Løsningsforslag til øving 5

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

Løsningsforslag til øving 6

Løsningsforslag til øving 4

Formelsamling Bølgefysikk Desember 2006

Formelsamling. ξ(r, t) = ξ 0 sin(k r ωt + φ) 2 ξ(x, t) = 1 2 ξ(x, t) t 2. 2 ξ. x ξ. z 2. y ξ. v = ω k. v g = dω dk

Løsningsforslag til øving 8

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

Formelsamling. ξ(r, t) = ξ 0 sin(k r ωt + φ) 2 ξ(x, t) = 1 2 ξ(x, t) t 2. 2 ξ. x ξ. z 2. y ξ. v = ω k. v g = dω dk

Midtsemesterprøve Bølgefysikk Fredag 10. oktober 2008 ca kl

Midtsemesterprøve Bølgefysikk Fredag 10. oktober 2008 ca kl

Midtsemesterprøve Bølgefysikk Fredag 10. oktober 2008 ca kl

Midtsemesterprøve Bølgefysikk Torsdag 12. oktober 2006 kl

Midtsemesterprøve Bølgefysikk Fredag 12. oktober 2007 kl

Flervalgsoppgaver i bølgefysikk

Midtsemesterprøve Bølgefysikk Fredag 12. oktober 2007 kl

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

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

KONTINUASJONSEKSAMEN TFY4160 BØLGEFYSIKK Torsdag 9. august 2007 kl

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

FY1002/TFY4160 Bølgefysikk. Midtsemesterprøve fredag 9. oktober 2009 kl

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

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

Kapittel 4. Bølger, del Utledning av bølgeligningen* Bølger på en streng F 2. F 2y. F2x. F 1x F 1. F 1y

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

EKSAMEN FY1002 og TFY4160 BØLGEFYSIKK Onsdag 20. desember 2006 kl Norsk utgave

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

Løsningsforslag til eksamen i TFY4170 Fysikk august 2004

EKSAMEN TFY4160 BØLGEFYSIKK Mandag 3. desember 2007 kl Norsk utgave

Midtsemesterprøve Bølgefysikk Fredag 19. november 2010 kl

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

Midtsemesterprøve Bølgefysikk Torsdag 12. oktober 2006 kl

Løsningsforslag til eksamen i TFY4170 Fysikk 2 Tirsdag 9. desember 2003

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

Løsningsforslag til øving 9

EKSAMEN FY1002 og TFY4160 BØLGEFYSIKK Torsdag 3. desember 2009 kl

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I FY1002 og TFY4160 BØLGEFYSIKK Onsdag 20. desember 2006 kl

Løsningsforslag til øving 1

Løsningsforslag til øving

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

EKSAMEN FY1002 BØLGEFYSIKK Mandag 10. desember 2007 kl Norsk utgave

Eksamensoppgave i FY1002 og TFY4160 BØLGEFYSIKK

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

EKSAMEN FY1002 og TFY4160 BØLGEFYSIKK Fredag 3. desember 2010 kl

EKSAMEN FY1002 og TFY4160 BØLGEFYSIKK Fredag 5. desember 2008 kl

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

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

EKSAMEN FY1002 og TFY4160 BØLGEFYSIKK. Onsdag 12. desember 2012 kl

TFY4106 Fysikk Løsningsforslag til Eksamen 12. august M k = ρv = ρ 4πR 3 /3 = π /3 = 2.10kg. E) 2.10 kg

TFY4160 og FY1002 Bølgefysikk

NORGES TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET, INSTITUTT FOR FYSIKK. Utarbeidet av: Jon Andreas Støvneng

UNIVERSITETET I OSLO

FY1001/TFY4145 Mekanisk Fysikk Eksamen 9. august 2016 Side 1 av 20

LYDHASTIGHETEN I RØR OG ORGELPIPER

TFY4160/FY1002 Bølgefysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Høsten Veiledning: 29. og 30. august. Innleveringsfrist: Mandag 3. september kl 12:00.

