Løsningsforslag til øving 1

Like dokumenter
Mandag Mange senere emner i studiet bygger på kunnskap i bølgefysikk. Eksempler: Optikk, Kvantefysikk, Faststoff-fysikk etc. etc.

TFY4160 Bølgefysikk/FY1002 Generell Fysikk II 1. Løsning Øving 2. m d2 x. k = mω0 2 = m. k = dt 2 + bdx + kx = 0 (7)

Mandag F d = b v. 0 x (likevekt)

Øving 2. a) I forelesningene har vi sett at det mekaniske svingesystemet i figur A ovenfor, med F(t) = F 0 cosωt, oppfyller bevegelsesligningen

Løsningsforslag til øving 4

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I FY1002 BØLGEFYSIKK Mandag 10. desember 2007 kl

Midtsemesterprøve Bølgefysikk Fredag 12. oktober 2007 kl

Løsningsforslag til øving 8

Løsningsforslag til øving 6

TFY4106 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Våren Løsningsforslag til øving 8.

EKSAMEN I TFY4145 OG FY1001 MEKANISK FYSIKK

Obligatorisk oppgave nr 1 FYS Lars Kristian Henriksen UiO

TFY Løsning øving 4 1 LØSNING ØVING 4. Vibrerende to-partikkelsystem

Forelesning, TMA4110 Torsdag 11/9

Midtsemesterprøve Bølgefysikk Fredag 12. oktober 2007 kl

Løsningsforslag til ukeoppgave 4

Mandag Institutt for fysikk, NTNU TFY4160/FY1002: Bølgefysikk Høsten 2006, uke 36

FY1002/TFY4160 Bølgefysikk. Løsningsforslag til Midtsemesterprøve fredag 15. oktober 2010 kl Oppgavene og et kortfattet løsningsforslag:

TFY4106 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Test 7.

EKSAMENSOPPGAVE. Fagnr: FO 443A Dato: Antall oppgaver:

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I TFY4160 BØLGEFYSIKK Mandag 3. desember 2007 kl

Øving 4. a) Verifiser at en transversal bølge som forplanter seg langs x-aksen med utsving D med komponentene

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

TFY4106 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Test 6.

TMA4110 Matematikk 3 Haust 2011

EKSAMEN FAG TFY4160 BØLGEFYSIKK OG FAG FY1002 GENERELL FYSIKK II Onsdag 8. desember 2004 kl Bokmål. K. Rottmann: Matematisk formelsamling

Kap. 14 Mekaniske svingninger. 14. Mekaniske svingninger

Kap. 6+7 Arbeid og energi. Energibevaring.

Løsningsforslag Eksamen i Fys-mek1110 våren 2009

Løsningsforslag til øving 3: Impuls, bevegelsesmengde, energi. Bevaringslover.

Kap. 14 Mekaniske svingninger. 14. Mekaniske svingninger. Vi skal se på: Udempet harmonisk svingning. kap

Newtons lover i én dimensjon (2)

Kap. 14 Mekaniske svingninger

Kap. 14 Mekaniske svingninger

Fjæra i a) kobles sammen med massen m = 100 [kg] og et dempeledd med dempningskoeffisient b til en harmonisk oscillator.

UNIVERSITETET I OSLO

Newtons lover i én dimensjon (2)

TFY4106 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Løsningsforslag til øving 9.

Institutt for fysikk Fakultet for naturvitenskap og teknologi. Løsningsforslag til eksamen i TFY4170 Fysikk 2 Onsdag 6.

Løsningsforslag til oppgavene 1 8 fra spesiell relativitetsteori.

Kap. 6+7 Arbeid og energi. Energibevaring.

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag til øving 5

Løsningsforslag til eksamen i TFY4170 Fysikk august 2004

FY1002/TFY4160 Bølgefysikk. Midtsemesterprøve fredag 15. oktober 2010 kl

Løsningsforslag til øving 5

Newtons lover i én dimensjon (2)

FY1006/TFY Løsning øving 8 1 LØSNING ØVING 8. a. (a1): Ved kontroll av egenverdiene kan vi se bort fra normeringsfaktorene.

