Final i Wallenbergs fysikpris

Relevanta dokument
Svar och anvisningar

Final i Wallenbergs Fysikpris

Svar och anvisningar

TFEI02: Vågfysik. Tentamen : Lösningsförslag

TFEI02: Vågfysik. Tentamen : Svar och anvisningar. t s(x,t) =s 0 sin 2π T x. v = fλ =3 5 m/s = 15 m/s

27,8 19,4 3,2 = = ,63 = 3945 N = = 27,8 3,2 1 2,63 3,2 = 75,49 m 2

= + = ,82 = 3,05 s

Svar och anvisningar

WALLENBERGS FYSIKPRIS

WALLENBERGS FYSIKPRIS

Introhäfte Fysik II. för. Teknisk bastermin ht 2018

TFEI02: Vågfysik. Tentamen : Svar och anvisningar. t 2π T x. s(x,t) = 2 cos [2π (0,4x/π t/π)+π/3]

Lösningar till Tentamen i fysik B del 1 vid förutbildningar vid Malmö högskola

WALLENBERGS FYSIKPRIS

WALLENBERGS FYSIKPRIS

WALLENBERGS FYSIKPRIS 2019

5. Elektromagnetiska vågor - interferens

1 Figuren nedan visar en transversell våg som rör sig åt höger. I figuren är en del i vågens medium markerat med en blå ring prick.

1. Betrakta en plan harmonisk elektromagnetisk våg i vakuum där det elektriska fältet E uttrycks på följande sätt (i SI-enheter):

Tentamen i Fysik TEN 1:2 Tekniskt basår

Tentamen i Vågor och Optik 5hp F, Q, kandfys, gylärfys-programm, den 11. juni 2010

Svar: Inbromsningssträckan ökar med 10 m eller som Sören Törnkvist formulerar svaret på s 88 i sin bok Fysik per vers :

4. Allmänt Elektromagnetiska vågor

Diffraktion och interferens

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings Universitet

WALLENBERGS FYSIKPRIS

Grundläggande om krafter och kraftmoment

WALLENBERGS FYSIKPRIS

FAFA55 HT2016 Laboration 1: Interferens av ljus Nicklas Anttu och August Bjälemark, 2012, Malin Nilsson och David Göransson, 2015, 2016

Vinkelupplösning, exempel hålkameran. Vinkelupplösning När är två punkter upplösta? FAF260. Lars Rippe, Atomfysik/LTH 1. Böjning i en spalt

BFL102/TEN1: Fysik 2 för basår (8 hp) Tentamen Fysik mars :00 12:00. Tentamen består av 6 uppgifter som vardera kan ge upp till 4 poäng.

Introduktion till Biomekanik - Statik VT 2006

TENTAMEN. Linje: Tekniskt-Naturvetenskapligt basår Kurs: Fysik A Hjälpmedel: Miniräknare, formelsamling. Umeå Universitet. Lärare: Joakim Lundin

FYSIKUM STOCKHOLMS UNIVERSITET Tentamensskrivning i Vågrörelselära och optik, 10,5 hp, FK4009 Torsdagen den 21 augusti 2008 kl 9-15

Tentamen: Baskurs B i Fysik, del1, 4p kl

Prov Fysik B Lösningsförslag

WALLENBERGS FYSIKPRIS

Provmoment: Ladok-kod: A133TG Tentamen ges för: TGIEA16h, TGIEL16h, TGIEO16h. Tentamens Kod: Tentamensdatum: Tid: 14-18

Laboration 2 Mekanik baskurs

Kapitel 33 The nature and propagation of light. Elektromagnetiska vågor Begreppen vågfront och stråle Reflektion och brytning (refraktion)

Laboration 1 Fysik

WALLENBERGS FYSIKPRIS

Vågrörelselära och optik

Elektromagnetiska vågor (Ljus)

(ii) Beräkna sidoförskjutningen d mellan in- och utgående strålar, uttryckt i vinklarna θ i och tjocklekar t i. (2p)

Vinkelupplösning, exempel hålkameran. Vinkelupplösning När är två punkter upplösta? FAF260. Lars Rippe, Atomfysik/LTH 1. Böjning i en spalt

