SENSURVEILEDNING. Fysikk

Transkript

1 EMNEKODE OG NAVN Naturfag 2, 4NA220R510 SENSURVEILEDNING SEMESTER/ ÅR/ EKSAMENSTYPE 5 timers skriftlig eksamen FYSIKK OPPGAVETEKSTEN: Fysikk 1.Atom- og kjernefysikk(30%) a) Når vi lyser gjennom hydrogengass med hvitt lys, kan vi se et absorpsjonsspekter dersom vi studerer lyset i et spektroskop. Hva kjennetegner et absorpsjonsspekter, og hvordan oppstår det? b) Hydrogengass har også et emisjonsspekter. Under hvilke omstendigheter observerer vi henholdsvis absorpsjonsspekter og emisjonsspekter fra en gass? c) Emisjonsspektrum kalles ofte for fingeravtrykket til et grunnstoff. Hvorfor er alle emisjonsspektre unike for grunnstoffet det stammer fra? Hvorfor observerer vi kontinuerlige spektre fra faste stoffer? d) Bruk formelen for energinivåene i hydrogenatomet til å finne energien til det emitterte fotonet, i de to følgende situasjonene: i. Et elektron hopper direkte fra energinivå 6 til energinivå 2. ii. Et elektron hopper direkte fra energinivå 3 til energinivå 1. Hvilken type elektromagnetisk stråling får vi i de to tilfellene(synlig lys, infrarødt, osv). e) I de følgende reaksjonsligningene er ett av elementene maskert som A Z X. Finn ut hva A Z X er. Bruk periodetabell for å finne X. Bestem hvilken type reaksjon hver ligning beskriver A 1 i. 0n+ 92U 38Sr+ Z X + 20n 238 A 4 ii. 94 Pu Z X + 2 He iii. A Z X 14 7 N + 0 1e + ν

2 2. Elektrisitet og elektrostatikk(30%) a) En spenningskilde på 230 V driver to 40 W lyspærer som er parallellkoblet med hverandre. Lyspærene er merket 1 og 2. Et amperemeter måler strømmen gjennom lyspære 1. Hva er strømmen gjennom hver enkelt lyspære i kretsen? b) I kretsen fra oppg. 2a setter vi nå inn en motstand R=0,5 kω som er seriekoblet med lyspære 1. Anta at motstanden i lyspærene ikke har endret seg, og vis ved regning at total motstand i kretsen er R 766 Ω. Hva viser amperemeteret i kretsen nå? Hva er total strøm i kretsen? Hva er total effekt i kretsen? Hvor lenge må kretsen stå på før vi har brukt 250 kwh? c) Vi har to elektrisk ladde horisontale plater med et homogent elektrisk felt mellom. Elektrisk ladde oljedråper svever i ro i det elektriske feltet. Ladningen på dråpene er - 4e, og den elektriske feltstyrken er E = 7, V/M. Hva er retningen på det elektriske feltet? Hva er massen til oljedråpene? (tips: kraftanalyse) Oppgave 3 Magnetisme og induksjon( 20%) 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 fart som peker i samme retning som feltet? b) Ladde partikler kommer inn i et krysset felt som fungerer som fartsfilter. Det magnetiske feltet er 0,8T, og det elektriske feltet er regulerbart. Hva må vi stille den elektriske feltstyrken til dersom vi ønsker å slippe gjennom partikler med hastighet v=75m/s? Oppgave 4: Astrofysikk(20%) a) VY Canis Majoris er den til nå største oppdagede stjernen på nattehimmelen. Dette er en enorm rød superkjempe med en radius på mellom solradier, og befinner seg ca lysår unna Jorden. Energimaksimumet til stjernen ligger rundt λ topp = m. Hva er overflatetemperaturen til VY Canis Majoris?

