Eksamensoppgavene er utgitt av Utdanningsdirektoratet. Første nedlasting kjører en bot-sjekk i nettleseren (Vercel BotID) — mer i personvernerklæringen.
Del 1uten hjelpemidler, med vedlegg · 2 timer · 21 oppgaver · 10 poeng
Oppgave 1-1a·Relativ usikkerhet i planetmasse fra rundetid og radius
Lest inn av KI og ikke kontrollert manuelt enda — kan inneholde feil.
En satellitt går med konstant banefart i sirkelbane rundt en planet.
Rundetiden er . Radius i sirkelbanen er . En formel for massen til planeten er .
Den relative usikkerheten i rundetiden er 2 %. Den relative usikkerheten i radien er 3 %.
a)
Hva er den relative usikkerheten ?
Fasit
a)
C
LøsningsforslagKI-generert
a)
Formelen er et potensuttrykk . Da legger vi sammen de relative usikkerhetene, hver ganget med absoluttverdien av eksponenten. Konstantene og regner vi som eksakte.
Alternativ A (5 %) får vi hvis vi glemmer eksponentene. Usikkerheten i trekkes heller ikke fra selv om står i nevneren.
Oppgave 1-1b·Tredje kraftvektor for gjenstand som beveger seg mot høyre
Lest inn av KI og ikke kontrollert manuelt enda — kan inneholde feil.
Tre krefter , og virker på en gjenstand slik at den beveger seg mot høyre. De tre kraftvektorene er i samme plan som rutenettet. I figuren ser vi vektorene og .
b)
Hvilket alternativ viser riktig vektor ?
Fasit
b)
A
LøsningsforslagKI-generert
b)
Vi teller ruter: og , så . Gjenstanden beveger seg langs en rett linje mot høyre, så akselerasjonen, og dermed kraftsummen, må være parallell med bevegelsesretningen. Ellers ville banen krumme seg. må derfor ha vertikal komponent rute.
Bare A oppfyller dette: gir , som peker mot høyre. C gir rett nedover, og B og D gir en kraftsum med vertikal komponent.
Oppgave 1-1c·Python-program for kloss opp og ned skråplan med luftmotstand
Lest inn av KI og ikke kontrollert manuelt enda — kan inneholde feil.
En kloss med masse 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 . Se bort fra friksjon.
k = 0.07m = 0.42g = 9.81sinu = 0.20 # Sinusverdi for skråplanvinkelenv = 3.13 # Startfartens = 0dt = 0.0001while s >= 0: if v > 0: a = else: a = v = v + a*dt s = s + v*dtprint(v)
c)
Hva skal stå på linje 11 og linje 13?
Linje 11
Linje 13
A
a = -g*sinu - k*v**2/m
a = -g*sinu + k*v**2/m
B
a = -g*sinu - k*v**2/m
a = g*sinu - k*v**2/m
C
a = -g*sinu + k*v**2/m
a = g*sinu + k*v**2/m
D
a = -g*sinu + k*v**2/m
a = -g*sinu - k*v**2/m
Fasit
c)
A
LøsningsforslagKI-generert
c)
Med -aksen oppover langs skråplanet virker tyngdekomponenten hele tiden, altså bidraget til akselerasjonen både på vei opp og på vei ned. Luftmotstanden peker alltid mot fartsretningen:
På vei opp () peker luftmotstanden nedover skråplanet: a = -g*sinu - k*v**2/m (linje 11).
På vei ned () peker luftmotstanden oppover skråplanet: a = -g*sinu + k*v**2/m (linje 13).
Fordi er positiv uansett fartsretning, må fortegnet på luftmotstandsleddet byttes for hånd. B og C har feil fortegn på tyngdekomponenten på linje 13, og D har luftmotstand med fartsretningen.
Oppgave 1-1d·Kloss på skråplan med snor over trinse til lodd
Lest inn av KI og ikke kontrollert manuelt enda — kan inneholde feil.
Et skråplan har helningsvinkel . En kloss med masse er festet til ei snor. Den andre enden av snora er festet til et lodd med masse . Snora går over ei trinse. Se bort fra massen til snora, friksjon og luftmotstand.
Klossen slippes fra ro som vist i figuren.
d)
Hva er riktig?
Fasit
d)
C
LøsningsforslagKI-generert
d)
Tyngdekomponenten langs skråplanet på klossen er , mens tyngden av loddet er . Loddet drar hardest, så systemet akselererer med loddet nedover og klossen oppover skråplanet:
Kraftsummen er konstant og ulik null, så farten øker. Klossen glir altså med økende fart oppover.
Oppgave 1-1e·Normalkraft og friksjon for kloss ned vertikal sirkelbane
Lest inn av KI og ikke kontrollert manuelt enda — kan inneholde feil.
En kloss glir med økende fart ned en vertikal sirkelformet bane. I tillegg til tyngdekraften virker det friksjon og en normalkraft på klossen. er komponenten av som peker mot sentrum av sirkelbanen. Se bort fra luftmotstand.
e)
Hva er riktig når klossen er på vei nedover banen?
Fasit
e)
A
LøsningsforslagKI-generert
e)
Klossen glir på utsiden av banen. Kraftsummen inn mot sentrum må være sentripetalkraften:
Når klossen kommer lenger ned, blir banen brattere, så blir mindre. Samtidig øker farten. Begge deler gjør at normalkraften avtar (A). Uttrykket viser også at , så B er feil. Friksjonen avtar sammen med normalkraften, så C og D er feil.
Oppgave 1-1f·Kule i horisontal sirkelbane festet i to snorer
Lest inn av KI og ikke kontrollert manuelt enda — kan inneholde feil.
Ei kule med masse går med konstant banefart i en horisontal sirkelbane.
Kula er festet til to like lange snorer. Snorene er festet i et tak og et gulv, og festepunktene er loddrett ovenfor hverandre. Snorene danner like store vinkler med vertikalen. Begge snorene er stramme.
Snorkraften på kula fra den øverste snora er , og snorkraften på kula fra den nederste snora er .
Se bort fra massen til snora, friksjon og luftmotstand.
f)
Hva er riktig?
