Physik Sexl 6 RG, Schulbuch

um den Faktor ( 1 / 2000 ) 2 = 2 , 5 · 10 –7 abnimmt. Ins- gesamt wird die Intensität in 2 km Entfernung auf 2 , 5 · 10 –11 W/m 2 reduziert und damit wird das Schallsignal wegen Umgebungsgeräuschen un- hörbar. Tiefe Frequenzen werden weniger ge- dämpft und sind daher weiter zu hören. 40 10 Wecker 41 x = 2960m 42 s = 17m 43 a) 1 , 85 · 10 6 J ; b) 231 km/h ; c) Wale orientieren sich mit Ultraschall nach dem Echoverfahren. 44 a) λ ​ _​ 2 = a = 2 , 35m : Die Grundschwingung be- trägt 72 , 34Hz ; die ersten 5 Oberschwingungen sind: 144 , 68Hz ; 217 , 02Hz ; 289 , 36Hz ; 361 , 70Hz und 434 , 04Hz . ​ λ ​ _​ 2 = b = 1 , 55m : Die Grundschwingung beträgt 109 , 68Hz ; die ersten 5 Oberschwingungen sind: 219 , 36Hz ; 329 , 04Hz ; 438 , 72Hz ; 548 , 4Hz und 658 , 08Hz . ​ λ ​ _​ 2 = h = 2 , 6m : Die Grundschwingung beträgt 65 , 38Hz ; die ersten 5 Oberschwingungen sind: 130 , 76Hz ; 196 , 14Hz ; 261 , 52Hz ; 326 , 90Hz und 392 , 28Hz . b) Die Grundfrequenzen entsprechen der Stimmlage Bass und Bariton, also der Stimm- lage von Männern. Die normale Sprechstimme von Männern liegt bei 100 – 150Hz . Frauenstim- men liegen beim normalen Sprechen eine Okta- ve höher ( 200 – 300Hz ) . 45 Grundfrequenz: f 1 = 3000Hz ; 1 . Oberton: f 2 = 6000Hz . 46 a) Es fehlen alle Obertöne mit n = 2 , 4 , 6 , 8 usw., denn diese haben in der Mitte der Saite einen Knoten. b) f 9 ist daher der 4 . Oberton = 3960Hz . 47 c beträgt bei 440Hz 440m/s . Daraus erhält man l ( 550Hz ) = 40 cm . 48 Beim Vorbeifahren ändert sich die Hupfre- quenz von f 1 = f /( 1 – v / c ) auf f 2 = f /( 1 + v / c ) . Aus f 1 / f 2 = 4 / 5 = ( 1 – v / c ) /( 1 + v / c ) ergibt sich: v = 37 , 8m/s = 136 km/h . 49 a) 7 , 5mm/s , b) 1 , 5m/s 50 bei Annäherung: f B = 1 , 059 f Q , v = 19 , 11m/s = 68 , 79 km/h Bei Entfernung: f B = f Q / 1 , 059 , v = 20 , 24m/s = 72 , 85 km/h , Elektrische Ströme und Felder 1 Ladung und Spannung 51 F el = 2 , 3 · 10 –8 N , F G = 1 , 02 · 10 –47 N . Die elektrische Kraft ist um den Faktor ca. 2 · 10 39 stärker! 52 Wenn zwei unterschiedliche Metalle einan- der berühren, tritt eine Kontaktspannung auf: Die „unedleren“ Metalle geben leichter Elektro- nen ab als die „edleren“, so dass Elektronen flie- ßen. Dies gilt auch, wenn die Metalle indirekt durch einen Metalldraht verbunden sind. Damit ein dauernder Strom fließt, müssen an der ne- gativen Elektrode laufend Elektronen freige- setzt und an der positiven „entsorgt“ werden. Dies geschieht durch chemische Reaktionen des Elektrodenmaterials mit weiteren Substanzen. Die frei gesetzte elektrische Energie kann ge- nutzt werden. 53 Amalgam ist eine Quecksilberlegierung, es ist unedler als Gold. Im Mund fließt dadurch ständig elektrischer Strom. Außerdem kommt es zu einer Zersetzung des Amalgams, wodurch Quecksilber im Mund frei wird. Das ist unge- sund, weil Quecksilber giftig ist. 54 Besonders unangenehm ist der Reiz, wenn Aluminiumfolie eine metallische Zahnfüllung berührt. Die beiden verschiedenen Metalle bilden mit dem Speichel als Elektrolyt eine Batterie. Der Zahnnerv kann durch den Strom schmerzen. 