FY1006/TFY Løysing øving 4 1 LØYSING ØVING 4. Vibrerande to-partikkelsystem. = k(x l) og F 2 = V = V. k (x l) dvs ω 1 =,

UNIVERSITETET I OSLO. Introduksjon. Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet 1.1

Løsningsforslag til øving 5

Denne ligninga beskriver en udempet harmonisk oscillator. Torsjons-svingning. En stav er festet midt på en tråd som er festet i begge ender.

5) Tyngdens komponent langs skråplanet, mg sin β, lik maksimal statisk friksjonskraft, f max = µ s N =

Løsningsforslag til øving 4

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

TFY4104 Fysikk Eksamen 17. august V=V = 3 r=r ) V = 3V r=r ' 0:15 cm 3. = m=v 5 = 7:86 g=cm 3

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, løsning øving 13 1 LØSNING ØVING 13. V (x, t) = xf (t) = xf 0 e t2 /τ 2.

FYSIKK-OLYMPIADEN

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME I TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Fredag 8. juni 2007 kl

Arbeid og energi. Energibevaring.

TFY4106 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Løsningsforslag til øving 4. m 1 gl = 1 2 m 1v 2 1. = v 1 = 2gL

Pendler, differensialligninger og resonansfenomen

TFY4108 Fysikk: Løysing ordinær eksamen 11. des. 2014

Newtons lover i én dimensjon (2)

Løsningsforslag til øving 2

Kap. 3 Arbeid og energi. Energibevaring.

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantemekanikk, Torsdag 16. august 2018

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Tirsdag 27. mai 2008 kl

Løsningsforslag til øving 4: Coulombs lov. Elektrisk felt. Magnetfelt.

Løsningsskisse EKSAMEN i FYSIKK, 30. mai 2006

FY1006/TFY Løsning øving 3 1 LØSNING ØVING 3. Ikke-stasjonær bokstilstand

Løsningsforslag EKSAMEN TFY4102 FYSIKK Fredag 10. juni 2011

Løsningsforslag til eksamen i TFY4170 Fysikk 2 Fysikk 2 Lørdag 8. august 2005

EKSAMEN I EMNE TFY4120 FYSIKK. Fredag 3. desember 2004 Tid: kl

TMA 4110 Matematikk 3 Høsten 2004 Svingeligningen med kompleks regnemåte

EKSAMEN I FY1001 og TFY4145 MEKANISK FYSIKK

EKSAMENSOPPGAVE. To dobbeltsidige ark med notater. Stian Normann Anfinsen

Løsningsforslag Eksamen 16. august 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Midtsemesterprøve Bølgefysikk Fredag 12. oktober 2007 kl

Løsningsforslag til eksamen i SIF4022 Fysikk 2 Tirsdag 3. desember 2002

Midtsemesterprøve Bølgefysikk Torsdag 12. oktober 2006 kl

Fysikkolympiaden Norsk finale 2017

Løsningsforslag til øving

EKSAMEN I FY1001 og TFY4145 MEKANISK FYSIKK

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I TEP4145 KLASSISK MEKANIKK Mandag 21. mai 2007 kl Løsningsforslaget er på i alt 9 sider.

TFY4106 Fysikk Eksamen 17. august V=V = 3 r=r ) V = 3V r=r ' 0:15 cm 3. = m=v 5 = 7:86 g=cm 3

Fysikk-OL Norsk finale 2004

TMA4115 Matematikk 3 Vår 2012

Kontinuasjonseksamensoppgave i TFY4120 Fysikk

5) Tyngdens komponent langs skråplanet, mgsinβ, lik maksimal statisk friksjonskraft, f max = µ s N =

Løsningsforslag Konte-eksamen 13. august 2002 SIF4048 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag til eksamen i FYS1000, 14/8 2015

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, løsning øving 8 1 LØSNING ØVING 8

TFY4106 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Test 2.

