Prüfungs-Protokoll

Experimentalphysik im Vordiplom für Diplomphysiker

(also Prüfungsstoff Elektrizität und Optik)

Prüfer: Prof. E. Riedle

Datum:2005-03-17

Die Fragen, an die ich mich erinnern kann

ZU OPTIK:

Angenommen sie haben eine Lampe und wollen das Licht von ihr auf einen Punkt fokussieren. Wie geht das?

Man stellt eine Sammellinse vor die Lampe, dann wird das Licht in einem Punkt fokussiert. Wenn f=(Brennweite) und g=(Abstand Lampe Linse) und

b=(Abstand Linse Punkt wo Licht hinfokussiert wird) gilt:

1/f = 1/b + 1/g. (mit Skizze).

Wie groß ist das Bild der Lampe, das man erhält?

Wenn G=(Größe der Lampe) und B=(Größe des Bildes) gilt B/g = b/g (mit Skizze).

Wie ginge es noch, das Licht zu bündeln?

Z.B. Parabolspiegel wie in Taschenlampen oder Autoscheinwerfern, wo die Lampe im Brennpunkt ist, so dass das Licht ungefähr parallel aus dem Spiegel rausgeht.

Angenommen sie strahlen jetzt mit einem Laser durch eine Sammellinse. Können Sie das Licht dann exakt auf einen Punkt bündeln?

Nein wegen Linsenfehler.

Noch ein anderer Grund?

Beugung an der Linse mit endlichem Durchmesser, also Delta_theta=1,22*lamda/Durchmesser ...

Wie ist die Abbildung mit dicken Linsen?

Man führt Hauptebenen ein und misst g und b jeweils bis zur jeweiligen Hauptebene. (Skizze hingezeichnet).

Wie berechnet man kompliziertere Linsen-Systeme mit dem Computer?

Matrix-Methode.

Und wie macht man es bei komplizierteren Systemen (ohne paraxialer Näherung)?

Man lässt sich vom Computer den Verlauf einiger Lichtstrahlen ausrechnen und hinzeichnen und schaut dann z.B. wo sich die Strahlen treffen.

Wie ist denn das Licht einer Glühbirne spektographisch verteilt?

Kontinuierlich (Kurve hinzeichnen im Frequenz-Strahlungsdichte Diagramm...) wobei die Frequenz mit maximaler Strahlungsdichte nach dem Wien'schen Verschiebungsgesetz proportional zur absoluten Temperatur T ist und die gesamte abgestrahlte Leistung proportional zu T hoch 4 ist. Bei Glühbirnen ist das meiste abgestrahlte Licht so langwellig, dass man es nicht sehen kann (Infrarot), deshalb werden Glühbirnen heiß und haben schlechten Wirkungsgrad.

Wie ist das Licht aus Glühbirne polarisiert?

Unpolarisiert, weil die heißen Atome im Glühdraht strahlen einfach irgendwie ab.

Wie kann man jetzt von der Lampe polarisiertes Licht kriegen?

Polarisationsfilter davor stellen

Reflexion unter Brewster-Winkel

Glan-Tompson-Polarisator

Nicol'sches Prisma

Strahlteilerwürfel

(Alles nur aufgezählt ohne genauerer Erklärung, ohne Zeichnung)

Kann es eine linear-polarisierte Kugelwelle geben.

[Skizze zu Kugelwelle]

Nein, weil wenn man von einer Strahlungsquelle ausgeht, deren Licht z.B. alles in Y-Richtung polarisiert ist, dann wäre das Licht das sie in Y-Richtung aussendet eine longitudinal-Welle, aber Licht ist (zumindest im Vakuum) nur transversal (dazu Skizze hingezeichnet).

Wie kann man die Stärke von 2 Strahlungsquellen vergleichen?

Mit dem menschlichen Auge direkt nur schlecht.

Fettfleck-Methode.

Lummer-Brohund-Würfel oder wie das auch immer heißen mag.

Eventuell mit Solarzellen (?).

ZU ELEKTRIZITÄT:

Angenommen ich habe Ladungen, was ergibt sich dann?

Elektrische Feldlinien von + zu - (Skizze hingezeichnet).

Wie kann ich das elektrische Feld von mehreren Ladungen berechnen?

Superpositionsprinzip.

Wenn ich jetzt 2 Ladungen in gewissen Abstand habe und weit entfernt bin, löscht sich dann ihr Feld aus?

Nein, wegen Dipolmoment nimmt das Feld wie

(Abstand vom Beobachter zu den Ladungen) hoch 3

ab. Es geht also in großer Entfernung ziemlich schnell gegen Null aber wird nicht exakt null. Könnte man durch Taylor-Reihe mathematisch begründen, die Herleitung hat Prof. Riedle aber nicht verlangt.

Und wie ist es bei Körpern mit sehr vielen Ladungen?

