Om løsningsforslaget: Dette er et veiledende løsningsforslag laget av eksamenssett.no.
Det kan finnes alternative fremgangsmåter som også gir riktig svar. Punkter merket med «Merk»-boks
peker på steder der eksamensoppgavens egne figurer eller grafer er upresise eller internt inkonsistente.
Del 1
Oppgave 1 – Flervalgsoppgaver
Oppgave
Svar
a
C
b
A
c
A
d
C
e
A
f
C
g
D
h
A
i
A
j
C
k
B
l
C
m
C
n
A
o
D
p
C
q
A
r
C
s
C
t
C
a) Relativ usikkerhet for masse av planet
\(M\)
massen til planeten satellitten går rundt Enhet: \(\mathrm{kg}\)
\(r\)
radien i sirkelbanen til satellitten Enhet: \(\mathrm{m}\)
\(\gamma\)
gravitasjonskonstanten Verdi: \(6{,}67 \cdot 10^{-11}\ \mathrm{N\,m^2/kg^2}\)Enhet: \(\mathrm{N\,m^2/kg^2}\)Også skrevet \(G\)
\(T\)
omløpstiden til satellitten Enhet: \(\mathrm{s}\)
\(k\)
samlet konstant foran brøken, \(k = 4\pi^2/\gamma\) Enhet: \(\mathrm{kg\,s^2/m^3}\)
\(\Delta M\)
usikkerheten i massen \(M\) — i usikkerhetsregning betyr \(\Delta\) usikkerhet, ikke endring Enhet: \(\mathrm{kg}\)
\(\Delta r\)
usikkerheten i baneradien \(r\) Enhet: \(\mathrm{m}\)
\(\Delta T\)
usikkerheten i omløpstiden \(T\) Enhet: \(\mathrm{s}\)
\(\displaystyle \dfrac{\Delta(x^n \cdot y^m)}{x^n \cdot y^m} = |n|\dfrac{\Delta x}{x} + |m|\dfrac{\Delta y}{y}\)relativ usikkerhet i et produkt av potenser: eksponenten ganges inn (\(\Delta x\) er usikkerheten i \(x\))I formelvedlegget
Satellitt i sirkelbane. \(M = \dfrac{4\pi^2 r^3}{\gamma T^2}\). Relativ usikkerhet i \(T\) er 2 %, i \(r\) er 3 %.
A 5 %
B 6 %
C 13 %
D 31 %
For et uttrykk på formen \(M = k \cdot r^3 / T^2\) gir feilforplantningsformelen:
Vanlig feil: Mange velger 5 % (alternativ A), som er summen av de relative usikkerhetene uten å ta hensyn til eksponentene. Eksponenten til en variabel multipliserer den relative usikkerheten, så \(r^3\) gir et bidrag på \(3 \cdot \Delta r/r\), ikke bare \(\Delta r/r\).
b) Tre krefter – riktig F3
\(F_1\)
kraften som peker oppover mot høyre Enhet: \(\mathrm{N}\)
\(F_2\)
kraften som peker nedover mot høyre Enhet: \(\mathrm{N}\)
\(F_3\)
den tredje kraften, som skal finnes Enhet: \(\mathrm{N}\)
\(\displaystyle [x_1, y_1] + [x_2, y_2] = [x_1 + x_2,\ y_1 + y_2]\)vektorer legges sammen komponent for komponentI formelvedlegget
Tre krefter F1, F2 og F3 virker på en gjenstand slik at den beveger seg mot høyre. F1 peker oppover-mot-høyre, F2 peker nedover-mot-høyre. Hvilket alternativ viser riktig F3?
A \(\vec{F}_3\) peker skrått oppover mot venstre.
B \(\vec{F}_3\) peker skrått oppover mot høyre.
C \(\vec{F}_3\) peker rett mot venstre.
D \(\vec{F}_3\) peker rett nedover.
Løsningsfigur. Summen F1+F2 er ikke tegnet i oppgavesettet — den har netto én rute nedover, og bare den vertikale komponenten må nulles.
Vi leser av komponentene fra rutenettet i figuren:
\(\vec{F}_1\): ca. 2 ruter mot høyre, 1 ruter oppover
\(\vec{F}_2\): ca. 3 ruter mot høyre, 2 ruter nedover
Summen \(\vec{F}_1 + \vec{F}_2\) har:
Horisontal komponent: \(2 + 3 = 5\) ruter mot høyre
Gjenstanden beveger seg langs den horisontale linja. For at banen skal holde seg rett og horisontal, kreves det bare at kraftsummen ikke har noen vertikalkomponent — gjenstanden kan godt akselerere eller bremse langs linja. Kravet er altså at \(\vec{F}_3\) har en vertikalkomponent 1 rute oppover, slik at den nuller den netto nedoverkomponenten fra \(\vec{F}_1 + \vec{F}_2\). Horisontalkomponenten til \(\vec{F}_3\) er derimot ikke bundet av oppgaveteksten.
Vi går gjennom alternativene:
A (4 ruter mot venstre, 1 rute oppover): vertikalkomponenten går i null. ✔
B: har oppoverkomponent, men ikke den rette størrelsen — vertikalsummen blir ikke null.
C (rent horisontal): gir ingen vertikalkomponent, så summen beholder nedoverkomponenten.
D (rett ned): forsterker nedoverkomponenten.
A er dermed det eneste alternativet som gir vertikal balanse — F3 peker mot øvre venstre.
Svar: A
Vanlig feil: Mange velger C (F3 horisontalt mot venstre), fordi de antar at F1 og F2 har like store og motsatte vertikalkomponenter. Men fra figuren ser vi at F2 har en større nedoverkomponent enn F1 har oppover, slik at summen har en netto nedoverkomponent. Derfor må F3 ha en oppoverkomponent i tillegg til venstrekomponenten.
c) Programmering – kloss opp og ned skråplan med luftmotstand
\(L\)
luftmotstanden på klossen Enhet: \(\mathrm{N}\)
\(k\)
konstant som bestemmer hvor stor luftmotstanden er Enhet: \(\mathrm{kg/m} = \mathrm{N\,s^2/m^2}\)
\(v\)
farten til klossen langs skråplanet (positiv oppover) Enhet: \(\mathrm{m/s}\)
\(a\)
akselerasjonen til klossen langs skråplanet (positiv oppover) Enhet: \(\mathrm{m/s^2}\)
\(\displaystyle L = kv^2\)luftmotstand som øker med kvadratet av fartenI formelvedlegget
\(\displaystyle G_x = mg\sin u\)tyngdekomponenten langs et skråplan med helningsvinkel \(u\)Må kunnes
En kloss med masse 0,42 kg sendes med en startfart oppover et skråplan. Programmet skal beregne hvor stor fart klossen har når den er tilbake til utgangspunktet. Luftmotstanden er gitt ved \(L = kv^2\). Se bort fra friksjon.
1 k = 0.07
2 m = 0.42
3 g = 9.81
4 sinu = 0.20 # Sinusverdi for skråplanvinkelen
5 v = 3.13 # Startfarten
6 s=0
7
8 dt = 0.0001
9 while s >= 0:
10 if v > 0:
11 a=
12 else:
13 a=
14 v = v + a*dt
15 s = s + v*dt
16 print(v)
Hva skal stå på linje 11 og linje 13?
A Linje 11: a = -g*sinu - k*v**2/m Linje 13: a = -g*sinu + k*v**2/m
B Linje 11: a = -g*sinu - k*v**2/m Linje 13: a = g*sinu - k*v**2/m
C Linje 11: a = -g*sinu + k*v**2/m Linje 13: a = g*sinu + k*v**2/m
D Linje 11: a = -g*sinu + k*v**2/m Linje 13: a = -g*sinu - k*v**2/m
Når klossen beveger seg oppover (\(v > 0\)):
Både tyngdekomponenten langs skråplanet og luftmotstanden virker nedover langs planet (mot bevegelsen):
\[ a = -g\sin u - \frac{k v^2}{m} \]
Når klossen beveger seg nedover (\(v < 0\)):
Tyngdekomponenten virker fortsatt nedover langs planet (\(-g\sin u\)), men luftmotstanden virker nå oppover (mot bevegelsen):
\[ a = -g\sin u + \frac{k v^2}{m} \]
Svar: A
Vanlig feil: Mange velger D fordi de bytter om linje 11 og linje 13: D har de to riktige uttrykkene, men i motsatt rekkefølge. Men luftmotstanden er en kraft som alltid virker mot bevegelsesretningen. Når retningen på bevegelsen endres (fra opp til ned), endres også retningen til luftmotstandskraften. Derfor må fortegnet på \(kv^2/m\)-leddet byttes mellom \(v > 0\) og \(v < 0\).
d) Kloss på skråplan med lodd over trinse
\(m\)
masseenhet: klossen har massen 3m, loddet 2m Enhet: \(\mathrm{kg}\)
\(F_{\text{ned}}\)
tyngdekomponenten som drar klossen nedover langs planet Enhet: \(\mathrm{N}\)
Kraft som drar klossen oppover langs planet (snorkraften = vekt av loddet):
\[ F_{\text{opp}} = 2m \cdot g = 2{,}0\, mg \]
Siden \(F_{\text{opp}} > F_{\text{ned}}\), blir det en netto kraft som drar klossen oppover skråplanet. Klossen starter fra ro og akselererer.
Svar: C – Klossen glir med økende fart oppover skråplanet.