NORGES TEKNISK NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET INSTITUTT FOR FYSIKK EKSAMEN I EMNE TFY4120 FYSIKK

TFY4115: Løsningsforslag til oppgaver gitt

FYSIKK-OLYMPIADEN Andre runde: 2/2 2012

Transkript:

1 FY100/TFY4160 Bølgefysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Høsten 01. Løsningsforslag til øving 1 Oppgave 1 a) Vi antar at Hookes lov, F = kx, gjelder for fjæra. Newtons andre lov gir da eller kx = m d x dt ẍ + ω x =0 med ω = k/m. Ligningen har løsning x(t) =Acos(ωt + φ), som gitt i oppgaveteksten. Klossen svinger altså med vinkelfrekvens ω = k/m. Amplituden A fasekonstanten φ fastlegger vi ved å bruke de oppgitte initialbetingelsene x(0) = x 0 v(0) = ẋ(0) = v 0.Vihar slik at v(t) = ẋ(t) = ωa sin(ωt + φ) x 0 = A cos φ v 0 = ωa sin φ Herfra er det flere mulige veier ågå. Vi kan for eksempel dele disse to ligningene med hverandre, som gir φ = arctan v 0 x 0 ω x 0 A = cos arctan v 0 /x 0 ω Alternativt kan vi kvadrere de to ligningene legge dem sammen: som gir deretter A = sin φ +cos φ = v 0 ω A + x 0 A x 0 +(v 0 /ω) = x 0 1+mv 0/kx 0 φ = arccos x 0 A = arccos 1 1+mv0/kx 0

b) Siden vi ikke har noe demping i systemet, er den totale energien E bevart. (Dvs: Vi har et konservativt system.) Da kan vi beregne energien ved et hvilket som helst tidspunkt, for eksempel ved maksimalt utsving, der x = x max = A v =0: E = E max p = 1 ka = 1 k ( x 0 + mv 0/k ) = 1 kx 0 + 1 mv 0 Det endelige svaret her gjenkjenner vi som summen av potensiell kinetisk energi ved t =0, E p0 + E k0, hvilket jo så må tilsvare den totale energien. c) Skriver vi løsningen på formenx(t) =B cos ωt + C sin ωt, harvi ẋ(t) = ωb sin ωt + ωc cos ωt dermed, ved hjelp av x(0) = x 0 ẋ(0) = v 0, B = x 0 C = v 0 /ω d) Maksimalt utsving: Maksimal hastighet: v max = ωa = x max = A = x 0 1+mv 0/kx 0 = x 0 1+E k0 /E p0 k m (x 0 + mv0/k) =v 0 1+kx 0/mv0 = v 0 1+E p0 /E k0 Med oppgitte tallverdier: E p0 =0.5 10 0.010 = 1 000 E k0 =0.5 0.100 0.10 = 1 000 begge i enheten J, ettersom vi kun har brukt SI enheter underveis. Følgelig er x max = x 0 1.4 cmv max = v 0 14 cm/s. e) Diskuteres på øvingstimene. Oppgave Bevegelsesligning for klossen: mẍ = kx + mg

