Naturfag 2 Fysikk og teknologi, 4NA220R510 2R 5-10

Transkript

1 Individuell skriftlig eksamen i Naturfag 2 Fysikk og teknologi, 4NA220R510 2R 5-10 ORDINÆR EKSAMEN Sensur faller innen BOKMÅL Resultatet blir tilgjengelig på studentweb første virkedag etter sensurfrist, dvs (se Vi gjør oppmerksom på at frist for eventuelt å be om begrunnelse er 1 uke fra karakteren er bekjentgjort iht. lov om universiteter og høgskoler. Timer: 5 Hjelpemidler: Formelhefte i fysikk, kalkulator Informasjon: Settet inneholder 5 fem oppgaver med deloppgaver, og et ark med figurer og oppgitte formler og konstanter. Kandidaten skal svare på alle oppgaver og deloppgaver. Oppgave 1 Elektrisitet og teknologi (25 %) Forklar de følgende fysiske begrepene ved hjelp av ord og passende figurer: Strøm Spenning Effekt b) Hvordan varierer resistansen med temperaturen i halvledere og ledere? Forklar hvorfor det er slik. c) På et høyspentlaboratorium begynner det plutselig å slå gnister mellom en leder og en spiker som stikker opp av gulvet. Spenningen mellom lederen og spikeren er 30kV. Ansvarlig på laboratoriet regner ut at en slik gnist kan inneholde en frigjort energi på 75kJ. Hvor stor ladning inneholder gnisten? d) Forklar hvorfor vi antar at et amperemeter og et voltmeter ikke påvirker en elektrisk krets på noen måte når vi måler på den. Hvorfor stemmer ikke denne antagelsen helt med virkeligheten? e) Se den vedlagte tegningen av en krets på figuren bakerst i oppgavesettet. Her er R1 = 8Ω, R2=6Ω, R3=R4=R5=3Ω. Spenningen U=1,5V Regn ut strømmen I som går ut av batteriet i kretsen. f) Hva kjennetegner en sensor? Forklar hvordan vi kan lage en lyssensor.

2 Oppgave 2 Elektrostatikk (10 %) a) Avstanden mellom to protoner i en atomkjerne kan være m. Hvor stor er den elektriske kraften mellom de to protonene? Hvorfor forblir de to protonene i kjernen i stedet for å akselerere fra hverandre som følge av den elektriske kraften mellom dem? b) Forklar hvordan Millikan kunne finne verdien til elementærladningen e= C, ved å studere elektrisk ladde oljedråper med en viss masse i et vertikalt elektrisk felt. Oppgave 3 Magnetisme og induksjon (25 %) a) Hvorfor kan aldri et magnetisk felt gjøre et arbeid på en ladd partikkel som beveger seg i feltet? Hva observerer vi når en ladd partikkel kommer inn i et magnetisk felt med en retning som ikke er vinkelrett på feltet? b) Ladde partikler kommer inn i et krysset felt som fungerer som fartsfilter. Det magnetiske feltet er 0,6T, og det elektriske feltet er regulerbart. Hva må vi stille den elektriske feltstyrken til dersom vi ønsker å slippe gjennom partikler med hastighet v=50m/s? c) Forklar begrepet magnetisk fluks, og fortell hvordan det er relatert til fenomenet induksjon. d) En magnet slippes gjennom en spole med sørpolen først. Du kan selv velge hvilken vei viklingene på spolen skal gå. Tegn figurer som viser det induserte feltet, krefter på magneten og strømretningen i sløyfen (med eller mot klokka) når: Magneten faller mot spolen med sørpolen først. Magneten er på vei ut på undersiden av spolen. e) Forklar hvordan vi får energien i et vannkraftverk omgjort til elektrisk energi ved hjelp av en generator. Hvorfor er det vekselstrøm som genereres, og ikke likestrøm? f) Hvor mange viklinger må hver spole i en transformator ha dersom du vil transformere opp en spenning på 90V til 3.15kV? Oppgave 4 Atom og kjernefysikk (25%) a) Hva slags spekter vil du observere dersom du ser på de følgende lyskildene. Grunngi svaret ditt. En glødende smeltet jernklump. En glødende gass. Lyset fra ei stjerne b) Hva vil det si at lyset er kvantisert?

