Kurzsclussstrom I K = 2 A auf, einen Sperrspannungssättigungsstrom I S = 10 ma und einen Diodenfaktor a = 65. Weiterin wird sie bei einer Temperatur T = 300 K betrieben. e ist die Elementarladung, k die Boltzmann-Konstante. b) Bestimme aus den oben angegebenen Parametern die maximale Leistung und den maximalen Wirkungsgrad der Solarzelle. Ermittle die Lösung näerungsweise grafisc. c) Scätze die gesamte abgestralte Leistung der Sonne ab. 2

3 a) Die Leistung ist P = U I = I S U(e λu 1) I K U P(8 V) = 6.7 W wobei λ die ganzen Konstanten im Exponent beinaltet. Für den Wirkungsgrad teilt man noc durc die einfallende Lictleistung von P L = 0.04 m W/m 2 = 40 W η = P P L = 17% b) Wir leiten diese Funktion ab, um deren Minimum zu bestimmen (die Leistung muss so negativ wie möglic sein) dp du = I S(λUe λu + e λu 1) I K! = 0 Das ist so one Weiteres nict nac U auflösbar. Eine Näerungslösung durc Reienentwicklung wäre denkbar, ist aber für Ordnung 2 zu sclect und darüber auc nict gut nac U aufzulösen. Stattdessen lösen wir die Aufgabe grafisc. Wir screiben die Gleicung einmal um IK λu + 1 = + 1 e λu I S Zeicnet man diese beiden Funktionen sorgfältig (eine e-funktion und eine Gerade kann man u.u. noc inbekommen), ergibt sic als Lösung etwas zwiscen 6 und 6.5 V

4 Man kann das Ganze natürlic auc numerisc macen, die Lösung ergibt sic dann zu U = 6.3 V. Die maximale Leistung dort ist fast genau P max = 10 W, was einem Wirkungsgrad von 25% entsprict. c) Der Abstand zwiscen Erde und Sonne beträgt etwa R = m. Die Gesamtleistung der Sonne ergibt sic unter der Anname isotroper Abstralung aus der Intensität als Fläcenintegral P Sonne = 4πR 2 I = W öer. Die Diskrepanz liegt auptsäclic an Inten- In Wirklickeit ist der Wert noc um etwa 1 3 sitätsverlusten in der Erdatmospäre. Aufgabe 4 [H] Stralungsdruck Kennt man die Intensität I einer Welle, kann man über P = I c den Stralungsdruck dieser Welle berecnen. Dies ist tatsäclic mecaniscer Druck. Durc den Stralungsdruck der Sonne werden kleine Teilcen aus dem Sonnensystem inausgewet. Wir betracten nun Teilcen mit der Dicte ρ = 1g/cm 3, die sic im Abstand d zur Sonne befinden. Sie absorbieren Sonnenstralung über iren kompletten Querscnitt πr 2. Bei welcem Radius r gleicen sic Abstoßungskraft der Sonne und Gravitation durc die Sonne gerade aus? Hinweis: Die gesamte von der Sonne abgegebene Leistung P entnemt bitte Aufgabe 3 c). Auf die Teilcen wirken in unserem Fall die Gravitationskraft der Sonne und eine abstoßende Kraft durc den Stralungsdruck. Wir sucen deren Gleiceit, also: F G =F S F G =G m sm d 2 F S =PA = I c πr2 = G m 4 s 3 πr3 ρ d 2 Die Intensität I der Sonnenstralung im Abstand d ängt mit der Leistung der Sonne P s wie folgt zusammen: I = P S 4πd 2 4

5 Einsetzen, Kräfte gleicsetzen, und nac r umstellen: P S 4πd 2 c πr2 = G m s 3 πr3 ρ d 2 3P S r = 16πρGm s c = 0.402µm Dabei wurde mit einer Sonnenleistung von P s = W gerecnet. Die Sonnenmasse war m s = kg Aufgabe 5 [H] Komplizierte Brecung 4 Luft a Die Abbildung zeigt einen Lictstral, der auf eine Glasplatte fällt. Die Platte at die Dicke d und den Brecungsindex n. Ein Teil des Strals wird an der Glasoberfläce reflektiert, ein anderer läuft durc das Glas, und wird am Plattenboden reflektiert. Es resultieren zwei Stralen. Glas Luft d a) Bestimme einen Ausdruck für den Einfallswinkel, bei dem der Abstand a zwiscen beiden resultierenden Stralen maximal ist. b) Wie groß ist dieser Einfallswinkel bei einem Brecungsindex n = 1.6? Welcen Abstand aben die Lictstralen, wenn die Glasplatte d = 5cm dick ist? l α α a α β d ββ a) Wir können aus der Zeicnung folgendes erkennen: l =2d tan β a =l cos α =2d tan β cos α 5

