Tentamen i Fysik för M, TFYA72 Onsdag 2015-06-10 kl. 8:00-12:00 Tillåtna hjälpmedel: Bifogat formelblad Avprogrammerad räknedosa enlig IFM:s regler. Christopher Tholander kommer att besöka tentamenslokalen två gånger under tentamenstiden. För övriga frågor är Emma Björk anträffbar på tel: 070-565 10 38. Lösningsförslag läggs ut på kurshemsidan efter tentamen. Införda beteckningar skall definieras, ekvationer motiveras och numeriskt svar alltid utskrivas med korrekt enhet. Alla steg i lösningarna måste kunna följas. Lösningar skall, där det är motiverat, åtföljas av figur. Skriv bara på ena sidan av varje blad, och endast en uppgift per blad. Skriv ID-nr och kurskod på varje inlämnat blad. Tentamen består av en del med ellära (uppgift 1-5) och en del med vågfysik (uppgift 6-8). Första uppgiften i vardera del består av 4 stycken teorifrågor av flervalstyp som ger 1p vardera. Övriga problem ger även de maximalt 4p, så den maximala poängen är alltså 32. För godkänt krävs totalpoäng enligt nedan, samt minst 5p på elläran och 3p på vågrörelseläran. Preliminära betygsgränser: 3: 13-19,5 4: 20-25,5 5: 26-32 Lycka till! 1
Del 1. Ellära Uppgift 1, teori Frågorna nedan ger 1p var vid korrekt svar. Det räcker att ange svarsalternativ. Fler än ett alternativ kan vara rätt! Samtliga korrekta alternativ måste anges för att få poäng. Minuspoäng tillämpas ej. Om ni tycker någon fråga är oklar eller ni vill förtydliga något, skriv en textkommentar! 1. Para ihop de fyra enheterna med de angivna storheterna du stött på i elläran: Storhet Enhet Effekt, P Tm 2 Magnetiskt flöde,ϕ B J/s Elektrisk fältstyrka, E N/C Magnetisk fältstyrka, B Ns/Cm 2. Figuren visar elektriska fältlinjer och snitt genom några ekvipotentialytor för en punktladdning. Vad gäller för den elektriska potentialen i punkterna A respektive B där B ligger närmast laddningen? a) Den elektriska potentialen är alltid mer positiv i punkt B än i punkt A. b) Potentialskillnaden mellan punkterna A och B kan vara noll. c) Potentialskillnaden mellan punkterna A och B beror på var man definierar noll-potentialen. d) Värdet på potentialen i punkt A beror på var man definierar noll-potentialen. 3. Ett flygplan flyger parallellt med jordytan precis ovanför den magnetiska sydpolen där magnetfältet pekar rakt uppåt. Planet kan approximeras med två stavar enligt figuren. Vad gäller för de inducerade spänningarna mellan olika punkter hos flygplanet? a) Spänning induceras mellan vingspetsarna och mellan nos och stjärt. b) En spänning induceras mellan vingspetsarna, men ej mellan nos och stjärt. c) Den inducerade spänningens storlek beror på planets fart v. d) Den inducerade spänningens storlek beror på planets riktning. 4. Du stoppar in en skiva av ett isolerande material mellan två kondensatorplattor Vad händer med kapacitansen? a) Kapacitansen ökar alltid. b) Kapacitansen minskar alltid. c) Kapacitansen kan både öka och minska, det beror på materialet. d) Kapacitansen påverkas ej. 2
Uppgift 2 Fyra punktladdningar är arrangerade enligt figuren och ligger i samma plan. Bestäm det elektriska fältets storlek och riktning i mitten av kvadraten när q = 5 nc och a= 3 cm. (4p) Uppgift 3 En krets består av ett motstånd med resistansen R, en spole med självinduktansen L och en kondensator med kapacitansen C som är kopplade i serie med en växelspännings-källa. Källan ger en spänning. a) Bestäm strömmen genom kretsen. (2p) b) Bestäm fasskillnaden mellan strömmen i och spänningen över motståndet när R = 1,0 Ω, L = 1,0 mh, C = 1,0 μf och ω = 20 khz. Ligger strömmen före eller efter spänningen? (2p) Uppgift 4 Kretsen till höger