Om løsningsforslaget: Dette er et veiledende løsningsforslag laget av eksamenssett.no.
Det kan finnes alternative fremgangsmåter som også gir riktig svar.
Del 1
Oppgave 1 – Flervalgsoppgaver
Oppgave
Svar
a
C
b
D
c
D
d
A
e
A
f
A
g
C
h
C
i
D
j
A
k
C
l
C
m
D
n
A
o
B
p
B
q
B
r
D
s
D
t
B
a) Relativ usikkerhet i \(y\)
\(v\)
den horisontale farten kula har ut fra bordkanten Enhet: \(\mathrm{m/s}\)
\(x\)
horisontal avstand fra bordet til der kula treffer gulvet Enhet: \(\mathrm{m}\)
\(y\)
høyden av bordet Enhet: \(\mathrm{m}\)
\(g\)
tyngdeakselerasjonen, regnes som eksakt her Verdi: \(9{,}81\ \mathrm{m/s^2}\)Enhet: \(\mathrm{m/s^2}\)
\(\Delta y\)
usikkerheten i høyden \(y\) — i usikkerhetsregning betyr \(\Delta\) usikkerhet, ikke endring Enhet: \(\mathrm{m}\)
\(\Delta x\)
usikkerheten i avstanden \(x\) Enhet: \(\mathrm{m}\)
\(\Delta v\)
usikkerheten i farten \(v\) Enhet: \(\mathrm{m/s}\)
\(\displaystyle \dfrac{\Delta(x^n \cdot y^m \cdots)}{x^n \cdot y^m \cdots} = \dfrac{|n| \cdot \Delta x}{x} + \dfrac{|m| \cdot \Delta y}{y} + \dots\)relativ usikkerhet i et produkt av potenser: eksponenten ganges inn (\(\Delta x\) er usikkerheten i \(x\))I formelvedlegget
Ei kule sendes med horisontal fart \(v\) utfor kanten av et bord. Kula treffer gulvet i en horisontal avstand \(x\) fra bordet. Høyden \(y\) av bordet er gitt ved \(y = \dfrac{gx^2}{2v^2}\). Relativ usikkerhet for \(x\) er 1 %, og for \(v\) er 2 %. Hva er relativ usikkerhet for \(y\)?
A 3 %
B 5 %
C 6 %
D 9 %
Relativ usikkerhet i et produkt/kvotient er summen av de relative usikkerhetene, der eksponenter teller som multiplikator. Vi antar at \(g\) er eksakt.
(Merk: \(x\) opptrer i andre potens, og \(v\) opptrer i andre potens i nevneren.)
Svar: C – 6 %
Vanlig feil: Mange velger A (3 %) fordi de bare legger sammen de relative usikkerhetene direkte (1 % + 2 % = 3 %) uten å ta hensyn til eksponentene. Andre velger B (5 %) fordi de dobler bidraget fra \(v\), men glemmer at også \(x\) står i andre potens. Dette er feil fordi eksponentene i formelen må brukes som multiplikatorer: \(x\) står i andre potens, så dens bidrag er \(2 \cdot 1\,\% = 2\,\%\), og \(v\) står også i andre potens (i nevneren), så dens bidrag er \(2 \cdot 2\,\% = 4\,\%\). Totalt blir det \(2\,\% + 4\,\% = 6\,\%\).
b) Kloss trukket med kraft – friksjonskraft
\(F\)
kraften som trekker klossen skrått oppover Enhet: \(\mathrm{N}\)
\(\alpha\)
vinkelen mellom kraften \(F\) og horisontalen Enhet: \({}^{\circ}\)
\(\displaystyle R = \mu N\)friksjonskraften ut fra normalkraftenI formelvedlegget
\(\displaystyle F_y = F\sin\alpha\)vertikalkomponenten av en kraft som danner vinkelen \(\alpha\) med horisontalenMå kunnes
En kloss blir trukket med konstant fart av en kraft \(F\) som danner vinkel \(\alpha\) med horisontalen. Friksjonstallet er \(\mu\). Hva er riktig uttrykk for størrelsen av friksjonskraften?
A \(\mu mg\)
B \(\mu F\cos\alpha\)
C \(\mu F\sin\alpha\)
D \(\mu(mg - F\sin\alpha)\)
Kraften \(F\) har en vertikal komponent \(F\sin\alpha\) oppover som avlaster normalkraften. Vertikalt likevekt:
\[ N + F\sin\alpha = mg \quad \Rightarrow \quad N = mg - F\sin\alpha \]
Friksjonskraften er:
\[ R = \mu N = \mu(mg - F\sin\alpha) \]
Svar: D – \(\mu(mg - F\sin\alpha)\)
Vanlig feil: Mange velger \(\mu mg\) (uten korreksjon for kraften) fordi de glemmer at den vertikale komponenten av \(F\) reduserer normalkraften. Dette er feil fordi når man trekker skrått oppover, løfter kraften delvis klossen, slik at underlaget bærer mindre vekt. Normalkraften blir \(N = mg - F\sin\alpha\), ikke bare \(mg\).
c) Snorkrefter – lodd med tre snorer
\(m\)
massen til loddet Enhet: \(\mathrm{kg}\)
\(S_1\)
snorkraften i snor 1, som danner \(30^\circ\) med horisontalen Enhet: \(\mathrm{N}\)
\(S_2\)
snorkraften i snor 2, som danner \(60^\circ\) med horisontalen Enhet: \(\mathrm{N}\)
\(S_3\)
snorkraften i den vertikale snor 3, som holder loddet Enhet: \(\mathrm{N}\)
\(\displaystyle \Sigma\vec{F} = \vec{0}\)likevekt i knutepunktet: kraftsummen er null (Newtons 1. lov)I formelvedlegget
\(\displaystyle \begin{aligned} S_x &= S\cos\alpha \\ S_y &= S\sin\alpha \end{aligned}\)komponentene av en snorkraft som danner vinkelen \(\alpha\) med horisontalenMå kunnes
Et lodd med masse \(m\) henger i ro. Snor 1 og snor 2 danner vinkler på henholdsvis 30° og 60° med horisontalen. Snor 3 er vertikal og holder loddet. Sammenlign snorkreftene \(S_1\), \(S_2\) og \(S_3\).
A \(S_1 = S_2 = S_3\)
B \(S_1 = S_2 < S_3\)
C \(S_2 < S_1\)
D \(S_1 < S_2\)
Løsningsfigur. Fordi 30° + 60° = 90°, står de to snorene vinkelrett på hverandre. Pillengdene 1,30, 2,25 og 2,60 er i forholdet 0,5 : 0,87 : 1 — altså mg/2, 0,87mg og mg.
Oppgaveteksten sier at snor 1 danner 30° og snor 2 danner 60° med horisontalplanet. Snor 1 er altså den slakeste (nærmest horisontal) og snor 2 er brattere (nærmest vertikal).
Vanlig feil: Mange velger at \(S_1 > S_2\) fordi de forveksler vinklene – de tror den slakkeste snoren må bære mest last. Dette er feil fordi snor 2, som danner 60° med horisontalen (altså er brattere), har en større vertikal komponent og må dermed bære en større del av tyngden. Den slakke snoren (30° med horisontalen) har en liten vertikal komponent og bærer derfor minst.
snorkraften fra snora på kula Enhet: \(\mathrm{N}\)
\(\displaystyle a = \dfrac{v^2}{r}\)sentripetalakselerasjonen i sirkelbevegelse, rettet mot sentrumI formelvedlegget
\(\displaystyle \Sigma\vec{F} = m\vec{a}\)Newtons 2. lov: kraftsummen gir akselerasjonenI formelvedlegget
Ei pendelkule svinger fram og tilbake. Vi ser på kula når den passerer det nederste punktet i pendelbevegelsen. Hvilken figur viser best kreftene som virker på kula?
A Pil rett opp og pil rett ned fra kula; pila opp er tydelig lengre enn pila ned.
B Pil rett opp og pil rett ned fra kula, omtrent like lange.
C Kort pil rett opp og lengre pil rett ned fra kula.
D Pil rett opp og pil rett ned fra kula, omtrent like lange, og i tillegg en vannrett pil mot høyre.
Løsningsfigur. Snorkraftpila er 1,49 ganger så lang som tyngdekraftpila — samme forhold som er målt i alternativ A i oppgavesettet (422 px mot 283 px).
I det nederste punktet har kula fart og følger en sirkelbane. Kreftene som virker:
Tyngdekraften \(mg\) peker rett ned.
Snorkraften \(S\) peker rett opp (langs snora mot festepunktet).
Siden kula har sentripetalakselerasjon oppover (mot sentrum av sirkelbanen), må \(S > mg\). Begge kreftene er vertikale, og snorkraften er større enn tyngden. Intuitivt kan man tenke at snoren ikke bare må holde kula oppe mot tyngdekraften, men også sørge for den innoverrettede akselerasjonen som holder kula i sirkelbanen. Derfor må snorkraften alltid være større enn tyngden i det laveste punktet.
Svar: A – Snorkraft oppover (lang pil) og tyngdekraft nedover (kort pil), begge vertikale
Vanlig feil: Mange velger figuren der snorkraft og tyngdekraft er like store fordi de tenker at kula «henger i ro» i det laveste punktet. Dette er feil fordi kula ikke er i statisk likevekt – den beveger seg i en sirkelbane og trenger en netto oppoverrettet kraft (sentripetalkraft) for å endre bevegelsesretning.
snorkraften fra snora på kula, langs snora Enhet: \(\mathrm{N}\)
\(\theta_0\)
vinkelutslaget i ytterstillingen, målt fra loddlinja Enhet: \({}^{\circ}\)
\(\theta\)
vinkelen fra loddlinja der kula er i figuren Enhet: \({}^{\circ}\)
\(v\)
farten til kula i punktet i figuren Enhet: \(\mathrm{m/s}\)
\(L\)
lengden av snora, radien i sirkelbanen Enhet: \(\mathrm{m}\)
\(\displaystyle a = \dfrac{v^2}{r}\)sentripetalakselerasjonen i sirkelbevegelse, rettet mot sentrumI formelvedlegget
\(\displaystyle \Sigma\vec{F} = m\vec{a}\)Newtons 2. lov: kraftsummen gir akselerasjonenI formelvedlegget
\(\displaystyle \begin{aligned} E_k &= \tfrac{1}{2}mv^2 \\ E_p &= mgh \end{aligned}\)kinetisk energi og potensiell energi i tyngdefeltet nær jordaI formelvedlegget
\(\displaystyle G_r = mg\cos\theta\)tyngdekomponenten langs snora når \(\theta\) er målt fra loddlinjaMå kunnes
Ei pendelkule svinger fram og tilbake. Vi ser på kula når den passerer punktet vist i figuren. Hvilken figur viser best kreftene som virker på kula?
A Lang pil skrått oppover mot høyre langs snora, tydelig lengre enn pila rett ned fra kula.
B Pil skrått oppover mot høyre langs snora, litt kortere enn pila rett ned fra kula.
