Isklumpstøt, røntgenrør, ekvivalensprinsipp og induksjonsgraf

Del 1, uten hjelpemidler, med vedlegg

Isklumpstøt, røntgenrør, ekvivalensprinsipp og induksjonsgraf

Lest inn av KI og ikke kontrollert manuelt enda — kan inneholde feil.

Vi sender en liten isklump med masse 100 g bortover isen med farten 5,0 m/s. Den treffer en annen, litt større, isklump med masse 200 g som ligger i ro. Etter støtet får den største isklumpen farten 3,0 m/s. All bevegelse skjer langs en rett linje.

Hva blir farten til den minste isklumpen etter støtet? Vi sender to isklumper med lik masse rett mot hverandre med samme fart v0.

Hva slags verdier kan farten til de to isklumpene få etter støtet?

Tegn en skisse av et røntgenrør, og bruk skissen til å gjøre rede for hvordan røntgenstråling oppstår.

Bestem et uttrykk for den maksimale frekvensen til strålingen.

Gjør rede for ekvivalensprinsippet i relativitetsteorien.

Gjennom en rektangelformet leder varierer den magnetiske feltstyrken B som vist i grafen under. Sidene i rektangelet er 4,0 cm og 7,0 cm. Magnetfeltet har retning inn i papiret som vist på figuren til høyre.

Graf for B (mT) mot tid (ms) som stiger til 3 mT ved 1 ms og synker til 0 ved 5 ms, og rektangulær leder på 7,0 cm × 4,0 cm med magnetfelt inn i papiret

Hvilken retning får induksjonsstrømmen i tidsrommet fra 0 ms til 5 ms?

Tegn en graf som beskriver den elektromotoriske spenningen i samme tidsrom.

Fasit

1) v=1,0 m/s motsatt vei av startfarten. 2) Isklumpene får like stor fart v i hver sin retning, med 0≤v≤v0.

1) Se skisse: elektroner fra glødekatoden akselereres av høyspenningen og bremses i anoden, og energien sendes ut som røntgenstråling. 2) fmaks=eUh

Et homogent gravitasjonsfelt og en jevnt akselerert referanseramme kan ikke skilles fra hverandre med forsøk.

1) Mot urviseren fra 0 til 1 ms, med urviseren fra 1 til 5 ms. 2) Se graf: |ε|=8,4 mV fra 0 til 1 ms og |ε|=2,1 mV med motsatt fortegn fra 1 til 5 ms.

LøsningsforslagKI-generert

Friksjonen mot isen er neglisjerbar i det korte støtet, så bevegelsesmengden er bevart. Vi velger startfartens retning som positiv retning:

m1v1=m1v1′+m2v2′
0,100 kg⋅5,0 m/s=0,100 kg⋅v1′+0,200 kg⋅3,0 m/s
v1′=0,50 kgm/s−0,60 kgm/s0,100 kg=−1,0 m/s

Den minste isklumpen spretter tilbake med farten v=1,0 m/s.

Kontroll: Den kinetiske energien er 12⋅0,100⋅5,02 J=1,25 J før støtet og 12⋅0,100⋅1,02 J+12⋅0,200⋅3,02 J=0,95 J etter. Energien har ikke økt, så støtet er fysisk mulig.

Før støtet er den samlede bevegelsesmengden mv0+m(−v0)=0. Bevegelsesmengden er bevart, så etter støtet er

mv1′+mv2′=0⇒v2′=−v1′

Isklumpene får altså like stor fart v, i hver sin retning. Den kinetiske energien kan ikke øke i støtet:

2⋅12mv2≤2⋅12mv02⇒v≤v0

Farten kan derfor ha verdier 0≤v≤v0. Ved et fullstendig uelastisk støt blir v=0 (klumpene ligger i ro), ved et elastisk støt blir v=v0, og ellers ligger farten mellom.

Skisse av et røntgenrør:

Skisse av røntgenrør med glødekatode, anode og høyspenning

  • Katoden er en glødetråd som varmes opp av en egen glødespenning. Da får elektroner nok energi til å forlate metallet (glødeelektrisk effekt).
  • Mellom katoden og anoden ligger en høy spenning U (ofte flere titalls kilovolt). Elektronene akselereres mot anoden og får kinetisk energi Ek=eU. Røret er lufttomt, så elektronene ikke kolliderer med luftmolekyler på vegen.
  • Elektronene treffer anoden, som er laget av et tungt metall som wolfram. Der bremses de kraftig opp av de elektriske kreftene fra atomkjernene. Ladninger som akselereres, sender ut elektromagnetisk stråling, og denne bremsestrålingen har et kontinuerlig spektrum av røntgenfrekvenser.
  • Noen elektroner slår i tillegg ut elektroner fra de innerste skallene i anodeatomene. Når elektroner fra ytre skall faller ned i de ledige plassene, sendes det ut fotoner med bestemte energier. Dette gir karakteristisk stråling, som topper i spekteret.
  • Det aller meste av energien blir til varme i anoden.