är designad så att strömmen genom den ideala ampéremätaren kommer att vara densamma när båda brytarna är antingen öppna eller slutna samtidigt. a) Bestäm storlek och riktning på strömmen genom ampéremätaren. (1p) b) Bestäm värdet på den okända resistansen R. (3p) Uppgift 5 Figuren visar en masspektrometer där en joniserad atom accelereras genom potentialen V varefter den utsätts för ett magnetfält vars riktning är vinkelrät mot dess hastighet. Om man vet accelerationsspänningen V, magnetfältet B och avståndet x, så kan man bestämma jonens m/q förhållande där m är massan och q dess laddning. I ett experiment analyseras joner med massan m = 6,772 67 10-22 g, varvid avståndet x = 1,6254 m mäts upp. Man vet också att V = 1000,0 V och att B = 80,00 mt. Beräkna hur många elektroner atomen hade förlorat innan den accelererades. (4p) 3
Del 2. Vågfysik Uppgift 6, teori (se instruktioner för uppgift 1) 1. Vilka påståenden nedan stämmer? a) I en transversell våg svänger mediet i utbredningsriktningen. b) I en longitudinell våg svänger mediet i utbredningsriktningen. c) Elektromagnetiska vågor kan vara både longitudinella och transversella. d) Ljudvågor är longitudinella 2. Vad gäller för virtuella respektive reella bilder? a) Endast reella bilder kan uppfattas av ögat. b) Endast reella bilder kan projiceras på en skärm. c) En positiv lins kan ge både reella och virtuella bilder av ett objekt beroende på objektets läge på den optiska axeln. d) En konkav sfärisk spegel kan ge både reella och virtuella bilder av objekt beroende på objektets läge på den optiska axeln. 3. En glassbil kör gatan fram spelandes sin signaturmelodi. Vilket/vilka av påståendena nedan gäller? a) Våglängden hos ljudvågen framför glassbilen är kortare än bakom. b) Utbredningshastigheten hos ljudvågen framför glassbilen är högre än bakom. c) Frekvensen som en stillastående lyssnare uppfattar är lägre än frekvensen som bilens passagerare uppfattar om den stillastående lyssnaren befinner sig bakom bilen. d) Frekvensen som en stillastående lyssnare uppfattar är högre än frekvensen som bilens passagerare uppfattar oberoende av var den stillastående lyssnaren befinner sig. 4. En stående våg kan ses som en superposition av två fortskridande vågor som rör sig i motsatt riktning längs en sträng. Vilket/vilka av påståendena nedan gäller? a) Frekvensen på hos den stående vågen är lika stor som frekvensen hos de två fortskridande vågor som den kan tänkas vara sammansatt av. b) Om en sträng spänns in mellan punkter med avståndet L mellan sig så är den längsta möjliga våglängden λ = L. c) Amplituden hos den stående vågen är dubbelt så stor som amplituden hos de två fortskridande vågor som den kan tänkas vara sammansatt av. d) Vid vissa tidpunkter befinner sig alla punkter av den stående vågen i jämviktsläget. 4
Uppgift 7 Ljus propagerar genom ett medium med brytningsindex n 1=2 mot en plan skiva som består av ett annat medium med brytningsindex n 2=1,5 som in sin tur gränsar mot luft (brytningsindex n 3=1). När infallsvinkeln θ i ökar från noll kommer transmissionen av ljus till luft att upphöra. Beräkna vinkeln θ i då transmissionen i luft upphör? Ange svaret i grader. (4p) Uppgift 8 Ett jetplan flyger på 110 m höjd. På marken uppmäts ljudnivån från planet till 130 db. (Referensintensiteten för ljudnivå är 1 x 10-12 W/m 2.) a) Vilken ljudintensitet (enhet: W/m 2 ) motsvarar den uppmätta ljudnivån? (1p) b) Hur mycket minskar intensiteten om ljudnivån minskas till 120 db? (1p) c) Vilken är den lägsta höjd planet kan flyga på för att inte smärtgränsen på 120 db ska överskridas på marken? (2p) 5