C Kort pil skrått oppover mot høyre langs snora og en mye lengre pil rett ned fra kula.
D Pil skrått oppover mot høyre langs snora (litt kortere enn pila ned), en kort pil skrått nedover mot høyre og en pil rett ned fra kula.
Vinklene er målt i originalfiguren ved 300 dpi: snorlengden er 360,4 px, kula står 29,95° fra vertikalen, og buen går fra −50,0° til +49,9° om samme festepunkt.
To krefter virker på kula:
Tyngdekraften \(mg\) – peker rett ned.
Snorkraften \(S\) – peker langs snora mot festepunktet (skrått oppover).
Buen i figuren viser hele svingningen. Den er symmetrisk om vertikalen, med ytterstillinger ved \(\theta_0 = 50°\) (målt i originalfiguren), mens kula er tegnet inne i buen, ved omtrent \(\theta = 30°\) fra vertikalen. Kula er altså ikke i ytterstillingen – den passerer punktet med fart \(v \neq 0\), akkurat som i oppgave d).
Energibevaring fra ytterstillingen \(\theta_0\) til vinkelen \(\theta\):
Snorkraften er altså større enn tyngdekraften. Konklusjonen er robust: med \(\theta = 30°\) er \(S > mg\) for alle amplituder \(\theta_0 > 37°\). Pilen for snorkraften skal derfor være lengre enn pilen for tyngdekraften, og den skal peke langs snora. Bare én av figurene har \(S > mg\).
Svar: A – Snorkraft langs snora (lang pil), tyngdekraft rett ned (kortere pil)
Vanlig feil: Mange leser figuren som om kula står stille i ytterstillingen og regner \(S = mg\cos 30° \approx 0{,}87\,mg\) – da havner man på figuren der snorkraftpila er litt kortere enn tyngdekraftpila. Dette er feil fordi buen i figuren fortsetter forbi kula på begge sider: kula passerer punktet med fart, og sentripetalleddet \(mv^2/L\) løfter snorkraften over \(mg\). En annen vanlig feil er å tegne inn resultanten (den tangentielle nettokraften) som en egen kraftpil – resultanten er en følge av \(S\) og \(mg\), ikke en tredje kraft.
f) Kloss på skråplan med luftmotstand – programmering
farten til klossen langs skråplanet, positiv nedover Enhet: \(\mathrm{m/s}\)
\(s\)
strekningen klossen har gått nedover planet (programvariabel) Enhet: \(\mathrm{m}\)
\(sinu\)
programvariabel for \(\sin u\), her 0,5
\(dt\)
tidssteget i koden Enhet: \(\mathrm{s}\)Også skrevet \(\Delta t\)
\(a\)
akselerasjonen til klossen langs skråplanet, positiv nedover Enhet: \(\mathrm{m/s^2}\)
\(u\)
helningsvinkelen til skråplanet Enhet: \({}^{\circ}\)Også skrevet \(\alpha\)
\(\displaystyle \Sigma\vec{F} = m\vec{a}\)Newtons 2. lov: kraftsummen gir akselerasjonenI formelvedlegget
\(\displaystyle L = kv\)luftmotstand som er proporsjonal med fartenI formelvedlegget
\(\displaystyle G_x = mg\sin u\)tyngdekomponenten langs et skråplan med helningsvinkel \(u\)Må kunnes
\(\displaystyle v = v_0 + at\)ny fart etter ett tidssteg (linje 11 i koden)I formelvedlegget
En kloss glir nedover et skråplan. Vi ser bort fra friksjonen mellom klossen og underlaget, men ikke fra luftmotstanden. Luftmotstanden er proporsjonal med farten. Programmet finner farten klossen har i bunnen av skråplanet. Hva er riktig kode for linje 10: \(a = \)?
1 k = 0.70
2 m = 2.0
3 g = 9.81
4 v=0
5 s=0
6 sinu = 0.5
7 dt = 0.00001
8
9 while s < 0.5:
10 a=
11 v = v + a*dt
12 s = s + v*dt
13
14 print(v)
A a = g*sinu – k*v/m
B a = g*sinu + k*v/m
C a = – g*sinu – k*v/m
D a = – g*sinu + k*v/m
Langs skråplanet (positiv retning nedover) virker:
Tyngdekomponent nedover langs planet: \(g\sin u\)
Luftmotstand oppover langs planet (motvirker bevegelsen): \(\frac{kv}{m}\)
Akselerasjonen nedover langs skråplanet:
\[ a = g\sin u - \frac{kv}{m} \]
I koden: a = g*sinu - k*v/m
Svar: A – a = g*sinu - k*v/m
Vanlig feil: Mange velger a = g*sinu + k*v/m (med pluss) fordi de glemmer at luftmotstanden alltid virker mot bevegelsesretningen. Dette er feil fordi luftmotstanden bremser klossen, og når positiv retning er nedover langs planet, må luftmotstanden trekkes fra – den virker oppover langs planet.
g) Prosjektil – største høyde
\(v\)
startfarten til prosjektilet Enhet: \(\mathrm{m/s}\)Også skrevet \(v_0\)
\(\theta\)
utskytingsvinkelen i forhold til horisontalen Enhet: \({}^{\circ}\)Også skrevet \(\alpha\)
den vertikale komponenten av startfarten Enhet: \(\mathrm{m/s}\)Også skrevet \(v_{0y}\)
\(h_{\text{maks}}\)
største høyde prosjektilet når over utskytingsstedet Enhet: \(\mathrm{m}\)
\(\displaystyle v^2 - v_0^2 = 2as\)fart og strekning ved konstant akselerasjon, uten tidI formelvedlegget
\(\displaystyle v_{0y} = v_0\sin\theta\)vertikal startfart når \(\theta\) er vinkelen med horisontalenMå kunnes
Et prosjektil blir skutt ut fra bakkenivå med fart \(v\) og vinkel \(\theta\) i forhold til horisontalen. Se bort fra luftmotstand. Hva er den største høyden prosjektilet får?
A \(\dfrac{v^2\sin\theta}{2g}\)
B \(\dfrac{v^2\cos^2\theta}{2g}\)
C \(\dfrac{v^2\sin^2\theta}{2g}\)
D \(\dfrac{v^2\sin^2\theta}{g}\)
Vertikal startfart: \(v_y = v\sin\theta\). I det høyeste punktet er vertikalfarten null:
Vanlig feil: Mange velger \(\dfrac{v^2}{2g}\) (uten \(\sin^2\theta\)) fordi de bruker totalfarten \(v\) i stedet for den vertikale komponenten. Dette er feil fordi det kun er den vertikale startfarten \(v\sin\theta\) som bestemmer høyden. Den horisontale komponenten påvirker ikke bevegelsen i vertikal retning.
h) Lekebil – horisontalt kast med mindre fart
\(v\)
farten utfor bordkanten Enhet: \(\mathrm{m/s}\)
\(t\)
falltiden fra bordkanten til gulvet Enhet: \(\mathrm{s}\)
farten lekebilen treffer gulvet med Enhet: \(\mathrm{m/s}\)
\(v_x\)
horisontal fart, uendret under fallet Enhet: \(\mathrm{m/s}\)
\(v_y\)
vertikal fart når lekebilen treffer gulvet Enhet: \(\mathrm{m/s}\)
\(\displaystyle s = v_0 t + \dfrac{1}{2}at^2\)strekning ved konstant akselerasjon; vertikalt er \(v_0 = 0\) og \(a = g\)I formelvedlegget
\(\displaystyle v = v_0 + at\)vertikal fart etter tida \(t\): \(v_y = gt\)I formelvedlegget
\(\displaystyle v = \sqrt{v_x^2 + v_y^2}\)farten ut fra komponentene (Pytagoras)Må kunnes
En lekebil med fart \(v\) triller utfor enden av et bord og treffer gulvet 1,0 m fra bordet målt horisontalt. Lekebilen triller på nytt utfor enden med mindre fart. Se bort fra luftmotstand.
A Lekebilen bruker lengre tid fra bordkanten til gulvet den andre gangen.
B Lekebilen treffer begge gangene gulvet 1,0 m fra bordet målt horisontalt.
C Lekebilen treffer gulvet med mindre fart den andre gangen.
D Lekebilen treffer gulvet med større fart den andre gangen.
Horisontalt kast: I et horisontalt kast er de to bevegelseskomponentene uavhengige av hverandre. Tyngdekraften virker kun vertikalt, så den horisontale farten påvirker ikke den vertikale bevegelsen. Falltiden bestemmes derfor kun av høyden og er uavhengig av horisontalfarten:
\[ t = \sqrt{\frac{2h}{g}} \]
Med lavere horisontal fart er falltiden den samme, men horisontal avstand blir kortere. Farten ved gulvet er \(v_{\text{gulv}} = \sqrt{v_x^2 + v_y^2}\), der \(v_x = v\) er farten utfor bordkanten. Vertikalfarten \(v_y = gt\) er lik begge gangene, men med lavere \(v_x\) blir totalfarten lavere.
Svar: C – Lekebilen treffer gulvet med mindre fart den andre gangen
Vanlig feil: Mange velger at lekebilen treffer gulvet med lik fart begge gangene fordi de tenker at energien er den samme (kun bestemt av høyden). Dette er feil fordi totalfarten ved gulvet er \(v_{\text{gulv}} = \sqrt{v_x^2 + v_y^2}\). Selv om vertikalfarten \(v_y\) er lik (bestemt av fallhøyden), gir lavere horisontalfart \(v_x\) lavere totalfart.
i) To stjerner i sirkelbane
\(m\)
massen til hver av stjernene Enhet: \(\mathrm{kg}\)
\(r\)
baneradien, fra felles sentrum til hver stjerne Enhet: \(\mathrm{m}\)
\(v\)
banefarten til hver stjerne Enhet: \(\mathrm{m/s}\)
\(\gamma\)
gravitasjonskonstanten Verdi: \(6{,}67 \cdot 10^{-11}\ \mathrm{N\,m^2/kg^2}\)Enhet: \(\mathrm{N\,m^2/kg^2}\)Også skrevet \(G\)
\(\displaystyle G = \gamma \dfrac{Mm}{r^2}\)gravitasjonskraften mellom to masser i avstand \(r\) fra hverandre — her er avstanden \(2r\), ikke baneradien \(r\)I formelvedlegget
\(\displaystyle a = \dfrac{v^2}{r}\)sentripetalakselerasjonen i sirkelbevegelse, rettet mot sentrumI formelvedlegget
\(\displaystyle \Sigma\vec{F} = m\vec{a}\)Newtons 2. lov: kraftsummen gir akselerasjonenI formelvedlegget
To stjerner med lik masse \(m\) går i sirkelbane rundt et felles sentrum med baneradius \(r\). Hvor stor er banefarten?