Experimentella metoder 2013, Räkneövning 3

6.2 Partikelns kinetik - Tillämpningar Ledningar

Kaströrelse. 3,3 m. 1,1 m

Tentamen. Fysik del B2 för tekniskt / naturvetenskapligt basår / bastermin BFL 120 / BFL 111

The nature and propagation of light

BFL102/TEN1: Fysik 2 för basår (8 hp) Tentamen Fysik 2. 5 juni :00 12:00. Tentamen består av 6 uppgifter som vardera kan ge upp till 4 poäng.

Final i Wallenbergs Fysikpris

Fysik 1 Rörelsemängd och Ellära, kap. 6 och 9

Vågrörelselära & Kvantfysik, FK december 2011

Provmoment: Ladokkod: Tentamen ges för: KBAST16h KBASX16h. TentamensKod: Tentamensdatum: Tid: 09:00 13:00

Lösningar Heureka 2 Kapitel 7 Harmonisk svängningsrörelse

Övningar Arbete, Energi, Effekt och vridmoment

Figur 1: Figur 3.12 och 3.18 i Optics. Teckenkonventionen: ljus in från vänster, sträcka i ljusets riktning = positiv

Lösningar Kap 7 Elektrisk energi, spänning och ström. Andreas Josefsson. Tullängsskolan Örebro

Figur 1: Figur 3.12 och 3.18 i Optics. Teckenkonventionen: ljus in från vänster, sträcka i ljusets riktning = positiv

Teckenkonventionen: ljus in från vänster, ljusets riktning = positiv

TENTAMEN. Umeå Universitet. P Norqvist och L-E Svensson. Datum: Tid: Namn:... Grupp:... Poäng:... Betyg U G VG ...

Tentamen i Fysik för M, TFYA72

Kapitel 35, interferens

WALLENBERGS FYSIKPRIS 2010

Lösningar till repetitionsuppgifter

Övning 9 Tenta

Mekanik Föreläsning 8

Tentamen i fysik B2 för tekniskt basår/termin VT 2014

FYSIKTÄVLINGEN. KVALIFICERINGS- OCH LAGTÄVLING 5 februari 2004 LÖSNINGSFÖRSLAG SVENSKA FYSIKERSAMFUNDET

BFL102/TEN1: Fysik 2 för basår (8 hp) Tentamen Fysik mars :00 12:00. Tentamen består av 6 uppgifter som vardera kan ge upp till 4 poäng.

Lösningar Kap 11 Kraft och rörelse

Luft. film n. I 2 Luft

Repetitionsuppgifter i Fysik 1

FYSIKUM STOCKHOLMS UNIVERSITET Tentamensskrivning i Vågrörelselära och optik, 10,5 högskolepoäng, FK4009 Tisdagen den 17 juni 2008 kl 9-15

SKOLORNAS FYSIKTÄVLING

Tentamen i Mekanik för D, TFYA93/TFYY68

Förslag: En laddad partikel i ett magnetfält påverkas av kraften F = qvb, dvs B = F qv = 0.31 T.

Föreläsning 14 och 15: Diffraktion och interferens i gitter, vanliga linser, diffraktiv optik och holografi

Skriftlig tentamen i Elektromagnetisk fältteori för π3 (ETEF01) och F3 (ETE055)

Tentamen i ELEKTROMAGNETISM I, för W2 och ES2 (1FA514)

Tentamen i delkurs 1 (mekanik) för Basåret Fysik NBAF00

Tentamen i El- och vågrörelselära,

Strömning och varmetransport/ varmeoverføring

Hjälpmedel: räknare, formelsamlingen (inkluderad i tentan) Rithjälpmedel (linjal, passare, gradskiva) Gräns för godkänt: 30 poäng

TFYA16: Tenta Svar och anvisningar

OBS: Alla mätningar och beräknade värden ska anges i SI-enheter med korrekt antal värdesiffror. Felanalys behövs endast om det anges i texten.

