Løsningsforslag til avsluttende eksamen i AST1100, høsten 2013



Like dokumenter
S høst LØSNING. 2x 10 = x(x 5) x 2 + 7x 10 = 0 x = 7± 49 4 ( 1) ( 10) x = 7±3. x = 2 x = 5. lg( ) + 3 = 5. lg( ) = 2.

AST1010 En kosmisk reise

FYS-MEK 1110 Løsningsforslag Eksamen Vår 2014

Eksamen. Fag: AA6524/AA6526 Matematikk 3MX. Eksamensdato: 6. desember Vidaregåande kurs II / Videregående kurs II

Konstanter og formelsamling for kurset finner du bakerst Merk: Figurene til oppgavene er ofte på en annen side enn selve oppgaven

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 15: Hvite dverger, nøytronstjerner og sorte hull

Om flo og fjære og kunsten å veie Månen

dg = ( g P0 u)ds = ( ) = 0

Løsningsforslag AA6526 Matematikk 3MX Privatister 3. mai eksamensoppgaver.org

MAT Grublegruppen Uke 36

EKSAMEN. TILLATTE HJELPEMIDLER: John Haugan: Formler og tabeller. Rottmanns formelsamling (tillatt som overgangsordning)

Professor Elgarøy avslører: Hva DU bør repetere før AST1100-eksamen!

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2014

Løsningsforslag til øving 12

Løsningsforslag til underveisvurdering i MAT111 vår 2005

AST1010 En kosmisk reise

AST1010 En kosmisk reise

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

Løsningsforslag. e n. n=0. 3 n 2 2n 1. n=1

Det matetmatisk-naturvitenskapelige fakultet Midtveis -eksamen i AST1100, 10 oktober 2007, Oppgavesettet er på 6 sider

Norges Informasjonstekonlogiske Høgskole

Keplers lover. Statikk og likevekt

MAT 1001, Høsten 2009 Oblig 2, Løsningsforslag

BACHELOR I IDRETTSVITENSKAP MED SPESIALISERING I IDRETTSBIOLOGI 2011/2013. Individuell skriftlig eksamen i IBI 225- Fysikk og målinger

12 Vekst. Areal under grafer

Newtons (og hele universets...) lover

Elektrisk og Magnetisk felt

Løsningsforslag Eksamen i Fys-mek1110 våren 2008

Løsningsforslag Eksamen i Fys-mek1110/Fys-mef1110 høsten 2007

Løsningsforslag til eksamen i MAT111 Vår 2013

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

Løsningsforslag til underveiseksamen i MAT 1100

Fasit eksamen Fys1000 vår 2009

. 2+cos(x) 0 og alle biter som inngår i uttrykket er kontinuerlige. Da blir g kontinuerlig i hele planet.

AST1010 En kosmisk reise. Innhold. Stjernedød i to varianter 10/13/15. Forelesning 15: Hvite dverger, nøytronstjerner og sorte hull

Funksjoner og andregradsuttrykk

Tall og tallregning. 1.1 Tall. 1.2 Regnerekkefølge. Oppgave Marker disse intervallene på ei tallinje. a) [2, 5 b) 3, 4] c) 2, 2 d) 0, 1

UNIVERSITETET I OSLO

1 MAT100 Obligatorisk innlevering 1. 1 Regn ut i) iii) ii) Regn ut i) ii)

Faktor - En eksamensavis utgitt av Pareto

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag til eksamen FY0001 Brukerkurs i fysikk Juni 2011

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 19: Kosmologi, del I

Løsningsforslag til øving 5

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 20: Kosmologi, del 2

DEL 1 (Uten hjelpemidler, leveres etter 3 timer) 3(a + 1) 4(1 a) (6a 1) = 3a a 6a + 1

Niels Henrik Abels matematikkonkurranse Løsninger

AST1010 En kosmisk reise. De viktigste punktene i dag: Mekanikk 1/19/2017. Forelesning 3: Mekanikk og termodynamikk

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 3: Mekanikk, termodynamikk og elektromagnetisme

Fysikkolympiaden 1. runde 27. oktober 7. november 2008

TFE4101 Vår Løsningsforslag Øving 3. 1 Teorispørsmål. (20 poeng)

EKSAMEN VÅREN 2006 SENSORTEORI. Klasse OM2 og KJK2

Oppgave 2 Vi ser på et éndimensjonalt system hvor en av de stasjonære tilstandene ψ(x) er gitt som { 0 for x < 0, ψ(x) = Ne ax (1 e ax (1)

Dataøving 2. TTK5 Kalmanfiltrering og navigasjon Løsningsforslag

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2013

Er naturkonstantene konstante?