3 Her har vi valgt positiv x-retning nedover. Uten tyngdefelt til stede (g = 0) er klossens likevektsposisjon x = 0. I tyngdefeltet bestemmes den nye likevektsposisjonen Δx ved å sette total kraft lik null, følgelig kδx + mg = 0 Δx = mg/k Med ny posisjonsvariabel y = x Δx får vi bevegelsesligningen mÿ = k(y +Δx)+mg = ky som betyr at klossen vil svinge harmonisk med vinkelfrekvens ω = k/m omkring likevektsposisjonen y =0,dvsx =Δx = mg/k. Med tallverdiene fra oppgave 1 har vi Δx =0.100 9.8/10 = 9.8cm Oppgave 3 a) Newtons. lov gir oss klossenes bevegelsesligninger. La oss f.eks. velge positiv retning for utsving fra likevekt mot høyre. I den nederste figuren har vi da x 1 > 0, x > 0x 1 >x, slik at fjæra til venstre er strukket mens den i midten den til høyre er presset sammen. Venstre fjærerstrukketenlengdex 1 virker på masse 1 med en kraft mot venstre. Fjæra i midten er sammenpresset en lengde x 1 x virker på masse 1 med en kraft mot venstre masse med en kraft mot høyre. Fjæra til høyre er sammenpresset en lengde x virker på masse med en kraft mot venstre. Dermed har vi kraft på masse 1: F 1 = kx 1 +k(x x 1 )= 3kx 1 +kx kraft på masse : Newtons. lov gir da F = kx k(x x 1 )=kx 1 3kx mẍ 1 = 3kx 1 +kx mẍ = kx 1 3kx b) Innsetting av antatte løsninger for x 1 (t) x (t) gir ligningene mω A = k( 3A +B) mω B = k(a 3B) etter at vi har strøket en felles faktor cos(ωt + φ) i alle ledd. Fra hver av disse ligningene kan vi finne et uttrykk for forholdet A/B: A/B = k/(3k mω ) A/B = (3k mω )/k

4 Ettersom venstre side i disse ligningene er like store, må så høyre side være det. Dermed: k/(3k mω )=(3k mω )/k eller m ω 4 6kmω +5k =0 Dette er en.gradsligning for ω, med løsninger ω = 6km ± 36k m 0k m m = 6km ± 4km m dvs k/m 5k/m. De mulige vinkelfrekvensene som klossene kan svinge med er følgelig ω a = k/m ω s = 5k/m, som vi skulle vise. c) Vi finner sammenhengen mellom A B for hver av de to vinkelfrekvensene ved å sette inn i det ene eller andre uttrykket ovenfor for forholdet A/B: A a /B a = k/(3k mωa)=1 A s /B s = k/(3k mωs)= 1 Det betyr at i den antisymmetriske moden er x 1 = x, de to massene svinger fram tilbake med samme fase, uten at fjæra i midten strekkes eller presses sammen. I den symmetriske moden er x 1 = x, de to massene svinger i motfase, slik at fjæra i midten strekkes presses sammen dobbelt så mye som fjærene til venstre høyre. Antisymmetrisk mode: a 1 x 1 x Symmetrisk mode: 1 x 1 x I den antisymmetriske moden påvirkes hver av de to massene kun av krafta fra ei fjær, ettersom fjæra i midten verken strekkes eller presses sammen. Med andre ord, hver masse svinger på samme måte som om den andre ikke var til stede, vi må haω a = k/m.

5 I den symmetriske moden er fjæra til venstre strukket en lengde x 1 fjæra i midten er sammenpresset en lengde x 1 når masse 1 er i posisjon x 1. Da blir total kraft på masse 1 lik 5kx 1. Med andre ord, masse 1 svinger som om den var festet til ei fjær med fjærkonstant 5k, slik at vi må haω s =5k/m. (Tilsvarende argument kan gjennomføres for masse.) Vi ser at dette stemmer med resultatet i punkt b). Kommentar: For åfåsystemettilå svinge i en av disse to modene, kan vi ikke ha vilkårlige initialbetingelser. Vi ser f.eks. at hvis vi skyver begge massene like langt i samme retning slipper dem, vil systemet svinge i den antisymmetriske moden. Skyves de to massene like langt i hver sin retning, vil det svinge i den symmetriske moden. Den generelle svingebevegelsen vil være en superposisjon av begge moder: x 1 (t) = A a cos(ω a t + φ a )+A s cos(ω s t + φ s ) x (t) = A a cos(ω a t + φ a ) A s cos(ω s t + φ s ) Her har vi 4 ubestemte konstanter, A a, A s, φ a φ s, som kan fastlegges hvis vi kjenner (f.eks.) posisjon hastighet til hver av de to massene ved (f.eks.) t =0.