NORGES TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET, INSTITUTT FOR FYSIKK. Utarbeidet av: Jon Andreas Støvneng

Fourier-analyse. Hittil har vi begrenset oss til å se på bølger som kan beskrives ved sinus- eller cosinusfunksjoner

KONTINUASJONSEKSAMEN TFY4102 FYSIKK Fredag 12. august 2011 kl

Skinndybde. FYS 2130

MEKANISK FYSIKK INKL SVINGNINGER. Newtons andre lov: F = dp/dt. p = mv = mṙ. Konstant akselerasjon: v = v 0 +at

TFY4109 Fysikk Eksamen 9. august Løsningsforslag

EKSAMEN FAG TFY4160 BØLGEFYSIKK OG FAG FY1002/MNFFY101 GENERELL FYSIKK II Lørdag 6. desember 2003 kl Bokmål

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

Øving 11. Oppgave 1. E t0 = 2. Her er

Fasit for besvarelse til eksamen i A-112 høst 2001

FYS2140 Kvantefysikk, Oblig 3. Sindre Rannem Bilden,Gruppe 4

EKSAMEN I FAG SIF 4014 FYSIKK 3 Onsdag 13. desember 2000 kl Bokmål. K. Rottmann: Matematisk formelsamling

Løsningsforslag til eksamen i FYS1000, 13/6 2016

Oppgavene er hentet fra fagets lærebok, Hass, Weir og Thomas, samt gamle eksamener.

TFY4102 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Løsningsforslag til øving 12.

TMA4120 Matte 4k Høst 2012

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

Kondenserte fasers fysikk Modul 2

Løsningsforslag til oppgavene 1 8 fra spesiell relativitetsteori.

FY6019 Moderne fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Våren Løsningsforslag til øving 4. 2 h

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN FY1013 ELEKTRISITET OG MAGNETISME II Fredag 9. desember 2005 kl

Løsningsforslag til eksamen i TFY4230 STATISTISK FYSIKK Mandag 12. august, 2013

FY1001/TFY4145 Mekanisk fysikk Høsten 2014 Vannbølger i bølgerenna Filmene (MP4) er spilt inn med 100 fps (frames per second). Mange mediaspillere (so

Løsningsforslag til øving 10

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 nr.1 - GEF2200

MEKANISK FYSIKK INKL SVINGNINGER. Newtons andre lov: F = dp/dt p = mv = mṙ. Konstant akselerasjon: v = v 0 + at x = x 0 + v 0 t at2

Kapittel 5. Bølger. Hvordan kan elektromagnetiske bølger forplante seg gjennom vakuum? Må vi ty til partikler for å forklare slikt?

Løsningsforslag til ukeoppgave 12

TFY4105 Fysikk for Bygg

Innhold i kapittel 5, tips for lesing:

6. Bølger. 6.1 Innledning

1) Hva blir akselerasjonen (i absoluttverdi) til en kloss som glir oppover et friksjonsfritt skråplan med helningsvinkel

Øving 3. Oppgave 1 (oppvarming med noen enkle oppgaver fra tidligere midtsemesterprøver)

Institutt for fysikk. Eksamen i TFY4106 FYSIKK Torsdag 6. august :00 13:00

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I TFY4155 ELEKTROMAGNETISME FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME Tirsdag 31. mai 2005 kl

EMNE TFE4130 BØLGEFORPLANTNING. Akustiske bølger

6. Bølger. 6.1 Innledning

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

Løsningsforslag Eksamen 8. august 2011 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

EKSAMEN TFY4102 FYSIKK Fredag 10. juni 2011 kl

Øving 9. Oppgave 1. E t0 = 2. Her er

10 6 (for λ 500 nm); minste størrelse av

Eksamen TFY4165 Termisk fysikk kl torsdag 15. desember 2016 Bokmål

Mandag qq 4πε 0 r 2 ˆr F = Elektrisk felt fra punktladning q (følger av definisjonen kraft pr ladningsenhet ): F dl

