Tentamen i Fysik våglära och optik (FAF220),

Transkript

1 KURSLABORATORIET I FYSIK, LTH 040 Tentamen i Fyik våglära och optik (FAF0), 040 TID: 040, KL HJÄLPMEDEL: UTDELAT FORMELBLAD, GODKÄND RÄKNARE. OBS. INGA LÖSBLAD! LÖSNINGAR: BÖRJA VARJE NY UPPGIFT PÅ NYTT BLAD. LÖSNINGARNA SKA VARA MOTIVERADE OCH FÖR- SEDDA MED KLART MARKERADE SVAR. KLADDBLAD RÄTTAS INTE! BETYG: VARJE KORREKT LÖST UPPGIFT GER POÄNG. PÅ VARJE UPPGIFT GÖRS EN HELHETSBEDÖMNING. FÖR GODKÄNT KRÄVS MINST POÄNG.. Här kommer ört några inledande rågor. Oervera att var utan motivering inte ger poäng. a) En ljudvåg i lut inaller mot ett karpt avgränat område med en annan temperatur enligt vidtående igur. Vilken temperatur måte vara högt om ljudvågen ka kunna totalrelektera? T T Hur örändra kraten rån en ljutråle på en yta om ytan relektan ökar? c) När man tittar rakt uppirån på ett tunt oljekikt på vatten, er oljekiktet grönt ut. Kommer oljekiktet ärg att ligga närmare den röda eller den låa delen av det ynliga pektrumet om man etraktar det rån en annan vinkel? FAF 0 FYSIK VÅGLÄRA OCH OPTIK

2 KURSLABORATORIET I FYSIK, LTH 040. Två rundtrålande högtalare, A och B, placera i ett ekoritt rum enligt nedantående igur. Ljudtryckamplituden i punkten P är 5,0 mpa då endat högtalare A är inkopplad. När endat högtalare B är inkopplad lir ljudtryckamplituden i P 40,0 mpa. Båda högtalarna koppla edan i a till en tongenerator intälld på 00 Hz. Ljudarten i lut är 4 m/.,5 m A P 4,4 m B a) Beräkna akillnaden mellan ljudvågorna i punkten P. Svara i grader. Beräkna ljudintenitetnivån i punkten P.. Ett perikop använd ör att titta under vatten. En ik einner ig 00 cm rån perikopet nedre del (e nedantående igur). Vattnet rytningindex anta vara, och primorna rytningindex anta vara,55. Primorna är varken relex- eller antirelexehandlade. a) Skia var ilden av iken tyck einna ig edd genom perikopet. Beräkna avtåndet rån ögat till ilden av iken edd genom perikopet. Du ehöver ara ta hänyn till eekten av övergång mellan vatten och lut (ej eekter av primorna och den tunna glakivan). c) En läcka i kontruktionen gör att vatten har trängt in å att hela det nedre primat har livit omgivet med vatten. Förklara varör perikopet inte längre ungerar på ett ra ätt. FAF 0 FYSIK VÅGLÄRA OCH OPTIK

3 KURSLABORATORIET I FYSIK, LTH Linda ögon kan upplöa ett rutmönter med periodiciteten,0 mm (e vidtående igur) rån ett avtånd på, meter. Linda vill otograera rutmöntret rån ett avtånd på 0 meter med in digitalkamera. Digitalkameran är utrutad med ett ojektiv med rännvidden 6 mm och ländartalen kan tälla in på,0;,8; 4; 5,6; 8 eller.,0 mm a) Förumma öjningen och eräkna den maximala torlek om kameran ildelement måte ha. Vilka ländartal måte använda om öjningen inte ka örämra ilden upplöning? 5. På en åt om ligger tilla i örhållande till vattnet inn en ultraljudändare om använder rekvenen 0,0 khz. Ljudvågorna änd i vatten (med ljudarten,48 km/) och relektera mot en val om rör ig rakt ort rån åten. a) Betäm uttrycket ör rekvenen ho de relekterade vågorna om når åten. Ange klart vad dina eteckningar aver. I åten mottagare addera edan de relekterade vågorna med de utända. Summan av ignalerna via i nedantående igur. Beräkna valen art. (O. att motvarande mätningar gjorde på en av kuren laorationer.) L I 0 0,5,5 t / m FAF 0 FYSIK VÅGLÄRA OCH OPTIK