3 Hva er utstrålingstettheten U til VY Canis Majoris? Hvor langt er det til VY Canis Majoris målt i km? b) Nøytronstjerner er spennende objekter på nattehimmelen. Beskriv hvordan en nøytronstjerne kan bli skapt. Hvilke kjennetegn og egenskaper har en nøytronstjerne? RELEVANT PENSUMLITTERATUR * Fysikk: Ekern, Trond, Isnes, Anders og Nilsen, Odd Terje (2000). Univers : Grunnbok 2 FY. Bokmål, 2. utg. Bekkestua, NKI-forlaget. (Kap. 7,10 og 11) Finnes også som: Ekern, Trond, Isnes, Anders og Nilsen, Odd Terje (2000). Univers : Grunnbok 2 FY. Nynorsk, 2. utg. Bekkestua, NKI-forlaget. Eller: Ekern, Trond, Isnes, Anders og Nilsen, Odd Terje (1998). Univers : Grunnbok 3 FY. Bokmål. Bekkestua, NKI-forlaget. (Kap. 4, 5, 7, 8, ,10 og11) Finnes også som: Ekern, Trond, Isnes, Anders og Nilsen, Odd Terje (1998). Univers : Grunnbok 3 FY. Nynorsk. Bekkestua, NKI-forlaget.

4 EKSAMENSKRAV: Innhold Fysikk: Oppgave 1 - Atom- og kjernefysikk (30%) a) (6 poeng) Viktige ting å nevne: Et absorpsjonsspekter er et spekter hvor enkelte bølgelengder av strålingen fra den opprinnelige kilden er borte, og vises som sorte linjer i spekteret. Bortsett fra disse sorte linjene ser det ut som et kontinuerlig spekter. Det oppstår ved at bølgelengdene som mangler er blitt absorbert av gassatomer i gasser lyset går gjennom og sendt ut i andre retninger. Frekvensene som blir absorbert har fotoner med energi tilsvarende hopp mellom energinivå hos atomet som absorberer det. b) (5 poeng) Absorpsjonsspekter får vi når vi sender lyset gjennom en gass og observerer det på den andre siden av gassen. Gassen vil da ha fjernet noen bølgelengder av lyset. Emisjonsspekter observerer vi for eksempel når gass gløder. Da emiterer gassen fotoner med energi lik energisprangene i atomene. Dette blir altså spekter med bare enkelte fargede linjer til stede. Resten av spekteret er svart. c) (4 poeng) Punkt i) Antall elektroner, forskjeller i elektronegativitet og bindingsenergier gjør til at sprangene i energi mellom to energinivå blir annerledes fra grunnstoff til grunnstoff. Økende mengde elektroner og ulik ladning i kjernen gjør også energisprang ulike og flere hos tyngre og tyngre grunnstoff. Dette betyr at hvert grunnstoff har et unikt sett med mulige energisprang for elektronene i stoffet. Punkt ii) I faste stoffer er antall mulige energisprang mye større, fordi her er det bindinger mellom atomer og molekyler som også kan absorbere fotoner. Det er så små forskjeller i energi mellom alle disse sprangene, at spekteret blir tilnærmet helt kontinuerlig. d) (9 poeng) B i) Her må vi regne ut E 6 -E 2, og formelen for energien i nivå n er: E n = 2, n hvor B er Bohr s konstant B. Dette gir E i =2, (1/2 2-1/6 2 )=4, J. ii) På tilsvarende måte som i forrige tilfelle får vi: E ii =2, (1/1 2-1/3 2 )=1, Vi kan legge merke til at denne siste energien er større enn den første. iii) Det enkleste for å finne ut dette er å finne bølgelengden. Da starter vi med formelen: E=hf, hvor h er plancks konstant, og f er frekvensen. Vi har også sammenhengen v=fλ, hvor v er lysfarten og λ er bølgelengden. Tilfelle i: f i =E i /h=7, Hz. λ i =v/f i =3, m/s / 7, Hz = 411 nm. Dette ligger i grenseområdet mellom synlig lys og ultrafiolett, men det er nok fiolett/blått lys vi ser. På samme måte får vi i tilfelle ii: λ ii =102,6 nm. Dette er en mindre bølgelengde, og hører til I det ultrafiolette området. e) (6 poeng) I disse oppgavene må vi bruke bevaringslovene som gjelder for kjernereaksjoner. Nukleontall bevart og ladning bevart. I tillegg er også energi bevart, men dette trenger ikke kandidaten bruke i oppgaven. 144 i) Dette er en fissjonsreaksjon. 54Xe. Uran-235 går til Strontium-90, Xenon-144 og to nøytroner. 234 ii) Alfastråling. 92U Plutonium-238 sender ut alfakjerne og blir til Uran-234. iii) Betastråling C. Karbon-14 går over til Nitrogen-14, et elektron og et antinøytrino.