Vanlig feil: Mange velger A (i ro) fordi de tror loddets vekt skal sammenliknes med hele tyngden \(3mg\) av klossen. Men det er bare komponenten av klossens tyngde langs skråplanet, \(3mg\sin 30° = 1{,}5\,mg\), som motvirker loddets trekk. Siden \(2mg > 1{,}5\,mg\), vinner loddet, og klossen akselereres oppover.
e) Kloss ned vertikal sirkelbane med økende fart
\(G_y\)
komponenten av tyngdekraften som peker mot sentrum av banen Enhet: \(\mathrm{N}\)
\(G\)
tyngdekraften på klossen Enhet: \(\mathrm{N}\)Også skrevet \(F_G\)
\(G_x\)
komponenten av tyngdekraften langs banen (tangentielt) Enhet: \(\mathrm{N}\)
\(N\)
normalkraften fra banen på klossen, ut fra sentrum Enhet: \(\mathrm{N}\)
\(\displaystyle G_y = G\cos\alpha\)tyngdekomponenten inn mot sentrum; \(\alpha\) er vinkelen mellom loddlinja og radien til klossenMå kunnes
\(\displaystyle R = \mu N\)friksjonskraften ut fra normalkraftenI formelvedlegget
En kloss glir med økende fart ned en vertikal, konveks sirkelbane (utsiden av en bue, som toppen av en kuppel). \(G_y\) er komponenten av tyngdekraften som peker mot sentrum av sirkelbanen. Friksjon og normalkraft virker. Hva er riktig når klossen er på vei nedover?
A Normalkraften avtar.
B Normalkraften er større enn \(G_y\).
C Friksjonen øker.
D Friksjonen er konstant.
Løsningsfigur. Oppgavesettet tegner G, Gy og Gx, men verken N eller friksjonen — og det er N spørsmålet gjelder.
Klossen ligger på utsiden av en konveks bane, så normalkraften \(N\) peker ut fra sentrum, mens \(G_y\) peker mot sentrum. Newtons 2. lov radialt (mot sentrum positiv):
\[ G_y - N = \frac{mv^2}{r} \quad \Rightarrow \quad N = G_y - \frac{mv^2}{r} \]
Siden \(\dfrac{mv^2}{r} > 0\), er normalkraften alltid mindre enn \(G_y\) — så påstand B er usann.
Når klossen glir nedover, øker farten \(v\), og samtidig blir vinkelen større slik at \(G_y = mg\cos\alpha\) minker. Begge effektene gjør at \(N = G_y - \dfrac{mv^2}{r}\) blir mindre. Normalkraften avtar altså. Da avtar også friksjonen \(R = \mu N\), så C og D er usanne.
Svar: A – Normalkraften avtar.
Vanlig feil: Mange velger B (normalkraften er større enn \(G_y\)) fordi de husker situasjonen for en kloss på innsiden av en bane, der underlaget må presse ekstra hardt for å gi sentripetalakselerasjonen. Men her ligger klossen på utsiden av en konveks bane, så det er \(G_y\) som peker mot sentrum og leverer sentripetalkraften. Av \(N = G_y - mv^2/r\) ser vi at \(N\) er mindre enn \(G_y\), ikke større. Riktig svar er A.
f) Kule i horisontal sirkel mellom to snorer
\(S_1\)
snorkraften i den øverste snora Enhet: \(\mathrm{N}\)
\(S_2\)
snorkraften i den nederste snora Enhet: \(\mathrm{N}\)
\(\alpha\)
vinkelen hver snor danner med vertikalen Enhet: \({}^{\circ}\)
Vanlig feil: Mange velger A (\(S_1 = S_2\)) fordi de tenker symmetri. Men symmetrien er bare i geometrien (lik vinkel), ikke i kreftene. Den øverste snora må bære både kulas vekt og holde igjen den nederste snora, så snorkraften i den øverste snora er alltid større.
g) Kraftsum på kule som henger i bil i sirkelbane
\(R\)
radien i sirkelbanen til bilen Enhet: \(\mathrm{m}\)
\(r\)
vannrett avstand fra opphengingspunktet ut til kula Enhet: \(\mathrm{m}\)
\(\Sigma F\)
kraftsummen på kula, rettet mot sentrum av banen Enhet: \(\mathrm{N}\)
\(m\)
massen til kula Enhet: \(\mathrm{kg}\)
\(v\)
farten til kula i sirkelbanen Enhet: \(\mathrm{m/s}\)
\(\displaystyle a = \dfrac{v^2}{r}\)sentripetalakselerasjonen i sirkelbevegelse, rettet mot sentrumI formelvedlegget
Bil i horisontal sirkelbane med radius R. Kule henger i snor med horisontal avstand r fra opphengingspunktet (kula svinger ut).
A \(\dfrac{mv^2}{\sqrt{R^2+r^2}}\)
B \(\dfrac{mv^2}{r}\)
C \(\dfrac{mv^2}{R}\)
D \(\dfrac{mv^2}{R+r}\)
Løsningsfigur. Kula svinger UT fra sentrum, så baneradien er R + r — ikke R.
Kula går i en sirkelbane om sentrum av bilens sirkelbane. Den horisontale avstanden fra sentrum til kula er R + r (kula svinger utover på grunn av sentrifugaleffekten i bilens system).
Kraftsummen på kula (= sentripetalkraften, rettet mot sentrum av sirkelbanen) er:
\[ \Sigma F = \frac{m v^2}{R + r} \]
Svar: D
Vanlig feil: Mange velger C (\(mv^2/R\)) fordi de tenker at radius i sirkelbanen er bilens radius R. Men kula svinger utover og går i en sirkelbane med større radius, nemlig \(R + r\). Sentripetalkraften beregnes alltid med radien til den aktuelle banen.
h) Kloss på innsiden av halvsirkel
\(\theta\)
vinkelen mellom loddlinjen og radien til klossen Enhet: \({}^{\circ}\)
Kloss glir på innsiden av vertikal halvsirkel. Vinkel \(\theta\) mellom loddlinjen og radius til klossen. Akselerasjonens komponenter?
A Akselerasjonen vinkelrett på fartsretningen peker: inn mot sentrum; Absoluttverdien til akselerasjonen parallell med fartsretningen: \(g\sin\alpha\)
B Akselerasjonen vinkelrett på fartsretningen peker: ut fra sentrum; Absoluttverdien til akselerasjonen parallell med fartsretningen: \(g\sin\alpha\)
C Akselerasjonen vinkelrett på fartsretningen peker: inn mot sentrum; Absoluttverdien til akselerasjonen parallell med fartsretningen: \(g\cos\alpha\)
D Akselerasjonen vinkelrett på fartsretningen peker: ut fra sentrum; Absoluttverdien til akselerasjonen parallell med fartsretningen: \(g\cos\alpha\)
Løsningsfigur. Vinkelen er målt fra loddlinja, og derfor er det sinus som gir tangentialkomponenten.
Akselerasjon vinkelrett på fartsretningen = sentripetalakselerasjon = \(\dfrac{v^2}{r}\), rettet inn mot sentrum.
Akselerasjon parallell med fartsretningen (tangentiell): bare tyngdekraftens komponent langs tangenten bidrar (ingen friksjon). I posisjonen vist er tangentkomponenten av tyngdekraften \(g\sin\theta\).
Svar: A – Inn mot sentrum, og \(g\sin\theta\).
Vanlig feil: Mange velger C eller D med \(g\cos\theta\) fordi de forveksler hvilken vinkel som gir komponentprojeksjonen. Vinkelen \(\theta\) er målt fra loddlinjen til radius. Komponenten av tyngdekraften langs tangenten (vinkelrett på radius) er da \(g\sin\theta\). \(g\cos\theta\) er komponenten langs radius.
i) Skrått kast – hva regnes ut?
\(v_0\)
startfarten til kula Enhet: \(\mathrm{m/s}\)
\(\alpha\)
kastvinkelen, målt fra horisontalen Enhet: \({}^{\circ}\)
Dette er den klassiske formelen for kastelengden for skrått kast fra og til samme høyde.
Svar: A – Hvor langt fra start kula treffer underlaget.
Vanlig feil: Mange velger C (total kastetid) fordi de husker uttrykket \(t = 2v_0 \sin\alpha/g\). Forskjellen er én faktor \(v_0 \cos\alpha / g\) (horisontalt bidrag), som gjør at uttrykket i oppgaven har \(v_0^2\) (kvadrert) i stedet for \(v_0\) (lineær) – tegnet på at det er en lengde, ikke en tid.
j) Gravitasjonsfeltstyrker på tre stjerner
\(m\)
massen til stjerne A Enhet: \(\mathrm{kg}\)
\(r\)
radien til stjerne A Enhet: \(\mathrm{m}\)
\(g_A\)
gravitasjonsfeltstyrken ved overflaten av stjerne A Enhet: \(\mathrm{N/kg} = \mathrm{m/s^2}\)
\(g_B\)
gravitasjonsfeltstyrken ved overflaten av stjerne B Enhet: \(\mathrm{N/kg} = \mathrm{m/s^2}\)
\(g_C\)
gravitasjonsfeltstyrken ved overflaten av stjerne C Enhet: \(\mathrm{N/kg} = \mathrm{m/s^2}\)
\(g\)
gravitasjonsfeltstyrken ved overflaten av en stjerne (generelt) 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 stjernen i den generelle formelen Enhet: \(\mathrm{kg}\)
\(R\)
radien til stjernen i den generelle formelen Enhet: \(\mathrm{m}\)
\(k\)
faktoren både massen og radien ganges med
\(\displaystyle g = \gamma \dfrac{M}{r^2}\)gravitasjonsfeltstyrken i avstand \(r\) fra sentrum av et legeme med masse \(M\)I formelvedlegget
Stjerne A: masse m, radius r. Stjerne B: 2m, 2r. Stjerne C: 3m, 3r. Sammenlign \(g_A, g_B, g_C\).