Hjälpmedel: Grafritande miniräknare, gymnasieformelsamling, linjal och gradskiva

Diffraktion och interferens

Instuderingsfrågor Krafter och Rörelser

Fysik del B2 för tekniskt basår / teknisk bastermin BFL 120/ BFL 111

KUNGL TEKNISKA HÖGSKOLAN INSTITUTIONEN FÖR MEKANIK Richard Hsieh, Karl-Erik Thylwe

Övningar till datorintroduktion

Tentamen i Mekanik 5C1107, baskurs S2. Problemtentamen

för M Skrivtid i hela (1,0 p) 3 cm man bryningsindex i glaset på ett 2. två spalter (3,0 p)

WALLENBERGS FYSIKPRIS 2014

Handledning laboration 1

Transkript:

Final i Wallenbergs fysikpris 5-6 mars 011. Teoriprov. Lösningsförslag. 1) Fysikern Hilda leker med en protonstråle i en vakuumkammare. Hon accelererar protonerna från stillastående med en protonkanon på 3,0 kv. Hon försöker skjuta prick med protonstrålen på en liten måltavla som ligger 1,00 meter framför kanonen. Mellan kanonen och måltavlan finns elektriska och magnetiska fält enligt figuren nedan. Genom att ändra fälten kan hon justera protonernas riktning. Just nu går protonerna praktiskt taget horisontellt rakt framåt, men hamnar 1,00 mm för lågt. Hur mycket ska Hilda ändra magnetfältet för att protonerna ska träffa mitt i prick? Lösningsförslag: I protonkanonen får protonerna rörelseenergin E=3,0 10 3 1,60 10-19 J. Protonerna sjunker sträckan Δy under sin färd sträckan s = 1,00 m mot målet. De påverkas av en acceleration För att motverka fallet krävs en kraft F = ma som vi får genom att ändra magnetfältets styrka. Svar: Magnetfältets styrka måste öka med 1,6 10-5 T för att protonerna ska träffa mitt i prick.

) En stuntman kör sin EU-moped på bakhjulet på den blanka isen på en sjö. Han håller hela tiden farten 70 km/h relativt isen. Luftmotstånd och rullmotstånd uppgår tillsammans till 400 N och kan ses som konstanta under hela färden. På isen ligger en metallplatta som är 3,0 m lång i färdriktningen. Stuntmannen kör upp på plattan. Greppet på ovansidan är så bra att motorcykeln inte spinner. Friktionskraften mellan isen och metallplattan är 0,18 av normalkraften. Metallplattan väger 10,0 kilogram och stuntmannen inklusive moped väger 140,0 kg. Hur långt bakåt har metallplattan åkt efter det att motorcykeln passerat och plattan slutat glida på isen? Lösningsförslag: Mopedens hastighet relativt marken: v moped = 70 km/h = Luftmoståndskraft: F mot = 400 N. Mopedens och stuntmannens totala massa: m moped = 140,0 kg. Metallplattans massa: m p = 10,0 kg. Total massa av platta, moped och stuntman: M = 150,0 kg. Friktionskoefficient mellan platta och is: μ = 0,18. Metallplattans längd: s=3,0 m. Mopeden måste påverkas av kraften F mot från plattan för att hålla konstant fart. Kraften från mopeden på plattan är lika stor som kraften på mopeden från plattan. Friktionskraften på plattan är: F f = μmg. Enligt Newtons andra lag är m p a = F mot - F f, där a är plattans acceleration. Mopeden kör over plattan på tiden t och plattan flyttar sig under den tiden en sträcka 1/at. Vi är intresserade av den positiva lösningen som ger t = 0,147 s. Under den tiden flyttar sig plattan. Plattan uppnår farten = 1,98 m/s. Plattan rör sig sträckan s f efter att mopeden lämnat den. Svar: Plattan har totalt rört sig sträckan 0,146 + 1,109 m = 1,5 m.