Fasit
f)
C
LøsningsforslagKI-generert
f)
Kula går i en horisontal sirkel, så kraftsummen i vertikal retning er null. Den øverste snora drar skrått oppover, den nederste skrått nedover:
Altså er (C). De horisontale komponentene gir sentripetalkraften. B er feil fordi .
Oppgave 1-1g·Kraftsum på kule i snor i bil i sirkelbane
Lest inn av KI og ikke kontrollert manuelt enda — kan inneholde feil.
En bil kjører med konstant banefart i en horisontal sirkelbane. Ei kule med masse henger i ei snor som er festet i taket i bilen. Opphengingspunktet til snora har en horisontal avstand til sentrum av sirkelbanen. Kula har en horisontal avstand fra opphengingspunktet.
g)
Hva er riktig uttrykk for kraftsummen på kula?
Fasit
g)
D
LøsningsforslagKI-generert
g)
Kula går med konstant banefart i en horisontal sirkel med samme sentrum som bilen, så kraftsummen (tyngden pluss snordraget) er sentripetalkraften. Figuren viser at kula henger utover, bort fra sentrum. Snordraget må nemlig ha en horisontal komponent inn mot sentrum. Baneradien til kula er derfor :
Alternativene forutsetter at også er farten til kula. Strengt tatt har kula og opphengingspunktet samme vinkelfart, så kula har litt større fart enn opphengingspunktet, men forskjellen er liten når er mye mindre enn .
Oppgave 1-1h·Akselerasjonskomponenter for kloss i vertikal halvsirkel
Lest inn av KI og ikke kontrollert manuelt enda — kan inneholde feil.
En kloss glir på innsiden av en vertikal halvsirkel. Når klossen er i posisjonen vist i figuren, er farten til klossen , og vinkelen mellom loddlinjen og linjestykket fra sentrum av halvsirkelen til klossens posisjon er . Se bort fra friksjon og luftmotstand.
h)
Hva er riktig om komponentene til akselerasjonen når klossen er i posisjonen vist i figuren?
Akselerasjonen vinkelrett på fartsretningen peker
Absoluttverdien til akselerasjonen parallell med fartsretningen er
A
inn mot sentrum
B
ut fra sentrum
C
inn mot sentrum
D
ut fra sentrum
Fasit
h)
A
LøsningsforslagKI-generert
h)
Klossen går i en sirkelbane, så komponenten av akselerasjonen vinkelrett på fartsretningen er sentripetalakselerasjonen , som peker inn mot sentrum.
Langs fartsretningen virker bare tyngdekraften, fordi normalkraften står vinkelrett på banen. Tangenten til banen danner vinkelen med horisontalen, så komponenten av langs banen er , og absoluttverdien av baneakselerasjonen er . Kontroll: i bunnen er , banen er horisontal og baneakselerasjonen null.
Oppgave 1-1k·Fart og potensiell energi for asteroide i ellipsebane
Lest inn av KI og ikke kontrollert manuelt enda — kan inneholde feil.
En asteroide går i en ellipsebane rundt sola. Figuren viser asteroiden ved to ulike posisjoner i banen. Se bort fra alle andre himmellegemer enn sola og asteroiden.
k)
Ved hvilken av de to posisjonene er farten til asteroiden størst, og ved hvilken av de to posisjonene er den potensielle energien størst?
Størst fart
Størst potensiell energi
A
posisjon 1
posisjon 1
B
posisjon 1
posisjon 2
C
posisjon 2
posisjon 1
D
posisjon 2
posisjon 2
Fasit
k)
B
LøsningsforslagKI-generert
k)
Posisjon 1 er nærmest sola. Den potensielle energien øker (blir mindre negativ) når avstanden øker, så den potensielle energien er størst i posisjon 2. Den mekaniske energien er bevart, så den kinetiske energien, og dermed farten, er størst der den potensielle energien er minst, altså i posisjon 1. Det stemmer med Keplers andre lov: asteroiden går fortest nær sola.
Oppgave 1-1l·Samlet magnetfelt mellom spole og rett leder
Lest inn av KI og ikke kontrollert manuelt enda — kan inneholde feil.
En spole fører en strøm med retning som vist i figuren. Spoleaksen er i papirplanet. En rett leder til høyre for spolen står vinkelrett på papirplanet. Det går en strøm inn i papirplanet i den rette lederen. Et punkt P er på spoleaksen mellom spolen og den rette lederen.
l)
Hvilken retning har det samlede magnetiske feltet i punktet P?
Fasit
l)
C
LøsningsforslagKI-generert
l)
Spolen: Strømmen går nedover på forsiden av vindingene. Med høyrehåndsregelen for spole (fingrene krummes med strømmen, tommelen peker langs feltet inni spolen) peker feltet mot høyre langs spoleaksen, også i P.
Den rette lederen: Strømmen går inn i papirplanet. Med tommelen langs strømmen krummes fingrene med klokka rundt lederen. I P, som ligger til venstre for lederen, peker feltet derfor oppover.
Summen av et felt mot høyre og et felt oppover peker skrått opp mot høyre. Den nøyaktige vinkelen avhenger av styrkene, men bare C har begge komponentene riktig.
Oppgave 1-1m·Magnetfelt fra tre strømførende ledere i samme plan
Lest inn av KI og ikke kontrollert manuelt enda — kan inneholde feil.
Tre rette, isolerte, strømførende ledere ligger i samme plan som vist i figuren. To av lederne fører strømmen , og den siste fører strømmen . Retningene på strømmene er vist i figuren. Punktene P og Q er like langt fra de tre lederne.
Det er gitt to påstander:
Det samlede magnetfeltet i punktet P har retning inn i papirplanet.
Den magnetiske flukstettheten (feltstyrken) i punktet Q er lik 0.
m)
Hva er riktig?
Fasit
m)
C
LøsningsforslagKI-generert
m)
Feltet fra en lang, rett leder er proporsjonalt med . P og Q har samme avstand til alle tre lederne, så bidragene forholder seg som . Retningene finner vi med høyrehåndsregelen (tommelen langs strømmen):
P: Venstre leder (strøm ned) gir felt ut av papirplanet, høyre leder (strøm opp) gir felt ut, og den horisontale lederen (strøm mot høyre, P over lederen) gir felt ut. Alle peker ut, så feltet i P peker ut av papirplanet. Påstand 1 er feil.
