Systeme der Physik
Fragenkatalog THGA Bochum
Fragenkatalog THGA Bochum
Kartei Details
| Karten | 118 |
|---|---|
| Lernende | 21 |
| Sprache | Deutsch |
| Kategorie | Elektrotechnik |
| Stufe | Universität |
| Erstellt / Aktualisiert | 23.06.2015 / 17.03.2025 |
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Wie kann man Energie in einem System speichern? Was ändert sich in einem System, wenn in ihm Energie gespeichert wird?
Energie lässt sich in einem System speichern, in dem dessen Zustand verändert wird:
• entspannte Feder wird um Strecke s gedehnt / komprimiert: E (s) = ½ D s 2 ,
• Körper auf eine bestimmte Geschwindigkeit v beschleunigen: E (v) = ½ m v 2 ,
• Körper im Gravitationsfeld vom Boden auf Höhe z anheben: E (z) = m g z ,
• Wasser in einen Gummiballon (gegen den herrschenden Druck) hineinpumpen
• Volumen eines Gases in einem Gefäß über einen Kolben komprimieren (V1 -> V2):
\(\Delta\)E = n R T ln (V1 / V2)
Wie lautet der Ausdruck für die Energie einer Feder (Federkonstante D)?
E (s) = ½ D s 2\(E(s)={1\over2} Ds^2\)
Was muss man tun, damit man in einer Schraubenfeder Energie speichern kann?
- Komprimierung der Feder durch externe Kraft
- Hooke'sches Gesetz: Die Feder muss nach dem Hooke'schen Gesetz gehorchen, das besagt, dass die zurückgegebene Kraft einer Feder proportional zur Verformung der Feder ist.
Wie lautet der Ausdruck der (Rückstell-)Kraft F(s) einer Feder und in welchem Zusammenhang steht F(s) zur Energie E(s) einer Feder?
Rückstellkraft: \(F_F(s):=-{dE(s)\over ds}=-D*(s-s_0),[F]={J\over m}={Nm\over m}=N\)
\(E(s)={1\over 2}D(s-s_0)^2+E_0\)
Wie ist das Potential \(\varphi_X\) einer mengenartigen Größe X definiert? In welcher Beziehung steht das Potential \(\varphi_X\) zur Energie E?
Energiebeladungsmaß ( = Potential \(\varphi_X\)) des Energieträgers X
\(\varphi_X={\Delta E\over\Delta X}\)
Wie kann man den Begriff Potential \(\varphi_X\) einer mengenartigen Größe X am besten erklären?
\(\Delta\varphi_X\)bezeichnet die Potentialdifferenz zwischen Eingang und Ausgang beim Energieempfänger oder zwischen Hin– und Rückleitung des Energieträgerstroms.
Nennen Sie Beispiele für Prozesse, bei denen Energie zur Erzeugung von Wärme / Entropie benutzt wird?
- Heizungssystem
- Öl- und Gasheizungen
- Wärmepumpe
- Industrielle Trocknungsprozesse um die Feuchtigkeit aus Materialien zu entfernen
Skizzieren Sie das Energieflussdiagramm für einen realen verlustbehafteten
Energieumlader am Beispiel eines E-Motors? Was unterscheidet das Energieflussdiagramm
eines realen Energieumladers von dem eines idealen Energieumladers?
Wie ein normales Diagramm nur zusätzlich noch ein Energieaustausch zur Luft. (Abwärme)
Wie lautet die Gleichung für die Energiestromstärke \(I_E\), falls die Energie E nur von
einem Energieträger X abhängt?
\(I_E:={\Delta E\over\Delta t}\)
Wie lautet der Ausdruck für die innere Energie \(E_0\) eines ruhenden Körpers mit der Masse m?
\(E_0=mc^2\)
Ist ein voll aufgeladener Akku schwerer als ein leerer Akku? Begründen Sie Ihre Antwort ausführlich.
Ja.
Energie ist das Produkt aus Masse und das Quadrat der Lichtgeschwindigkeit. Die Lichtgeschwindigkeit bleibt immer gleich, daher kann nur die Masse geringer werden, wenn die Energie in der Batterie abnimmt.
Die Temperatur eines Stücks Kupfer werde um 10 Kelvin erhöht. Was folgt daraus für die im Kupferstück enthaltene Energie und was folgt deswegen für die Masse des Kupfersstücks? Begründen Sie Ihre Antwort ausführlich.
Dem Kupferstück werde mit dem Träger Entropie (= Wärme) die Energiemenge \(\Delta E\) zugeführt, wodurch sich seine Temperatur um \(\Delta T\) = 10 K (Kelvin) erhöhe.