Transkript:

FY1002/TFY4160 Bølgefysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Høsten 2009. Løsningsforslag til øving 5 Oppgave 1 a) var C er korrekt. Fasehastigheten er gitt ved v ω k og vi ser fra figuren at dette forholdet er størst for små verdier av k, dvs for lange bølgelengder. b) var B er korrekt. Bølgehastigheten er gitt ved v slik at en endring i til + gir hastigheten v + 1 + / (1 + /) (1 + /2) v (1 + /2) Følgelig er v v v v /2 c) var A er korrekt. Bølgehastigheten er gitt ved v slik at en endring i til + gir hastigheten v + (1 + /) 1 1 + / (1 /2) v (1 /2) Følgelig er v v v v /2 1

d) B β 1 10 log I 1 I 0 β 1 10 log I 1 log I 0 β 2 10 log I 2 I 0 β 1 + 5 β 1 10 + 1 2 log I 2 log I 0 log I 2 log I 1 1 2 I 2 I 1 10 1/2 3.16 e) C Intensiteten er proporsjonal med utsvingsamplituden kvadrert, mens trykkamplituden er proporsjonal med utsvingsamplituden. Dermed blir intensiteten proporsjonal med trykkamplituden kvadrert, og vi finner p 2 p 1 I2 I 1 10 1/4 1.78 f) D P I P A halvkule 2πr 0.2 2.0 2 mw/m2 2π 42 2.0 103 β 10 log 93 db 10 12 Oppgave 2 a) Bølgelengden: λ v ν 330 m 33 cm 1000 Intensitetsnivået β målt i db er definert ved β 10 log I I 0 der referanseintensiteten I 0 10 12 W/m 2. Med I 10 9 W/m 2 har vi β 10 log 109 10 3 30 db 1012 2

Intensiteten I tilsvarer en (midlere) effekt P pr flateenhet A. i anslår trommehinnens areal til f.eks. 0.5 cm 2. Effekten som mottas på en slik flate blir dermed P I A 10 9 W/m 2 0.5 10 4 m 2 5 10 14 W (som er under forutsetning av at lydbølgen faller normalt inn mot trommehinnen.) b) ammenhengen mellom intensiteten I og utsvingsamplituden ξ 0 har vi utledet i forelesningene: I 1 2 ρω2 ξ 2 0 v Her er ρ massetettheten, ω er vinkelfrekvensen, og v er bølgehastigheten. Dermed: ξ 0 1 2I 2πν ρv 1 2 10 9 m 0.34 nm 2000π 1.3 330 Utsvinget er altså her av samme størrelsesorden som molekylenes utstrekning. Trykkendringen p er relatert til utsvinget ξ (se forelesningene): Med en plan harmonisk bølge får vi p γp ξ x p(x, t) γpkξ 0 cos(kx ωt) med amplitude ( p) 0 γpkξ 0 7 5 2π 105 0.33 0.34 109 0.9 mpa Relativ trykkvariasjon i forhold til likevektstrykket p blir Ikke rare greiene! ( p) 0 p 0.9 103 10 5 9 10 9 c) Fra tilstandsligningen for ideell gass, p Nk B T får vi ( ) NkB T p Nk B T Nk BT 2 Nk BT T T Nk BT p T T p om ventet: En trykkøkning ( p > 0) ledsages både av en temperaturøkning ( T > 0) og en volumreduksjon ( < 0). Det som gjenstår er å finne ut hvor store T og er hver for seg. Det får vi til ved å benytte oss av antagelsen om adiabatiske forhold, nemlig p γ konstant 3