Q: De to loddrette lederne gir begge felt ut av papirplanet (til sammen ), mens den horisontale lederen (Q under lederen) gir felt inn med styrke svarende til . Bidragene opphever hverandre, så . Påstand 2 er riktig.
Oppgave 1-1n·Retning på magnetfelt i elektromotor med strømsløyfe
Lest inn av KI og ikke kontrollert manuelt enda — kan inneholde feil.
En motor består av en strømsløyfe og en horisontal aksling. Strømretningen i sløyfa er vist i figurene.
n)
I hvilken figur har magnetfeltet riktig retning, slik at sløyfa kan rotere rundt akslingen?
Fasit
n)
A
LøsningsforslagKI-generert
n)
Kraften på en strømførende leder er , og den er null når lederen er parallell med feltet. For at sløyfa skal dreie rundt den horisontale akslingen, må øvre og nedre side (som er parallelle med akslingen) få like store krefter i motsatt retning ut av og inn i papirplanet. Da må være loddrett i sløyfeplanet, som i A. Der får øvre side (strøm mot venstre) kraft inn i papirplanet og nedre side (strøm mot høyre) kraft ut av papirplanet. Det gir et kraftpar om akslingen.
I B er feltet parallelt med akslingen. Øvre og nedre side får ingen kraft, og kreftene på de loddrette sidene prøver å dreie sløyfa om en loddrett akse, noe akslingen hindrer. I C og D står feltet vinkelrett på sløyfeplanet, og kreftene ligger i sløyfeplanet og strekker bare sløyfa, uten dreiemoment om akslingen.
Oppgave 1-1o·Magnet med sørpol nederst faller mot ring
Lest inn av KI og ikke kontrollert manuelt enda — kan inneholde feil.
En magnet med sørpol nederst faller gjennom en ring slik at det induseres en strøm i ringen. Ringen holdes fast. Strømretningen er i retning V eller H. Se figur. Se bort fra luftmotstand.
Vi ser på situasjonen før magneten kommer inn i ringen.
o)
Hva er riktig?
Strømretningen i ringen har retning mot
Akselerasjonen til magneten er
A
H
større enn
B
H
mindre enn
C
V
større enn
D
V
mindre enn
Fasit
o)
D
LøsningsforslagKI-generert
o)
Magnetfeltlinjene går inn i sørpolen, så under magneten peker feltet oppover gjennom ringen. Når magneten nærmer seg, øker fluksen oppover. Etter Lenz’ regel lager den induserte strømmen et felt nedover inne i ringen. Det gir en strøm med klokka sett ovenfra, og på den fremre delen av ringen (nærmest oss) går strømmen mot venstre, altså mot V.
Ringen blir da en magnet med sørpolen opp, som frastøter magnetens sørpol. Magneten får en kraft oppover i tillegg til tyngden, så akselerasjonen er mindre enn . Det stemmer med energibevaring: noe av energien går til strøm og varme i ringen.
Oppgave 1-1p·Stav som roterer over skinner i magnetfelt
Lest inn av KI og ikke kontrollert manuelt enda — kan inneholde feil.
En leder er festet til to skinner. En stav, med akse midt på lederen, roterer med konstant vinkelfart mot klokka. Hver gang staven roterer over en av skinnene, passerer den et homogent magnetfelt med retninger som vist i figuren. Staven, lederen og skinnen danner da en lukket krets, og det induseres en strøm i kretsen.
Det er gitt to påstander:
Den induserte strømmen går mot klokka, uansett hvilken skinne staven roterer over.
Den magnetiske kraften på staven virker mot fartsretningen til staven, uansett hvilken skinne staven roterer over.
p)
Hva er riktig?
Fasit
p)
C
LøsningsforslagKI-generert
p)
Påstand 1: Kretsen omslutter sektoren mellom lederen og staven, og arealet øker mens staven roterer.
Øvre skinne: Fluksen ut av papirplanet øker. Den induserte strømmen lager et felt inn i papirplanet og går derfor med klokka.
Nedre skinne: Fluksen inn i papirplanet øker. Den induserte strømmen lager et felt ut av papirplanet og går mot klokka.
Strømretningen er ulik over de to skinnene, så påstand 1 er feil.
Påstand 2: Etter Lenz’ regel motvirker den induserte strømmen årsaken til at den oppstår, altså rotasjonen. Ellers ville staven fått mer energi av seg selv. Kontroll med : over øvre skinne går strømmen utover i staven med feltet ut av papirplanet, og over nedre skinne går strømmen innover med feltet inn i papirplanet. Begge gir en kraft med klokka, mot fartsretningen. Påstand 2 er riktig.
Oppgave 1-1q·Tidsdilatasjon for hendelse på jorda målt fra romskip
Lest inn av KI og ikke kontrollert manuelt enda — kan inneholde feil.
Et romskip kjører med en fart i forhold til jorda slik at lorentzfaktoren . En hendelse på jorda tar målt med ei klokke i ro i romskipet.
q)
Hvor lang tid tar hendelsen målt med ei klokke i ro på jorda?
Fasit
q)
A
LøsningsforslagKI-generert
q)
Hendelsen skjer på ett sted på jorda, så klokka i ro på jorda måler egentiden . Klokka i romskipet beveger seg i forhold til hendelsen og måler en forlenget tid:
Alternativ D får vi hvis vi ganger med i stedet for å dele, altså bytter om hvilken klokke som måler egentiden.
Oppgave 1-1r·Kraftsum på ball i akselererende fartøy sett fra bakken
Lest inn av KI og ikke kontrollert manuelt enda — kan inneholde feil.
Et fartøy har en akselerasjon mot venstre i et gravitasjonsfelt. Gravitasjonsfeltet peker nedover og har verdien . Absoluttverdien til er lik absoluttverdien til . En ball blir kastet inne i fartøyet. Per står i ro på bakken. Se bort fra luftmotstand.
r)
Hvilken retning har summen av kreftene på ballen før den lander, sett fra Per sitt referansesystem?