Nach den Gesetzen der Thermodynamik ergibt sich die zugeführte Wärmeenergiemenge
\(\Delta E = \Delta Q\) gemäß \(\Delta Q =c_pm\Delta T\) wobei \(c_p\) die spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck ist.
Damit resultiert mittels Energie-Masse-Relation (\(\Delta E=\Delta mc^2\) ) daraus eine Massenzunahme.
Wie lautet die Bilanzgleichung für die Energie E? Die Energie ist eine Erhaltungsgröße. Was bedeutet das?
\({dE\over dt}=I_E+\sum_E\)
In einem geschlossenen System bleibt die Summe der Energie immer gleich.
Wie lautet die Energie-Impuls-Beziehung E(p) für einen bewegten Körper (Masse m, Geschwindigkeit v, Impuls p), falls dessen Geschwindigkeit v viel kleiner als die Lichtgeschwindigkeit c ist?
\(E(p)={1\over 2m}p^2+E_0 , E_0:=E(p_0=0)\)
Wie lautet die Energiebilanzgleichung des bewegten Körpers?
\(\dot{E}=I_E=v*I_p\)
Eine mit einer Handkurbel versehene Winde ist über einen Treibriemen mit einen elektrischen Generator verbunden. Durch Drehen der Winde wird der Treibriemen in Bewegung versetzt und damit der Generator angetrieben. Welche physikalische Größe fungiert hier als Energieträger?
Skizzieren Sie die Konfiguration und zeichnen Sie den Energieträgerstrom und den Energiesstrom IE ein. Wie lautet hier die Gleichung für den Energiestrom IE?
Fließt der Energiestrom durch den oberen oder den unteren Teil des Treibriemens?
Kinetische Energie
Durch den oberen Teil
Eine Schraubenfeder sei mit ihrem linken Ende fest mit einer Wand verbunden. Das rechte Ende der Schraubenfeder sei über ein Seilstück mit einer Motorwinde verbunden, die über ihr Gehäuse mit dem Erdboden verankert sei. Zu Beginn (t = 0) sei die Schraubenfeder entspannt. Anschließend (t > 0) werde die Schraubenfeder über die Motorwinde um die Strecke \(\Delta s\) über ihre Ruhelänge s0 hinaus gedehnt und anschließend unter Spannung gehalten.
Während des Dehnprozesses bewege sich das rechte Ende der Feder mit der konstanten Geschwindigkeit v > 0 nach rechts. Das linke Federende dagegen bleibe währenddessen in Ruhe (Geschwindigkeit v = 0).
Wie lautet der Ausdruck für die Energiestrom IE in diesem Fall?
Wieviel Energie \(\Delta E\) ist in die Feder geflossen?
Hinweis: Für die Feder darf das Hookesche Gesetz (Ip(s) = D s) angenommen werden.
\(I_E(s)=v(s)*D(s-s_0)\)
\(\Delta E={1\over 2}D(\Delta s)^2={1\over2D}I_p^2\)
Eine Eisenkugel (Masse m) sei über ein Schraubenfeder mit der Querstange eines Stativs verbunden, welches mit dem Erdboden verankert sei.
Woran erkennt man, dass ein ständiger Impulsstrom von der Eisenkugel ausgehend durch die Schraubenfeder noch oben fließen muss?
Woher stammt der Impuls, der aus der Eisenkugel kommend nach oben wegfließt?
Wohin fließt der Impuls nach dem er das obere Ende der Schraubenfeder erreicht hat?
Da die Feder unter Zugspannung steht.
Körper absorbiert permanent Impuls p aus g-Feld, der seinerseits von Erde E (Körper) kontinuierlich an das g-Feld abgegeben (emittiert) wird.
Über das Stativ in die Erde
Gegeben sei die folgende Konfiguration: Eine Eisenkugel (Masse m) sei über ein Seil mit der Welle einer Motorwinde verbunden, die an der Querstange eines Stativs montiert ist, welches wiederum fest mit dem Erdboden verankert sei. Die Eisenkugel hänge in einer Höhe z1 über dem Erdboden.
Anschließend werde die Eisenkugel von der Motorwinde um die Strecke \(\Delta z=z_2-z_1\) nach oben in die Höhe z2 (z2 > z1) befördert und bleibe dort hängen.
Welche Gesamtenergie E1 / E2 hat die Eisenkugel in der Höhe z1 / z2? Beachten Sie, dass der Zustand der Kugel in z1 und z2 gleich ist: z1: E0, m, v1 = 0, p1 = 0; z2: E0, m, v2 = 0, p2 = 0.