A \(g_A < g_B < g_C\)
B \(g_B < g_A < g_C\)
C \(g_C < g_B < g_A\)
D \(g_A = g_B = g_C\)
Gravitasjonsfeltstyrken på overflaten er \(g = \dfrac{\gamma M}{R^2}\):
Vanlig feil: Mange velger D (alle like) fordi de tror at proporsjonalt større stjerner gir like sterk gravitasjon på overflaten. Men gravitasjonsfeltstyrken går som \(M/R^2\), og når både \(M\) og \(R\) skaleres med samme faktor \(k\), blir \(g\) skalert med \(k/k^2 = 1/k\). Større stjerner med samme tetthetsstruktur har dermed svakere overflate-gravitasjon. Alternativ C uttrykker rekkefølgen \(g_C < g_B < g_A\), som er den korrekte tolkningen av at A har størst feltstyrke og C har minst.
k) Asteroide i ellipsebane
\(E_p\)
gravitasjonell potensiell energi for asteroiden Enhet: \(\mathrm{J}\)
\(\gamma\)
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 sola Enhet: \(\mathrm{kg}\)
\(m\)
massen til asteroiden Enhet: \(\mathrm{kg}\)
\(r\)
avstanden fra sentrum av sola til asteroiden 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
\(\displaystyle E = E_0 + W_a\)mekanisk energi til slutt er startenergien pluss arbeidet fra andre krefterI formelvedlegget
Asteroide ved to posisjoner i ellipsebane rundt sola. Største fart og største potensielle energi?
A Størst fart: posisjon 1; Størst potensiell energi: posisjon 1
B Størst fart: posisjon 1; Størst potensiell energi: posisjon 2
C Størst fart: posisjon 2; Størst potensiell energi: posisjon 1
D Størst fart: posisjon 2; Størst potensiell energi: posisjon 2
Etter Keplers 2. lov er farten størst når asteroiden er nærmest sola (perihel), og minst ved aphel.
Gravitasjonell potensiell energi er \(E_p = -\dfrac{\gamma Mm}{r}\). Når \(r\) øker, blir \(E_p\) mindre negativ, altså større. Maksimal \(E_p\) er ved aphel (lengst fra sola).
Fra figuren er posisjon 1 nær sola (perihel) og posisjon 2 langt fra sola (aphel):
Svar: B – Størst fart i posisjon 1, størst potensiell energi i posisjon 2.
Vanlig feil: Mange velger A (begge i posisjon 1) eller D (begge i posisjon 2) fordi de bruker formel for \(E_p\) som gir et positivt tall som øker med høyde. For gravitasjon mellom himmellegemer brukes formelen \(E_p = -\gamma Mm/r\), som er negativ. Når avstanden øker, blir \(E_p\) mindre negativ (= større).
l) Magnetfelt fra spole og rett leder
\(I_1\)
strømmen i spolen Enhet: \(\mathrm{A}\)
\(I_2\)
strømmen i den rette lederen, inn i papiret Enhet: \(\mathrm{A}\)
\(\displaystyle B = k_m \dfrac{I}{r}\)magnetfeltet i avstand \(r\) fra en lang, rett lederI formelvedlegget
Spole med strøm I1 (horisontal spoleakse). Rett leder til høyre med strøm I2 inn i papiret. Punkt P på spoleaksen mellom dem.
A Pil skrått nedover mot venstre.
B Pil skrått oppover mot venstre.
C Pil skrått oppover mot høyre.
D Pil skrått nedover mot høyre.
Løsningsfigur. De to feltbidragene i P er ikke tegnet noe sted i oppgavesettet.
Bidrag fra spolen: Med høyrehåndsregelen for spolen gir strømretningen et magnetfelt langs spoleaksen. Fra figuren peker spolens felt mot høyre (mot punkt P og videre).
Bidrag fra den rette lederen: Med høyrehåndsregelen for I2 (tommel inn i papiret, fingrene krummer med klokka): i punkt P (til venstre for lederen) peker feltet oppover.
Summen blir en vektor som peker oppover og mot høyre.
Svar: C
Vanlig feil: Mange velger D (nedover-til-høyre) fordi de bruker høyrehåndsregelen feil for den rette lederen. Husk: tommelen følger strømretningen (inn i papiret = inn i håndflaten), og fingrene krummer i feltretningen. På venstre side av lederen peker feltet oppover, ikke nedover.
m) Tre rette ledere – felt i P og Q
\(I\)
strømmen i hver av de to vertikale lederne Enhet: \(\mathrm{A}\)
\(d\)
avstanden fra P og Q til hver leder Enhet: \(\mathrm{m}\)
\(B_0\)
feltbidraget fra én leder med strøm I i avstand d Enhet: \(\mathrm{T}\)
\(k_m\)
Biot-Savart-konstanten Verdi: \(2 \cdot 10^{-7}\ \mathrm{N/A^2}\) (eksakt)Enhet: \(\mathrm{N/A^2}\)Også skrevet \(\mu_0/(2\pi)\)
\(B\)
det samlede magnetfeltet i et punkt, B(Q) i punkt Q Enhet: \(\mathrm{T}\)
\(\displaystyle B = k_m \dfrac{I}{r}\)magnetfeltet i avstand \(r\) fra en lang, rett lederI formelvedlegget
Tre rette ledere i samme plan. De to vertikale lederne fører strømmen I, men i motsatt retning: venstre leder fører strøm nedover, høyre leder fører strøm oppover. Den horisontale lederen i midten fører 2I mot høyre. P ligger over den horisontale lederen, Q ligger under. Punktene P og Q er like langt (avstand d) fra alle tre lederne.
1 Det samlede magnetfeltet i punktet P har retning inn i papirplanet.
2 Den magnetiske flukstettheten (feltstyrken) i punktet Q er lik 0.
A ingen av påstandene
B bare påstand 1
C bare påstand 2
D begge påstandene
Løsningsfigur. Alle seks høyrehåndsvurderingene er tegnet ut, slik at kanselleringen i Q kan ses og ikke bare leses.
Hvert bidrag har samme størrelse \(B_0 = k_m\dfrac{I}{d}\) fra en I-leder, og \(2B_0\) fra 2I-lederen, siden alle avstandene er like (d).
I punkt P (over den horisontale lederen):
Venstre vertikale leder (strøm nedover): P ligger til høyre for lederen, høyrehåndsregelen gir felt ut av papiret.
Høyre vertikale leder (strøm oppover): P ligger til venstre for lederen, høyrehåndsregelen gir felt ut av papiret.
Den horisontale 2I-lederen (strøm mot høyre): P ligger over lederen, høyrehåndsregelen gir felt ut av papiret.
Alle tre bidragene peker ut av papiret i P, så det samlede feltet er ut av papiret (\(\neq 0\)). Påstand 1 sier feltet peker inn i papiret – FEIL.
I punkt Q (under den horisontale lederen):
Venstre vertikale leder (strøm nedover): Q ligger til høyre for lederen → felt ut av papiret (\(B_0\)).
Høyre vertikale leder (strøm oppover): Q ligger til venstre for lederen → felt ut av papiret (\(B_0\)).
Den horisontale 2I-lederen (strøm mot høyre): Q ligger under lederen → felt inn i papiret (\(2B_0\)).
De to vertikale lederne gir til sammen \(2B_0\) ut av papiret, mens 2I-lederen gir \(2B_0\) inn i papiret. Disse er like store og motsatt rettet, så de kansellerer eksakt: \(B(Q) = 0\). Påstand 2 sier feltet er null i Q – RIKTIG.
Svar: C – Bare påstand 2 er riktig.
Vanlig feil: Mange velger A (ingen av påstandene) fordi de tror de to vertikale lederne kansellerer hverandre i hvert punkt. Men strømmene i de to vertikale lederne går i motsatt retning, så bidragene deres peker faktisk i samme retning (begge ut av papiret i både P og Q) – de legger seg sammen i stedet for å oppheve hverandre. I Q er det denne summen fra de vertikale lederne som balanseres av 2I-lederens motsatte bidrag, slik at totalfeltet blir null.
n) Motor med strømsløyfe i magnetfelt
\(B\)
magnetfeltet sløyfa står i Enhet: \(\mathrm{T}\)
\(F\)
magnetkraften på en side av strømsløyfa Enhet: \(\mathrm{N}\)
\(I\)
strømmen i sløyfa Enhet: \(\mathrm{A}\)
\(L\)
lengden av sløyfesiden, pekende i strømretningen Enhet: \(\mathrm{m}\)
\(\displaystyle \vec{F}_m = I\vec{L} \times \vec{B}\)magnetisk kraft på en strømførende lederI formelvedlegget
Strømsløyfe rundt horisontal aksling. I hvilken figur kan B-feltet gi rotasjon?
A Magnetfeltet B peker loddrett oppover, vist med to loddrette røde piler som går tvers gjennom sløyfeflaten.
B Magnetfeltet B peker vannrett mot høyre, vist med to vannrette røde piler som går tvers gjennom sløyfeflaten.
C Magnetfeltet B peker inn i papirplanet, vist med røde kryss inne i sløyfa.
D Magnetfeltet B peker ut av papirplanet, vist med røde prikker inne i sløyfa.
Løsningsfigur. Kreftene I·L×B er ikke tegnet i noen av oppgavesettets fire alternativer.
For at sløyfa skal rotere om akslingen, må magnetkraften \(\vec{F} = I\vec{L} \times \vec{B}\) gi et dreiemoment om akselen. Dette krever at B-feltet er parallelt med sløyfeplanet (ikke vinkelrett på det), slik at krefter på motsatte sider peker i motsatte retninger vinkelrett på akselen.
Alternativene C og D har B vinkelrett på sløyfeplanet (henholdsvis inn og ut av papiret), som gir krefter radialt utover/innover i sløyfeplanet – disse gir ingen rotasjon.
