Lysavbøyning, comptoneffekt, to kast og leder gjennom magnetfelt Fysikk 2 E26

Del 1, uten hjelpemidler, med vedlegg

Lysavbøyning, comptoneffekt, to kast og leder gjennom magnetfelt Fysikk 2 E26

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.

Lys som blir avbøyd når det passerer et sort himmellegeme

Dag, Ole og Kristine diskuterer fenomenet når lyset passerer et himmellegeme, og kommer med følgende påstander:

Vurder påstandene til Dag, Ole og Kristine.

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 v=10 m/s og danner vinkelen 30° med horisontalen. Begge kulene kastes samtidig. Se bort fra luftmotstand.

Kule A kastet rett ned og kule B kastet på skrå nedover med vinkel 30 grader under horisontalen

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 (feltstyrke) B. Sidene på kvadratet er 5,0 cm, og resistansen i lederen er 0,040 Ω.

Kvadratisk leder som beveger seg mot høyre gjennom et rektangelformet magnetfelt inn i papirplanet

Grafen viser strømmen i lederen som funksjon av tiden.

Strømmen I i lederen som funksjon av tiden fra 0 til 0,040 s

Bestem farten til lederen.

Bestem absoluttverdien til B.

Tegn en skisse av en graf som viser fluksen gjennom lederen som funksjon av tid fra 0 s til 0,040 s. Husk begrunnelse.

Fasit

Dag har rett, Ole tar feil (lysfarten i vakuum er alltid c), og Kristine har rett (gravitasjonell rødforskyvning).

Røntgenfotoner som spres på elektroner, får lengre bølgelengde fordi de gir fra seg energi og bevegelsesmengde til elektronene i et partikkelstøt.

vA=5,0 m/s

1) v=5,0 m/s 2) B=8,0 mT 3) Se graf: fluksen er null, øker lineært til 2,0⋅10−5 Wb, er konstant og avtar lineært til null.

LøsningsforslagKI-generert

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 c 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 c, så energitapet viser seg som lavere frekvens (E=hf) 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.

  • 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 E=hf og bevegelsesmengde p=hλ. 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 Δλ=hmec(1−cos⁡θ), der θ er spredningsvinkelen, og dette stemte med målingene.

Comptoneffekten viser at fotoner har bevegelsesmengde og oppfører seg som partikler i støt.

Den horisontale og den vertikale bevegelsen er uavhengige av hverandre. Begge kulene har akselerasjonen g 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

vy=vsin⁡30°=10 m/s⋅0,50=5,0 m/s

Med samme vertikale startfart og samme akselerasjon faller kulene like langt på samme tid. A må derfor kastes rett ned med vA=5,0 m/s.

Det induseres strøm bare når fluksen gjennom lederen endrer seg. Fra 0 til 0,010 s er lederen utenfor feltet. Fra 0,010 til 0,020 s er den på vei inn, og fluksen øker. Fra 0,020 til 0,030 s er hele lederen inne i feltet, fluksen er konstant og strømmen null. Fra 0,030 til 0,040 s er den på vei ut.

På vei inn flytter lederen seg en sidelengde L=5,0 cm på 0,010 s:

v=LΔt=0,050 m0,010 s=5,0 m/s

Kontroll: Lederen er helt inne i feltet i 0,010 s, så feltet er 2L=10 cm bredt. Det passer med figuren.

Mens lederen er på vei inn, er det bare den fremre siden som beveger seg i feltet. Den induserte spenningen er ε=vBL, og med Ohms lov er ε=RI:

vBL=RI⇒B=RIvL=0,040 Ω⋅0,050 A5,0 m/s⋅0,050 m=2,0⋅10−3 V0,25 m2/s=8,0 mT

Fluksen er Φ=BA, der A er den delen av kvadratet som er inne i feltet. Når hele kvadratet er inne, er fluksen

Φmaks=BL2=8,0⋅10−3 T⋅(0,050 m)2=2,0⋅10−5 Wb

Skisse av fluksen gjennom lederen som funksjon av tid

Begrunnelse:

  • Etter Faradays lov er |ε|=|ΔΦΔt|. Der strømmen er null, er fluksen konstant: Φ=0 før lederen kommer inn, og Φ=Φmaks 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: 2,0⋅10−5 Wb0,010 s=2,0⋅10−3 V=RI.
  • 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).

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 E2026. De kunne brukes på hele eksamen, også del 1 (om hjelpemidlene).

Åpne på egen side: 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