A \(v = \sqrt{\dfrac{2\gamma m}{r}}\)
B \(v = \sqrt{\dfrac{\gamma m}{r}}\)
C \(v = \sqrt{\dfrac{\gamma m}{2r}}\)
D \(v = \sqrt{\dfrac{\gamma m}{4r}}\)
Stjernene er diametralt motsatte, og avstanden mellom dem er \(2r\). Gravitasjonskraften gir sentripetalkraften:
Vanlig feil: Mange velger \(v = \sqrt{\dfrac{\gamma m}{r}}\) fordi de bruker \(r\) som avstanden mellom stjernene. Dette er feil fordi stjernene er diametralt motsatte i sirkelbanen, så avstanden mellom dem er \(2r\), ikke \(r\). Gravitasjonskraften avhenger av avstanden mellom massene, som er \((2r)^2 = 4r^2\) i nevneren.
j) Satellitt med fart \(v = \sqrt{3\gamma M/(R+h)}\)
\(v\)
farten til satellitten Enhet: \(\mathrm{m/s}\)
\(\gamma\)
gravitasjonskonstanten Verdi: \(6{,}67 \cdot 10^{-11}\ \mathrm{N\,m^2/kg^2}\)Enhet: \(\mathrm{N\,m^2/kg^2}\)Også skrevet \(G\)
\(M\)
massen til jorda Enhet: \(\mathrm{kg}\)
\(R\)
radien til jorda Enhet: \(\mathrm{m}\)
\(h\)
høyden til satellitten over jordoverflata Enhet: \(\mathrm{m}\)
\(r\)
avstanden fra jordsentrum, \(r = R + h\) Enhet: \(\mathrm{m}\)
\(v_{\text{sirkel}}\)
farten som gir sirkelbane i denne avstanden Enhet: \(\mathrm{m/s}\)
\(v_{\text{unnslipp}}\)
unnslippingsfarten i denne avstanden Enhet: \(\mathrm{m/s}\)
\(\displaystyle G = \gamma \dfrac{Mm}{r^2}\)gravitasjonskraften mellom to masser i avstand \(r\)I formelvedlegget
\(\displaystyle a = \dfrac{v^2}{r}\)sentripetalakselerasjonen i sirkelbevegelse, rettet mot sentrumI formelvedlegget
\(\displaystyle E_p = -\gamma \dfrac{Mm}{r}\)potensiell energi i gravitasjonsfeltet, null uendelig langt borteI formelvedlegget
\(\displaystyle E_k = \dfrac{1}{2}mv^2\)kinetisk energiI formelvedlegget
En satellitt har fart \(v = \sqrt{3\gamma M/(R+h)}\), parallell med jordoverflata, i høyde \(h\). Hva er riktig?
A Satellitten unnslipper jordas gravitasjonsfelt.
B Satellitten går i sirkelbane rundt jorda.
C Satellitten går i ellipsebane rundt jorda.
D Satellitten kolliderer med jorda.
Sirkelbanesfart i avstand \(r = R + h\): \(v_{\text{sirkel}} = \sqrt{\gamma M/(R+h)}\).
Satellitten har \(v = \sqrt{3\gamma M/(R+h)}\). Siden \(3 > 2\), er \(v > v_{\text{unnslipp}}\).
Svar: A – Satellitten unnslipper jordas gravitasjonsfelt
Vanlig feil: Mange velger at satellitten går i en elliptisk bane fordi de forveksler sirkelbanesfart med unnslippingsfart. Dette er feil fordi satellitten har fart \(\sqrt{3}\) ganger sirkelbanesfarten, og unnslippingsfarten er \(\sqrt{2}\) ganger sirkelbanesfarten. Siden \(\sqrt{3} > \sqrt{2}\), har satellitten mer enn nok fart til å unnslippe, og den følger en hyperbolsk bane bort fra jorda.
k) 50 parallelle strømledere – programmering
\(n\)
i oppgaveteksten antallet ledere (\(n = 50\)); i koden løkkevariabel, nummeret på lederen (1 til 50)
\(d\)
avstanden mellom to naboledere, og fra P til første leder Enhet: \(\mathrm{m}\)
\(I\)
strømmen i lederne Enhet: \(\mathrm{A}\)
\(B\)
samlet magnetisk flukstetthet i punkt P Enhet: \(\mathrm{T}\)
\(B_n\)
flukstettheten fra leder nummer \(n\) i punkt P Enhet: \(\mathrm{T}\)
\(n = 50\) lange, rette og parallelle strømledere er koblet sammen. Avstanden mellom lederne er \(d = 0{,}010\) m, strømmen \(I = 2{,}0\) A. Punkt P har avstand \(d\) fra den første lederen. Programmet beregner total \(B\) i P. Hva er riktig kode for linje 6?
1 k = 2e-7
2 d = 0.01
3 I=2
4 B=0
5 for n in range(1, 51, 1):
6 B=
7 print(abs(B))
A B = k*I/(d*n)
B B = B + k*I/(d*n)
C B = B + (-1)**n*k*I/(d*n)
D B = B + k*I**2/(d*n)
Løsningsfigur. U-koblingen gjør at strømretningen veksler fra leder til leder, og da veksler også feltbidraget i P — det er dette faktoren (−1)ⁿ i summen uttrykker.
Magnetfeltet fra leder \(n\) i avstand \(nd\) fra P er \(B_n = k_m I/(nd)\). Fra figuren ser vi at strømmen veksler retning i den U-formede lederen (opp i leder 1, ned i leder 2, osv.). Feltbidragene veksler dermed fortegn:
\[ B = \sum_{n=1}^{50} (-1)^n \frac{k_m I}{nd} \]
I Python: B = B + (-1)**n*k*I/(d*n)
Svar: C – B = B + (-1)**n*k*I/(d*n)
Vanlig feil: Mange velger alternativet uten \((-1)^n\) fordi de antar at alle lederne bidrar med felt i samme retning. Dette er feil fordi den U-formede lederen gjør at strømretningen veksler mellom nabostenger (opp i leder 1, ned i leder 2, osv.). Dermed peker magnetfeltbidragene vekselvis inn og ut av papiret i punkt P, noe som krever vekslende fortegn i summen.
l) Proton i magnetfelt og elektrisk felt – kraftretning
\(B\)
magnetisk flukstetthet, inn i papirplanet Enhet: \(\mathrm{T}\)
kraften som virker på protonet Enhet: \(\mathrm{N}\)
\(q\)
ladningen til protonet Verdi: \(1{,}60 \cdot 10^{-19}\ \mathrm{C}\)Enhet: \(\mathrm{C}\)Også skrevet \(e\)
\(v\)
farten til protonet Enhet: \(\mathrm{m/s}\)
\(\displaystyle \vec{F}_m = q\,\vec{v} \times \vec{B}\)magnetisk kraft på en ladning; størrelse \(qvB\) når \(\vec{v} \perp \vec{B}\)I formelvedlegget
\(\displaystyle \vec{E} = \dfrac{\vec{F}_e}{q}\)elektrisk feltstyrke; gir kraften \(F_e = qE\) på en ladningI formelvedlegget
Figur 1: Et proton beveger seg i et homogent magnetfelt \(B\) inn i papirplanet (\(\times\)). Figur 2: Et proton beveger seg i et homogent elektrisk felt \(E\). Hva er riktig retning på kraften som virker på protonene?
A Figur 1: pil skrått nedover mot venstre. Figur 2: pil skrått nedover mot venstre.
B Figur 1: pil skrått oppover mot høyre. Figur 2: pil skrått oppover mot høyre.
C Figur 1: pil skrått nedover mot venstre. Figur 2: pil rett nedover.
D Figur 1: pil skrått oppover mot høyre. Figur 2: pil rett oppover.
Fartsretningen er målt i oppgavesettet ved 300 dpi: 112,0° i figur 1 og 114,2° i figur 2, altså opp mot venstre i begge. Magnetkraften står vinkelrett på farten; den elektriske kraften følger feltet.
Figur 1: Protonet (positiv ladning) beveger seg oppover-til-venstre, og \(\vec{B}\) peker inn i papiret. Magnetkraften \(\vec{F} = q\vec{v} \times \vec{B}\):
Med høyrehåndsregelen: fingrene langs \(\vec{v}\) (oppover-til-venstre), bøyes mot \(\vec{B}\) (inn i papiret), og tommelen peker nedover-til-venstre.
Figur 2: Protonet beveger seg oppover-til-venstre, og det elektriske feltet \(\vec{E}\) peker nedover (fra de blå pilene i figuren). Kraften på protonet: \(\vec{F} = q\vec{E}\) peker i samme retning som \(\vec{E}\) – altså rett nedover.
Svar: C – Figur 1: kraft nedover-til-venstre (magnetkraft), Figur 2: kraft rett nedover (elektrisk kraft)
Vanlig feil: Mange velger feil retning på magnetkraften i figur 1 fordi de blander sammen høyrehåndsregelen med retningen til \(\vec{B}\). Dette er feil fordi \(\vec{F} = q\vec{v} \times \vec{B}\) gir en kraft som er vinkelrett på både farten og feltet. Man må bruke høyrehåndsregelen korrekt: fingrene langs \(\vec{v}\), bøy mot \(\vec{B}\), og tommelen peker i kraftretningen for positiv ladning.
m) Vogn med ledersløyfe i magnetfelt
\(B\)
magnetisk flukstetthet i feltet vogna kjører inn i Enhet: \(\mathrm{T}\)
\(\displaystyle \Phi = \vec{B} \cdot \vec{A} = BA\cos(\alpha)\)magnetisk fluks gjennom en flate (vedlegget skriver \(\phi\))I formelvedlegget
\(\displaystyle \varepsilon = -N \cdot \dfrac{\Delta\Phi}{\Delta t}\)indusert spenning når fluksen endrer seg (Faradays lov)I formelvedlegget
\(\displaystyle \vec{F}_m = I\,\vec{l} \times \vec{B}\)magnetisk kraft på en strømførende leder med lengde \(l\)I formelvedlegget
Ei vogn triller nedover et skråplan med en vertikal ledersløyfe. Farten er konstant, og strømmen gjennom ledersløyfa er mot klokka. Hva er retningen på magnetfeltet og den magnetiske kraften på ledersløyfa?
A Retningen på magnetfeltet er ut av papiret; retningen på den magnetiske kraften er nedover skråplanet.
B Retningen på magnetfeltet er ut av papiret; retningen på den magnetiske kraften er oppover skråplanet.
C Retningen på magnetfeltet er inn i papiret; retningen på den magnetiske kraften er nedover skråplanet.
D Retningen på magnetfeltet er inn i papiret; retningen på den magnetiske kraften er oppover skråplanet.
Helningen er målt i oppgavesettet ved 300 dpi (375 px fall på 652 px, altså 29,9°) og gjengitt som 30°; motoren måler den tilbake ut av bildet til 30,02°.
Når sløyfa beveger seg inn i magnetfeltet, øker den magnetiske fluksen gjennom sløyfa. Ifølge Lenz' lov vil den induserte strømmen alltid gå i den retningen som skaper et magnetfelt som motvirker endringen i fluks. Dette er en konsekvens av energibevaring: den induserte strømmen skaper en kraft som bremser bevegelsen, og kinetisk energi omdannes til elektrisk energi.