Alternativ A har B vertikalt oppover, parallelt med sløyfeplanet. Med strømretningen som vist (mot klokka sett forfra) gir dette krefter som vipper sløyfa om akslingen.
Svar: A
Vanlig feil: Mange velger C eller D fordi de tenker at B vinkelrett på sløyfa er "naturlig" for en motor. Men i en likestrømsmotor må feltet være parallelt med sløyfeplanet for at kreftene skal kunne vippe sløyfa. Vinkelrett B gir kun krefter som strekker sløyfa, ikke roterer den.
\(\displaystyle \Phi = \vec{B} \cdot \vec{A} = BA\cos(\alpha)\)magnetisk fluks gjennom en flateI formelvedlegget
\(\displaystyle \varepsilon = -N \cdot \dfrac{\Delta\Phi}{\Delta t}\)indusert spenning når fluksen endrer seg (Faradays lov)I formelvedlegget
Magnet med sørpol nederst faller gjennom ring (sørpol først). Strømretning (V eller H) og akselerasjon?
A Strømretningen i ringen har retning mot: H; Akselerasjonen til magneten er: større enn \(g\)
B Strømretningen i ringen har retning mot: H; Akselerasjonen til magneten er: mindre enn \(g\)
C Strømretningen i ringen har retning mot: V; Akselerasjonen til magneten er: større enn \(g\)
D Strømretningen i ringen har retning mot: V; Akselerasjonen til magneten er: mindre enn \(g\)
Strømretning: Like under magneten peker B-feltlinjene oppover (mot sørpolen, siden feltlinjene går inn i S). Når magneten nærmer seg ringen ovenfra, øker den oppadrettede fluksen gjennom ringen.
Lenz' lov: indusert strøm motvirker endringen, så den induserte strømmen skaper et felt som peker nedover. Med høyrehåndsregelen for en sløyfe (tommel peker i feltretningen, fingrene krummer i strømretningen): for felt nedover må strømmen gå med klokka sett ovenfra.
Sett fra forsiden av ringen (mot oss) går strømmen mot V (venstre).
Akselerasjon: Den induserte strømmen i magnetfeltet gir en kraft som bremser fallet (Lenz' lov). Netto kraft nedover er mindre enn \(mg\), så akselerasjonen er mindre enn g.
Svar: D – V, mindre enn g.
Vanlig feil: Mange velger C (V, større enn g) fordi de tror den induserte strømmen kan akselerere magneten. Men Lenz' lov sier alltid at indusert strøm motvirker den underliggende bevegelsen som skaper den. Den induserte strømmen lager en bremsende kraft, ikke en akselererende.
p) Roterende stav i magnetfelt
\(B\)
magnetfeltet der staven er Enhet: \(\mathrm{T}\)
\(F\)
magnetkraften på staven Enhet: \(\mathrm{N}\)
\(I\)
den induserte strømmen i staven Enhet: \(\mathrm{A}\)
\(L\)
lengden av staven, pekende i strømretningen Enhet: \(\mathrm{m}\)
\(\displaystyle \varepsilon = -N \cdot \dfrac{\Delta\Phi}{\Delta t}\)indusert spenning når fluksen endrer seg (Faradays lov)I formelvedlegget
\(\displaystyle \Phi = \vec{B} \cdot \vec{A} = BA\cos(\alpha)\)magnetisk fluks gjennom en flateI formelvedlegget
\(\displaystyle \vec{F}_m = I\vec{L} \times \vec{B}\)magnetisk kraft på en strømførende lederI formelvedlegget
Stav roterer mot klokka. Når den passerer øvre skinne er B ut av papiret; over nedre skinne er B inn i papiret. Vurder to påstander.
1 Den induserte strømmen går mot klokka, uansett hvilken skinne staven roterer over.
2 Den magnetiske kraften på staven virker mot fartsretningen til staven, uansett hvilken skinne staven roterer over.
A ingen av påstandene
B bare påstand 1
C bare påstand 2
D begge påstandene
Påstand 2 (om magnetkraften): Etter Lenz' lov vil den induserte strømmen alltid skape et magnetfelt som motvirker bevegelsen. Magnetkraften på staven (\(\vec{F} = I\vec{L} \times \vec{B}\)) virker dermed alltid mot stavens fartsretning, uavhengig av hvilken skinne den er over. Påstand 2 er RIKTIG.
Påstand 1 (om strømretningen): Når staven er over øvre skinne (B ut, mot klokka rotasjon): arealet av kretsen med B ut øker. Indusert strøm motvirker → skaper felt inn → strømmen går med klokka i kretsen.
Når staven er over nedre skinne (B inn, samme rotasjonsretning): arealet med B inn øker → indusert strøm skaper felt ut → strømmen går mot klokka.
Strømretningen er altså ikke den samme i begge tilfeller. Påstand 1 er FEIL.
Svar: C – Bare påstand 2.
Vanlig feil: Mange velger D (begge), fordi de antar at samme rotasjonsretning gir samme strømretning. Men når magnetfeltet vender retning mellom de to skinnene, vender også retningen til den induserte EMF og dermed strømretningen.
q) Tidsdilatasjon – hendelse på jorda målt fra romskip
\(\gamma\)
gammafaktoren (Lorentz-faktoren) for romskipets fart
\(t_0\)
egentiden: varigheten målt med jordas klokke Enhet: \(\mathrm{s}\)Også skrevet \(\Delta t_0\)
\(t_{\text{romskip}}\)
varigheten av hendelsen målt i romskipet Enhet: \(\mathrm{s}\)Også skrevet \(\Delta t\)
\(\displaystyle t = \gamma t_0\)tidsdilatasjon: \(t_0\) er egentiden, målt der hendelsen er i roI formelvedlegget
\(\gamma = 2{,}0\). Hendelse på jorda tar 5,0 µs målt i romskipet. Hvor lang tid på jordas klokke?
A 2,5 µs
B 3,0 µs
C 7,0 µs
D 10 µs
Hendelsen skjer på jorda, så jordas klokke måler egentiden \(t_0\) (hendelsen er i ro i jordas system). Klokken i romskipet beveger seg i forhold til jorda, og den observerer hendelsen som "lengre" på grunn av tidsdilatasjon:
Vanlig feil: Mange velger D (10 µs) fordi de multipliserer med \(\gamma\) i stedet for å dele. Det er viktig å identifisere hvor egentiden måles: en hendelse skjer i ro i ett spesifikt referansesystem, og den klokken som er i ro der måler egentiden \(t_0\) (den korteste tiden). Alle andre referansesystem måler en lengre tid \(\gamma t_0\).
r) Ball i akselererende fartøy – Pers referansesystem
\(a\)
akselerasjonen til fartøyet Enhet: \(\mathrm{m/s^2}\)
\(\displaystyle G = mg\)tyngdekraften; står i vedlegget som \(\vec{g} = \vec{G}/m\)I formelvedlegget
Fartøy akselererer mot venstre med \(|a| = g\). Ball kastes inne i fartøyet. Per står i ro på bakken. Kraftsummen på ballen sett fra Per?
A Pilen som peker skrått oppover mot høyre fra kula.
B Pilen som peker skrått oppover mot venstre fra kula.
C Pilen som peker rett nedover fra kula.
D Pilen som peker skrått nedover mot høyre fra kula.
Per er i et treghetssystem (han står i ro på bakken). I et treghetssystem virker kun de fysiske kreftene på ballen.
Den eneste fysiske kraften som virker på ballen (etter at den slipper hånden) er tyngdekraften \(\vec{G} = m\vec{g}\), som peker nedover.
Fartøyets akselerasjon er irrelevant for kreftene på ballen – fartøyet trekker ikke i ballen på noen måte når den er i luften. Pseudokrefter (som ville oppstått i fartøyets system) eksisterer ikke i Pers system.
Svar: C – Loddrett ned.
Vanlig feil: Mange velger D (skrå retning) fordi de blander sammen Pers (treghets-) system og fartøyets (akselererende) system. I Pers system er det bare tyngdekraften som virker på ballen. Akselerasjonen til fartøyet ville bare gitt opphav til pseudokrefter i fartøyets system, ikke i Pers.
s) Bølgefunksjonen Ψ(x) og sannsynlighet
\(\Psi\)
bølgefunksjonen til elektronet Enhet: \(\mathrm{m^{-1/2}}\)Også skrevet \(\psi\)
\(x\)
posisjonen langs x-aksen Enhet: \(\mathrm{m}\)
\(|\Psi|^2\)
sannsynlighetstettheten for å finne elektronet i x Enhet: \(\mathrm{m^{-1}}\)
\(P\)
sannsynligheten for å finne elektronet i intervallet, P(a)
\(\displaystyle P = \int_a^b |\Psi(x)|^2\,dx\)sannsynligheten for å finne partikkelen mellom \(a\) og \(b\)Må kunnes
Graf av Ψ(x) for elektron. Sannsynligheten for å finne elektronet i intervall a, b, c?
A Det er større sannsynlighet for å finne elektronet i intervall a enn i intervall c.
B Det er større sannsynlighet for å finne elektronet i intervall b enn i intervall c.
C Det er like stor sannsynlighet for å finne elektronet i intervall a som i intervall c.
D Sannsynligheten for å finne elektronet i intervall b er null.
Løsningsfigur. Sannsynligheten er arealet under |Ψ|², ikke under Ψ — og den kurven finnes ikke i oppgavesettet.
Sannsynlighetstettheten er \(|\Psi(x)|^2\), og sannsynligheten i et intervall er arealet under \(|\Psi|^2\)-kurven.
