Prov Fysik B Lösningsförslag

Transkript

1 Prov Fysik B Lösningsförslag DEL I 1. Högerhandsregeln ger ett cirkulärt magnetfält med riktning medurs. Kompass D är därför korrekt. 2. Orsaken till den i spolen inducerade strömmen kan ses som stavmagnetens rörelse mot spolen. Spolen motverkar rörelsen genom att bygga ett magnetfält med en repellerande nordpol på spolens högra sida. För att detta skall vara möjligt måste den inducerade strömmen enligt högerhandsregeln ha riktningen från A till B. 3. Enligt högerhandsregeln, med strömriktning i den positiva laddningens rörelseriktning och magnetfältet riktat inåt i figuren, är den magnetiska kraften riktad rakt uppåt. 4. Magnetfältets riktning runt en strömgenomfluten rak ledare ges av högerhandsregeln. a) kvadrant 2 b) kvadrant 4 5. a) Felaktigt påstående. Ljusintensiteten påverkar inte den energi som varje foton kan överföra till en elektron i metallen. b) Korrekt påstående. Varje foton växelverkar med en elektron i metallen. Ökad ljusintensitet innebär att fler fotoner per tidsenhet växelverkar med elektronerna i metallen. Om fotonen bär tillräckligt med energi för att frigöra en elektron så innebär detta att fler elektroner per tidsenhet ges möjlighet till utträde. c) Korrekt påstående. Ju längre våglängd ljuset har desto mindre energi bär varje foton. Om våglängden är längre än tröskelvåglängden för en given metall har ljusintensiteten ingen betydelse. Den fotoelektriska effekten uteblir! 1

2 d) Felaktigt påstående. När ljusets våglängd minskar ökar energin hos varje foton. De frigjorda elektronerna får därför högre rörelseenergi och därmed högre fart. 6. Ett exempel är det försök där en ström av elektroner passerar en dubbelspalt. Försöket är analogt med det dubbelspaltexperiment Thomas Young år 1801 utförde med ljus. Försöken visar i båda fall ett interfernsmönster vilket styrker teorin om att såväl ljus som elektroner har vågegenskaper. 7. a) Enligt Lenz lag är den inducerade strömmens riktning i ringen medurs då ringen rör sig mot magnetens nordpol. b) Den inducerade strömmens riktning är i varje läge sådan att orsaken till dess uppkomst motverkas. Om orsaken ses som ringens rörelse så innebär motverkan att ringen bromsas upp. Falltiden blir således längre än då magneten är frånvarande. 2

3 DEL II 8. Flödestätheten B på ett avstånd a från en rak ledare i vilken det flyter en ström I ges av B = µ 0 2π I a vilket innebär att I = 2πBa µ 0 Då B = 55 µt och a = 12 cm får vi strömstyrkan I = 2π , 12 A = 33 A 4π 10 7 Svar: Strömstyrkan i ledaren är 33 A. 9. För att elektronerna skall kunna frigöras måste fotonens energi måste vara minst lika stor som utträdesarbetet, d.v.s. E foton E uttr. Divideras fotonens energi i joule med elementarladdningen e får vi den uttryckt i ev. Eftersom uppstår ingen fotoelektrisk effekt. 10. Vi vet att hc eλ = 6, , , = 2, 11 ev 2, 11 ev < 2, 24 ev tan(v) = B s B jh B jh = B s tan(v) där flödestätheten B s genom spolens centrum ges av Biot Savart s lag för en flat spole (r << l) B s = µ 0 2 NI r Således är µ 0 B jh = 2 tan(v) NI r = 4π , 5 2 0, 05 tan(21 ) T = 16 µt Svar: Storleken av den horisontella komposanten är enligt denna mätning 16 µt. 3

4 11. Den inducerade spänningen över det vineklräta ledarstycket ges av U ind = Bvl Den inducerade strömmens styrka beror av slingans resistans. Med hjälp av Ohm s lag får vi U ind = RI = Bvl För att uppnå strömstykan I = 200 ma måste slingan dras med farten v = RI Bl = , 25 = 1, 1 m/s m/s Svar: Slingan måste dras med farten 1, 1 m/s 12. a) Sambandet mellan en svartkropps temperatur och den avgivna strålningens intensitetsmaximum ges av Wiens förskjutningslag: λ max T = 2, Antagandet om att stjärnan strålar som en svartkropp ger en yttemperatur 2, T = K = 9699 K Svar: Stjärnan Vegas yttemperatur är 9700 K. b) Stefan-Boltzmann s lag ger att M = P A = σt 4 där M är kroppens emittans, P är den utstrålade effekten, A är stjärnans area och T dess yttemperatur. Under antagandet om stjärnans sfäriska symmetri ges dess radie av P r = 4πσT 4 = 2, π 5, m = 1, m Svar: Vegas radie är 1, m vilket motsvarar drygt 2,7 solradier 4

5 13. a) Enligt Faraday s induktionslag beror den inducerade spänningen över ledarna av hur snabbt det magnetiska flödet genom dem förändras. Eftersom i detta fall varvtalet N = 1 får vi U ind = Φ Då det magnetiska flödet per definition är Φ = B A kan Faraday s induktionslag skrivas U ind = Φ = A B Den av ledare L 1 inneslutna arean A 1 = πr 2, vilket ger att U ind = A 1 B = π 0, 022 ( ) V = 0, 42 mv b) Vad gäller beräkningen av spänningen över ledare L 2 är flödestätheten noll utanför kvadraten med sidan l = 8, 0 cm. Kvadratens area A 2 = l 2. Den inducerade spänning över ledare L 2 är därför Svar: U ind = A 2 B = 0, 082 ( ) V = 2, 1 mv Den inducerade spänningen över L 1 är 0, 42 mv. Den inducerade spänningen över L 2 är 2, 1 mv. Strömriktningen är enligt Lenz lag tillsammans med högerhandregeln medurs i båda ledarna. 5