Strømmen er mot klokka sett forfra. Med høyrehåndsregelen (krum fingrene i strømmens retning, tommelen peker i retning av indusert \(B\)) skaper denne strømmen et felt inne i sløyfa som peker ut av papiret (mot observatøren).
Lenz' lov: det induserte feltet motvirker endringen i ytre fluks. Siden det induserte feltet peker ut av papiret, må endringen i ytre fluks være inn i papiret – altså må det ytre magnetfeltet peke inn i papiret (og fluksen inn i papiret øker når sløyfa kjører inn i feltet).
Kraften på sløyfa må motvirke bevegelsen (energibevaring – siden farten er konstant, må magnetkraften balansere tyngdekomponenten nedover skråplanet). Vogna beveger seg nedover skråplanet, så kraften peker oppover skråplanet.
Svar: D – Magnetfeltet er inn i papiret, kraften er oppover skråplanet
Vanlig feil: Mange velger at feltet peker ut av papiret fordi de forveksler retningen på det induserte feltet med retningen på det ytre feltet. Lenz' lov sier at indusert strøm/felt motvirker endringen i ytre fluks. Når indusert felt peker ut av papiret, må det ytre feltet som øker, peke inn i papiret.
n) Magnetfelt gjennom ledersløyfe – påstander
\(B\)
magnetisk flukstetthet gjennom ledersløyfa Enhet: \(\mathrm{T}\)
\(t\)
tiden Enhet: \(\mathrm{s}\)
\(\Phi\)
magnetisk fluks gjennom ledersløyfa Enhet: \(\mathrm{Wb} = \mathrm{T\,m^2}\)Også skrevet \(\phi\)
\(A\)
arealet av ledersløyfa Enhet: \(\mathrm{m^2}\)
\(dB/dt\)
hvor raskt \(B\) endrer seg, stigningstallet til grafen Enhet: \(\mathrm{T/s}\)
\(\displaystyle \Phi = \vec{B} \cdot \vec{A} = BA\cos(\alpha)\)magnetisk fluks gjennom en flate (vedlegget skriver \(\phi\))I formelvedlegget
\(\displaystyle \varepsilon = -N \cdot \dfrac{\Delta\Phi}{\Delta t}\)indusert spenning når fluksen endrer seg (Faradays lov)I formelvedlegget
Magnetisk flukstetthet \(B(t)\) gjennom ei ledersløyfe varierer slik grafen viser: \(B\) starter på ca. 0,25 T ved \(t = 0\), stiger til toppunkt på ca. 0,4 T ved ca. \(t = 1\) s, og synker deretter jevnt mot ca. 0,25 T ved \(t = 3\) s. Påstand 1: Absoluttverdien til fluksen er minst når \(t = 1\) s. Påstand 2: Absoluttverdien til den elektromotoriske spenningen er null når \(t = 2\) s.
1 Absoluttverdien til fluksen er minst når \(t = 1\) s.
2 Absoluttverdien til den elektromotoriske spenningen er null når \(t = 2\) s.
A ingen av påstandene
B påstand 1
C påstand 2
D begge påstandene
Gjengivelse av oppgavesettets graf. Kurven er målt pikselvis i 365 kolonner ved 300 dpi; et tredjegradspolynom gjennom målepunktene avviker maksimalt 0,0015 T.
Påstand 1: Fluksen er \(\Phi = BA\), så \(|\Phi|\) er minst der \(|B|\) er minst. Fra grafen ser vi at \(B\) er størst (ikke minst) ved \(t = 1\) s – der er toppunktet. Minste \(B\)-verdi på det viste området ligger i endene av grafen (ca. 0,25 T både ved \(t = 0\) og ved \(t = 3\) s). Påstand 1 er feil.
Påstand 2: EMF er proporsjonal med \(-dB/dt\), og er null der grafen er vannrett (\(dB/dt = 0\)). Fra grafen er toppunktet ved ca. \(t = 1\) s, og der er \(dB/dt = 0\). Ved \(t = 2\) s er grafen synkende (negativ \(dB/dt\)), så EMF er ikke null der. Påstand 2 er feil.
Svar: A – Ingen av påstandene
Vanlig feil: Mange velger C (påstand 2 riktig) fordi de forveksler toppunktet på grafen med \(t = 2\) s. Det er viktig å lese av grafen nøye: toppunktet ligger ved ca. \(t = 1\) s, ikke ved \(t = 2\) s. Ved \(t = 2\) s har \(B\) allerede passert maksimum og er synkende, så \(dB/dt \neq 0\) og EMF er ikke null.
o) Magnet som svinger over spole
\(\Phi\)
magnetisk fluks gjennom spolen Enhet: \(\mathrm{Wb} = \mathrm{T\,m^2}\)Også skrevet \(\phi\)
\(\Phi_0\)
største fluks, når magneten er rett over spolen Enhet: \(\mathrm{Wb} = \mathrm{T\,m^2}\)
\(t\)
tiden Enhet: \(\mathrm{s}\)
\(\varepsilon\)
indusert spenning (elektromotorisk spenning) i spolen Enhet: \(\mathrm{V}\)Også skrevet \(U_{\text{ind}}\)
\(\Delta\Phi\)
endringen i fluksen gjennom spolen Enhet: \(\mathrm{Wb} = \mathrm{T\,m^2}\)
\(\displaystyle \Phi = \vec{B} \cdot \vec{A} = BA\cos(\alpha)\)magnetisk fluks gjennom en flate (vedlegget skriver \(\phi\))I formelvedlegget
\(\displaystyle \varepsilon = -N \cdot \dfrac{\Delta\Phi}{\Delta t}\)indusert spenning når fluksen endrer seg (Faradays lov)I formelvedlegget
En magnet svinger i en pendelbevegelse over en spole. Hvilken graf viser best den induserte spenningen som funksjon av tiden?
A Én bred, avrundet bunn under aksen, ingen topp over aksen.
B En dyp, smal bunn under aksen etterfulgt av en lavere, litt bredere topp over aksen.
C En grunn, smal bunn under aksen etterfulgt av en mye høyere, omtrent like smal topp over aksen.
D En smal bunn under aksen, en høy, smal topp over aksen og deretter en like dyp bunn under aksen igjen.
Løsningsfigur. Modellen Φ(t) = Φ₀·e^(−t²/2) gir ε = −dΦ/dt: to like store pulser med motsatt fortegn, og ε = 0 i det magneten passerer spolen.
Magneten nærmer seg spolen (fluksen øker, og EMF får ett fortegn), passerer over spolen (fluksen er maksimal, EMF = 0), og fjerner seg (fluksen minsker, og EMF skifter fortegn). Magneten beveger seg raskest over spolen (midten av pendelbevegelsen), så spenningspulsene er skarpe i midten.
Grafen viser to pulser med motsatt fortegn — i alternativ B en negativ puls først og en positiv etterpå — med størst utslag rett før og rett etter at magneten er over spolen. Ifølge Faradays induksjonslov er den induserte spenningen proporsjonal med endringstakten til den magnetiske fluksen gjennom spolen. Når magneten nærmer seg, endres fluksen raskt i en retning, og når den fjerner seg, endres fluksen like raskt i motsatt retning. Dermed får vi symmetriske pulser med motsatt fortegn.
Svar: B – To pulser med motsatt fortegn (negativ først, så positiv) og omtrent like store arealer, siden \(\int \varepsilon\, dt = \Delta\Phi\) er like stor før og etter passeringen
Vanlig feil: Mange velger grafen med en ren sinuskurve fordi de forveksler denne situasjonen med en jevnt roterende spole i et felt. Dette er feil fordi pendelmagneten tilbringer kort tid nær spolen og lang tid i ytterpunktene, noe som gir skarpe, kortvarige spenningspulser – ikke en jevn sinusbølge.
p) U-formet leder med metallstav i magnetfelt
\(B\)
magnetisk flukstetthet, inn i papiret Enhet: \(\mathrm{T}\)
\(\displaystyle \Phi = \vec{B} \cdot \vec{A} = BA\cos(\alpha)\)magnetisk fluks gjennom en flate (vedlegget skriver \(\phi\))I formelvedlegget
\(\displaystyle \varepsilon = -N \cdot \dfrac{\Delta\Phi}{\Delta t}\)indusert spenning når fluksen endrer seg (Faradays lov)I formelvedlegget
\(\displaystyle \varepsilon = vBl\)indusert spenning i en stav med lengde \(l\) som beveger seg i feltetI formelvedlegget
\(\displaystyle \vec{F}_m = I\,\vec{l} \times \vec{B}\)magnetisk kraft på en strømførende leder med lengde \(l\)I formelvedlegget
En U-formet elektrisk leder i et magnetisk felt inn i papiret. Metallstaven dyttes mot høyre og slippes.
A Det induseres en strøm med klokka, og farten til staven vil avta.
B Det induseres en strøm mot klokka, og farten til staven vil avta.
C Det induseres en strøm med klokka, og farten til staven vil øke.
D Det induseres en strøm mot klokka, og farten til staven vil øke.
Staven beveger seg mot høyre og øker arealet av kretsen. Fluksen øker (B inn i papiret). Lenz' lov: strømmen induseres mot klokka (for å lage felt ut av papiret inni kretsen og motvirke økningen).
Kraften på den strømførende staven i magnetfeltet peker mot venstre (bremser staven). Farten vil avta.
Svar: B – Det induseres en strøm mot klokka, og farten til staven vil avta
Vanlig feil: Mange velger at farten til staven er konstant fordi de tenker at staven beveger seg fritt etter at den slippes. Dette er feil fordi den induserte strømmen i magnetfeltet skaper en kraft på staven (Lenz' lov) som alltid motvirker bevegelsen. Kinetisk energi omdannes til elektrisk energi og varme i motstanden, og farten avtar gradvis.
q) Tidsdilatasjon – hendelse i romskip
\(v\)
farten til romskipet i forhold til jorda Enhet: \(\mathrm{m/s}\)
\(c\)
lysfarten i vakuum Verdi: \(3{,}00 \cdot 10^{8}\ \mathrm{m/s}\)Enhet: \(\mathrm{m/s}\)
\(\gamma\)
lorentzfaktoren
\(t_{\text{jord}}\)
varigheten målt fra jorda (dilatert tid) Enhet: \(\mathrm{s}\)Også skrevet \(t\)
\(t_{\text{romskip}}\)
egentiden: varigheten målt om bord i romskipet Enhet: \(\mathrm{s}\)Også skrevet \(t_0\)
\(\displaystyle t = \gamma t_0\)tidsdilatasjon: \(t_0\) er egentiden, målt der hendelsen er i roI formelvedlegget
Et romskip har farten \(v = 0{,}60c\). En hendelse om bord tar \(2{,}0\) \(\mu\)s sett fra jorda. Lorentzfaktoren \(\gamma = 1{,}25\). Hvor lang tid tar hendelsen sett fra romskipet?