Fasit
r)
C
LøsningsforslagKI-generert
r)
Per står i ro på bakken, og i hans referansesystem virker bare de fysiske kreftene på ballen. Etter at ballen er kastet, har den ingen kontakt med fartøyet, og vi ser bort fra luftmotstand. Den eneste kraften er tyngdekraften, så kraftsummen peker rett nedover (C). Akselerasjonen til fartøyet påvirker ikke ballen.
For en observatør inne i fartøyet ser det ut som ballen i tillegg får en akselerasjon mot høyre, fordi fartøyet akselererer mot venstre. Da ser den tilsynelatende kraftsummen ut til å peke skrått ned mot høyre (D). Det er ikke en virkelig kraft, og spørsmålet gjelder Per.
Oppgave 1-1s·Sannsynlighet i intervaller fra bølgefunksjon til elektron
Lest inn av KI og ikke kontrollert manuelt enda — kan inneholde feil.
Figuren viser bølgefunksjonen som funksjon av posisjon for et elektron.
s)
Hva er riktig?
Fasit
s)
C
LøsningsforslagKI-generert
s)
Sannsynligheten for å finne elektronet i et intervall er arealet under over intervallet. Intervall a ligger symmetrisk om toppunktet, og intervall c ligger symmetrisk om bunnpunktet, som er like langt fra aksen. Kvadreringen fjerner fortegnet, så har samme form over a og c, og sannsynlighetene er like store (C).
Intervall b ligger rundt nullpunktet, der er liten, så sannsynligheten er mindre enn i c (B er feil). Den er likevel ikke null, fordi bare er null i ett punkt i intervallet (D er feil).
Oppgave 1-1t·Løsrivningsarbeid og grensefrekvens for sink og kalsium
Lest inn av KI og ikke kontrollert manuelt enda — kan inneholde feil.
Lys med ulike bølgelengder sendes mot to ulike metaller. Grafene nedenfor viser den maksimale kinetiske energien til de frigjorte elektronene som funksjon av bølgelengden til lyset.
Det er gitt to påstander:
Kalsium har størst løsrivningsarbeid.
Sink har størst grensefrekvens.
t)
Hva er riktig?
Fasit
t)
C
LøsningsforslagKI-generert
t)
Einsteins likning for fotoelektrisk effekt er . Kurvene treffer -aksen () ved grensebølgelengden , der . Avlesning gir for sink og for kalsium.
Kortest grensebølgelengde betyr størst grensefrekvens og størst løsrivningsarbeid. Det er sink (ca. mot ca. for kalsium). Påstand 1 er feil og påstand 2 riktig.
Oppgave 1-2·Lysavbøyning, comptoneffekt, to kast og leder gjennom magnetfelt
Lest inn av KI og ikke kontrollert manuelt enda — kan inneholde feil.
Når lys passerer et himmellegeme, f.eks. et sort hull, blir det avbøyd.
Dag, Ole og Kristine diskuterer fenomenet når lyset passerer et himmellegeme, og kommer med følgende påstander:
a)
Vurder påstandene til Dag, Ole og Kristine.
b)
Arthur Compton fikk tildelt Nobelprisen i 1927 for sine eksperimenter som viste at lys har partikkelegenskaper. Gi en forklaring på comptoneffekten.
To like kuler A og B har samme høyde over et horisontalt underlag. A kastes vertikalt rett nedover. B kastes på skrå nedover med startfarten og danner vinkelen med horisontalen. Begge kulene kastes samtidig. Se bort fra luftmotstand.
c)
Hvor stor må startfarten til A være for at kulene skal lande samtidig?
En kvadratisk leder beveger seg med konstant rettlinjet fart over et homogent rektangelformet magnetfelt. Magnetfeltet har flukstetthet . Sidene på kvadratet er , og resistansen i lederen er .
Grafen viser strømmen i lederen som funksjon av tiden.
d)
1)
Bestem farten til lederen.
2)
Bestem absoluttverdien til .
3)
Tegn en skisse av en graf som viser fluksen gjennom lederen som funksjon av tid fra til . Husk begrunnelse.
Fasit
a)
Dag har rett, Ole tar feil (lysfarten i vakuum er alltid ), og Kristine har rett (gravitasjonell rødforskyvning).
b)
Røntgenfotoner som spres på elektroner, får lengre bølgelengde fordi de gir fra seg energi og bevegelsesmengde til elektronene i et partikkelstøt.
c)
d)
1) 2) 3) Se graf: fluksen er null, øker lineært til , er konstant og avtar lineært til null.
LøsningsforslagKI-generert
a)
Dag har rett. Etter den generelle relativitetsteorien krummer massen til himmellegemet tidrommet rundt seg, og lyset følger denne krumme geometrien. Ekvivalensprinsippet gir samme konklusjon: i et romskip som akselererer, ser en lysstråle på tvers av romskipet ut til å bøye av, og da må lys også avbøyes i et gravitasjonsfelt. Jo større masse, desto sterkere avbøyning.
Ole tar feil. Lysfarten i vakuum er for alle observatører som måler lokalt. Avbøyningen endrer retningen til lyset, ikke farten. Et foton kan ikke få større fart slik en ball i fritt fall får.
Kristine har rett. Lys som beveger seg bort fra himmellegemet, går ut av gravitasjonsfeltet og mister energi. Farten er fortsatt , så energitapet viser seg som lavere frekvens () og lengre bølgelengde: lyset blir rødforskjøvet (gravitasjonell rødforskyvning). Dette henger sammen med at klokker går langsommere nær et massivt legeme. På vei inn mot himmellegemet blir lyset blåforskjøvet like mye, så lys som bare passerer, har samme frekvens langt borte etter passeringen som før.
b)
Compton sendte røntgenstråling mot et stoff med løst bundne elektroner (grafitt) og målte bølgelengden til strålingen som ble spredt i ulike retninger.
Den spredte strålingen hadde lengre bølgelengde enn den innkommende, og økningen ble større jo større spredningsvinkelen var. Dette kan ikke bølgemodellen forklare: der svinger elektronene i takt med den innkommende bølgen og sender ut stråling med samme frekvens.