Das Hinaufziehen der Kugel durch die Winde kostet zweifellos Energie (\(\Delta E\)). In welchem System (Gravitationsfeld oder Kugel) kann diese Energie nur gespeichert sein?
Wie groß ist die von der Motorwinde aufgebrachte Energie \(\Delta E\)?
\(E_1=E_0=mc^2\)
\(E_2=E_0\)
Die Energie wird im Gravitationsfeld gespeichert
\(\Delta E=mg(z_1-z_2)\)
Wie lautet der Ausdruck der Energie E(\(\omega\)) eines mit der Winkelgeschwindigkeit \(\omega\) rotierenden Schwungrades (Masse m, Radius R, Massenträgheitsmoment J) als Funktion von \(\omega\)? Rechnen Sie den Ausdruck der Energie mittels L = J \(\omega\) auf den Drehimpuls L um.
\(E(\omega)={1\over 2}J\omega^2+E_0\)
Eine Welle (= homogener Vollzylinder, Radius r, Länge L, Schubmodul G), dessen linkes Ende fixiert sei (\(\omega_0\) = 0), werde mittels einer am rechten Ende befestigten Kurbel, durch Drehen der Kurbel mit der konstanten Winkelgeschwindigkeit \(\omega\) während der Zeitspanne \(\Delta t\) um den Torsionswinkel \(\varphi\) verdrillt.
Wie lauten die Ausdrücke für den Drehimpulsstrom IL durch die Welle und den Energiestrom IE in die Welle?
Welcher Energiebetrag \(\Delta E\) wurde durch das Tordieren um den Winkel \(\varphi\) in der Welle gespeichert?
\(I_L={\pi\over2l}Gr^4\varphi=D*\varphi\)
\(I_E=\omega I_L=\omega D*\varphi\)
\(\Delta E={1\over 2}I_E\Delta t={1\over 2}\omega I_L\Delta t={1\over 2}\omega D*\varphi\Delta t={1\over 2}D*\varphi\omega\Delta t={1\over 2}D*\varphi^2\)
Wie ist Größe Impuls in der klassischen Mechanik definiert?
Der Impuls p eines Objektes mit der Masse m und der Geschwindigkeit v ist durch das folgende kapazitive Gesetz gegeben:
\(\vec p=m\vec v\)
Erläutern Sie wie man den Impuls über den total inelastischen Stoß direkt messen kann. Verwenden Sie als Beispielszenario zwei Gleiter auf einer Luftkissenfahrbahn.
Gleiter 1 mit der Masse m1 bewege sich auf einer Luftkissenbahn. Es wird die Geschwindigkeit v1 von Gleiter 1 gemessen. Gleiter 1 stößt auf den in Ruhe befindlichen Gleiter 2, welcher die Masse m2 besitzt. Beide Gleiter bewegen sich weiter mit derselben Geschwindigkeit v2, welche wiederum gemessen wird.
Da die Massen der beiden Gleiter bekannt sind und die Geschwindigkeiten gemessen wurden ergibt sich daraus.
\(p_1=m_1v_1\)
\(p_2=(m_1+m_2)v_2\)
Was bildet den Antrieb für einen Impulsstrom? Wann fließt ein spontaner Impulsstrom?
Geschwindigkeitsdifferenz \(\Delta v=v_A-v_B\) treibt Impulsstrom Ip an.
Ein spontaner Impulsstrom tritt immer dann auf, wenn sich der Impuls innerhalb eines Systems ohne äußere Einwirkungen ändert.
Welche Größe fungiert als Potential für den Impuls?
Was bildet also den Antrieb für einen Impulsstrom?
Geschwindigkeit v
Eine Kraft
Geben Sie die Bilanzgleichung für den Impuls an. Der Impuls ist eine Erhaltunggröße in der Physik. Was bedeutet das?
\({d\vec p\over dt}=\vec I_{p,netto}=\vec I_p^{in}+\vec I_p^{out}\)
In einem geschlossenen System ist die Summe der Impulse immer gleich
Was versteht man unter konduktivem (leitungsartigem), was unter konvektivem Impulstransport und was beschreibt eine Impulsquelle?
- Beim konduktiven (leitungsartigen) Impulstransport wird Impuls durch ein System, beispielsweise ein Festkörper (Stange, Seil, Feder, ...) hindurch geleitet.
- Beim konvektiven Transport wird Impuls zusammen mit bewegter Materie transportiert.