Fra figuren er Ψ omtrent en sinusbølge:
Intervall a: Ψ er positiv med en bestemt amplitude
Intervall b: Ψ krysser null – små absoluttverdier → liten sannsynlighet
Intervall c: Ψ er negativ med en amplitude tilsvarende intervall a (symmetrisk om x-aksen)
Siden \(|\Psi|^2\) ikke avhenger av fortegnet på Ψ, og amplituden i a og c er lik, blir sannsynligheten lik.
Regner vi ut arealene med \(\Psi = \sin x\) over én periode (normering \(\int_0^{2\pi}\sin^2 x\,\mathrm{d}x = \pi\)) og intervallbredden i figuren, får vi \(P(a) = P(c) = 0{,}34\) og \(P(b) = 0{,}043\) — liten, men ikke null.
Svar: C – Lik sannsynlighet i a som i c.
Vanlig feil: Mange velger D (sannsynligheten i b er null) fordi de ser at Ψ er null i midten av b. Men sannsynligheten er integralet over et helt intervall, ikke punktverdien. Selv om Ψ er null på ett bestemt punkt, er den ikke-null gjennom resten av intervallet.
t) Fotoelektrisk effekt – Kalsium og Sink
\(E_k\)
største kinetiske energi til fotoelektronene Enhet: \(\mathrm{J}\)
\(W\)
løsrivningsarbeidet for metallet Enhet: \(\mathrm{J}\ (\text{ofte i } \mathrm{eV})\)
grensefrekvensen for metallet Enhet: \(\mathrm{Hz} = \mathrm{s^{-1}}\)
\(c\)
lysfarten i vakuum Verdi: \(3{,}00 \cdot 10^{8}\ \mathrm{m/s}\)Enhet: \(\mathrm{m/s}\)
\(\lambda_0\)
grensebølgelengden, der \(E_k = 0\) Enhet: \(\mathrm{m}\)
\(W_{\text{Zn}}\)
løsrivningsarbeidet for sink Enhet: \(\mathrm{J}\ (\text{her i } \mathrm{eV})\)
\(W_{\text{Ca}}\)
løsrivningsarbeidet for kalsium Enhet: \(\mathrm{J}\ (\text{her i } \mathrm{eV})\)
\(\displaystyle hf = W + E_k\)fotonenergi er løsrivningsarbeid pluss maksimal kinetisk energi; med \(E_k = 0\) gir den grensefrekvensen, \(W = hf_0\)I formelvedlegget
\(\displaystyle c = \lambda f\)sammenhengen mellom bølgelengde og frekvens for lysI formelvedlegget
Ek som funksjon av bølgelengde for to metaller (Kalsium og Sink). Vurder påstander om løsrivningsarbeid og grensefrekvens.
1 Kalsium har størst løsrivningsarbeid.
2 Sink har størst grensefrekvens.
A ingen av påstandene
B bare påstand 1
C bare påstand 2
D begge påstandene
Gjengivelse av oppgavesettets graf. Sink har den minste grensebølgelengden, altså det største løsrivningsarbeidet.
Sammenheng: \(W = hf_0 = \dfrac{hc}{\lambda_0}\). Større \(W\) ↔ større \(f_0\) ↔ mindre \(\lambda_0\). Disse tre egenskapene henger sammen.
Fra grafen leser vi av grensebølgelengden (\(\lambda_0\), der \(E_k = 0\)) for hvert metall:
Det metallet med mindre \(\lambda_0\) har større \(W\) og større \(f_0\).
Sink har faktisk et større løsrivningsarbeid enn kalsium (\(W_{\text{Zn}} \approx 4{,}3\) eV vs. \(W_{\text{Ca}} \approx 2{,}9\) eV).
Påstand 1 ("Kalsium har størst løsrivningsarbeid") – FEIL. Sink har størst W.
Påstand 2 ("Sink har størst grensefrekvens") – RIKTIG. Sink har større W, og dermed større \(f_0\).
Svar: C – Bare påstand 2.
Vanlig feil: Mange velger D (begge) fordi de glemmer at påstandene må være konsistente: hvis et metall har størst W, må det samme metallet også ha størst f0. Påstand 1 og 2 sier dette om forskjellige metaller, så de motsier hverandre – maks én kan være riktig.
Oppgave 2
a) Lys avbøyes av masse (2 poeng)
\(c\)
lysfarten i vakuum Verdi: \(3{,}00 \cdot 10^{8}\ \mathrm{m/s}\)Enhet: \(\mathrm{m/s}\)
\(E\)
energien til et foton i lyset Enhet: \(\mathrm{J}\)
frekvensen til lyset Enhet: \(\mathrm{Hz} = \mathrm{s^{-1}}\)
\(\displaystyle E = hf\)energien til et fotonI formelvedlegget
Vurder påstander fra Dag, Ole og Kristine om avbøyning av lys ved himmellegeme.
Dag: «Massen til himmellegemet gjør at lyset blir avbøyd.» – RIKTIG.
Ifølge generell relativitetsteori krummer masse den omkringliggende romtiden. Lys følger den korteste banen i denne krumme romtiden (geodeter), som fra utsiden ser ut som en avbøyd bane.
Ole: «Lysfarten øker når lyset blir avbøyd.» – FEIL.
Lysfarten i vakuum er konstant \(c = 3{,}00 \cdot 10^8\) m/s, uavhengig av om lyset blir avbøyd eller ikke. Dette er et grunnleggende postulat i relativitetsteorien. Lokalt målt er c alltid den samme – avbøyningen er en konsekvens av krummet romtid, ikke en endring i farten.
Kristine: «Lyset blir rødforskjøvet når det beveger seg bort fra himmellegemet.» – RIKTIG.
Gravitasjonell rødforskyvning: når lys beveger seg ut av et gravitasjonsfelt (oppover i potensialet) mister det energi. Siden \(E = hf\), avtar frekvensen og bølgelengden øker (rødforskyves).
Dag og Kristine har rett, Ole tar feil.
b) Comptoneffekten (2 poeng)
\(\theta\)
spredningsvinkelen til fotonet Enhet: \({}^{\circ}\)
\(\Delta\lambda\)
økningen i bølgelengde for det spredte fotonet Enhet: \(\mathrm{m}\)
\(\lambda'\)
bølgelengden til det spredte fotonet Enhet: \(\mathrm{m}\)
\(\lambda\)
bølgelengden til det innkommende fotonet Enhet: \(\mathrm{m}\)
Comptoneffekten er fenomenet der røntgenfotoner spres elastisk på frie elektroner. Når et foton kolliderer med et elektron, overføres noe av fotonets energi og bevegelsesmengde til elektronet. Det spredte fotonet har derfor lavere energi og lengre bølgelengde enn det innkommende fotonet.
Bølgelengdeendringen avhenger av spredningsvinkelen \(\theta\):
Effekten var avgjørende for å bekrefte at lys (her: røntgen) har partikkelegenskaper. En klassisk bølgemodell kunne ikke forklare bølgelengdeendringen, men en kvantemekanisk modell der fotonet behandles som en partikkel med energi \(E = hf\) og bevegelsesmengde \(p = h/\lambda\) gir riktig resultat via bevaring av energi og bevegelsesmengde i kollisjonen.
c) To kuler kastes – samtidig landing (2 poeng)
\(v_A\)
startfarten til kule A, loddrett nedover Enhet: \(\mathrm{m/s}\)
\(v_{B,y}\)
den loddrette komponenten av startfarten til kule B Enhet: \(\mathrm{m/s}\)
\(v_B\)
startfarten til kule B (10 m/s, 30° under horisontalen) Enhet: \(\mathrm{m/s}\)
\(\displaystyle s = v_0 t + \dfrac{1}{2}at^2\)strekning ved konstant akselerasjon; vertikalt er \(a = g\)I formelvedlegget
\(\displaystyle v_{0y} = v_0\sin\alpha\)vertikal startfart når \(\alpha\) er vinkelen med horisontalenMå kunnes
Kule A kastes vertikalt nedover med startfart \(v_A\). Kule B kastes skrå nedover med startfart 10 m/s, vinkel 30° med horisontalen. Begge fra samme høyde. Hvor stor må \(v_A\) være?
For at de skal lande samtidig fra samme starthøyde, må de bruke like lang tid på den vertikale strekningen. Tiden styres kun av den vertikale bevegelsen.
Begge kuler har samme vertikale akselerasjon \(g\). For at de skal lande samtidig, må de ha samme vertikale startfart:
\[ v_A = v_{B,y} = 5{,}0 \text{ m/s} \]
Startfarten til A må være \(v_A = 5{,}0\) m/s (vertikalt nedover).
d) Kvadratisk leder over magnetfelt (4 poeng)
\(B\)
den magnetiske flukstettheten i feltet Enhet: \(\mathrm{T}\)
\(t\)
tiden Enhet: \(\mathrm{s}\)
\(I\)
den induserte strømmen i lederen Enhet: \(\mathrm{A}\)
\(\varepsilon\)
den induserte spenningen (ems) i lederen Enhet: \(\mathrm{V}\)Også skrevet \(U_{\text{ind}}\)
\(v\)
farten til lederen Enhet: \(\mathrm{m/s}\)
\(L\)
sidelengden i kvadratet (0,050 m) Enhet: \(\mathrm{m}\)Også skrevet \(l\)
\(R\)
resistansen i lederen (0,040 Ω) Enhet: \(\Omega\)
\(\Delta t\)
tiden kvadratet bruker på å gå inn i feltet Enhet: \(\mathrm{s}\)
\(\Phi\)
den magnetiske fluksen gjennom lederen Enhet: \(\mathrm{Wb} = \mathrm{T\,m^2}\)
\(A_{\text{inne i felt}}\)
den delen av kvadratets areal som er inne i feltet Enhet: \(\mathrm{m^2}\)
\(\Phi_{\text{maks}}\)
største fluks, når hele kvadratet er i feltet Enhet: \(\mathrm{Wb} = \mathrm{T\,m^2}\)
\(\displaystyle \varepsilon = vBL\)indusert spenning i en leder som beveger seg gjennom et magnetfeltI formelvedlegget
\(\displaystyle R = \dfrac{U}{I}\)resistans, spenning og strøm (Ohms lov)I formelvedlegget
\(\displaystyle s = v_0 t + \dfrac{1}{2}at^2\)strekning ved konstant akselerasjon; med \(a = 0\) blir \(s = v_0 t\)I formelvedlegget
\(\displaystyle \Phi = \vec{B} \cdot \vec{A} = BA\cos(\alpha)\)magnetisk fluks gjennom en flateI formelvedlegget
Kvadrat med side 5,0 cm beveger seg med konstant fart over et rektangulært homogent felt B. Resistans 0,040 Ω. Strømgrafen gir oss informasjon om fart og B.