Forklaringen er at lyset består av fotoner med energi og bevegelsesmengde . Et foton støter mot et elektron som en partikkel mot en annen, og både energi og bevegelsesmengde er bevart i støtet.
Elektronet får rekyl og kinetisk energi. Fotonet har derfor mindre energi og bevegelsesmengde etter støtet, altså lavere frekvens og lengre bølgelengde. Regningen gir , der er spredningsvinkelen, og dette stemte med målingene.
Comptoneffekten viser at fotoner har bevegelsesmengde og oppfører seg som partikler i støt.
c)
Den horisontale og den vertikale bevegelsen er uavhengige av hverandre. Begge kulene har akselerasjonen nedover og starter i samme høyde. Tiden fram til landing avhenger derfor bare av den vertikale startfarten. Den horisontale komponenten til B bestemmer bare hvor B lander.
Den vertikale startfarten til B er
Med samme vertikale startfart og samme akselerasjon faller kulene like langt på samme tid. A må derfor kastes rett ned med .
d)1)
Det induseres strøm bare når fluksen gjennom lederen endrer seg. Fra til er lederen utenfor feltet. Fra til er den på vei inn, og fluksen øker. Fra til er hele lederen inne i feltet, fluksen er konstant og strømmen null. Fra til er den på vei ut.
På vei inn flytter lederen seg en sidelengde på :
Kontroll: Lederen er helt inne i feltet i , så feltet er bredt. Det passer med figuren.
2)
Mens lederen er på vei inn, er det bare den fremre siden som beveger seg i feltet. Den induserte spenningen er , og med Ohms lov er :
3)
Fluksen er , der er den delen av kvadratet som er inne i feltet. Når hele kvadratet er inne, er fluksen
Begrunnelse:
Etter Faradays lov er . Der strømmen er null, er fluksen konstant: før lederen kommer inn, og mens den er helt inne.
Der strømmen har konstant absoluttverdi, endrer fluksen seg med konstant fart, så grafen er rette linjestykker. Arealet i feltet øker (og senere avtar) jevnt fordi farten er konstant.
Stigningstallet stemmer: .
Strømmen har motsatt fortegn på vei inn og på vei ut, fordi fluksen øker i det første tidsrommet og avtar i det andre (Lenz’ regel).
Sensorveiledning
Oppgaven gir til sammen 10 poeng
a)2p2 poeng
1 poeng: Avgjør hvem som har rett.
2 poeng: Begrunner svarene med teori.
b)2p2 poeng
1 poeng: Enkel forklaring.
2 poeng: Inkludere også at fotonet får lavere frekvens/lengre bølgelengde og at fotoner har bevegelsesmengde.
c)2p2 poeng
2 poeng: Riktig svar og enkel begrunnelse med formler og/eller tekst.
d)4p4 poeng
2) Det trekkes ikke for små regnefeil.
3) 1 poeng: Riktig form på grafen. Trenger ikke verdi på -aksen.
2 poeng: Begrunnelse (utregninger og/eller forklaringer av formen).
Oppgave 2-3·Effektivverdi i transformator og avvik fra transformatorlikningen
Lest inn av KI og ikke kontrollert manuelt enda — kan inneholde feil.
En transformator har 6 vindinger på primærsiden og 3 vindinger på sekundærsiden. Primærsiden kobles til en vekselspenningskilde.
Spenningen over primærspolen varierer som vist i grafen. Vekselspenning oppgis vanligvis som effektivverdi (RMS),
der er den maksimale spenningen.
a)Hjelpemiddelkrav: Kalkulator
1)
Bestem effektivverdien av spenningen over primærspolen.
2)
Bestem effektivverdien av spenningen over sekundærspolen.
Noen elever vil undersøke sammenhengen mellom spenningen på primær- og sekundærsiden i en transformator. Transformatoren har en primærspole med 300 vindinger og en sekundærspole med 600 vindinger. Elevene kobler spolen med 300 vindinger til en vekselspenningskilde.
Elevene varierer spenningen på spenningskilden og måler spenningen over primær- og sekundærspolen. Tabellen viser måleresultatene.
Målt spenning (effektivverdi) over primærspolen
Målt spenning (effektivverdi) over sekundærspolen
b)Hjelpemiddelkrav: Kalkulator
1)
Vis ved regning at måleresultatene ikke er i tråd med transformatorlikningen .
2)
Gi en fysisk forklaring på hvorfor måleresultatene ikke er i tråd med transformatorlikningen.
Fasit
a)
1) 2)
b)
1) Forholdet ligger mellom og i alle målingene, mens . 2) Ikke all magnetisk fluks fra primærspolen går gjennom sekundærspolen (flukstap), og det er energitap i spolene og jernkjernen, så det induseres mindre spenning i sekundærspolen enn i en ideell transformator.
LøsningsforslagKI-generert
a)1)
Av grafen leser vi at den maksimale spenningen over primærspolen er . Effektivverdien blir
2)
Vi bruker transformatorlikningen. Den gjelder både for toppverdier og for effektivverdier, siden begge spenningene varierer sinusformet i takt:
b)1)
Etter transformatorlikningen skal forholdet mellom spenningene være
Vi regner ut forholdet for hver måling:
(ideell transformator)
Alle forholdene er klart mindre enn . Sekundærspenningen er – lavere enn transformatorlikningen gir, og avviket er mye større enn det avlesingsusikkerheten i multimetrene kan forklare. Måleresultatene er altså ikke i tråd med transformatorlikningen.
2)
Transformatorlikningen bygger på en ideell transformator. Vekselstrømmen i primærspolen gir en magnetisk fluks som endrer seg hele tiden, og etter Faradays induksjonslov er den induserte spenningen i en spole med vindinger
Likningen forutsetter at nøyaktig den samme fluksendringen går gjennom hver vinding i begge spolene, og at det ikke er noe energitap. I en virkelig transformator er ingen av delene helt oppfylt:
Flukstap: Jernkjernen leder ikke hele magnetfeltet. Noen feltlinjer fra primærspolen går utenom kjernen og sekundærspolen, særlig hvis kjernen ikke er helt lukket eller delene ikke ligger tett inntil hverandre (slik det ofte er med skoletransformatorer). Da blir fluksendringen gjennom sekundærspolen mindre enn gjennom primærspolen, og det induseres mindre spenning per vinding.