4 KURSLABORATORIET I FYSIK, LTH En proton och en neutron einner ig på kolliionkur i en partikelaccelerator (e nedantående igur). Protonen har accelererat rån vila av en total potentialkillnad på 85 MV. Neutronen art är 0,50c i acceleratorn viloytem. neutron proton 0,50 c a) Beräkna umman av de kinetika energierna ho partiklarna ett rån partikelacceleratorn viloytem. Beräkna umman av de kinetika energierna ho partiklarna ett rån protonen viloytem. 7. En tråle av α-partiklar (dv. 4 He-kärnor) med medelarten,5 km/ inaller vinkelrätt mot ytan av en kritall med atomavtåndet 7,0 pm (e vidtående igur). En del av α-partiklarna prid akåt av kritallen atomkärnor. pridda α-partiklar inkommande α-partiklar θ pridda α-partiklar a) Beräkna α-partiklarna de Broglie-våglängd. I vilka vinklar θ, kilda rån noll (och på en ida om normalen), oervera de pridda α-partiklarna? Anta att pridningen endat ker mot det överta atomlagret å om iguren viar. 7 pm 8. I ett experiment excitera vätelika joner rån ett grundämne till höga huvudkvanttal genom elektronkolliioner. Alla pektrallinjer om via i nedantående igur har uppkommit genom övergångar till tilltåndet med huvudkvanttal n λ / nm a) Vilken var den vätelika jon om använde i experimentet? Beräkna våglängden ho det lju om utänd vid övergången mellan det lägta exciterade tilltåndet och grundtilltåndet ho jonen. Ge varet med yra iror noggrannhet. FAF 0 4 FYSIK VÅGLÄRA OCH OPTIK

5 Kortattade löningörlag, tentamen Våglära och optik, 040 inα v a) inα < in 90 v c) Optik vägkillnad: nd coα mλ a) Om kiktet etrakta nett rån idan α ökar coα minkar λ minkar kiktet ärg kitar mot lått Våglängden, λ v 4 m/,7 m 00 Hz Tryckamplituden i P: p0, re p0, A p0, B,0 mpa p (,0 0 Pa) 0, re Inteniteten i P: Ire 0,47 µ W/m Z 4 N/m 7 Ire, 47 0 Ljudintenitetnivå i P: LI 0 lg 0 lg, 0 0 I a) v > v v T T > T En relekterad oton ändrar in rörelemängd med: p h F λ Ökad relektan ler relekterade otoner törre krat på ytan Vägkillnaden, akillnaden, φ 80 BP AP 4,4 +,5,5 m, 57 m λ 0 L I 5 db 4 n Avildning i gränytan vatten lut: vatten n lut 0 00 cm c) + ( R ) 50 cm dv. ilden av iken tyck vara ( 50 +, ) cm 6 cm irån ögat n n α Gränvinkel ör totalrelektion gla lut: nlut αg, g l arcin 40 < α 45 n Gränvinkel ör totalrelektion gla vatten: nvatten αg, g v arcin 59 > α 45 n gla gla totalrelektion ej totalrelektion ingen totalrelektion i perikopet nedre prima om det omlut av vatten. a) En ruta avilda på ett ildelement: mm 6 mm M,6 0 a 6, mm a 0,5 mm,6 0 y,8 µ m y y M Rayleigh upplöningkriterium: D θ, λ,0 mm θ k k D, m,0 mm θ k 0,0 mrad 0000 mm Det kritika ländartalet: t θk 6 0,0 0 D,λ, 0, t 5,4 välj t < 5,4 dv.,0;,8 eller 4.

6 5 a) vågarten, v,48 km/ ändarrekvenen, 0,0 khz S M w mval, v w v 0 v 0 v w v m m, val v w v v + w ( ) 0,50 0,40 u c 0,75c 0,50 0,40 W 940 MeV 0,75 c ( u ) kin, tot Wvilo, n W kin, tot 48 MeV 6 a) Avläning: T 0,70 m v w Frekven ho den relekterade våg om når åten: m v + w v äv,4 khz v äv v w w v äv m v w + v + w + v w v,48 0 m/ w w 6 m/ 4 Det var antingen en teroidtinn val v äv eller en atomuåt! W kin, p 85 MeV vn W kin, n W vilo, n 940 MeV ( 0,50 ) 45 MeV c W kin, tot 0 MeV neutron v n 0,50 c v v p ' proton u + v u + uv / c u v u uv / c 7 a) 8 m α λ db 7 4,0u 6,6 0 kg 9 pm intereren ger maximum: m 0 θ 0 m θ m θ 5 m ger inga löningar mv α α 4 6,6 0 J 7 h λdb 6,6 0 kg,5 0 m/ d inθ mλ db d 7 pm a) Den kortate våglängden i erien avläe λmin 9, nm λ RZ MLi 6 6,9u, 0 kg RLi Rλ λ 9 Z Z jonen var λ RLiZLi λ,50 nm R 0, 0097/ nm + m/ M Li Li + Neutronen hatighet i : u 0,50c Hatighet ho (protonen hatighet i ): W kin, p v v p + 0,40c W vilo, p