3) Hilda gör ett nytt experiment i vakuumkammaren. Hon har målat en 5,0 meter lång koppartråd svart med mycket tunn färg. Tråden har en diameter på 0,100 mm och spänns upp så den svävar fritt i luften. Det är 0 C i labbet, och tråden i vakuumkammaren har denna temperatur innan man skickar ström genom den. Hilda skickar en konstant ström på 0,30 A genom tråden och väntar en lång stund tills tråden är i termisk jämvikt. En koppartråd på en meter utvidgar sig med 16,8 10-6 m för varje grad den uppvärms. Hur mycket längre blir tråden av uppvärmningen? Lösningsförslag: Tråden kommer att tillföras energi av den ström som går genom tråden. För att kunna beräkna den effekt, P el, som utvecklas behöver vi beräkna trådens resistans, R, och tar reda på koppars resistivitet, ρ, från tabell. ρ = 1,67 10-8 Ωm vid 0 C. Resistiviteten är temperaturberoende men till att börja med antar vi att den är konstant i det temperaturintervall vi undersöker. Tråden har längden l = 5,00 m och radien r = 0, 05 10-3 m. Tråden kommer också att tillföras energi genom strålning från omgivningen och den kommer att förlora energi genom strålning. Tillförd effekt är P el + P omg där P omg ges av uttrycket för svartkroppsstrålning σt omg 4 A. Omgivningens temperatur är T omg 4 = 93 K, A = πrl är trådens area och konstanten σ = 5,6705 10-8 Wm - K -4. Utsänd effekt är P tr = σt tr 4 A där T tr är trådens temperatur. När tråden har kommit i termisk jämvikt gäller σt tr 4 A = P el + σt omg 4 A. Trådens jämviktstemperatur blir T tr =367 K. Trådens temperatur har ökat med ΔT = 367 93 = 74 K. Koppartrådens förlängning, Δl, blir då Svar: Med antagandet att resistiviteten inte är temperaturberoende kommer tråden att förlängas 6, mm. Om vi tar hänsyn till resistansens temperaturberoende använder vi sambandet Där R 0 är resistansen vid T 0 = 93 K och temperaturkoefficienten α = 4,33 10-3 K -1 enligt tabell. Om vi jämför med första lösningsförslaget ser vi att vi behöver byta P el mot P el (1+α[T tr -T 0 ]). Detta ger Denna ekvation löser man lämpligen grafiskt på räknaren eller med iteration vilket ger T tr = 387 K. Temperaturhöjningen blir nu ΔT = 387-93 = 94 K. Koppartrådens förlängning blir då Svar: Med hänsyn taget till att resistiviteten är temperaturberoende kommer tråden att förlängas 7,9 mm.

4) En laddad kula med massan 0,5 g och laddningen +0,15 μc svänger i en fjäder med fjäderkonstanten k= 1,0 mn/m. När kulan passerar jämviktsläget y=0 på väg nedåt slås ett nedåtriktad elektriskt fält, E, på. Fältet varierar med höjden enligt (y positiv uppåt) E= (0,0 y) kv/m. Fältet är alltså riktat nedåt då y är negativ och riktat uppåt då y är positiv. Kulan har farten,0 dm/s då den passerar jämviktläget. Efter 0,10 s slås fältet av. Vid vilken tidpunkt passerar kulan y=0 för första gången efter att fältet är avslaget? Med elektriskt fält: Kulan påverkas av både en fjäderkraft, -ky, och en elektrostatisk kraft qe=0 10 3 qy. my 3 ky 0 10 qy y( 0) 0 y (0) 0, y k m y 8y y 3 0 10 m q y y Ae Be y ( 0) 0 ger A B y A 8e B 8e y ( 0) 0, ger 8 ( A B) 0, A B 8 ( A B) 0, 0, 0,1 8B 0, B 8 8 0, 1 A 8 0, 1 01, 01, Alltså y e e ( e e ) 8 8 8 Vid t = 0,1 s slås fältet av och kulan har då läget 0,1 80,1 80,1 y(0,1) ( e e ) 0,0068 8

och hastigheten, 1 y ( 8e 8 0 y (0,1) 0,1( e 80,1 8e e ) 01(, e 80,1 e ) 0,08053 Utan elektriskt fält: Vi får en ny differentialekvation och sätter i den t = 0 då fältet slås av. ) m y ky y( 0) 0, 0068 y (0) 0, 08053 y 4y y Csin t Dcos t y C cos t Dsin t y(0) 0,0068 ger D 0,0068 y ( 0) 0,08053 ger C 0,08053 C 0,08053 0,10403 Alltså y 0,10403sin t 0,0068cos t Kulan är vid jämviktsläget då y = 0: 0 0,10403sin t 0,0068cos t 0,0068 tan t 0,10403 t 0,194 nπ t 0,0961 n π n = 1 ger t 0,0961 1, 4746 Svar: t 1,47s