Resistans i primærspolen: Noe av spenningen som måles over primærspolen, går med til å drive strømmen gjennom resistansen i ledningen. Da er det bare en del av som svarer til den induserte spenningen, og sekundærspenningen blir tilsvarende lavere.
Tap i jernkjernen: Virvelstrømmer og ommagnetisering av jernet gjør at noe av energien blir til varme i stedet for å bli overført til sekundærsiden.
Alle disse effektene gjør at blir mindre enn , slik målingene viser.
Sensorveiledning
Oppgaven gir til sammen 4 poeng
b)2p2 poeng
1) 0,5 poeng: Forklarer uten å vise utregninger.
1 poeng: Viser at forholdet er feil med utregning på to eller flere.
2) En god forklaring inneholder noe om at spolen ikke fanger opp alle feltlinjene og/eller at elektrisk energi går over til varme i spolene.
Oppgave 2-4·Kloss gjennom skråplan og loop på digital kraftmåler
Lest inn av KI og ikke kontrollert manuelt enda — kan inneholde feil.
En bane består av et skråplan som går over i en loop. Skråplanvinkelen er og radien til loopen er .
En kloss med masse slippes fra ro i en høyde på over bunnen av skråplanet. Etter skråplanet beveger klossen seg videre gjennom loopen.
Det virker friksjon mellom skråplanet og klossen, slik at farten til klossen når den er i bunnen av skråplanet, er . Se bort fra luftmotstand.
a)Hjelpemiddelkrav: Kalkulator
Bestem størrelsene på kreftene som virker på klossen når den glir nedover skråplanet.
Se bort fra alle andre krefter enn normalkraften og gravitasjonskraften når klossen er i loopen.
b)Hjelpemiddelkrav: Kalkulator
Bestem normalkraften som virker på klossen når den er i
1)
bunnen av loopen
2)
det øverste punktet i loopen
Noen elever gjør et forsøk der de plasserer banen på en digital kraftmåler som måler kraft i vertikal retning. Elevene nullstiller kraftmåleren slik at den viser når banen, uten klossen, står på kraftmåleren. Deretter plasserer elevene klossen på skråplanet og slipper den fra ro i en ny høyde over bunnen av skråplanet.
Samhørende verdier mellom tid og kraft registreres av kraftmåleren når klossen glir nedover skråplanet og gjennom loopen. Måleresultatene vises i grafen nedenfor.
c)Hjelpemiddelkrav: For hånd
Forklar hvor i banen klossen er ved tidspunktene og .
d)Hjelpemiddelkrav: Kalkulator
Bestem farten til klossen når den er i det øverste punktet i loopen i dette forsøket.
Fasit
a)
, og
b)
1) 2)
c)
Ved er klossen i bunnen av loopen (størst kraft nedover på banen). Ved er klossen i det øverste punktet i loopen (klossen presser banen oppover).
d)
LøsningsforslagKI-generert
a)
Når klossen glir nedover skråplanet, virker tre krefter på den: gravitasjonskraften loddrett nedover, normalkraften vinkelrett ut fra skråplanet og friksjonskraften oppover langs skråplanet.
Gravitasjonskraften:
Klossen har ingen akselerasjon vinkelrett på skråplanet, så normalkraften balanserer komponenten av vinkelrett på planet:
Friksjonskraften finner vi fra energitapet. Klossen glir langs skråplanet en strekning
Normalkraften gjør ikke arbeid, så arbeidet friksjonskraften gjør, er lik tapet i mekanisk energi:
b)
I loopen virker bare gravitasjonskraften og normalkraften. Normalkraften står vinkelrett på banen og gjør ikke arbeid, så den mekaniske energien er bevart. Klossen går i en sirkelbane, så kraftsummen mot sentrum må være sentripetalkraften .
1)
Bunnen av loopen er i samme høyde som bunnen av skråplanet, så . Normalkraften peker oppover mot sentrum og gravitasjonskraften nedover:
2)
Det øverste punktet ligger høyere enn bunnen. Energibevaring gir farten der:
På toppen peker både normalkraften og gravitasjonskraften nedover mot sentrum:
c)
Kraftmåleren er nullstilt med banen på, så den viser den loddrette komponenten av kraften som klossen virker på banen med. Etter Newtons 3. lov er denne kraften motsatt av normalkraften (og friksjonskraften) som banen virker på klossen med.
: Grafen har sitt maksimum, . I bunnen av loopen peker normalkraften på klossen rett oppover og er størst, fordi den både skal balansere tyngden og gi sentripetalkraften (jf. b). Klossen presser da banen rett nedover med størst kraft. Klossen er altså i bunnen av loopen.
: Grafen har sitt minimum, . Negativ verdi betyr at klossen drar banen oppover. Det skjer bare i den øverste delen av loopen, der normalkraften på klossen peker nedover og klossen dermed presser banen oppover. Den negative verdien er størst i det øverste punktet, der hele normalkraften er loddrett. Klossen er altså i det øverste punktet i loopen.
Dette passer også med resten av grafen: Før glir klossen nedover skråplanet og måleren viser litt under tyngden (klossen akselererer nedover), og til slutt viser måleren når klossen har kommet ut av loopen og glir bortover det flate partiet.
d)
På toppen av loopen viser kraftmåleren . Klossen presser altså banen oppover med , så normalkraften fra banen på klossen er nedover. Sammen med gravitasjonskraften gir den sentripetalkraften:
Sensorveiledning
Oppgaven gir til sammen 8 poeng
a)2p2 poeng
HUSK: Det er ikke et krav om å tegne kreftene for å få full uttelling.
1 poeng: Riktig tyngdekraft og normalkraft.
b)2p2 poeng
2) 0,5 poeng:
c)2p2 poeng
1 poeng: Riktig svar uten begrunnelse.
2 poeng: Begrunner svarene ved hjelp krefter.
d)2p2 poeng
1 poeng: Bruker riktig uttrykk for summen av kreftene.
HUSK: Det trekkes ikke for følgefeil.