6 Das Brecungsgesetz können wir vereinfacen (n 1 = 1), und aben sin α = n sin β β = arcsin sin α n Wir können das nun in die Gleicung für a einsetzen a = 2d tan arcsin sin α cos α n Hier kann man folgendes benutzen: x tan (arcsin x) = 1 x 2 Einsetzen, anscließend Ableitung nac α bilden: sin α n a =2d 1 cos α sin α 2 n a =2d sin α cos α n 2 sin 2 α da dα = Auf gleicen Nenner bringen sin 2 α n 2 sin 2 α + cos 2 α + sin2 α cos 2 α n 2 sin 2 α n 2 sin 2 α 3/2 da sin 2 α + sin 4 α + n 2 cos 2 α sin 2 α cos 2 α + sin 2 α cos 2 α dα = n2 n 2 sin 2 α 3/2 Und cos 2 α = 1 sin 2 α nutzen: da sin 2 α + sin 4 α + n 2 n 2 sin 2 α dα = n2 n 2 sin 2 α 3/2 = sin4 α 2n 2 sin 2 α + n 2 n 2 sin 2 α 3/2 Für das Extremum muss die Ableitung null werden, dies klappt ier, falls der Zäler null wird. 0 =! sin 4 α 2n 2 sin 2 α + n 2 (sin 2 α) 1/2 =n 2 ± n 4 n 2 =n 1 2 ± 1 1n2 6

7 Der Sinus auf der linken Seite dieser Gleicung ist immer kleiner als 1. Die Lösung mit dem Plus auf der Recten würde jedoc immer größer als eins sein, oder komplex - daer ist die zweite Lösung sinnvoll. Wir aben also sin α =n n 2 α = arcsin n n 2 b) α = arcsin = 48.5 a =2d sin α cos α = 3.5cm n 2 sin 2 α Aufgabe 6 [P,D] Polarisation und Anwendung Jeder weiß: Der Sommer kommt zurück. Auc klar ist, dass dann wieder Sonnenbrillen praktisc sind. Oft werden Sonnenbrillen mit Polarisationsfiltern verkauft. Wieso ist das, insbesondere im Straßenverker, ilfreic? Finde weitere Anwendungen für polarisiertes Lict bzw. Polarisationsfilter im täglicen Leben (nict für Laborexperimente). Lict kann durc Reflexion polarisiert werden. Im Straßenverker gibt es eine ganze Reie von Fläcen, an denen Sonnenlict reflektiert werden kann, z.b. Windscutzsceiben/Hecksceiben/Seitensceiben anderer Autos, die gantzen metalliscen Fläcen etc. Das dort reflektierte Lict, das mic z.b. als nacfolgenden Farradfarer im Auge erreict ist daer fast immer teilweise orizontal polarisiert. Mit einer senkrect polarisierenden Brille kann ic daer viele Störungen/Blendungen vermeiden. Weitere Anwendungen im alltäglicen Leben: 3D Brillen in Kinos (aben in der regel zwei zirkulär polarisierte Gläser - der Projektor wirft zwei gegeneinander verscobene Bilder aus versciedenen Perspektiven an die Wand) Fotograpie: Mit einem entsprecendem Polarisationsfilter ersceint der Himmel dunkler 7