Den største frekvensen får vi når et elektron gir fra seg all sin kinetiske energi til ett foton:

hfmaks=eU⇒fmaks=eUh

Ekvivalensprinsippet sier at et homogent gravitasjonsfelt og en jevnt akselerert referanseramme er likeverdige. Ingen fysiske forsøk inne i et lukket rom kan avgjøre om rommet står i ro i et gravitasjonsfelt med tyngdeakselerasjon g, eller om det akselererer med a=g langt ute i rommet der det ikke er gravitasjon.

  • Eksempel: En astronaut i et lukket romskip slipper en ball. Ballen faller mot golvet med akselerasjonen g både når romskipet står på jorda, og når det akselererer med g ute i rommet. På samme måte er fritt fall i et gravitasjonsfelt ikke til å skille fra vektløshet langt fra alle masser.
  • Prinsippet forklarer hvorfor alle legemer faller like fort: tung masse og treg masse er det samme.
  • Konsekvenser: En lysstråle som går på tvers av et akselererende romskip, ser ut til å bøye av. Etter ekvivalensprinsippet må lys da også avbøyes i et gravitasjonsfelt. Tilsvarende går klokker langsommere lengre ned i et gravitasjonsfelt (gravitasjonell tidsforlengelse).

Den magnetiske fluksen gjennom lederen er Φ=BA, med retning inn i papiret. Etter Lenz’ regel går induksjonsstrømmen slik at den motvirker endringen i fluksen.

  • Fra 0 til 1 ms øker fluksen inn i papiret. Induksjonsstrømmen lager et felt ut av papiret inne i rektangelet, og det gir en strøm mot urviseren.
  • Fra 1 til 5 ms avtar fluksen inn i papiret. Induksjonsstrømmen lager et felt inn i papiret for å motvirke minkingen, og det gir en strøm med urviseren.

Faradays induksjonslov for én vinding gir ε=−ΔΦΔt=−AΔBΔt. Grafen består av rette linjestykker, så ems-en er konstant i hvert tidsrom. Arealet er

A=0,040 m⋅0,070 m=2,8⋅10−3 m2

Fra 0 til 1 ms:

ΔBΔt=3,0⋅10−3 T1,0⋅10−3 s=3,0 T/s⇒|ε|=2,8⋅10−3 m2⋅3,0 T/s=8,4 mV

Fra 1 til 5 ms:

ΔBΔt=−3,0⋅10−3 T4,0⋅10−3 s=−0,75 T/s⇒|ε|=2,8⋅10−3 m2⋅0,75 T/s=2,1 mV

Vi regner ems i retningen med urviseren som positiv (den retningen som gir felt inn i papiret). Da er ε=−8,4 mV i det første tidsrommet og ε=2,1 mV i det andre:

Graf for indusert elektromotorisk spenning mot tid

Arealet under grafen er like stort i de to tidsrommene (8,4 mV⋅1 ms=2,1 mV⋅4 ms), med motsatt fortegn. Det stemmer med at feltet er tilbake til null etter 5 ms.

Forstå oppgaven med en KI

Du får en ferdig tekst du limer inn i den KI-chatboten du bruker. Teksten inneholder oppgaven og en instruks om at chatboten skal hjelpe deg å tenke selv — stille spørsmål, gi ett hint av gangen og la deg gjøre regningen.

Anbefalt. Chatboten får beskjed om å bruke det til å veilede deg riktig vei — ikke til å røpe svaret. Du kan slå det av hvis du vil være helt sikker på at ingenting lekker.

Hva du bør vite
  • Ingenting sendes herfra. Teksten kopieres bare til utklippstavla på enheten din. Det du limer inn i en chatbot, går til den tjenesten — og de har sine egne regler for hva de lagrer.
  • Ikke lim inn personopplysninger — navn, skole eller noe annet om deg selv eller andre. Oppgaveteksten holder.
  • KI kan ta feil, også i fysikk. Sjekk alltid mot løsningsforslaget her på siden.
  • Er du usikker på om du har lov til å bruke KI på skolearbeidet ditt, spør læreren din først.
Vedlegg

Vedleggene i oppgavesettet til Fysikk 2 H2019. De kunne brukes på hele eksamen, også del 1 (om hjelpemidlene).

Åpne på egen side: Faktavedlegg · Formelvedlegg

Tastatursnarveier

Navigasjon

⌘K / Ctrl+K
Åpne søk
G F
Gå til Fag
G E
Gå til Eksamener
G T
Gå til Temaer
G K
Gå til Kompetansemål
G H
Hjem
?
Vis snarveier

I oppgave

←/→ · J/K
Forrige / neste oppgave
0
Marker som ikke prøvd
1
Marker som prøvd
2
Marker som trenger hjelp
3
Marker som ferdig
S
Vis / skjul løsningsforslag
A
Legg til i liste
N
Skriv notat
Esc
Tilbake / avslutt