Eine Person zieht über ein Seil einen Wagen nach rechts. Welche Art von Impuls fließt über das Seil in welche Richtung? Zeichnen Sie außerdem den Impulsstrom in das Bild ein.
positiver Impuls
Der Impuls geht bei allen Szenarien immer in die Richtung der Bewegung und der Impulsstrom geht in Richtung des Objektes und durch den Boden zurück zur Quelle.
Eine Person drückt über eine Stange einen Wagen vorwärts nach rechts. Welche Art von Impuls fließt über die Stange in welche Richtung? Zeichnen Sie außerdem den Impulsstrom in das Bild ein.
positiver Impuls
Der Impuls geht bei allen Szenarien immer in die Richtung der Bewegung und der Impulsstrom geht in Richtung des Objektes und durch den Boden zurück zur Quelle.
Eine Person zieht mit konstanter Kraft von 10 N horizontal am rechten Ende eines Seil, dass mit seinem linken Ende an einer Wand befestigt ist. Warum handelt es sich hierbei um einen geschlossenen Impulsstromkreis? Zeichnen Sie den Impulsstrom in das Bild ein.
- In einem geschlossenen Impulsstromkreis steht stets ein Teil des Kreises unter Zugspannung und ein anderer Teil unter Druckspannung.
- Impulsstrom ist eine Kreis vom Menschen aus über das Seil in die Wand, in den Boden, zurück zum Menschen
Betrachten Sie einen sich zwischen zwei horizontalen Federn eingespannten Klotz, der horizontal über eine ebene Unterlage gleite. Der Klotz bewege sich im Moment der Betrachtung gerade mit der Geschwindigkeit v nach rechts. Zeichnen Sie alle vorkommenden Impulsströme in das Bild ein.
Vom Klotz durch die Federn in den Boden
Geben Sie die Impulsbilanzgleichung in der üblichen Gestalt an, d.h. mit Kräften.
\({d\vec p\over dt}=\vec F_{netto}\)
Was versteht man unter einem Kraftstoß? Wie hängen Kraftstoß und Impuls zusammen?
Kräfte wirken i. A. während eines endlichen (!) Zeitintervalls auf ein Objekt ein.
=> Begriff des Kraftstoßes.
Wie lautet der Energie-Impuls-Zusammenhang E(p) für einen Körper (Ruhemasse m), der sich mit der Geschwindigkeit v << c geradlinig bewegt?
\(E(p)=E_0+{1\over 2m}p^2\)
Wie ist die dynamische Geschwindigkeit v definierbar, sofern man den Energie-Impuls-Zusammenhang E(p) als bekannt voraussetzen darf?
\(v=\sqrt{2E\over m} \)
Was versteht man unter einem dissipativen Impulsstrom? Was bildet den Antrieb für einen dissipativen Impulsstrom?
- Da bei allen Reibungsprozessen der den Impulsstrom begleitende Energiestrom zur Wärmeerzeugung eingesetzt wird, spricht man in diesen Fällen von dissipativen Impulsströmen.
- Strömungswiderstandskraft \(F_W\)
In der nachfolgenden Abbildung sind drei unterschiedliche dissipative Impulsströme
dargestellt: (a) Festkörperreibung, (b) Lineare Reibung (z. B: Stoßdämpfer) und
(c) quadratische Reibung (z. B: Luftwiderstand).
Geben Sie für jede der drei Situationen die sog. \(\Delta v\) -F -Kennlinie, also den Zusammenhang
zwischen der Impulsstromstärke F und der Geschwindigkeitsdifferenz \(\Delta v=v_A-v_B\) an.
Erklären Sie wie zwei Körper, die keinen direkten Kontakt haben, über eine räumliche Distanz Impuls austauschen können. Nennen Sie ein Beispiel für diese Art von Impulstransport.
Dies Wechselwirkung wird durch ein Feld vermittelt.
Z.B. Gravitationsfeld
Ein Klotz (Masse m) hängt an einem Federkraftmesser, der an einer Stativstange befestigt ist und über seine Auslenkung einen dauerhaften Impulsstrom anzeigt.
Erläutern Sie, welche Art von Impuls dort eigentlich fließt und woher er stammt.
Impuls kommt aus g-Feld in den Körper, geht über die Federwaage, durch den Ständer in die Erde und von dort wieder ins g-Feld.
Es ist ein geschlossener Impulsstromkreis.
Geben Sie den Ausdruck für die mechanische Arbeit W bei konstant einwirkender Kraft \(\vec F\) an.
\(W=F*s=FScos(\varphi) , \varphi=\sphericalangle(\vec F,\vec s)\)