8 Aufgabe 7 [P,D] Brecen Unter Wasser Warum kann man mit einer Taucerbrille unter Wasser viel besser seen als one? Wie kann man es scaffen, knapp unter der Wasseroberfläce trotzdem gut zu seen, wenn man keine Taucerbrille dabeiat? Es gibt einen Fisc, der immer knapp unter der Wasseroberfläce scwimmt, sodass die Hälfte seiner Augen über die Wasseroberfläce ragt. Er kann gleiczeitig in Luft und Wasser scarf seen. Wie eißt der Fisc und wie mact er das? Hinweis: Der Fisc eißt nict Anna. Dass man unter Wasser mit Brille besser siet, liegt daran, dass die Brecungseigenscaften außen an der Linse vom Brecungsindex des Mediums abängen. Wir sind für das Leben an der Luft ausgerüstet und unser Auge ist von Kindesbeinen an darauf trainiert (oder vielleict auc scon genetisc vorprogrammiert), Dinge in der Luft zu erkennen. Da Wasser aber einen öeren Brecungsindex at, landen die Stralen von Objekten nict an der gewonten Stelle sondern vor oder inter der Netzaut und man siet alles unscarf. Moritz Urlaubstipp: Man kann sic auc ein Luftpolster verscaffen, wenn man mit den Fingern Ringe bildet und dict vors Auge ält. Tauct man nun den Kopf mit den Fingern zuerst ein, kann man sic immer noc Korallen anseen. Bei dem Fisc andelt es sic um das Vierauge mit wissenscaftlicem Namen Anableps. Er at zweigeteilte Augen mit zwei Linsen, die versciedene Geometrien aufweisen. So kann er mit der Unterälfte der Augen unter Wasser seen und mit der Oberälfte über Wasser. Aufgabe 8 [P] Noc Ein Fisc Fisce sind scon tolle Tiere. Der sogenannte Scützenfisc at die (äußerst nützlice) Fäigkeit, die Brecung des Licts an der Wasseroberfläce zu berücksictigen, um Insekten in der Luft zu jagen. Der Scützenfisc Karl-Otto at eine saftige, auf einem Blatt sitzende, Fliege erspät und will sie nun erscießen. Er siet sie unter einem Winkel von 20 zur Vertikalen, sein Auge ist 2 cm unter der Wasseroberfläce. Sein Maul ist in orizontaler Rictung 1 cm näer an der Fliege als das Auge, und genau an der Wasseroberfläce. Die Fliege sitzt in 10 cm Höe über dem Wasser. Unter welcem Winkel zur Vertikalen muss Karl-Otto spucken, um die Fliege zu treffen? 8

9 γ β A α=20 x A Die Skizze stellt die Situation dar. x BI, X BA und x BM sind die orizontale Entfernung vom Lictbrecpunkt zum Insekt, Auge und Maul. x ist die Entfernung zwiscen Maul und Insekt. tan γ = x x BI = x + x BM tan γ = x BI x BM x A = x BA + x BM tan β = x BI tan γ = tan β x A + x BA tan α = x BA A tan γ = tan β x A + A tan α 9

10 Nun muss man noc das Brecungsgesetz einsetzen, um tan β zu bestimmen. sin α sin β = 1 n = 3 4 n sin α tan (arcsin (n sin α)) = 1 (n sin α) 2 tan γ = n sin α x 1 (n sin α) 2 A + A tan α γ = 25.9 Zur Info: β = 27.1, ist also noc ein Stückcen flacer, das mact immerin 2.7 mm auf die Entfernung aus. Würde der Fisc einfac unter α spucken (also dain, wo er die Fliege siet), landet er sogar 1.2 cm daneben - obwol der Winkel scon ser steil ist, ergibt sic also noc eine durcaus nict unereblice Abweicung. Aufgabe 9 [P] Holleiter Wir betracten einen quadratiscen Holleiter der Seitenlänge 3 cm. Ein Wellenpaket legt in seinem Inneren eine Strecke von 100 m in 1 µs zurück. a) Wie groß ist die Pasengescwindigkeit in diesem Leiter? b) Wie groß ist die Wellenlänge der Welle im Vakuum? Wir betracten eine Mode mit E in y-rictung, die sic in z-rictung entlang des Leiters ausbreitet. Am Rand des Holleiters muss das elektrisce Feld dann 0 sein, da die Wand in die gleice Rictung wie das E-Feld zeigt, was bei einem idealen Leiter nict get. Zwiscen den Wänden bildet sic eine steende Welle aus. Es muss gelten k x = π a wobei a die Seitenlänge des Leiters ist. In y-rictung nemen wir die Welle als konstant an (das ist die niedrigste Mode). Also ist 2π k 2 = k 2 x + k2 z = λ ω = ck = c k 2 x + k2 z v P = ω k z = c k k z = c k 2 v G = ω k z = c k z k 2 x + kz 2 k 1 kx k c = 2 1 λ 2 2a λ 1 2a = c k z k = c2 v P = c 2 10

11 a) Die Gruppengescwindigkeit ist gegeben. Wir verwenden v P v G = c 2 v G = 100 m 1 µs v P = c2 v G = 3c = 10 8 m/s c 3 b) Wir stellen die Gleicung für die Gruppengescwindigkeit oben nac λ um λ = 2a 1 vg c 2 8 = 6 cm = 5.7 cm 9 11