A 0,75 µs
B 1,6 µs
C 2,0 µs
D 2,5 µs
Hendelsen skjer om bord i romskipet. Observatøren på jorda måler en dilatert tid. Egentiden (i romskipet) er kortere:
Vanlig feil: Mange velger 2,5 \(\mu\)s fordi de ganger med \(\gamma\) i stedet for å dele. Dette er feil fordi egentiden (tiden målt av klokka som er til stede ved begge hendelsene, altså i romskipet) alltid er den korteste. Jordklokka måler en dilatert (lengre) tid, så for å finne egentiden må vi dele jordtiden på \(\gamma\), ikke gange.
r) Lengdekontraksjon – sirkel og ellipse
\(\gamma\)
lorentzfaktoren
\(\displaystyle L = \dfrac{L_0}{\gamma}\)lengdekontraksjon: bare lengden i fartsretningen blir kortereI formelvedlegget
To figurer, en sort sirkel og en stående (vertikal) rød ellipse, er i ro i forhold til en observatør. Deretter sendes de av sted med samme banefart i ulike retninger. Hvilken form får figurene sett fra observatøren når pilene viser fartsretningene?
A Sort figur: loddrett, avlang ellipse (lang akse langs pila) med pil oppover. Rød figur: stor sirkel med pil mot høyre.
B Sort figur: liten sirkel med pil oppover. Rød figur: liten sirkel med pil oppover.
C Sort figur: vannrett, avlang ellipse (lang akse langs pila) med pil mot høyre. Rød figur: smal, stående ellipse med pil mot høyre.
D Sort figur: skrå ellipse med pil skrått oppover mot høyre (lang akse på tvers av pila). Rød figur: liten, nesten rund figur med pil nedover.
Lengdekontraksjonen forkorter en gjenstand bare i bevegelsesretningen, med faktoren \(1/\gamma\). Dimensjonen vinkelrett på bevegelsen er uendret. Vi analyserer hver figur i alternativene:
Sort sirkel: Beveger seg den i en bestemt retning, må den kontraheres langs denne retningen. Sirkelen blir derfor til en ellipse med korteste akse parallell med farten og lengste akse vinkelrett på farten.
Rød stående ellipse: Allerede høyere enn bred. Blir den kontrahert i vertikal retning kan den – ved riktig \(\gamma\) – bli en sirkel. Blir den kontrahert horisontalt, blir den enda smalere stående ellipse. Den kan aldri bli en liggende ellipse, siden lengdekontraksjon bare gjør figurer mindre i bevegelsesretningen, ikke større vinkelrett på den.
Vi tester alternativene:
A: Sort er en stående ellipse med pil opp. En sirkel som beveger seg oppover skal bli en liggende ellipse, ikke stående. Feil.
B: Begge figurene beveger seg oppover. Sort skulle blitt liggende ellipse (men er omtrent rund), og rød skulle kontraheres vertikalt – mulig som sirkel, men sort stemmer ikke. Feil.
C: Sort er en liggende ellipse med pil mot høyre. En sirkel som beveger seg mot høyre skal kontraheres horisontalt og bli en stående ellipse, ikke liggende. Lengdekontraksjon kan aldri strekke en figur. Feil.
D: Sort er en skråstilt ellipse med pil opp-og-til-høyre (diagonal). En sirkel som beveger seg diagonalt kontraheres langs den diagonalen og blir en ellipse med lengste akse vinkelrett på fartsretningen – akkurat slik figuren viser. Rød er en sirkel med pil rett ned. En stående ellipse som beveger seg vertikalt kontraheres i høyden, og hvis \(\gamma\) er slik at den nye høyden blir lik bredden, blir formen en sirkel. Begge er fysisk konsistente. Riktig.
Svar: D – Sort sirkel kontrahert diagonalt blir skråstilt ellipse; rød stående ellipse kontrahert vertikalt blir sirkel.
Vanlig feil: Mange velger C fordi de tenker at sirkelen «blir en ellipse» og at det er nok til å gjenkjenne lengdekontraksjon. Dette er feil fordi det er retningen på kontraksjonen som er avgjørende: en sirkel som beveger seg horisontalt skal bli en stående (smalere) ellipse, ikke en liggende. Lengdekontraksjon forkorter alltid bare i fartsretningen – den kan aldri gjøre en figur lengre i en retning.
s) Comptoneffekt
\(\lambda_0\)
bølgelengden til det innkommende fotonet Enhet: \(\mathrm{m}\)
\(\lambda\)
bølgelengden til det spredte fotonet Enhet: \(\mathrm{m}\)
\(\theta\)
spredningsvinkelen til fotonet Enhet: \({}^{\circ}\)
\(p\)
bevegelsesmengden til et foton Enhet: \(\mathrm{kg\,m/s}\)
energien til et foton Enhet: \(\mathrm{J}\)Også skrevet \(E_f\)
\(c\)
lysfarten i vakuum Verdi: \(3{,}00 \cdot 10^{8}\ \mathrm{m/s}\)Enhet: \(\mathrm{m/s}\)
\(\displaystyle p = \dfrac{E}{c} = \dfrac{h}{\lambda}\)bevegelsesmengden til et fotonI formelvedlegget
\(\displaystyle E_f = hf\)energien til et fotonI formelvedlegget
\(\displaystyle c = \lambda f\)sammenhengen mellom bølgelengde og frekvens for lysI formelvedlegget
Figuren viser et foton med bølgelengde \(\lambda_0\) som treffer en partikkel, og et spredt foton med bølgelengde \(\lambda\) i vinkel \(\theta\). Hvilket fenomen er dette, og hvilken bølgelengde er størst?
A fotoelektrisk effekt; bølgelengde \(\lambda_0\)
B comptoneffekt; bølgelengde \(\lambda_0\)
C fotoelektrisk effekt; bølgelengde \(\lambda\)
D comptoneffekt; bølgelengde \(\lambda\)
Fenomenet er comptoneffekt: et foton kolliderer med en partikkel, og det spredte fotonet har lengre bølgelengde fordi det har overført noe energi til partikkelen. Comptoneffekten demonstrerer at fotoner har bevegelsesmengde \(p = h/\lambda\) og oppfører seg som partikler i kollisjoner. Ved kollisjonen overfører fotonet en del av sin energi og bevegelsesmengde til partikkelen. Siden fotonenergien er \(E = hc/\lambda\), betyr lavere energi etter kollisjonen at bølgelengden øker.
\[ \lambda > \lambda_0 \]
Svar: D – Comptoneffekt, \(\lambda\) er størst
Vanlig feil: Mange velger at \(\lambda_0\) er størst (altså at det spredte fotonet har kortere bølgelengde) fordi de forveksler comptoneffekt med fotoelektrisk effekt. Dette er feil fordi i comptonspredning overfører fotonet energi til partikkelen, slik at det spredte fotonet har mindre energi og dermed lengre bølgelengde enn det innkommende fotonet.
t) Bølgefunksjon og sannsynlighetsfordeling
\(\Psi\)
bølgefunksjonen til partikkelen Enhet: \(\mathrm{m^{-1/2}}\)
\(x\)
posisjonen til partikkelen Enhet: \(\mathrm{m}\)
\(|\Psi|^2\)
sannsynlighetstettheten for hvor partikkelen er Enhet: \(\mathrm{m^{-1}}\)
\(\Psi^*\)
den komplekskonjugerte av \(\Psi\) Enhet: \(\mathrm{m^{-1/2}}\)
Figuren viser bølgefunksjonen \(\Psi(x)\). Hvilken graf kan beskrive sannsynlighetsfordelingen \(|\Psi|^2\)?
A Bølgekurve mellom null og en fast toppverdi: starter og slutter på halv høyde, med to topper og bare ett nullpunkt.
B Tre like høye topper over x-aksen; grafen starter og slutter i null.
C To like høye, brede topper over x-aksen; grafen starter og slutter i null.
D Kurve som starter og slutter på toppverdien, med tre nullpunkter og to hele topper imellom.
Kvadreringen speiler den negative bunnen opp: tre like høye topper, alle positive, med nullpunktene på nøyaktig samme x-verdier.
Sannsynlighetstettheten \(|\Psi(x)|^2\) er alltid \(\geq 0\). Der \(\Psi\) er null, er \(|\Psi|^2\) null. Dette er en fundamental egenskap ved kvantefysikken: \(|\Psi|^2\) representerer sannsynlighetstettheten for å finne partikkelen i et gitt område, og en sannsynlighet kan aldri være negativ. Selv om bølgefunksjonen \(\Psi\) kan ha negative verdier, blir alle negative «daler» til positive «topper» når vi kvadrerer.
I figuren består \(\Psi(x)\) av tre halvbølger med lik amplitude – en positiv pukkel, en negativ bunn og en positiv pukkel – med nullpunkter i begge endene og på de to stedene imellom. Når vi kvadrerer, får vi derfor tre like høye topper, alle positive, med nullpunkter de samme stedene. Grafen skal starte og slutte i null.
Svar: B – Grafen med tre like høye, positive topper som starter og slutter i null
Vanlig feil: Mange velger grafen med bare to topper fordi de teller pukler i \(\Psi\) uten å ta med den negative bunnen – men bunnen blir en topp i \(|\Psi|^2\), så antall topper skal være tre. Andre velger grafen der \(|\Psi|^2\) har negative verdier fordi de tror \(|\Psi|^2\) bare er en direkte kopi av \(\Psi\)-grafen. Det er feil fordi \(|\Psi|^2 = \Psi \cdot \Psi^*\) alltid gir et ikke-negativt resultat. Tell alltid nullpunktene også: de skal ligge på nøyaktig samme \(x\)-verdier i begge grafene.
Oppgave 2
a) Fotoelektrisk effekt
\(f\)
frekvensen til lyset Enhet: \(\mathrm{Hz} = \mathrm{s^{-1}}\)
\(f_0\)
grensefrekvensen for metallet Enhet: \(\mathrm{Hz} = \mathrm{s^{-1}}\)
\(E\)
energien til et foton Enhet: \(\mathrm{J}\)Også skrevet \(E_f\)
løsrivningsarbeidet for metallet Enhet: \(\mathrm{J}\)
\(E_k\)
største kinetiske energi til det frigjorte elektronet Enhet: \(\mathrm{J}\)
\(\displaystyle E_f = hf\)energien til et fotonI formelvedlegget
\(\displaystyle hf = W + E_k\)fotonenergi er løsrivningsarbeid pluss maksimal kinetisk energiI formelvedlegget
Beskriv fenomenet fotoelektrisk effekt.
Fotoelektrisk effekt er fenomenet der lys (elektromagnetisk stråling) treffer en metalloverflate og frigjør elektroner fra metallet.
Sentrale observasjoner:
Elektroner frigjøres bare dersom lysets frekvens \(f\) er over en viss grensefrekvens \(f_0\), som avhenger av metallet. Lys med lavere frekvens frigjør ingen elektroner, uansett intensitet.
Den kinetiske energien til de frigjorte elektronene øker lineært med frekvensen, men er uavhengig av lysets intensitet.
Antall frigjorte elektroner per tidsenhet øker med lysets intensitet.
Elektronene frigjøres nesten umiddelbart.