3 c) Formelen E n =-B/n 2 beskriver energinivåene i hydrogenatomet. Et foton blir absorbert og fører til et elektronsprang fra energinivå n=2 til energinivå n=4. Hvilken farge hadde fotonet? d) Skisser opp en graf for gjennomsnittlig masse pr. nukleon som funksjon av nukleontall, og bruk den til å forklare hvordan vi kan utvinne energi fra fisjon og fusjon. e) Hvilke bevaringslover er alltid oppfylt for kjernereaksjoner? Oppgave 5 Astrofysikk (15%) a) Beskriv i korte trekk de ulike stadiene i livet til en stjerne med ca 6 solmasser fra fødsel til død. Hva hadde blitt forskjellig dersom stjernen i stedet hadde 1,2 eller 78 solmasser? b) Produksjon av tunge grunnstoff krever fusjon av tunge atomkjerner, noe som krever energi og ikke går naturlig. Forklar hvorfor det likevel eksisterer grunnstoff som er tyngre enn jern i universet. c) Stjernen Rigel er en ung, blåhvit kjempestjerne som vi kan se i stjernebildet Orion. Den utstråler flest fotoner med bølgelengde rundt 200nm. Hva er overflatetemperaturen på stjernen?

4 FIGUR 1 I Formler og konstanter: k=8, Nm 2 /C 2 m p = kg h= Js B=2, J a=2, Km E=U/d F=kQ 1 Q 2 /r 2 E=F/q F=qvB λ topp T = a F=IlB U s /U p =N s /N p E=hf

5 Individuell skriftleg eksamen i Naturfag 2 Fysikk og teknologi, 4NA220R510 2R 5-10 ORDINÆR EKSAMEN Sensur fell innan NYNORSK Resultatet vert tilgjengeleg på studentweb første kvardag etter sensurfrist, dvs (sjå Vi gjer merksam på at frist for eventuelt å be om grunngjeving er 1 uke frå karakteren er gjort kjent iht. lov om universitet og høgskular. Timar: 5 Hjelpemiddel: Formelhefte i fysikk, lommereknar Informasjon: Settet inneheld 5 fem oppgåver med deloppgåver, og eit ark med figurer og oppgitte formlar og konstantar. Kandidaten skal svare på alle oppgåver og deloppgåver. Oppgåve 1 Elektrisitet og teknologi (25 %) g) Forklar dei følgjande fysiske begrepa ved hjelp av ord og passande figurar: Straum Spenning Effekt h) Korleis varierer resistansen med temperaturen i halvleiarar og leiarar? Forklar kvifor det er slik. i) På eit høgspentlaboratorium byrjar det brått å slå gnister mellom ein leiar og ein spiker som stikk opp av golvet. Spenninga mellom leiaren og spikaren er 30kV. Ansvarlig på laboratoriet reknar ut at ein slik gnist kan innehalde ein frigjord energi på 75kJ. Kor stor ladning inneheld gnisten? j) Forklar kvifor vi antar at et amperemeter og et voltmeter ikkje påverkar ein elektrisk krets på noen måte når vi måler på den. Kvifor stemmer ikkje dette heilt med verkelegheita? k) Se den vedlagte teikninga av en krets på figuren bakarst i oppgåvesettet. Her er R1 = 8Ω, R2=6Ω, R3=R4=R5=3Ω. Spenninga U=1,5V Rekn ut straumen I som går ut av batteriet i kretsen. l) Kva kjenneteiknar ein sensor? Forklar korleis vi kan lage ein lyssensor.