Det medfører at eller som innsatt i uttrykket ovenfor for p gir og endelig p γp 1 p γ p p p T T + 1 γ p ( T T 1 1 ) p γ p Med andre ord: Temperaturvariasjonen T(x, t) forplanter seg, på tilsvarende vis som p(x, t), som en bølge med amplitude ( ( T) 0 1 1 ) T γ p ( p) 0 Den relative temperaturvariasjonen blir ( T) 0 T Absolutt temperaturvariasjon blir Heller ikke rare greiene. ( 1 5 ) 9 10 9 3 10 9 7 ( T) 0 1K iden p Nk B T, har vi ρ N/ p/k B T for antallstettheten i gassen. Dermed: ρ (p/k B T) p/k B T p T/k B T 2 ρ ( p/p T/T) ρ ( p/p (1 1/γ) p/p) ρ p/γp Amplituden til antallstetthetbølgen blir da: ( ρ) 0 ρ ( p) 0 /γp (p/k B T) ( p) 0 /γp ( 10 5 /1.38 10 23 295 ) ( 9 10 9 5/7 ) 1.6 10 17 m 3 2.7 10 10 mol/l 4

Oppgave 3 a) Det mest nærliggende er å derivere den gitte løsningen to ganger mhp t og r og sette inn i bølgeligningen: ξ r r 2 t 2 k cos(kr ωt) r k2 sin(kr ωt) r ω2 sin(kr ωt) r sin(kr ωt) r 2 2k cos(kr ωt) r 2 + 2 sin(kr ωt) r 3 Her har vi tatt vekk konstanten A overalt, siden vi ser at alle leddene i bølgeligningen er lineære i ξ. i bruker deretter at v 2 ω 2 /k 2, hvoretter innsetting av de nødvendige deriverte gir at ligningen er oppfylt med den gitte formen på ξ(r, t). En alternativ framgangsmåte tar utgangspunkt i at 2 r 2 (rξ) r 2 ξ r 2 + 2 ξ r som betyr at den oppgitte bølgeligningen kan skrives på formen 2 2 (rξ) v2 t2 r (rξ) 2 Men dette er jo nettopp bølgeligningen i en dimensjon r, der rξ nå representerer den endimensjonale bølgen. Og fra den oppgitte formen på ξ(r, t) har vi at rξ A sin(kr ωt) og vi vet jo godt at en slik enkel harmonisk bølge er løsning av den endimensjonale bølgeligningen! b) La oss gå fram på tilsvarende vis som i oppgave a), dvs vi regner ut de nødvendige deriverte av ξ, setter inn i bølgeligningen og ser hva vi får. (Også her stryker vi konstanten A.) ξ r r 2 t 2 k cos(kr ωt) k2 sin(kr ωt) ω2 sin(kr ωt) sin(kr ωt) 2r 3/2 k cos(kr ωt) r 3/2 Med v 2 ω 2 /k 2 gir innsetting i den gitte bølgeligningen ω2 sin(kr ωt) ω2 sin(kr ωt) + 3 sin(kr ωt) 4r 5/2 + ω2 sin(kr ωt) 4k 2 r 5/2 Dermed innser vi at den gitte ξ(r, t) ikke er en eksakt løsning av bølgeligningen, pga ledd nummer to på høyre side. i innser også at den gitte ξ(r, t) vil være en god tilnærmet løsning dersom ledd nummer to på høyre side er lite i forhold til de to øvrige, med andre ord dersom 4k 2 r 2 1 5

dvs r 1 2k λ 4π dvs for avstander fra bølgens sentrum som er store i forhold til bølgelengden. Eksakte løsninger av den sylindersymmetriske bølgeligningen involverer en spesiell type matematiske funksjoner kalt Besselfunksjoner. i går ikke nærmere inn på det her. Oppgave 4 p konstant gir d(p ) 0, og dermed dp + p d 0, dvs B dp d p. Lydhastigheten, med antagelse om isoterme forhold (dvs konstant temperatur), blir v B/ρ p/ρ, mens den korrekte antagelsen om adiabatiske forhold (dvs ingen utveksling av varme i løpet av lydbølgens periode) gir v γp/ρ. Den prosentvise feilen blir ( γ 1) 100% 18%. (Alternativt 15%, dersom vi regner relativt den adiabatiske verdien.) 6