Forklaring (Einstein, 1905): Lys består av fotoner med energi \(E = hf\). Når et foton absorberes av et elektron, overfører det all sin energi. Elektronet må overvinne et løsrivningsarbeid \(W\) for å forlate metallet:
\[ hf = W + E_k \]
der \(E_k\) er den maksimale kinetiske energien til det frigjorte elektronet. Grensefrekvensen er \(f_0 = W/h\).
Konklusjon: Fotoelektrisk effekt viser at lys har partikkelegenskaper og var et viktig bidrag til utviklingen av kvantefysikken.
b) Vindmølle med spole – elektromagnetisk induksjon
\(A\)
tverrsnittsarealet til spolen Enhet: \(\mathrm{m^2}\)
\(N\)
antall vindinger i spolen
\(B\)
magnetisk flukstetthet i feltet Enhet: \(\mathrm{T}\)
\(n\)
normalvektoren til spolen
\(\Phi\)
magnetisk fluks gjennom spolen Enhet: \(\mathrm{Wb} = \mathrm{T\,m^2}\)Også skrevet \(\phi\)
\(\omega\)
vinkelfarten til spolen Enhet: \(\mathrm{rad/s} = \mathrm{s^{-1}}\)
\(t\)
tiden Enhet: \(\mathrm{s}\)
\(\Phi_{\text{maks}}\)
største fluks gjennom spolen Enhet: \(\mathrm{Wb} = \mathrm{T\,m^2}\)
\(\delta\)
liten dreievinkel fra posisjonen i figuren Enhet: \({}^{\circ}\)
\(\theta\)
dreievinkelen til spolen, målt fra posisjonen i figuren Enhet: \({}^{\circ}\)
\(f\)
omdreininger per sekund (frekvensen) Enhet: \(\mathrm{Hz} = \mathrm{s^{-1}}\)
\(\varepsilon_{\text{maks}}\)
største induserte spenning i spolen Enhet: \(\mathrm{V}\)Også skrevet \(U_m\)
\(\displaystyle \Phi = \vec{B} \cdot \vec{A} = BA\cos(\alpha)\)magnetisk fluks gjennom en flate (vedlegget skriver \(\phi\))I formelvedlegget
\(\displaystyle \varepsilon = -N \cdot \dfrac{\Delta\Phi}{\Delta t}\)indusert spenning når fluksen endrer seg (Faradays lov)I formelvedlegget
\(\displaystyle \begin{aligned} \omega &= \dfrac{2\pi}{T} \\ f &= \dfrac{1}{T} \end{aligned}\)vinkelfart og frekvens ut fra omløpstiden \(T\), så \(\omega = 2\pi f\)I formelvedlegget
\(\displaystyle \varepsilon_{\text{maks}} = NBA\omega\)toppverdien til spenningen i en spole som roterer i et homogent feltMå kunnes
En enkel vindmølle har en spole med tverrsnittsareal \(A = 0{,}0050\) m\(^2\), \(N = 200\) vindinger, i et homogent magnetfelt med \(B = 0{,}10\) T. Propellen gjør 5 omdreiinger per sekund.
Gjengivelse av oppgavesettets figur, med normalvektor og strømretning lagt til. Fordi n er parallell med B, er fluksen maksimal og dΦ/dθ = 0 — fluksen minker like mye uansett hvilken vei spolen dreies.
1) Maksimalverdi for fluksen gjennom spolen:
Den magnetiske fluksen gjennom spolen er \(\Phi = BA\cos(\omega t)\). Maksimalverdien oppnås når normalvektoren til spolen er parallell med feltet:
2) Strømretning når spolen dreies fra posisjonen vist i figuren:
I figuren er magnetfeltet tegnet med kryss – feltet peker inn i papirplanet – og spolen ligger i papirplanet med akslingen vannrett. Normalvektoren til spolen er dermed parallell med feltet, og fluksen gjennom spolen er maksimal i den viste posisjonen: \(\Phi = BA\) (samme posisjon som i deloppgave 1).
Dreies spolen en liten vinkel \(\delta\) fra denne posisjonen, blir \(\Phi = BA\cos\delta\). Siden \(\cos\delta = \cos(-\delta)\), minker fluksen like mye uansett hvilken vei spolen dreies. Lenz' lov gir derfor samme strømretning i begge tilfeller: strømmen går den veien som opprettholder fluksen inn i papirplanet, altså med klokka sett fra leseren.
Nei, det er ikke viktig å vite hvilken vei spolen dreies. Fordi vi starter i maksimalfluks, er \(\mathrm{d}\Phi/\mathrm{d}\theta = -BA\sin\theta = 0\) akkurat i denne posisjonen, og fluksen avtar for begge dreieretningene.
Konklusjon: Strømretningen er entydig bestemt (med klokka sett fra leseren) – det er ikke nødvendig å vite hvilken vei spolen dreies.
3) Maksimalverdi for den elektromotoriske spenningen:
høyden ballen kastes fra, over underlaget Enhet: \(\mathrm{m}\)
\(v_x\)
horisontal startfart Enhet: \(\mathrm{m/s}\)Også skrevet \(v_{0x}\)
\(v_y\)
vertikal startfart, oppover Enhet: \(\mathrm{m/s}\)Også skrevet \(v_{0y}\)
\(t\)
tiden fra kastet til ballen lander Enhet: \(\mathrm{s}\)
\(g\)
tyngdeakselerasjonen, avrundet i oppgaven Verdi: \(10\ \mathrm{m/s^2}\)Enhet: \(\mathrm{m/s^2}\)
\(y\)
høyden over underlaget ved tiden \(t\) Enhet: \(\mathrm{m}\)
\(x\)
horisontal avstand, lengden på kastet Enhet: \(\mathrm{m}\)
\(\displaystyle s = v_0 t + \dfrac{1}{2}at^2\)strekning ved konstant akselerasjon; vertikalt er \(a = -g\), horisontalt \(a = 0\)I formelvedlegget
En elev kaster en ball fra en høyde \(h\) over et horisontalt underlag. Startfarten i horisontal retning er \(v_x = 8{,}0\) m/s, og startfarten i vertikal retning er \(v_y = 4{,}0\) m/s oppover. Ballen lander etter \(t = 1{,}0\) s. Bruk \(g = 10\) m/s\(^2\).
1) Bestem høyden \(h\):
Positiv retning oppover. Ballen starter i høyde \(h\) og lander på gulvet (\(y = 0\)):
\[ y = h + v_{y} t - \frac{1}{2}g t^2 \]
Her er \(v_y = 4{,}0\) m/s den vertikale startfarten. Den vertikale farten endrer seg under kastet, men i formelen er det startverdien som inngår.
\[ x = v_x \cdot t = 8{,}0 \cdot 1{,}0 = 8{,}0 \text{ m} \]
Lengden på kastet er \(x = 8{,}0\) m.
Del 2
Oppgave 3 – Asteroide forbi jorda
\(m\)
massen til asteroiden Enhet: \(\mathrm{kg}\)
\(v\)
farten til asteroiden i det nærmeste punktet Enhet: \(\mathrm{m/s}\)
\(\gamma\)
gravitasjonskonstanten Verdi: \(6{,}67 \cdot 10^{-11}\ \mathrm{N\,m^2/kg^2}\)Enhet: \(\mathrm{N\,m^2/kg^2}\)Også skrevet \(G\)
\(M\)
massen til jorda Verdi: \(5{,}974 \cdot 10^{24}\ \mathrm{kg}\)Enhet: \(\mathrm{kg}\)
\(r\)
avstanden fra jordsentrum i det nærmeste punktet Enhet: \(\mathrm{m}\)
\(R\)
middelradien til jorda Verdi: \(6371\ \mathrm{km}\)Enhet: \(\mathrm{m}\)
\(h\)
høyden over jordoverflata i det nærmeste punktet Enhet: \(\mathrm{m}\)
\(\displaystyle E_p = -\gamma \dfrac{Mm}{r}\)potensiell energi i gravitasjonsfeltet, null uendelig langt borteI formelvedlegget
\(\displaystyle E_k = \dfrac{1}{2}mv^2\)kinetisk energiI formelvedlegget
\(\displaystyle \begin{aligned} \gamma &= 6{,}67 \cdot 10^{-11}\ \mathrm{N\,m^2/kg^2} \\ M &= 5{,}974 \cdot 10^{24}\ \mathrm{kg} \\ R &= 6371\ \mathrm{km} \end{aligned}\)gravitasjonskonstanten, jordmassen og middelradien til jordaI faktavedlegget
En asteroide har tilnærmet ingen fart og er svært langt fra jorda. Den faller mot jorda pga. gravitasjonskreftene. På sitt nærmeste er den 5000 km over jordoverflata. Etter passeringen forsvinner den ut i verdensrommet og kommer aldri tilbake. Se bort fra alle andre masser. Hva blir asteroidens største fart?
Asteroiden starter med fart \(\approx 0\) og potensiell energi \(\approx 0\) (uendelig langt borte). Den totale mekaniske energien er derfor null gjennom hele banen (den følger en parabolsk/hyperbolsk bane). I det nærmeste punktet er all potensiell energi omgjort til kinetisk energi, og farten er på sitt høyeste. Energibevaring gir:
Merk: Asteroidens største fart oppnås i det nærmeste punktet til jorda, der den potensielle energien er mest negativ. Asteroiden følger en hyperbolsk bane (total energi = 0).
Oppgave 4 – Kloss på skråplan med halvsirkel
En kloss med masse \(m = 0{,}10\) kg sendes nedover et skråplan med vinkel \(\alpha = 28°\). Etter skråplanet beveger klossen seg i en halvsirkelformet vertikal bane med radius \(r = 0{,}12\) m. Toppen av skråplanet har høyde \(2r\). Friksjonstaill mellom skråplanet og klossen: \(\mu = 0{,}27\). Ingen friksjon i halvsirkelen, ingen luftmotstand.
a) Vis at farten i bunnen av skråplanet er 1,5 m/s dersom \(v_0 = 0{,}20\) m/s
\(L\)
lengden av skråplanet Enhet: \(\mathrm{m}\)
\(r\)
radien i den halvsirkelformede banen Enhet: \(\mathrm{m}\)
\(\alpha\)
skråplanvinkelen Enhet: \({}^{\circ}\)Også skrevet \(u\)
\(m\)
massen til klossen Enhet: \(\mathrm{kg}\)
\(v\)
farten i bunnen av skråplanet Enhet: \(\mathrm{m/s}\)
\(v_0\)
startfarten på toppen av skråplanet Enhet: \(\mathrm{m/s}\)
\(\displaystyle \begin{aligned} E_k &= \tfrac{1}{2}mv^2 \\ E_p &= mgh \end{aligned}\)kinetisk energi og potensiell energi i tyngdefeltet nær jordaI formelvedlegget
\(\displaystyle R = \mu N\)friksjonskraften ut fra normalkraftenI formelvedlegget
\(\displaystyle N = mg\cos\alpha\)normalkraften på et skråplan med helningsvinkel \(\alpha\)Må kunnes
\(\displaystyle \sin v = \dfrac{\text{mot. kat.}}{\text{hyp.}}\)gir lengden av skråplanet ut fra høyden \(2r\)I formelvedlegget
Gjengivelse av oppgavesettets figur. Målene er regnet av oppgavens tall: 1 lengdeenhet = 0,06 m, så r = 2,000 og L = 2r/sin 28° = 8,520 lengdeenheter. Motoren måler helningen tilbake ut av bildet til 28,01°.