Oppgave 2-5·Rakett med skyvekraft og drivstofftap radielt bort fra jorda
Lest inn av KI og ikke kontrollert manuelt enda — kan inneholde feil.
En rakett sendes rett opp i verdensrommet fra jordoverflata og beveger seg hele tiden radielt bort fra jorda. I starten har raketten massen . Rakettmotoren har hele tiden en skyvekraft på og mister drivstoff per sekund.
Programmet nedenfor beregner hvor høyt over jordoverflata raketten kommer når den har brukt opp drivstoff. Programmet tar ikke hensyn til luftmotstand.
m = 2000M = 5.97E24gamma = 6.67E-11R = 6371000F = 30000v = 0t = 0h = 0def G(h): return gamma*m*M/(R+h)**2dt = 1dm = 5*dtwhile m > 300: a = (F - G(h)) / m v = v + a*dt h = h + v*dt m = m - dm t = t + dtprint(v, h)
I oppgave a og b skal du ikke ta hensyn til luftmotstanden.
a)Hjelpemiddelkrav: Oppsett for hånd
1)
Kjør programmet. Hvor stor er farten, og hvor høyt over jordoverflata er raketten, når den har brukt opp drivstoff?
2)
Forklar linje 9, 10, 14 og 17 i programkoden.
3)
Forklar hvorfor akselerasjonen til raketten øker så lenge motoren er på.
Når raketten har brukt opp drivstoff, blir motoren slått av, og raketten fortsetter et stykke rett utover.
b)Hjelpemiddelkrav: Kalkulator + svaret på tidligere oppgave
Bestem den maksimale høyden raketten får.
I oppgave c skal du ta hensyn til luftmotstanden. Lufttrykket avtar med høyden over jordoverflata slik at luftmotstanden , målt i newton, som virker på raketten, er gitt ved
der er høyden over jordoverflata i meter og er farten til raketten i m/s.
c)Hjelpemiddelkrav: Oppsett for hånd
Hvor høyt over jordoverflata er raketten når den har brukt opp drivstoff?
Fasit
a)
1) og 2) Linje 9–10 definerer gravitasjonskraften som funksjon av høyden, linje 14 er Newtons 2. lov, og linje 17 trekker fra drivstoffet som er brukt i tidssteget. 3) Massen minker mens skyvekraften er konstant, og gravitasjonskraften avtar både fordi massen minker og fordi avstanden til jorda øker.
b)
c)
LøsningsforslagKI-generert
a)1)
Programmet skriver ut
8197.88947878467 805525.2293565142
Når raketten har brukt opp drivstoff, er farten og høyden over jordoverflata (ca. ). Det tar .
2)
Linje 9: Definerer en funksjon G som tar høyden h over jordoverflata som argument.
Linje 10: Funksjonen returnerer gravitasjonskraften fra jorda på raketten, , der er avstanden fra jordsentrum. Massen m som brukes, er rakettens masse i øyeblikket.
Linje 14: Newtons 2. lov. Kraftsummen på raketten er skyvekraften utover minus gravitasjonskraften innover, og akselerasjonen er kraftsummen delt på massen, .
Linje 17: Rakettmotoren bruker drivstoff per sekund, så massen reduseres med dm i hvert tidssteg.
3)
Akselerasjonen er
Skyvekraften er konstant, mens massen minker fra til . Da øker leddet . Samtidig øker avstanden til jordsentrum, så gravitasjonsfeltstyrken blir mindre. Begge deler gjør at akselerasjonen øker så lenge motoren er på.
b)
Etter at motoren er slått av, er gravitasjonskraften den eneste kraften på raketten. Da er summen av kinetisk energi og gravitasjonell potensiell energi bevart. Raketten har massen , avstanden fra jordsentrum er
og farten er . I den maksimale høyden er farten null:
Massen kan forkortes bort. Vi løser for :
Med :
Den maksimale høyden over jordoverflata er
Raketten når altså omtrent over jordoverflata før den snur. Svaret er følsomt for startfarten: Med mindre tidssteg i programmet blir farten ved brennslutt , og da gir samme regning . Et rimelig svar er derfor . Farten er mindre enn unnslipningsfarten i denne avstanden, , så raketten kommer ikke løs fra jorda.
c)
Luftmotstanden virker mot fartsretningen, altså innover mot jorda. Vi definerer en funksjon for luftmotstanden og trekker den fra i Newtons 2. lov:
m = 2000M = 5.97E24gamma = 6.67E-11R = 6371000F = 30000v = 0t = 0h = 0def G(h): return gamma*m*M/(R+h)**2def L(h, v): return 1.96*0.9999**h*v**2 # luftmotstand, avtar med høydendt = 1dm = 5*dtwhile m > 300: a = (F - G(h) - L(h, v)) / m # luftmotstanden virker mot farten v = v + a*dt h = h + v*dt m = m - dm t = t + dtprint(v, h)
Programmet skriver ut
5692.333365074963 335182.47898867633
Når raketten har brukt opp drivstoffet, er den (ca. ) over jordoverflata. Med mindre tidssteg, for eksempel dt = 0.01, blir resultatet , så svaret er rundt –. Luftmotstanden er stor i starten, der lufta er tett, og raketten når mindre enn halvparten så høyt som uten luftmotstand.
Sensorveiledning
Oppgaven gir til sammen 7 poeng
a)3p3 poeng
2) Svarene i oppgave 5a2 og 5a3 må sees i sammenheng.
3) 0,5 poeng: Sier at massen avtar eller at gravitasjonskraften avtar.
1 poeng: Sier at massen avtar og at gravitasjonskraften avtar.
b)2p2 poeng
1 poeng: Riktig metode, men bruker feil tall.
c)2p2 poeng
1 poeng: Viser forståelse for fysikken, men får ikke til programmeringen.
Det kreves ingen begrunnelse hvis luftmotstanden er satt inn riktig.
Oppgave 2-6·Elektron mellom plater med kraftsum parallell med farten
Lest inn av KI og ikke kontrollert manuelt enda — kan inneholde feil.