Bei ungeladenen Körpern hat man gleichviele negative wie positive Ladungen, also hebt es sich insgesamt auf. Bei geladenen Körpern interessiert man sich nur dafür wie viele Ladungen der einen Sorte man mehr als von der anderen Sorte hat (Überschuss-Ladungen).

Wie verteilen sich diese Überschuss-Ladungen in einem Körper?

Bei leitenden Körpern auf der Oberfläche weil sie sich abstoßen bzw. im Inneren des leitenden Körpers muss das Feld gleich null sein.

Wie heißt dieses Prinzip?

(Prof. Riedle nennt es Influenz)

Wie kann man allgemein elektrische Felder berechnen...?

Läuft auf Kugelschalentheoreme raus.

Wenn ein Strom durch ein Kabel fließt, was ergibt sich dann?

Ein Magnetfeld außenrum mit rechte Hand-Regel (hingezeichnet).

Wie kann man so was berechnen?

Biosavat'sches Gesetz mit entsprechender Formel hingeschrieben.

Wie noch?

Gauß'scher Satz: Integral im Kreis rum ums Kabel über B ergibt mue_null mal den Strom durchs Kabel.

Was passiert, wenn man durch einen Leiter Wechselstrom fließen lässt?

Er wird zum Dipol und sendet z.B. Radiowellen aus.

Ist im Elektrischen oder magnetischen Feld mehr Energie gespeichert?

Bei elektromagnetischen Wellen (Licht) in beiden gleich viel.

Bei langsam bewegten Ladungen mehr im E-Feld.

Was ist wichtiger: Elektrisches oder magnetisches Feld?

Elektrisches, weil bei Geschwindigkeiten viel kleiner als Lichtgeschwindigkeit kann die magnetische Lorenz-Kraft auf das Teilchen vernachlässigt werden.

Was passiert mit dem B-Feld, wenn ich ein Kabel habe durch das ein Strom fließt und mich genau so schnell wie die im Kabel fließenden Teilchen (Elektronen) bewege?

Dann bewegen sich in meinem Inertialsystem nicht die negativen Elektronen sondern die positiven Atomkerne relativ zu mir, also erzeugt dieser Strom wieder ein B-Feld.

Nein, das hab ich nicht gemeint. Angenommen der Strom besteht nur aus einem Elektronenstrahl und ich bewege mich mit den Elektronen mit, so dass die Elektronen relativ zu mir ruhen.

Dann fließt in meinem Inertialsystem kein Strom, also habe ich kein B-Feld.

Hat man dann nicht in meinem Inertialsystem weniger Energie, weil man keine Energie im magnetischen Feld hat?

(Ich habe gedacht das macht nichts, weil die kinetische Energie ja auch in verschiedenen Inertialsystemen verschieden groß ist. Aber Prof. Riedle hat, wenn ich ihn richtig verstanden habe, erklärt, dass die elektromagnetische Energie in allen Inertialsystemen gleich groß ist und man dann im mitbewegten Inertialsystem zwar keine Energie im B-Feld, dafür aber mehr im E-Feld hat.)

Was passiert wenn man eine Spule anschaltet?

Der Strom nähert sich mit einer bestimmten Kurve (näherungsweise hingezeichnet) dem Maximalen Strom, die genaue Gleichung könnte man über eine Differentialgleichung ausrechnen (war aber zum Glück nicht nötig).

Was passiert, wenn man die Spule wieder "ausschaltet"?

Der Strom will weiterfließen, weil er das Magnetfeld in der Spule erhalten will (Lenz'sche Regel).

Wo nützt man das aus?

Zündspule im Auto und Zünden von Leuchtstoffröhren wo (zumindest bei altmodischen Leuchtstoffröhren-Lampen) der Bi-Metall-Starter sich erwärmt und damit aufmacht...

Und wie ist es, wenn man einen Kondensator "anschaltet"/auflädt?

Die Ladung nähert sich langsam dem Endwert (analog zur Spule, wo sich der Strom dem Endwert nähert).

Wie ist es, wenn man Wechselstrom an Spule oder Kondensator anlegt.

Bei dem Kondensator eilt der Strom der Spannung voraus, bei der Spule hinterher. Das kann auch durch komplexe Widerstände ausgedrückt werden, also 1/(i*omega*t) beim Kondensator und i*omega*L bei der Spule...

Prüfungsdauer: ca. 30 min

Meiner Meinung nach ist Prof. Riedle als Prüfer empfehlenswert. Verlangt nichts Unmögliches. Bei schwierigeren Fragen wie den Magnetfeldern mit bewegten Inertialsystemen erwartet er auch überhaupt nicht, dass man ihm die richtige Antwort gibt. Irgendwelche Herleitungen von Formeln oder derartiges hat er bei mir nicht gefragt. Es lohnt sich auch, die Prüfungsprotokolle von der Fachschaft zu lesen, einige Fragen kamen schon in früheren Prüfungen dran.


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