farten i det øverste punktet av halvsirkelen Enhet: \(\mathrm{m/s}\)
\(r\)
radien i halvsirkelen Enhet: \(\mathrm{m}\)
\(v_{\text{bunn}}\)
farten i det laveste punktet av halvsirkelen Enhet: \(\mathrm{m/s}\)
\(v_0\)
startfarten på toppen av skråplanet Enhet: \(\mathrm{m/s}\)
\(\mu\)
friksjonstallet mellom skråplanet og klossen
\(\alpha\)
skråplanvinkelen Enhet: \({}^{\circ}\)Også skrevet \(u\)
\(L\)
lengden av skråplanet Enhet: \(\mathrm{m}\)
\(\displaystyle a = \dfrac{v^2}{r}\)sentripetalakselerasjonen i sirkelbevegelse, rettet mot sentrumI formelvedlegget
\(\displaystyle \Sigma\vec{F} = m\vec{a}\)Newtons 2. lov: kraftsummen gir akselerasjonenI formelvedlegget
\(\displaystyle \begin{aligned} E_k &= \tfrac{1}{2}mv^2 \\ E_p &= mgh \end{aligned}\)kinetisk energi og potensiell energi i tyngdefeltet nær jordaI formelvedlegget
\(\displaystyle R = \mu N\)friksjonskraften ut fra normalkraftenI formelvedlegget
I øverste punkt er normalkraften null. Tyngdekraften gir sentripetalkraften:
farten til klossen i punktet P Enhet: \(\mathrm{m/s}\)
\(v_{\text{bunn}}\)
farten i det laveste punktet, 1,8 m/s Enhet: \(\mathrm{m/s}\)
\(\displaystyle a = \dfrac{v^2}{r}\)sentripetalakselerasjonen i sirkelbevegelse, rettet mot sentrumI formelvedlegget
\(\displaystyle \Sigma\vec{F} = m\vec{a}\)Newtons 2. lov: kraftsummen gir akselerasjonenI formelvedlegget
\(\displaystyle \begin{aligned} E_k &= \tfrac{1}{2}mv^2 \\ E_p &= mgh \end{aligned}\)kinetisk energi og potensiell energi i tyngdefeltet nær jordaI formelvedlegget
\(\displaystyle \cos v = \dfrac{\text{hos. kat.}}{\text{hyp.}}\)gir høyden \(h = r(1 - \cos\theta)\) ut fra vinkelenI formelvedlegget
Farten til klossen i det laveste punktet er nå 1,8 m/s. I punkt P mister klossen kontakt med banen. Bestem hvor høyt over det laveste punktet i halvsirkelen punktet P er.
Løsningsfigur. Fordi θ > 90° peker tyngdekomponenten inn mot sentrum, og da kan normalkraften bli null: cos θ = (2gr − v²)/(3gr) = −0,251 gir θ = 104,5° og h = r(1 − cos θ) = 0,15 m.
La \(\theta\) være vinkelen fra bunnen av halvsirkelen til punkt P (målt fra sentrum). Høyden over bunnen:
\[ h = r(1 - \cos\theta) \]
I punkt P er normalkraften null. Ved vinkel \(\theta\) fra bunnen peker den innoverrettede (sentripetale) komponenten av tyngdekraften bort fra sentrum for \(\theta < 90°\) og mot sentrum for \(\theta > 90°\). Den radielle kraftlikningen (positiv mot sentrum) gir:
\[ N - mg\cos\theta = \frac{mv_P^2}{r} \]
Med \(N = 0\): \(v_P^2 = -gr\cos\theta\) (positivt når \(\cos\theta < 0\), dvs. \(\theta > 90°\)).
Oppgave 5 – Proton i elektrisk og magnetisk felt (syklotron)
Figuren viser to parallelle metallplater med spenning \(U = 500\) V. I områdene V og H er det identiske homogene magnetfelt vinkelrett på papirplanet. Protoner fra en protonkilde K akselereres i det elektriske feltet.
a) Bestem protonets fart etter at det har passert det elektriske feltet
\(U\)
spenningen mellom platene Enhet: \(\mathrm{V}\)
\(q\)
ladningen til protonet Verdi: \(1{,}60 \cdot 10^{-19}\ \mathrm{C}\)Enhet: \(\mathrm{C}\)Også skrevet \(e\)
\(m\)
massen til protonet Verdi: \(1{,}6726 \cdot 10^{-27}\ \mathrm{kg}\)Enhet: \(\mathrm{kg}\)Også skrevet \(m_p\)
\(v\)
farten til protonet etter det elektriske feltet Enhet: \(\mathrm{m/s}\)
\(\displaystyle U = \dfrac{W}{q}\)spenning er arbeid per ladning; feltet gjør arbeidet \(W = qU\)I formelvedlegget
\(\displaystyle E_k = \dfrac{1}{2}mv^2\)kinetisk energiI formelvedlegget
\(\displaystyle \begin{aligned} e &= 1{,}60 \cdot 10^{-19}\ \mathrm{C} \\ m_p &= 1{,}6726 \cdot 10^{-27}\ \mathrm{kg} \end{aligned}\)elementærladningen og protonmassenI faktavedlegget
Protonet starter i ro og akselereres gjennom \(U = 500\) V:
radien i halvsirkelbanen i område H Enhet: \(\mathrm{m}\)
\(F\)
kraften som virker på protonet Enhet: \(\mathrm{N}\)
\(q\)
ladningen til protonet Verdi: \(1{,}60 \cdot 10^{-19}\ \mathrm{C}\)Enhet: \(\mathrm{C}\)Også skrevet \(e\)
\(E\)
elektrisk feltstyrke mellom platene Enhet: \(\mathrm{N/C} = \mathrm{V/m}\)
\(v\)
farten til protonet Enhet: \(\mathrm{m/s}\)
\(B\)
magnetisk flukstetthet i område H Enhet: \(\mathrm{T}\)
\(\hat{x}\)
enhetsvektor mot høyre
\(\hat{y}\)
enhetsvektor oppover i papirplanet
\(\hat{z}\)
enhetsvektor ut av papirplanet
\(\displaystyle \vec{E} = \dfrac{\vec{F}_e}{q}\)elektrisk feltstyrke; gir kraften \(F_e = qE\) på en ladningI formelvedlegget
\(\displaystyle \vec{F}_m = q\,\vec{v} \times \vec{B}\)magnetisk kraft på en ladning; størrelse \(qvB\) når \(\vec{v} \perp \vec{B}\)I formelvedlegget
Gjengivelse av oppgavesettets figur, med feltretningene lagt til — det er nettopp dem oppgaven spør om. Protonet må akselereres fra K mot H, så E peker mot høyre; halvsirkelen bøyer det nedover, så B peker ut av papirplanet.
Plattene står vertikalt (på hver side av E-feltet), og E-feltet peker altså horisontalt. Protonet starter i ro ved K og akselereres gjennom E-feltet til det forlater feltet med horisontal fart mot høyre, inn i område H. I H følger det en halvsirkelbane (radius \(r\), diameter \(2r\) vertikalt) som ender ved P på høyre plate. Halvsirkelens sentrum ligger på høyre plate, så P ligger \(2r\) under inngangspunktet — som i sin tur ligger rett til høyre for K.
Elektrisk felt: Kraften \(\vec{F} = q\vec{E}\) på protonet (positiv ladning) må peke mot høyre for at protonet skal akselereres fra K inn i H. Altså peker \(\vec{E}\) mot høyre (fra venstre plate, V-siden, mot høyre plate, H-siden).
Magnetisk felt: Når protonet går inn i H med fart \(\vec{v}\) mot høyre, må magnetkraften \(\vec{F} = q\vec{v} \times \vec{B}\) peke nedover for at halvsirkelen skal bøye protonet ned mot P. Høyrehåndsregelen gir at \(\vec{B}\) må peke ut av papirplanet (\(\hat{x} \times \hat{z} = -\hat{y}\), dvs. \(v\) langs \(+\hat{x}\), \(B\) langs \(+\hat{z}\) gir \(F\) langs \(-\hat{y}\), nedover).
Svar: Det elektriske feltet peker horisontalt mot høyre (fra V-siden mot H-siden). Det magnetiske feltet peker ut av papirplanet.
c) Hva gjør programmet i linje 10 og 11?
\(q\)
ladningen til protonet (programvariabel) Verdi: \(1{,}60 \cdot 10^{-19}\ \mathrm{C}\)Enhet: \(\mathrm{C}\)Også skrevet \(e\)
\(m\)
massen til protonet (programvariabel) Verdi: \(1{,}6726 \cdot 10^{-27}\ \mathrm{kg}\)Enhet: \(\mathrm{kg}\)Også skrevet \(m_p\)
\(B\)
magnetisk flukstetthet (programvariabel, ikke brukt i løkka) Enhet: \(\mathrm{T}\)
\(U\)
spenningen protonet akselereres gjennom hver gang Enhet: \(\mathrm{V}\)
\(v\)
farten til protonet (programvariabel, oppdateres i løkka) Enhet: \(\mathrm{m/s}\)
\(N\)
antall ganger protonet akselereres (programvariabel)
\(i\)
løkketeller i koden, fra 0 til \(N - 1\)
\(v_{\text{gammel}}\)
farten før en ny akselerasjon Enhet: \(\mathrm{m/s}\)
\(v_{\text{ny}}\)
farten etter en ny akselerasjon Enhet: \(\mathrm{m/s}\)
\(\displaystyle U = \dfrac{W}{q}\)spenning er arbeid per ladning; feltet gjør arbeidet \(W = qU\)I formelvedlegget
\(\displaystyle E_k = \dfrac{1}{2}mv^2\)kinetisk energiI formelvedlegget
1 from pylab import *
2
3 q = 1.60e-19
4 m = 1.6726e-27
5 B = 0.045
6 U = 500
7 v = 0 # Startfart
8
9 N = 10
10 for i in range(N):
11 v = sqrt(v**2 + 2*q*U/m)
12
13 print(v)
from pylab import *
q = 1.60e-19
m = 1.6726e-27
B = 0.045
U = 500
v = 0 # Startfart
N = 10
for i in range(N):
v = sqrt(v**2 + 2*q*U/m)
print(v)
Linje 10:for i in range(N): starter en løkke som kjøres \(N = 10\) ganger.