Et elektron sendes inn med en horisontal startfart midt mellom to horisontale plater. Da er avstanden fra elektronet til den nederste platen . Det er et homogent elektrisk felt med feltstyrke mellom platene. Retning på feltet er loddrett oppover. Se bort fra gravitasjonsfeltet i hele oppgaven.
Elektronet beveger seg en avstand i horisontal retning før det treffer den nederste plata.
a)Hjelpemiddelkrav: Kalkulator
Bestem absoluttverdien til
1)
akselerasjonen til elektronet når det beveger seg mellom platene
2)
den elektriske feltstyrken
Den elektriske feltstyrken endres til . Det settes også opp et homogent magnetfelt med flukstetthet og retning ut av papiret mellom platene.
Et nytt elektron sendes inn mellom platene. Når elektronet er i posisjonen vist i figuren til høyre, er absoluttverdien til farten og retningen med horisontalen. I denne posisjonen har kraftsummen på elektronet samme retning som farten.
b)Hjelpemiddelkrav: Kalkulator
1)
Tegn kreftene som virker på elektronet når det er i posisjonen vist i figuren.
2)
Bestem størrelsene på kreftene som virker på elektronet når det er i posisjonen vist i figuren.
3)
Bestem absoluttverdien til .
Fasit
a)
1) 2)
b)
1) Se kraftdiagram: elektrisk kraft loddrett nedover og magnetisk kraft vinkelrett på farten, skrått opp mot høyre. 2) og 3)
LøsningsforslagKI-generert
a)1)
Den eneste kraften på elektronet er den elektriske kraften. Feltet peker oppover, og elektronet har negativ ladning, så kraften og akselerasjonen peker loddrett nedover. Horisontalt virker ingen kraft, så den horisontale farten er konstant. Tiden elektronet bruker før det treffer plata, er
Loddrett starter elektronet uten fart og har konstant akselerasjon, så :
2)
Newtons 2. lov med gir
b)1)
Når vi ser bort fra gravitasjonen, virker to krefter på elektronet:
Den elektriske kraften er motsatt av feltet , siden elektronet er negativt. Den peker loddrett nedover.
Den magnetiske kraften står vinkelrett på farten. For en positiv ladning med fart skrått ned mot høyre og ut av papiret gir høyrehåndsregelen en kraft skrått ned mot venstre. Elektronet er negativt, så kraften peker motsatt vei: skrått opp mot høyre, over horisontalen.
2)
Den elektriske kraften:
Kraftsummen skal peke langs farten. Da må kraftsummen vinkelrett på farten være null. Den magnetiske kraften er i sin helhet vinkelrett på farten, og vinkelen mellom (loddrett) og normalen til fartsretningen er . Komponenten av den elektriske kraften vinkelrett på farten er derfor , og den må den magnetiske kraften oppveie:
Kraftsummen blir komponenten av langs farten, .
3)
Farten er vinkelrett på magnetfeltet, så :
Tilsvarende uttrykt med feltstørrelsene: .
Sensorveiledning
Oppgaven gir til sammen 7 poeng
a)3p3 poeng
1) 1 poeng: Tar utgangspunkt i riktige formler.
2) HUSK: Det trekkes ikke for følgefeil.
b)4p4 poeng
1) 0,5 poeng: Riktig retning på begge kreftene, men feil størrelsesforhold.
2) 1 poeng for hver størrelse.
3) HUSK: Det trekkes ikke for følgefeil.
Oppgave 2-7·Kloss trukket med skrå kraft som avtar med farten
Lest inn av KI og ikke kontrollert manuelt enda — kan inneholde feil.
En kloss med masse trekkes bortover et horisontalt underlag av en kraft . Kraften danner en vinkel med horisontalen som vist i figuren. Friksjonstallet mellom klossen og underlaget .
Se bort fra luftmotstand, og anta at hele undersiden av klossen er i kontakt med underlaget, i hele oppgaven.
a)Hjelpemiddelkrav: Kalkulator
Bestem akselerasjonen til klossen.
Det viser seg at størrelsen på kraften ikke er konstant, men gitt ved
der er farten i m/s, og er gitt i newton. Startfarten er null.
b)Hjelpemiddelkrav: Oppsett for hånd
Bruk programmering til å bestemme farten til klossen når . I programmet kan du bruke at og .
Fasit
a)
b)
LøsningsforslagKI-generert
a)
På klossen virker gravitasjonskraften nedover, normalkraften oppover, friksjonskraften mot bevegelsesretningen og trekkraften skrått oppover.
Loddrett er det ingen akselerasjon. Den loddrette komponenten av løfter litt på klossen, så normalkraften blir mindre enn tyngden:
Friksjonskraften:
Newtons 2. lov horisontalt:
b)
Nå avhenger trekkraften av farten. Da endres også normalkraften og friksjonskraften underveis, så akselerasjonen er ikke konstant. Vi bruker Eulers metode: I hvert lite tidssteg regner vi ut kreftene og akselerasjonen fra farten i øyeblikket (som i a), og oppdaterer farten med .
m = 0.400 # masse (kg)g = 9.81 # tyngdeakselerasjon (m/s^2)mu = 0.25 # friksjonstallcos30 = 0.866sin30 = 0.50v = 0 # startfart (m/s)t = 0 # tid (s)dt = 0.001 # tidssteg (s)n = round(3.0/dt)for i in range(n): F = 1.2 - 0.20*v # trekkraften avtar med farten N = m*g - F*sin30 # normalkraft (loddrett likevekt) R = mu*N # friksjonskraft a = (F*cos30 - R)/m # Newtons 2. lov horisontalt v = v + a*dt t = t + dtprint(f"t = {t:.1f} s, v = {v:.2f} m/s")
Programmet skriver ut
t = 3.0 s, v = 0.81 m/s
Farten til klossen når er .
Resultatet er rimelig: Når farten øker, blir trekkraften mindre og friksjonen større, så akselerasjonen avtar. Klossen nærmer seg en konstant fart på omtrent , der .
Sensorveiledning
Oppgaven gir til sammen 4 poeng
a)2p2 poeng
1 poeng: Feil normalkraft, men ellers riktig.
b)2p2 poeng
1 poeng: Viser forståelse, men får ikke til programmeringen.
HUSK: Det trekkes ikke for følgefeil.