Gjengivelse av oppgavesettets strømgraf. Platålengden gir farten, platåverdien gir B.
Fra strømgrafen leser vi av at strømmen er null fra \(t = 0\) til \(t = 0{,}010\) s (kvadratet har ikke nådd feltet ennå), deretter \(I = -0{,}050\) A i intervallet \(0{,}010\)–\(0{,}020\) s (kvadratet entrer feltet), så null igjen i \(0{,}020\)–\(0{,}030\) s (kvadratet er helt inne), og til slutt \(I = +0{,}050\) A i \(0{,}030\)–\(0{,}040\) s (kvadratet forlater feltet).
1) Fart til lederen:
Mens lederen entrer feltet, er én vertikal side i feltet og induserer EMF \(\varepsilon = vBL\), som gir strøm \(I = vBL/R\). Strømmen er konstant så lenge kvadratet entrer feltet.
Det første (negative) strømplatået varer fra \(t = 0{,}010\) s til \(t = 0{,}020\) s, altså \(\Delta t = 0{,}010\) s. I løpet av denne tida tilbakelegger ledersiden én sidelengde, \(L = 0{,}050\) m:
Fluks \(\Phi = B \cdot A_{\text{inne i felt}}\). Strømgrafen forteller oss når fluksen endrer seg: strøm er kun indusert mens kvadratet entrer eller forlater feltet. Skissen får derfor fire faser fra 0 til 0,040 s:
0 til 0,010 s: kvadratet er ennå utenfor feltet → arealet i feltet er 0 → fluks \(\Phi = 0\) (null-platå, ingen strøm).
0,010 til 0,020 s: kvadratet entrer feltet → det innfeltdekkede arealet øker lineært → fluksen stiger lineært fra 0 til maksverdien \(\Phi_{\text{maks}} = B \cdot L^2\).
0,020 til 0,030 s: hele kvadratet er inne i feltet → arealet er konstant → fluksen er konstant på \(B \cdot L^2\) (platå, ingen strøm).
0,030 til 0,040 s: kvadratet forlater feltet → arealet avtar lineært → fluksen synker lineært fra \(B \cdot L^2\) tilbake til 0.
Maksverdien er \(\Phi_{\text{maks}} = B \cdot L^2 = 0{,}0080 \cdot (0{,}050)^2 = 2{,}0 \cdot 10^{-5}\) Wb.
Løsningsfigur. Knekkpunktene følger av strømgrafen i oppgaven, og toppverdien Φmaks = B·L² = 2,0·10⁻⁵ Wb er regnet ut i deloppgave 2.
Fluksen Φ gjennom lederen som funksjon av tiden: null fram til 0,010 s, lineær økning til Φmaks = 2,0·10−5 Wb, konstant platå fra 0,020 til 0,030 s, og lineær avtaking tilbake til null ved 0,040 s.
Begrunnelse: Faradays lov sier \(\varepsilon = -d\Phi/dt\), og strømmen er \(I = \varepsilon/R\). Der strømmen er null (0–0,010 s og 0,020–0,030 s) er \(d\Phi/dt = 0\), så fluksen er konstant (henholdsvis 0 og \(B L^2\)). Der strømmen er konstant og forskjellig fra null (entring og uttreden) er \(d\Phi/dt\) konstant, så fluksen endrer seg lineært. At strømmen har motsatt fortegn under entring (negativ) og uttreden (positiv) gjenspeiler at fluksen først øker og deretter avtar.
Del 2
Oppgave 3 – Transformator (4 poeng)
Primærspole 6 vindinger, sekundærspole 3 vindinger. Spenning U(t) over primær fra graf. Senere måler elever ved 300/600 vindinger.
a) Effektivverdier
\(U_{\text{maks},p}\)
amplituden (toppverdien) til spenningen over primærspolen Enhet: \(\mathrm{V}\)Også skrevet \(\hat{U}_p,\ U_{0,p}\)
\(U_{\text{eff},p}\)
effektivverdien til spenningen over primærspolen Enhet: \(\mathrm{V}\)
\(U_s\)
spenningen over sekundærspolen Enhet: \(\mathrm{V}\)
\(U_p\)
spenningen over primærspolen Enhet: \(\mathrm{V}\)
\(N_s\)
antall vindinger i sekundærspolen (3)
\(N_p\)
antall vindinger i primærspolen (6)
\(U_{\text{maks},s}\)
amplituden (toppverdien) til spenningen over sekundærspolen Enhet: \(\mathrm{V}\)Også skrevet \(\hat{U}_s,\ U_{0,s}\)
\(U_{\text{eff},s}\)
effektivverdien til spenningen over sekundærspolen Enhet: \(\mathrm{V}\)
\(\displaystyle U_{\text{eff}} = \dfrac{U_{\text{maks}}}{\sqrt{2}}\)effektivverdien til en sinusformet vekselspenningGitt i oppgaven
\(\displaystyle \dfrac{U_s}{U_p} = \dfrac{N_s}{N_p}\)spenningsforholdet i en ideell transformatorI formelvedlegget
Gjengivelse av oppgavesettets graf. Effektivverdien er amplituden delt på roten av 2 — ikke halve amplituden.
Fra grafen på primærsiden leser vi av amplituden: kurven svinger mellom \(-3{,}0\) V og \(+3{,}0\) V, slik at \(U_{\text{maks},p} = 3{,}0\) V.
For en ideell transformator gjelder transformatorlikningen \(\dfrac{U_s}{U_p} = \dfrac{N_s}{N_p} = \dfrac{3}{6} = 0{,}50\). Dette gjelder også for amplituden, slik at \(U_{\text{maks},s} = 0{,}50 \cdot 3{,}0 = 1{,}5\) V.
Tilsvarende kan vi skrive \(U_{\text{eff},s} = 0{,}50 \cdot U_{\text{eff},p} = 0{,}50 \cdot 2{,}12 \approx 1{,}06\) V.
b) Måleresultater og transformatorlikningen
\(U_s\)
målt spenning over sekundærspolen Enhet: \(\mathrm{V}\)
\(U_p\)
målt spenning over primærspolen Enhet: \(\mathrm{V}\)
\(N_s\)
antall vindinger i sekundærspolen (600)
\(N_p\)
antall vindinger i primærspolen (300)
\(\displaystyle \dfrac{U_s}{U_p} = \dfrac{N_s}{N_p}\)spenningsforholdet i en ideell transformatorI formelvedlegget
\(\displaystyle U_s I_s = U_p I_p\)ideell transformator: ingen effekt går taptI formelvedlegget
1) Vis at måleresultatene ikke stemmer med transformatorlikningen:
For den ideelle transformatorlikningen forventer vi \(U_s/U_p = N_s/N_p = 600/300 = 2{,}00\).
Fra tabellen:
Up (V)
Us (V)
Us/Up
2,0
3,4
1,70
4,3
7,5
1,74
6,5
11,6
1,78
13,5
24,6
1,82
De målte forholdstallene ligger i området 1,70 – 1,82, mens transformatorlikningen krever forholdet 2,00. Måleverdiene avviker derfor klart fra ligningen.
2) Fysisk forklaring:
Reell motstand i primærspolen: Primærspolen har en ohmsk motstand, slik at en del av spenningen fra spenningskilden faller over selve spolens motstand i stedet for å bidra til magnetisering. Det målte Up er spenningen over primærspolen som faktisk magnetiserer kjernen, men kombinert med motstandsbidraget gir det et ikke-ideelt forhold.
Lekkasjefluks: Ikke all magnetisk fluks fra primærspolen passerer gjennom sekundærspolen. Noe av fluksen "lekker" ut av jernkjernen og bidrar ikke til å indusere spenning i sekundærspolen, så Us blir mindre enn idealkonklusjonen tilsier.
Energitap i jernkjernen: Virvelstrømmer og hysterese i kjernen gir varmetap som reduserer den effektive overføringen.
I en reell transformator er virkningsgraden under 100 %, og spenningsforholdet \(U_s/U_p\) er mindre enn vindingsforholdet \(N_s/N_p\).
Oppgave 4 – Bane med loop (8 poeng)
Skråplan 28°, loop radius 9,3 cm. Kloss 15 g slippes fra h = 45 cm. Friksjon på skråplanet gir vbunn = 2,5 m/s.
a) Krefter på klossen på skråplanet
\(G\)
tyngdekraften på klossen Enhet: \(\mathrm{N}\)Også skrevet \(F_G\)
\(m\)
massen til klossen (0,015 kg) Enhet: \(\mathrm{kg}\)
\(\displaystyle \vec{F}^{*} = -\vec{F}\)Newtons 3. lov: motkraften er like stor og motsatt rettetI formelvedlegget
Kraftmåleren måler endring i vertikal kraft fra banen (nullstilt uten kloss). Når klossen er i loopen, oppstår sentripetalakselerasjon som påvirker hvor mye kraft loopen utøver på kraftmåleren.