2 Stromkreis 55 a) I = 20 , 9 A . b) U (Leitung) = 20 , 9 V , U (Motor) = 209 , 1 V 56 I = 0 , 2 A 57 R = 19 , 17 Ω 58 I = 1 , 2 · 10 –4 A = 0 , 12m A 3 Spannungsteilung und Stromverzweigung 59 Alle 3 hintereinander: R = 18 Ω . 2 parallel mit dem 3. in Serie: R = 9 Ω . 2 in Se- rie mit dem 3. parallel: R = 4 Ω ; alle 3 parallel: R = 2 Ω 60 R 1 = R 2 = R 3 = 139 , 39 Ω 61 12 , 5 cm 62 Der Gesamtwiderstand muss 5 V / 0 , 02 A = 250 Ω sein. Der Widerstand des Lämpchens ist 2 V / 0 , 02 A = 100 Ω . Der Vorwider- stand muss 150 Ω betragen. 63 I 3 = 4 · 10 –7 A , ist praktisch null! 64 a) I = 20 , 0m A . b) I = 19 , 7m A . Bei konstanter Spannung der Quelle sinkt die Stromstärke, da der Gesamtwiderstand im Stromkreis größer wurde. 65 R = 44 Ω 66 a) R = 530 Ω , I = 0 , 43 A , P = 99 , 8 W b) R = 53 Ω , I = 4 , 34 A , P = 998 , 1 W 67 a) P = 72 W . b) W = 72 · 3 · 3600 Ws = 778 kJ 68 W = 30 · 8 · 3 600 · 1 800 Ws = 1 , 56 · 10 9 Ws = 432 kWh ; Kosten: 86 , 4 € (bei Kosten von 0 , 20 € / kWh) . 4 Elektrisches Feld 69 Q ​≈​ 10 –7 C 71 Nach dem allgemeinen Wechselwirkungs- gesetz müssen die Kräfte gleich groß sein. Sie betragen 0 , 9 N . 71 a) F = 2 , 3 · 10 –8 N . b) F = 1 , 0 · 10 –47 N . c) Die Gravitationsanziehung ist also rund 39 Zehnerpotenzen schwächer als die elektrische Anziehung. d) v = e · 9 ______________ 1 /( 4 π · ε 0 · m e · r ) ​≈​ 1 , 6 · 10 6 m/s e) I = e / T = e · v /( 2 · π · r ) ​≈​ 0 , 4m A 72 F = 2 , 3 · 10 –10 N . Die Kraft nimmt reziprok zum Quadrat des Abstands ab, beim zehnfachen Ab- stand ist sie auf 1% gesunken. 73 a) 8 , 4 · 10 7 V b) 0 , 177 C 74 E = 220 eV = 35 , 2 · 10 –18 J ; v = 9 · 10 6 m/s 75 a) 89 μ F b) 1 , 1 V ; 11 kV 76 Q = C · U , C = ε 0 A / d . C = 8 , 85 · 10 –11 F ; Q = 8 , 85 · 10 –7 C = 8 , 85 · 10 –7 A · s; I = 8 , 85 · 10 –4 A ; nein, da bereits für den einstündigen Betrieb einer 100 -W -Lampe ein Kondensator mit etwa 6 F notwendig wäre. Begründung: 100 W Leistung erfordern bei der Netzspannung von 230 V ei- nen Strom von 0 , 435 A . Innerhalb einer Stunde wäre die Ladung von 0 , 435 · 3600 A · s = 1565 C geflossen. Um sie zu speichern, braucht man bei 230 V Spannung eine Kapazität von 1565 / 230 C / V = 6 , 8 F ! 77 C = 8 , 85 · 10 –12 F ! 78 Q / A = E · ε 0 = 10 7 · 8 , 85 · 10 –12 · C/m 2 = 8 , 85 · 10 –5 C/m 2 ; Q = 8 , 85 · 10 –5 · 10 5 C ​≈​ 10 C : daher I = 10 4 A . 79 C = ε r · ε 0 · A/d = 0 , 35 μ F 5 Elektrischer Strom und Magnetfeld 80 a) B = µ o · N · I/l = 314 µT b) B = µ r · µ o · N · I/l = 0 , 377 T 81 a) r e = m e · v/(q · B) = 1 , 1 mm b) r a = 9 ________ ( 2 m a · E a )/( q · B ) = 4 , 81 cm 82 F = B · I · s = 8 · 12 · 10 3 · 1 N . Das Magnetfeld ruft pro Meter Wicklung bei einer Stromstärke von 12 kA eine Kraft von 96 kN hervor. 121 | Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv