Hilfe bei Physik verschiedene Aufgaben?

Hallo,

Könnt ihr mir bei den Nachfolgenden Aufgaben helfen? Ich weiß zwar meistens, was gewollt ist, aber keinen Lösungsansatz.

Aufgabe 1:

Töpfe werden oft aus Edelstahl hergestellt. Da Edelstahl verhältnismäßig schlechte Eigenschaften in Bezug auf Wärme hat, wird der Boden von Kochtöpfen aus Edelstahl und Edelstahlpfannen aus mehreren Schichten aufge- baut. Dieser Aufbau wird als Sandwichhoden bezeichnet. Häufig werden in den Böden Schichten aus Aluminium oder Kupfer verwendet.

a) Begründen Sie anhand einer physikalischen Größe, warum ein Kupfer- oder Aluminiumboden im Topf zum

Kochen mit einem Gas- oder Elektroherd besser geeignet ist! ) Prüfen Sie, b ob die spezifische Wärmekapazität der unterschiedlichen Bodenmaterialien relevant ist. Verglei-

chen Sie dazu den Energieaufwand zum Erwärmen von 2 Litern Wasser von Zimmer- (20°C) auf Siedetempe- ratur mit den folgenden Töpfen:

Edelstahltopf mit Kupferkern

Edelstahltopf mit Aluminiumkern

Edelstahltopf mit massivem Edelstahlboden

Die Kerne haben eine Dicke von 0,7 cm und einen Durchmesser von 15 cm. Die Gesamtmasse eines jeden Topfes betrage dabei stets 2,5 kg, was durch unterschiedlich dicke Wandstärken des Edelstahlbleches realisiert wird.

Gehen Sie davon aus, dass sich der Topf ebenfalls vollständig auf die Siedetemperatur des Wassers erwärmt! Beziehen Sie zudem nur die Erwärmung der Topfimaterialien und des Wassers in die Rechnung mit ein! c) Real ist der Energiebedarf deutlich höher. Geben Sie zwei Begründungen an! Welchen Einfluss hat der in a) genannte Vorteil von Kupfer oder Aluminium auf diese beiden Gründe?

Aufgabe 2:

Eine Monozelle des Typs Mignon AA wurde experimentell untersucht. Dazu wurde ein Schaltkreis mit einem cinstellbaren ohmschen Widerstand, einem Schalter, einem Spannungs- und einem Stromstärkemessgerät aufge- baut. Die Schaltung wurde stromrichtig geschaltet. Bei Öffnung des Schalters fließt durch das ohmsche Wider- standsbauteil zwar kein Strom mehr, die Spannungsmessung bleibt aber weiterhin aktiv. Die Innenwiderstände der beiden Messgeräte bleiben bei den experimentellen Auswertungen unberücksichtigt. Folgende Werte wurden gemessen:

U in V | 1,50 | 1,49 | 1,46 | 1,44 | 1,40 | 1,34

I in mA | 0 | 50 | 200 | 300 | 500 | 800

a) Zeichnen Sie einen Schaltplan der Experimentieranordnung b) Stellen Sie die Abhängigkeit der Spannung U von der Stromstärke I in einem Diagramm dar. Interpretieren Sie die Darstellung im Diagramm. c) Berechnen Sie anhand der Angaben die Kurzschlussstromstärke und den Innenwiderstand der Monozelle.

Aufgabe 3 (Ihr müsst nicht das Experiment nachmachen, sondern nur so ungefähre Werte wären gut):

Drei Physiker diskutieren, welchen Einfluss die Verunreinigungen von Wasser mit Salz bzw. Zucker hinsichtlich des Brechungsverhaltens beim Übergang des Lichts von Luft in Wasser haben. Physiker 1 behauptet: „Es wird wohl geringe Unterschiede geben. Sie werden aber wohl so klein sein, dass sich beim Experimentieren aufgrund der Messungenauigkeit kaum signifikante Unterschiede zeigen werden." Physiker 2 sagt: „Die Brechung wird mit höherem Salz- und Zuckergehalt deutlich stärker ausfallen. Ob Saiz oder Zucker beigemischt wird, ist dabei egal." Physiker 3 meint: Mit höherem Salzgehalt wird die Brechung etwas stärker ausfallen als im normalen Wasser Mit höherem Zuckergehalt wird die Brechung dagegen etwas schwächer ausfallen." Überprüfen Sie experimentell, inwiefern die Physiker mit ihren Aussagen richtig oder falsch liegen. Untersuchen Sie dazu die Abhängigkeit der Größe des Brechungswinkels ß von der Größe des Einfallswinkels a für folgende Flüssigkeiten: Leitungswasser, Salzwasser mit geringem Salzgehalt, Salzwasser mit gesättigtem Salzgehalt, Zu- ckerwasser mit geringem Zuckergehalt; Zuckerwasser mit gesättigtem Zuckergehalt. Variieren Sie dabei a von 0° bis fast 90" und stellen Sie die Ergebnisse in einem ẞ(a)-Diagramm dar, welches die Abhängigkeit des Brechungswinkels vom Einfallswinkel für die fünf verschiedenen Flüssigkeiten darstellt. Ferti- gen Sie ein Protokoll an, indem auch Fotos von der Versuchsdurchführung zu sehen sind.

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Warum erzeugen die Freiheitsgrade Vibration & Rotation eigentlich keine Erwärmung?

Temperatur ist eine thermodynamische Größe die alleine durch translation erzeugt wird.

Jetzt könnte man natürlich hinterfragen, wie dann eine Mikrowelle, die Energie in ein System pumpt welche dann anfangs als Rotation der Wassermoleküle gespeichert wird zu einer Temperaturerhöhung führt... das liegt daran, dass diese Energie schnell auf alle andere Freiheitsgrade verteilt wird - eben auch Translation (was bei Festkörpern eher ein wackeln um einen festen Punkt ist [jedoch nicht dasselbe wie der Vibrationsfreiheitsgrad]).

Nun Frage ich mich aber ganz allgemein, warum führt bloß Translation zu einer Erwärmung des Körpers? Rotation & Vibration sind doch ebenso Arten von Bewegungen und besitzen kinetische Energie - diese Bewegungen sind doch aller höchstens nicht ganz so umfangreich wie die Translationsbewegung aber deshalb tragen sie gar nicht zur Temperatur bei?? Klar, die dortige Energie wird immer wieder in Translation umverteilt etc., aber nehmen wir doch einfach für einen Moment an, dass es keine Translation gibt, nur Rotation und Vibration.

Warum müssen sich Molekül als ganzes (Translation ) für Erwärmung bewegen?

Man sieht auch anhand dieses Diagramms, dass die Wärmekapazität erst mit Rotation und Vibration steigt, eben weil die dortige gespeicherte Energie nicht zur Temperaturerhöhung führt und entsprechend mehr Energie rein muss um T weiter zu erhöhen:

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Wie funkieren Infrarot Filter durch Absorption?

Wenn IR Strahlung durch die Moleküle in einem solchen Filter absorbiert wurde, dann wird die Energie in Thermische Energie umgewandelt. Gleichzeitig wird im thermischen Gleichgewicht nun Schwarzkörperstrahlung abgegeben, die größtenteils bei Raumtemperatur im IR Bereich liegt.

Wie also kann zB. ein IR Absorptionsfilter in einer Brille das Auge schützen, wenn der Filter die IR Strahlung direkt wieder selber emittiert?

Praktisch kann ich mir bloß vorstellen, dass die Thermische Energie statt durch Wärmestrahlung schneller durch Konvektion und Wärmeleitung in die umgebende Luft abgegeben wird.

Follow up Frage:

Generell hinterfrage ich momentan auch den Unterschied zwischen Absorbern und Reflektoren auf der Wechselwirkungsebene zwischen Licht und Materie:

  • Ein Absorber kann durch seine spezifischen Eigenschaften Photonen bestimmter Energien absorbieren, was zu einem zu Temperaturerhöhung führt (Translation, Rotation, Vibration) und bei Passender Energie zu angeregten Elektronenzuständen. Die thermische Energie wird durch schwarzkörperstrahlung abgegeben, die angeregten Elektronenzustände fallen wieder zurück und emittieren ein Photon mit gleicher Energie?
  • Bei einem Reflektor bin ich mir noch unsicherer, manche behaupten, dass ein Reflektor direkt so absorbiert, dass nichts in thermische Energie umgewandelt wird, sondern direkt ein Elektron angeregt wird und durch das sofortige zurückfallen ein Photon mit gleicher Energie emittiert wird (zum Beispiel durch verbotene energiezustände im Energieband von Kristallstrukturen). Doch das erklärt beispielsweise nicht, warum beim zurückfallen in den Grundzustand ein Photon in die Richtung emittiert wird, die dem Reflektionsgesetz folgt. Andere behaupten, dass bei Betrachtung von reflektionserscheinungen besser die Wellenvorstellung benutzt werden sollte und beim reflektieren nichts absorbiert und wieder emittiert wird, in dem Sinne wäre ein Absorber ja eigentlich dann auch bloß ein Reflektor.
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