Ved t = 1,19 s: Kraftmåleren viser en lokal maks-verdi. Dette tilsvarer at klossen er i bunnen av loopen. Her er sentripetalkraften rettet oppover, og normalkraften fra banen på klossen er stor (\(N = mv^2/r + mg\)). Reaksjonen fra klossen på banen er like stor og rettet nedover, så kraftmåleren registrerer maksimal kraft.
Ved t = 1,23 s: Kraftmåleren viser en lokal min-verdi (eller endrer fortegn). Dette tilsvarer at klossen er i toppen av loopen. Her peker både N og G nedover på klossen (mot sentrum, som nå er nede). Klossen presser oppover på loopen med kraft N (Newtons 3. lov), så reaksjonen på kraftmåleren peker oppover (motsatt av vanlig vekt) – kraftmåleren registrerer en mindre nedover-rettet kraft eller en negativ verdi.
Merk – tidsskalaen i eksamensfiguren: Grafen markerer bunnpunktet (\(t = 1{,}19\) s) og topp-punktet (\(t = 1{,}23\) s) bare \(0{,}04\) s fra hverandre. Etterregner du dette, får du ikke tallene til å stemme: en halv loop er \(\pi r = \pi \cdot 0{,}093 \approx 0{,}29\) m, og med fartene grafens egne kraftavlesninger gir (\(2{,}61\) m/s i bunnen fra \(1{,}25\) N, \(1{,}66\) m/s i toppen fra \(-0{,}30\) N, se d) tar den strekningen minst \(0{,}29/2{,}61 \approx 0{,}11\) s. Tidsaksen i figuren er altså internt inkonsistent. Dette er en feil i eksamensfiguren, ikke i utregningene — bruk kraftverdiene slik de er markert, og se bort fra tidsdifferansen.
d) Fart i toppen av loopen i forsøket
\(t\)
tidspunktet på grafen fra kraftmåleren Enhet: \(\mathrm{s}\)
\(F_{\text{måler}}\)
kraften kraftmåleren viser (nullstilt uten kloss) Enhet: \(\mathrm{N}\)
\(a_y\)
den loddrette akselerasjonen til klossen, positiv oppover Enhet: \(\mathrm{m/s^2}\)
\(m\)
massen til klossen (0,015 kg) Enhet: \(\mathrm{kg}\)
\(\displaystyle a = \dfrac{v^2}{r}\)sentripetalakselerasjonen i sirkelbevegelse, rettet mot sentrumI formelvedlegget
\(\displaystyle \vec{F}^{*} = -\vec{F}\)Newtons 3. lov: motkraften er like stor og motsatt rettetI formelvedlegget
Avlesning fra grafen: Ved \(t = 1{,}23\) s viser kraftmåleren \(F_{\text{måler}} \approx -0{,}30\) N (lokal minimumsverdi, negativ).
Oppsett (Newtons 2. lov for hele systemet "bane + kloss"):
Banen ligger i ro på kraftmåleren, mens klossen har vertikal akselerasjon \(a_y\). For systemet er kraftmåleren nullstilt slik at banens egenvekt ikke gir utslag. Vertikalt (oppover positivt):
\[ F_{\text{måler}} - mg = m\,a_y \]
I toppen av loopen er sentripetalakselerasjonen rettet mot sentrum, som ligger under klossen, så \(a_y = -\dfrac{v_{\text{topp}}^2}{r}\). Setter inn:
Konsistenssjekk med Newtons 3. lov: Normalkraften fra banen på klossen i toppen finner vi av \(N + mg = \dfrac{m v_{\text{topp}}^2}{r}\), som gir \(N = m\left(\dfrac{v_{\text{topp}}^2}{r} - g\right) \approx 0{,}015 \cdot (29{,}78 - 9{,}81) \approx 0{,}30\) N (peker nedover på klossen, mot sentrum). Etter Newtons 3. lov utøver klossen en like stor kraft \(0{,}30\) N oppover på banen. Kraftmåleren registrerer da en netto oppoverrettet kraft fra klossen på banen, som tilsvarer en negativ avlesning på omtrent \(-0{,}30\) N — i samsvar med grafen.
Farten i toppen av loopen er \(v_{\text{topp}} \approx 1{,}66\) m/s.
Oppgave 5 – Rakett opp fra jorda (7 poeng)
Rakett 2000 kg, skyvekraft 30 000 N, taper 5,0 kg/s. Programkode er gitt for å finne v og h etter 1700 kg drivstoff brukt.
1 m = 2000
2 M = 5.97E24
3 gamma = 6.67E-11
4 R = 6371000
5 F = 30000
6 v=0
7 t=0
8 h=0
9 def G(h):
10 return gamma*m*M/(R+h)**2
11 dt = 1
12 dm = 5*dt
13 while m > 300:
14 a = (F - G(h)) / m
15 v = v + a*dt
16 h = h + v*dt
17 m = m - dm
18 t = t + dt
19 print(v, h)
a) Programmet og forklaring
\(m\)
massen til raketten, som avtar mens drivstoffet brenner Enhet: \(\mathrm{kg}\)
\(v\)
farten til raketten Enhet: \(\mathrm{m/s}\)
\(h\)
høyden til raketten over jordoverflaten Enhet: \(\mathrm{m}\)
\(G\)
gravitasjonskraften fra jorda på raketten, G(h) Enhet: \(\mathrm{N}\)Også skrevet \(F_G\)
\(\gamma\)
gravitasjonskonstanten (gamma i koden) Verdi: \(6{,}67 \cdot 10^{-11}\ \mathrm{N\,m^2/kg^2}\)Enhet: \(\mathrm{N\,m^2/kg^2}\)
\(M\)
massen til jorda Verdi: \(5{,}97 \cdot 10^{24}\ \mathrm{kg}\)Enhet: \(\mathrm{kg}\)
\(R\)
radien til jorda Verdi: \(6{,}371 \cdot 10^{6}\ \mathrm{m}\)Enhet: \(\mathrm{m}\)
\(a\)
akselerasjonen til raketten Enhet: \(\mathrm{m/s^2}\)
\(F_{\text{net}}\)
nettokraften (kraftsummen) på raketten Enhet: \(\mathrm{N}\)Også skrevet \(\Sigma F\)
\(F\)
skyvekraften fra motoren (30 000 N) Enhet: \(\mathrm{N}\)
\(dm\)
massen raketten mister per tidssteg i koden Enhet: \(\mathrm{kg}\)
\(dt\)
tidssteget i koden (1 s) Enhet: \(\mathrm{s}\)Også skrevet \(\Delta t\)
\(\displaystyle G = \gamma \dfrac{Mm}{r^2}\)gravitasjonskraften mellom to masser i avstand \(r\)I formelvedlegget
\(\displaystyle v = v_0 + at\)ny fart etter tida \(t\) med akselerasjonen \(a\) (ett tidssteg i programmet)I formelvedlegget
1) Kjør programmet:
Vi simulerer programmet i Python. Sløyfen kjører fra m = 2000 til m = 300 (1700 kg drivstoff brukt, 340 s):
Programutskrift:
v = 8198 m/s
h = 805 525 m ≈ 806 km
2) Forklaring av kodelinjer:
Linje 9: def G(h): – Definerer funksjonen G(h), som regner ut gravitasjonskraften fra jorda på raketten i høyde h over jordoverflata.
Linje 10: return gamma*m*M/(R+h)**2 – Newtons gravitasjonslov: \(G = \dfrac{\gamma m M}{(R+h)^2}\), der \(R+h\) er avstanden fra jordas sentrum til raketten.
Linje 14: a = (F – G(h)) / m – Newtons 2. lov: \(a = F_{\text{net}}/m\), der nettokraften er skyvekraften minus tyngden. Vi tar ikke hensyn til luftmotstand i denne delen.
Linje 17: m = m – dm – Reduserer rakettens masse med 5 kg per tidsskritt (dm = 5*dt med dt = 1 s).
3) Hvorfor øker akselerasjonen mens motoren er på?
To grunner:
Skyvekraften F er konstant, men massen m avtar med tiden (drivstoff brennes opp). Siden \(a = F/m\), øker a når m minker.
I tillegg avtar gravitasjonskraften G når raketten kommer høyere (G ∝ 1/(R+h)²), slik at nettokraften F – G øker.
Begge effekter trekker i samme retning: økende akselerasjon mens motoren er på.
b) Maks høyde (uten luftmotstand)
\(m\)
massen til raketten etter at motoren er slått av Enhet: \(\mathrm{kg}\)
\(v\)
farten til raketten når motoren slås av 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: \(5{,}97 \cdot 10^{24}\ \mathrm{kg}\)Enhet: \(\mathrm{kg}\)
\(R\)
radien til jorda Verdi: \(6{,}371 \cdot 10^{6}\ \mathrm{m}\)Enhet: \(\mathrm{m}\)
\(h\)
høyden over jordoverflaten når motoren slås av Enhet: \(\mathrm{m}\)
\(h_{\text{maks}}\)
største høyde raketten når over jordoverflaten 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
\(\displaystyle E = E_0 + W_a\)mekanisk energi til slutt er startenergien pluss arbeidet fra andre krefterI formelvedlegget
Etter at motoren slås av (m = 300 kg), v ≈ 8198 m/s, h ≈ 806 km. Bruk energibevaring videre:
\[ \frac{1}{2}m v^2 - \frac{\gamma m M}{R+h} = -\frac{\gamma m M}{R+h_{\text{maks}}} \]
\(\displaystyle G = \gamma \dfrac{Mm}{r^2}\)gravitasjonskraften mellom to masser i avstand \(r\)I formelvedlegget
\(\displaystyle v = v_0 + at\)ny fart etter tida \(t\) med akselerasjonen \(a\) (ett tidssteg i programmet)I formelvedlegget
Vi modifiserer programmet til å inkludere luftmotstanden \(L = 1{,}96 \cdot 0{,}9999^h \cdot v^2\):
Modifisert Python-kode:
m = 2000
M = 5.97E24
gamma = 6.67E-11
R = 6371000
F = 30000
v = 0
t = 0
h = 0
def G(h):
return gamma*m*M/(R+h)**2
dt = 1
dm = 5*dt
while m > 300:
L = 1.96 * 0.9999**h * v**2
a = (F - G(h) - L) / m
v = v + a*dt
h = h + v*dt
m = m - dm
t = t + dt
print(v, h)
Resultat:
v ≈ 5690 m/s, h ≈ 335 000 m ≈ 335 km
Sammenlignet med a) (806 km uten luftmotstand) ser vi at luftmotstanden reduserer høyden vesentlig, særlig i den nedre atmosfæren der trykket (og dermed luftmotstanden) er størst.