Linje 11:v = sqrt(v**2 + 2*q*U/m) beregner den nye farten etter at protonet har blitt akselerert gjennom spenningen \(U\) enda en gang, ved hjelp av energibevaring:
Programmet simulerer en syklotron: for hver iterasjon akselereres protonet gjennom \(U\), og den kinetiske energien øker med \(qU\). Etter 10 passeringer er total kinetisk energi \(10qU\), og programmet skriver ut den endelige farten. Variabelen B brukes ikke her: magnetkraften står vinkelrett på farten og endrer ikke farten, bare banen. \(B\) trengs først i d), der baneradien skal beregnes.
Konklusjon: Løkken akselererer protonet \(N = 10\) ganger gjennom spenningen \(U\), og farten etter alle akselerasjonene skrives ut.
d) Program som beregner baneradien ved tredje passering i V
\(r\)
baneradien til protonet i magnetfeltet Enhet: \(\mathrm{m}\)
\(m\)
massen til protonet Verdi: \(1{,}6726 \cdot 10^{-27}\ \mathrm{kg}\)Enhet: \(\mathrm{kg}\)Også skrevet \(m_p\)
\(v\)
farten til protonet etter seks akselerasjoner Enhet: \(\mathrm{m/s}\)
\(q\)
ladningen til protonet Verdi: \(1{,}60 \cdot 10^{-19}\ \mathrm{C}\)Enhet: \(\mathrm{C}\)Også skrevet \(e\)
\(B\)
magnetisk flukstetthet i områdene V og H Enhet: \(\mathrm{T}\)
\(E_k\)
kinetisk energi til protonet etter seks akselerasjoner Enhet: \(\mathrm{J}\)
\(U\)
spenningen protonet akselereres gjennom hver gang Enhet: \(\mathrm{V}\)
\(N\)
antall akselerasjoner i koden (6)
\(i\)
løkketeller i koden
\(\displaystyle \vec{F}_m = q\,\vec{v} \times \vec{B}\)magnetisk kraft på en ladning; størrelse \(qvB\) når \(\vec{v} \perp \vec{B}\)I formelvedlegget
\(\displaystyle a = \dfrac{v^2}{r}\)sentripetalakselerasjonen i sirkelbevegelse, rettet mot sentrumI formelvedlegget
\(\displaystyle \Sigma\vec{F} = m\vec{a}\)Newtons 2. lov: kraftsummen gir akselerasjonenI formelvedlegget
\(\displaystyle \begin{aligned} U &= \dfrac{W}{q} \\ E_k &= \tfrac{1}{2}mv^2 \end{aligned}\)arbeidet \(qU\) fra feltet blir kinetisk energiI formelvedlegget
Baneradien i magnetfelt: \(r = mv/(qB)\). Vi trenger farten etter riktig antall akselerasjoner.
Protonet akselereres gjennom E-feltet hver gang det krysser mellom V og H. K er på V-siden. Protonet starter i ro ved K og akselereres inn i H. For å komme inn i V tredje gang trenger vi 6 akselerasjoner: K\(\to\)H (1), H\(\to\)V (2), V\(\to\)H (3), H\(\to\)V (4), V\(\to\)H (5), H\(\to\)V (6).
Python-kode:
from pylab import *
q = 1.60e-19
m = 1.6726e-27
B = 0.045
U = 500
v = 0 # Startfart
# Protonet akselereres 6 ganger for aa naa 3. gang i V
N = 6
for i in range(N):
v = sqrt(v**2 + 2*q*U/m)
r = m*v / (q*B)
print(f"Fart: {v:.4e} m/s")
print(f"Baneradius: {r:.4f} m")
Oppgave 6 – Nøytronstjerne og gravitasjonsrødforskyvning
Fra overflata av nøytronstjerna J0740+6620 sendes det ut fotoner med frekvens \(f_e\). Radien er \(R = 1{,}239 \cdot 10^4\) m. Ved overflata er gravitasjonsfeltstyrken \(g = 1{,}80 \cdot 10^{12}\) m/s\(^2\).
a) Vis at massen til nøytronstjerna \(M = 4{,}14 \cdot 10^{30}\) kg
\(g\)
gravitasjonsfeltstyrken ved overflata av nøytronstjerna Enhet: \(\mathrm{N/kg} = \mathrm{m/s^2}\)
\(\gamma\)
gravitasjonskonstanten Verdi: \(6{,}67 \cdot 10^{-11}\ \mathrm{N\,m^2/kg^2}\)Enhet: \(\mathrm{N\,m^2/kg^2}\)Også skrevet \(G\)
\(M\)
massen til nøytronstjerna Enhet: \(\mathrm{kg}\)
\(R\)
radien til nøytronstjerna Enhet: \(\mathrm{m}\)
\(\displaystyle \vec{g} = \dfrac{\vec{G}}{m}\)gravitasjonsfeltstyrke er gravitasjonskraft per masseI formelvedlegget
\(\displaystyle G = \gamma \dfrac{Mm}{r^2}\)gravitasjonskraften mellom to masser i avstand \(r\)I formelvedlegget
c) Tid sett av observatør utenfor gravitasjonsfeltet
\(\Delta t_r\)
varigheten sett av en observatør langt fra stjerna Enhet: \(\mathrm{s}\)
\(\Delta t_e\)
varigheten målt på overflata av stjerna Enhet: \(\mathrm{s}\)
\(f_e\)
frekvensen fotonene sendes ut med fra overflata Enhet: \(\mathrm{Hz} = \mathrm{s^{-1}}\)
\(f_r\)
frekvensen som observeres langt fra stjerna Enhet: \(\mathrm{Hz} = \mathrm{s^{-1}}\)
\(\displaystyle f = \dfrac{1}{T}\)frekvens og periode er omvendt proporsjonaleI formelvedlegget
\(\displaystyle f_r = f_e\sqrt{1 - \dfrac{2\gamma M}{Rc^2}}\)frekvensforholdet fra b, som gir tidsforholdetGitt i oppgaven
En hendelse på overflata varer i ett år. Hvor lenge vil en observatør utenfor gravitasjonsfeltet oppleve at hendelsen varer?
Gravitasjonstidsforlengelse: Ifølge generell relativitetsteori går klokker saktere jo sterkere gravitasjonsfeltet er. En klokke på overflaten av nøytronstjernen tikker saktere enn en klokke langt unna. Forholdet mellom tidene er det inverse av frekvensforholdet, fordi lavere frekvens betyr lengre tid mellom hver sving:
En observatør utenfor gravitasjonsfeltet opplever at hendelsen varer ca. \(1{,}4\) år.
d) Vurdering av svarene i lys av generell relativitetsteori
\(f_r\)
frekvensen som observeres langt fra stjerna Enhet: \(\mathrm{Hz} = \mathrm{s^{-1}}\)
\(f_e\)
frekvensen fotonene sendes ut med fra overflata Enhet: \(\mathrm{Hz} = \mathrm{s^{-1}}\)
\(\Delta t_e\)
varigheten målt på overflata av stjerna Enhet: \(\mathrm{s}\)
\(\Delta t_r\)
varigheten sett av en observatør langt fra stjerna Enhet: \(\mathrm{s}\)
Oppgave b – Gravitasjonsrødforskyvning: Frekvensen observert langt fra stjerna (\(f_r\)) er lavere enn den emitterte frekvensen (\(f_e\)). Fotonene «klatrer» ut av gravitasjonsbrønnen og mister energi. Lavere frekvens betyr lengre bølgelengde, altså en rødforskyvning. Dette er i tråd med generell relativitetsteori.
Oppgave c – Gravitasjonstidsforlengelse: En hendelse som varer 1 år på overflata observeres å vare 1,4 år utenfra. Klokker i et sterkt gravitasjonsfelt tikker saktere sett utenfra. Dette er også en konsekvens av generell relativitetsteori.
Disse to resultatene henger sammen: tidsforlengelsen og rødforskyvningen er to sider av samme fenomen. Forholdet mellom tidene er det inverse av frekvensforholdet:
Konklusjon: Svarene i b og c er konsistente med hverandre og med generell relativitetsteori. Gravitasjonsrødforskyvning og gravitasjonstidsforlengelse er to sider av det samme fysiske fenomenet.
Oppgave 7 – Pendelforsøk med kule
Ei kule med masse \(m = 1{,}00\) kg er festet i ei snor med lengde \(L = 2{,}00\) m. Snora er festet i en kraftmåler. Kula trekkes ut til siden og slippes. Kraftmåleren måler snordraget i det laveste punktet. Forsøket gjentas for ulike høyder \(h\).
a) Vis at formelen for snorkraften er \(S(h) = mg\left(1 + \dfrac{2h}{L}\right)\)
\(h\)
høyden kula slippes fra, over det laveste punktet Enhet: \(\mathrm{m}\)
\(m\)
massen til kula Enhet: \(\mathrm{kg}\)
\(v\)
farten til kula i det laveste punktet Enhet: \(\mathrm{m/s}\)
lengden av snora, radien i sirkelbanen Enhet: \(\mathrm{m}\)
\(S\)
snorkraften i det laveste punktet Enhet: \(\mathrm{N}\)
\(\displaystyle \begin{aligned} E_k &= \tfrac{1}{2}mv^2 \\ E_p &= mgh \end{aligned}\)kinetisk energi og potensiell energi i tyngdefeltet nær jordaI formelvedlegget
\(\displaystyle a = \dfrac{v^2}{r}\)sentripetalakselerasjonen i sirkelbevegelse, rettet mot sentrumI formelvedlegget
\(\displaystyle \Sigma\vec{F} = m\vec{a}\)Newtons 2. lov: kraftsummen gir akselerasjonenI formelvedlegget
Energibevaring fra slipphøyde \(h\) til det laveste punktet:
For lave \(h\)-verdier (0,10–0,40 m) stemmer formelen svært godt. Avviket er neglisjerbart.
For høyere \(h\)-verdier (0,50–1,00 m) er de målte verdiene systematisk lavere enn de teoretiske. Avviket øker med \(h\).
Mulige forklaringer:
Luftmotstand: Ved store utslag er farten i det laveste punktet høyere. Luftmotstanden bremser kula mer, slik at den faktiske farten er lavere enn antatt. Lavere fart gir lavere sentripetalakselerasjon og dermed lavere snorkraft.
Energitapet til luftmotstand er større ved store utslag fordi kula har høyere gjennomsnittsfart.
Konklusjon: Formelen \(S(h) = mg(1 + 2h/L)\) gjelder godt for lave \(h\)-verdier (opptil ca. 0,40 m). For større \(h\) gir luftmotstanden et systematisk avvik der de målte verdiene er lavere enn de teoretiske.
Laster…
Om oppgaveteksten: Oppgaveteksten i dette løsningsforslaget er gjengitt fra Utdanningsdirektoratets (UDIR) eksamen i Fysikk 2 (våren 2023). Vi gjengir oppgaveteksten bevisst, slik at du kan følge løsningen uten å veksle mellom dokumenter. Eksamensoppgaver fra offentlige myndigheter er uten opphavsrettsvern etter åndsverkloven § 14 og kan gjengis fritt. Selve løsningsforslaget, forklaringene og figurene er utarbeidet av Eksamenssett.no. Opphavsrettsbeskyttede bilder og illustrasjoner fra originaleksamen er fjernet.