5) Vi lyser med en HeNe-laser, som har våglängden 633 nm, genom en dubbelspalt med spaltavståndet 5,00 μm. På en vägg 5,00 meter bakom spalten bildas ett diffraktionsmönster. Rakt bakom dubbelspalten, vi kallar detta x=0, får vi en lysande punkt, P 0. Symmetriskt runt den vid x=±63,8 cm hittar vi två andra maxima som vi betecknar P 1 + och P 1 -. (Det finns även andra ljusa punkter längre bort från P 0, men vi bryr oss inte om dessa.) Vi placerar sedan en tunn glasskiva, med tjocklek 1,00 μm och med brytningsindex 1,50 direkt bakom den högra spaltöppningen. a) Vid vilka x-koordinater ligger nu punkterna P 0 och P 1 +? P 1 + är den punkt som ligger på höger sida om centrum. (Antag att vinkeln är så liten att ljusets väg genom glasskivan är lika med glasets tjocklek.) b) Gör om beräkningen i a) utan att använda antagandet! (TIPS! Det är svårt att hitta en analytisk lösning så du måste använda en grafisk lösning eller en iterativ lösning) Lösningsförslag: a) För att få ett ljusmaximum på skärmen vid P 0 måste ljustrålarna från dubbelspaltens öppningar mötas vid P 0 på skärmen och interferera konstruktivt. Eftersom avståndet till skärmen (L = 5,00 m) är mycket större än avståndet mellan spaltöppningarna (d = 5,00 μm) kommer de två strålarna att röra sig parallellt mot skärmen enligt nedanstående figur. Enligt problemtexten ska vi anta att θ är så liten av att t b = 1,00 μm. Vi måste ta hänsyn till att den ena strålen går genom glas med brytningsindex n = 1,50 när vi tar fram ett uttryck för den optiska vägskillnaden mellan strålarna. Den optiska vägskillnaden kan skrivas

För att erhålla ett ljusmaximum måste den optiska vägskillnaden vara ett helt antal våglängder, mλ, där våglängden λ = 633 nm. För punkten P 0 är m = 0. Detta ger θ = 5,74 vilket innebär att strålarna träffar skärmen vid. För punkten P 1 + är m = 1. Detta ger θ = 13,10 vilket innebär att strålarna träffar skärmen vid. Svar: Med de approximationer vi gjort får vi att P 0 hamnar vid x = 50 cm och P 1 + vid x = 116 cm. b) Vid en korrekt beräkning måste vi ta hänsyn till att den nedre strålen går snett genom glasplattan och att strålen bryts när den lämnar glasplattan. Detta visas i nedanstående figur. Utgångsvinkeln när strålen lämnar plattan är θ för att den ska vara parallell med den övre strålen medan infallsvinkeln betecknas θ 1. De två vinklarna är relaterade via Snells brytningslag,. Den nedre strålen går sträckan u genom glaset. Från figuren får vi och Villkoret för att strålarna ska interferera konstruktivt på skärmen ges nu av Ett trigonometriskt samband ger Vilket ger Använd Snells brytningslag för att ersätta θ 1 med θ.

Denna ekvation går inte att lösa analytiskt utan det måste ske grafiskt på räknaren eller med iteration. För m=0 får vi θ = 5,9 vilket innebär att strålarna träffar skärmen vid. För m=1 får vi θ = 14,18 vilket innebär att strålarna träffar skärmen vid. Svar: Vi får att P 0 hamnar vid x = 5 cm och P 1 + vid x = 16 cm.