5 2. Elektrisitet og elektrostatikk (30%) a) (5 poeng)strømmen finner vi fra formelen P=UI. I=P/U=40 W / 230 V = 0,17 A. b) (15 poeng)motstanden i lyspærene finnes ved R=U/I. Dette gir R=1322,5 Ohm for hver lyspære. Den ene lyspæra er nå seriekoblet med den nye motstanden, og resistansen i den delen av parallellkoblinga blir R1=1322,5+500=1822,5 Ohm. Vi kaller resistansen for den andre greina i parallellkoblinga for R2. Da får vi ny 1 totalresistans R Tot = ( ,5 1322,5 ) 1 766Ω Amperemeteret viser I = U/R = 230/1822,5=0,13 A. Strømmen gjennom lyspære 2 er fremdeles I = U/R=230/1322,5=0,17 A. Bare strømmen gjennom pære 1 er endret. Total strøm: I=U/R=230 V/766 Ω = 0,30 A. Total effekt blir P=UI=230 V * 0,30 A =69W. 250kWh/0,069kW=3623,19 h. Altså må kretsen stå på i 3623,19 timer. c) (10 poeng)siden dråpene er negativt ladd, og de må motvirke tyngdekraften, virker altså den elektriske kraften oppover. Dette betyr igjen at den positive plata er på toppen, og feltet har retning nedover, da elektriske felt alltid har retning fra positivt til negativt. Dråpene er påvirket av to krefter. Den elektriske krafta F=Eq, og tyngdekrafta G=mg. Siden dråpene svever, må de to kreftene være like store og motsatt rettet. Dette gir mg=eq m=eq/g. Både E, q og g er kjente, og vi kan regne ut massene. m = 7, V m 4 1, C 9,81 m = 4, kg. s 2 3. Magnetisme og induksjon (20%) a) (10 poeng)dersom en ladd partikkel beveger seg i et magnetfelt, og ikke har en bevegelse som er langs feltet, vil den bli påvirket av en kraft som virker vinkelrett på hastighetsvektoren som er vinkelrett på feltet. Siden arbeid blir definert som W=fs*cosα, vil arbeidet i dette tilfellet alltid bli null fordi α alltid er lik 90 grader. Krefter som står vinkelrett på fartsretningen gjør aldri et arbeid. Dersom partikkelen kommer inn langs feltet vil den ikke ha en fartskomponent som er vinkelrett på feltet. Dette betyr at den blir ikke påvirket av noen kraft, og vil fortsette rett frem. b) (10 poeng)siden partikkelen skal fortsette rett frem, og vi antar konstant hastighet, så må summen av krefter være lik 0. Den blir påvirket av en elektrisk kraft og en magnetisk kraft som må peke i motsatt retning for hverandre. F=Eq=qvB. Her kan vi stryke q, og vi står igjen med E=vB. Setter vi inn tallene våre får vi: E=75m/s*0,8T=60V/m.

6 4. Astrofysikk (20%) a) (10 poeng)for å finne overflatetemperatur bruker vi wiens forskyvningslov. T=a/λ=2,9*10-3 /966*10-9 =3002K. Utstrålingstettheten finner vi videre med Stefan- Boltzmanns lov. U=σT 4 =5,67*10-8 * =4,60*10 6 W/m 2. Avstanden til stjernen er oppgitt i oppgaven i lysår. Alt som gjenstår da er å regne om fra lysår til km. Lyset går i 3*10 8 m/s = 3*10 5 km/s. På ett år: 60*60*24*365*3*10 5 = 9,46*10 12 km. Da blir 4900 lysår: 9,46*10 12 km * 4900 = 4,64*10 16 km. b) (10 poeng)nøytronstjerner blir skapt når store superkjemper eksploderer som supernova. Dersom restmassen av stjernen etter eksplosjonen er større enn 1.4 solmasser, men mindre enn 2-2,5 solmasser, vil den ende som en nøytronstjerne. Her er gravitasjonskreftene så store at elektronene i atomene blir presset inn i kjernen, og består dermed i stor grad av nøytroner. En sukkerbit av et slikt objekt vil veie 1 milliard tonn, så massetettheten er svært høy. Disse objektene spinner også veldig hurtig, og er omgitt av kraftige magnetfelt. I polene på magnetfeltet sendes det ut stråling i form av pulsarer. Radien til nøytronstjerner er ca 10km. FAGLÆRER/ OPPGAVEGIVER Sted/ dato: Navn: Aleksander Aksnes (Fysikk)