6 Oppgåve 2 Elektrostatikk (10 %) c) Avstanden mellom to proton i ein atomkjerne kan vere m. Kor stor er den elektriske krafta mellom dei to protona? Kvifor forblir dei to protona i kjernen i staden for å akselerere frå kvarandre som følgje av den elektriske krafta mellom dei? d) Forklar korleis Millikan kunne finne verdien til elementærladningen e= C, ved å studere elektrisk ladde oljedråpa med ein viss masse i eit vertikalt elektrisk felt. Oppgåve 3 Magnetisme og induksjon (25 %) g) Kvifor kan aldri eit magnetisk felt gjere eit arbeid på ein ladd partikkel som beveger seg i feltet? Kva observerer vi når ein ladd partikkel kjem inn i eit magnetisk felt med ei retning som ikkje er vinkelrett på feltet? h) Ladde partiklar kjem inn i eit kryssa felt som fungerar som fartsfilter. Det magnetiske feltet er 0,6T, og det elektriske feltet er regulerbart. Kva må vi stille den elektriske feltstyrken til dersom vi ynskjer å sleppe gjennom partiklar med hastigheit v=50m/s? i) Forklar begrepet magnetisk fluks, og fortel korleis det er relatert til fenomenet induksjon. j) Ein magnet vert sleppt gjennom ei spole med sørpolen først. Du kan sjølv velje kva for ein vei viklingane på spolen skal gå. Teikn figurar som viser det induserte feltet, krefter på magneten og straumretninga i sløyfa (med eller mot klokka) når: Magneten fell mot spolen med sørpolen fyrst. Magneten er på veg ut på undersida av spolen. k) Forklar korleis vi får energien i eit vasskraftverk omgjord til elektrisk energi ved hjelp av ein generator. Kvifor er det vekselstrøm som genererast, og ikkje likestrøm? l) Kor mange viklingar må kvar spole i ein transformator ha dersom du vil transformere opp ei spenning på 90V til 3.15kV? Oppgåve 4 Atom og kjernefysikk (25 %) f) Kva slags spekter vil du observere dersom du ser på dei følgjande lyskildene. Grunngi svaret ditt. Ein glødande smelta jernklump. Ein glødande gass. Lyset frå ei stjerne g) Kva vil det si at lyset er kvantisert?

7 h) Formelen E n =-B/n 2 beskriver energinivåa i hydrogenatomet. Eit foton blir absorbert og fører til eit elektronsprang frå energinivå n=2 til energinivå n=4. Kva for ein farge hadde fotonet? i) Skisser opp en graf for gjennomsnittleg masse pr. nukleon som funksjon av nukleontalet, og bruk den til å forklare korleis vi kan utvinne energi frå fisjon og fusjon. j) Kva for nokre bevaringslover er alltid oppfylt for kjernereaksjonar? Oppgåve 5 Astrofysikk (15%) d) Beskriv i korte trekk de ulike stadia i livet til ei stjerne med ca 6 solmasser fra fødsel til død. Kva hadde blitt ulikt dersom stjerna i staden hadde 1,2 ein komma to - eller 78 solmasser? e) Produksjon av tunge grunnstoff krev fusjon av tunge atomkjernar, noe som igjen krev energi og ikkje går naturlig. Forklar kvifor det likevel eksisterer grunnstoff som er tyngre enn jern i universet. f) Stjerna Rigel er ein ung, blå-kvit kjempestjerne som vi kan sjå i stjernebildet Orion. Den utstrålar flest foton med bølgjelengd rundt 200nm. Kva er overflatetemperaturen på stjerna?

8 FIGUR 1 til oppgåve 1e I Formlar og konstantar: k=8, Nm 2 /C 2 m p = kg h= Js B=2, J a=2, Km E=U/d F=kQ 1 Q 2 /r 2 E=F/q F=qvB λ topp T = a F=IlB U s /U p =N s /N p E=hf