Oppgave 6 – Elektron mellom plater (7 poeng)
Elektron med v = 1,30 · 107 m/s sendes inn horisontalt midt mellom plater. Avstand til nederste plate y = 4,0 cm. E-felt loddrett oppover. Elektronet treffer nederste plate etter x = 7,5 cm.
a) Akselerasjon og feltstyrke E1
\(t\)
tiden elektronet bruker til det treffer nederste plate Enhet: \(\mathrm{s}\)
\(x\)
vannrett strekning før elektronet treffer plata (0,075 m) Enhet: \(\mathrm{m}\)
\(v\)
den vannrette startfarten til elektronet Enhet: \(\mathrm{m/s}\)Også skrevet \(v_0\)
\(y\)
loddrett strekning ned til nederste plate (0,040 m) Enhet: \(\mathrm{m}\)
\(a\)
akselerasjonen til elektronet (loddrett) Enhet: \(\mathrm{m/s^2}\)
\(F\)
den elektriske kraften på elektronet Enhet: \(\mathrm{N}\)
\(e\)
elementærladningen (ladningen til elektronet er −e) Verdi: \(1{,}602 \cdot 10^{-19}\ \mathrm{C}\)Enhet: \(\mathrm{C}\)
\(E_1\)
den elektriske feltstyrken mellom platene Enhet: \(\mathrm{V/m} = \mathrm{N/C}\)
\(m_e\)
massen til elektronet Verdi: \(9{,}109 \cdot 10^{-31}\ \mathrm{kg}\)Enhet: \(\mathrm{kg}\)
\(E\)
den elektriske feltstyrken (generelt, her \(E_1\)) Enhet: \(\mathrm{V/m} = \mathrm{N/C}\)
\(\displaystyle s = v_0 t + \dfrac{1}{2}at^2\)strekning ved konstant akselerasjon; med \(a = 0\) blir \(s = v_0 t\)I formelvedlegget
Kontroll: E-feltet peker oppover, og elektronet har negativ ladning, så den elektriske kraften virker nedover på elektronet (\(F = -eE\), nedover). Dette stemmer med at elektronet treffer den nederste plata.
b) Magnetfelt og kraftbalanse
\(E_2\)
den nye elektriske feltstyrken (25 000 V/m, oppover) Enhet: \(\mathrm{V/m} = \mathrm{N/C}\)
\(B\)
magnetfeltet mellom platene, ut av papiret Enhet: \(\mathrm{T}\)
\(v\)
farten til elektronet (45° med horisontalen) Enhet: \(\mathrm{m/s}\)
\(F_e\)
den elektriske kraften på elektronet Enhet: \(\mathrm{N}\)
\(F_m\)
den magnetiske kraften på elektronet Enhet: \(\mathrm{N}\)
\(e\)
elementærladningen (ladningen til elektronet er −e) Verdi: \(1{,}602 \cdot 10^{-19}\ \mathrm{C}\)Enhet: \(\mathrm{C}\)
\(\hat{t}\)
enhetsvektor langs fartsretningen
\(\hat{n}\)
enhetsvektor vinkelrett på fartsretningen
\(\theta\)
vinkelen mellom elektrisk kraft og normalen til farten Enhet: \({}^{\circ}\)
\(\displaystyle \vec{E} = \dfrac{\vec{F}_e}{q}\)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
\(\displaystyle F_x = F\cos\alpha\)komponenten langs aksen som danner vinkelen \(\alpha\) med kraftenMå kunnes
\(\displaystyle e = 1{,}602 \cdot 10^{-19}\ \mathrm{C}\)elementærladningen, ladningen til elektronet i tallverdiI faktavedlegget
Løsningsfigur. Oppgaven ber ordrett om å tegne kreftene; kraftsummen er regnet symbolsk av motoren og peker langs v.
Nye betingelser: E2 = 25 000 V/m (oppover), B ut av papiret, ny v = 1,30 · 107 m/s i vinkel 45° med horisontalen. Kraftsummen har samme retning som farten.
1) Krefter på elektronet:
Elektrisk kraft Fe: E-feltet peker oppover, elektronet er negativt, så Fe peker nedover. Størrelse \(F_e = eE_2\).
Magnetisk kraft Fm: \(\vec{F}_m = (-e)\vec{v} \times \vec{B}\). Med farten 45° nedover-mot-høyre og B ut av papiret gir kryssproduktet \(\vec{v}\times\vec{B}\) en vektor nedover-mot-venstre; ladningen er negativ, så \(\vec{F}_m = (-e)\,\vec{v}\times\vec{B}\) peker motsatt vei, altså oppover-mot-høyre – vinkelrett på farten og på oversiden av bevegelsesretningen. Dette er nettopp den retningen som kan oppheve den vinkelrette komponenten av den nedoverrettede Fe.
For at kraftsummen skal være langs fartsretningen (som er 45° fra horisontalen), må komponentene av kraftene vinkelrett på farten balansere. Vi setter opp koordinater langs (\(\hat{t}\)) og vinkelrett på (\(\hat{n}\)) farten.
Anta at fartsretningen er nedover-til-høyre med vinkel 45° under horisontalen (en typisk situasjon der elektronet har fått en nedover-fart). Fe (nedover) har komponenter:
Langs farten: \(F_e \sin 45° = F_e / \sqrt{2}\) (positiv, samme retning som fart)
Vinkelrett på farten: \(F_e \cos 45° = F_e / \sqrt{2}\) (mot venstre, vinkelrett på fart)
Magnetkraften står alltid vinkelrett på farten. For at kraftsummen skal være langs farten, må Fm balansere Fes komponent vinkelrett på farten:
Fe ≈ 4,0 · 10-15 N (nedover), Fm ≈ 2,8 · 10-15 N (vinkelrett på fart), B ≈ 1,4 mT
Alternativ utledning: Hvis vi krever \(F_e \cos\theta = F_m\) der \(\theta\) er vinkelen mellom Fe (vertikalt) og normalen til farten, og farten er 45° fra horisontalen, så \(\theta = 45°\). Dette gir \(F_m = F_e/\sqrt{2}\), som er konsistent med utregningen.
Oppgave 7 – Kloss på horisontalt underlag (4 poeng)
Kloss 0,40 kg trekkes med F = 1,2 N i vinkel 30° over horisontalen. μ = 0,25.
a) Akselerasjon
\(N\)
normalkraften fra underlaget på klossen Enhet: \(\mathrm{N}\)
\(F\)
trekkraften på klossen (1,2 N, 30° over horisontalen) Enhet: \(\mathrm{N}\)
\(m\)
massen til klossen (0,40 kg) Enhet: \(\mathrm{kg}\)
\(\displaystyle R = \mu N\)friksjonskraften ut fra normalkraftenI formelvedlegget
\(\displaystyle \begin{aligned} F_x &= F\cos\alpha \\ F_y &= F\sin\alpha \end{aligned}\)komponentene av en kraft som danner vinkelen \(\alpha\) med horisontalenMå kunnes
\(\displaystyle G = mg\)tyngdekraften; står i vedlegget som \(\vec{g} = \vec{G}/m\)I formelvedlegget
\(\displaystyle R = \mu N\)friksjonskraften ut fra normalkraftenI formelvedlegget
\(\displaystyle \begin{aligned} F_x &= F\cos\alpha \\ F_y &= F\sin\alpha \end{aligned}\)komponentene av en kraft som danner vinkelen \(\alpha\) med horisontalenMå kunnes
\(\displaystyle v = v_0 + at\)ny fart etter tida \(t\) med akselerasjonen \(a\) (ett tidssteg i programmet)I formelvedlegget
Når kraften avhenger av farten, må vi løse numerisk. Newtons 2. lov:
m = 0.4
mu = 0.25
g = 9.81
v = 0
t = 0
dt = 0.0001
while t < 3.0:
F = 1.2 - 0.20*v
N = m*g - F*0.50 # F sin 30 = 0.50*F
if N < 0:
N = 0
R = mu*N
a = (F*0.866 - R) / m # F cos 30 = 0.866*F
v = v + a*dt
t = t + dt
print(v)
Programmet starter med v = 0 og oppdaterer v hvert tidsskritt med Euler-metoden. Etter 3,0 s simulering:
v(3,0 s) ≈ 0,81 m/s
Kontroll: Akselerasjonen ved v = 0 er 0,52 m/s². Hvis akselerasjonen var konstant, ville vi fått v = 0,52 · 3 = 1,56 m/s. Den lavere verdien (0,81 m/s) skyldes at F avtar med v, slik at akselerasjonen avtar etter hvert. Dette er fysisk fornuftig.
Laster…
Om oppgaveteksten: Oppgaveteksten i dette løsningsforslaget er gjengitt fra Utdanningsdirektoratets (UDIR) eksamen i Fysikk 2 (våren 2026). 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.