Høgskolen i Telemark Fakultet for estetiske fag, folkekultur og lærerutdanning BOKMÅL 25. mai 2012

TMA4100 Matematikk 1, 4. august 2014 Side 1 av 12. x 2 3x +2. x 2

Enkel matematikk for økonomer 1. Innhold. Parenteser, brøk og potenser. Ekstranotat, februar 2015

EKSAMENSOPPGAVE Njål Gulbrandsen / Ole Meyer /

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 21: Oppsummering

Impuls, bevegelsesmengde, energi. Bevaringslover.

Repetisjon i Matematikk 1: Derivasjon 2,

SIF5005 Matematikk 2, 13. mai 2002 Løsningsforslag

Eksamen REA3026 S1, Høsten 2012

Løsningsforslag til obligatorisk oppgave i MAT 1100, H-04

EKSAMENSOPPGAVE. Eksamen i: FYS Elektromagnetisme Fredag 31. august 2012 Kl 09:00 13:00 adm. Bygget, rom B154

Løsningsforslag AA6526 Matematikk 3MX Privatister 3. mai eksamensoppgaver.org

ØVING 13. Oppgave 1 a) Løs oppgave 1a i Øving 2 gjengitt nedenfor ved å bruke kompleks representasjon.

Del 2: Alle hjelpemidler er tillatt, med unntak av Internett og andre verktøy som tillater kommunikasjon.

Del 2: Alle hjelpemidler er tillatt, med unntak av Internett og andre verktøy som tillater kommunikasjon.

Fysikkonkurranse 1. runde november 2000

Løsning del 1 utrinn Høst 13

Løsningsforslag Prøveeksamen i MAT-INF 1100, Høsten 2003

Rekker, Konvergenstester og Feilestimat

EKSAMEN I EMNE SIE4015 BØLGEFORPLANTNING EKSAMEN I FAG BØLGEFORPLANTNING LØRDAG/LAURDAG 19. MAI 2001 TID: KL

oppgaver fra abels hjørne i dagbladet

Løsningsforslag Eksamen 7. august 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Eksamen REA3028 Matematikk S2. Nynorsk/Bokmål

Eksamen i Astrofysikk, fag TFY4325 og FY2450 Torsdag 2. juni 2005 Løsninger

TMA4105 Matematikk 2 Vår 2014

Fasit til eksamen i emnet MAT102 - Brukerkurs i matematikk II Mandag 21.september 2015

FORSØK MED ROTERENDE SYSTEMER

Studieretning: Allmenne, økonomiske og administrative fag

Kapittel 5. Lengder og areal

Oppsummering om hva som kreves ved bruk av digitale verktøy


Krefter, Newtons lover, dreiemoment

Høgskolen i Telemark Fakultet for estetiske fag, folkekultur og lærerutdanning BOKMÅL 23. mai 2014

TMA Tanker omkring innlevering 3 fra en studentassistents perspektiv

LØSNING: Eksamen 18. des. 2013

Kapittel 2. Tall på standardform

Oppgaver og fasit til seksjon

For en tid siden ble jeg konfrontert med følgende problemstilling:

Fasit MAT102 juni 2016

Fysikkolympiaden 1. runde 26. oktober 6. november 2015

oppgaver fra abels hjørne i dagbladet

Transkript:

Løsningsforslag til avsluttende eksamen i AST1100, høsten 013 Oppgave 1 a) I ligningen for hyostatisk likevekt er P trykket, M(r) massen innenfor en avstand r fra sentrum og ρ(r) er tettheten i en avstand r fra sentrum. b) Konstant tetthet betyr at M(r) = 4πρr 3 /3 og M = M(R) = 4πρR 3 /3. Vi kan dermed skrive tettheten som ρ = 3M/4πR 3. Ved innsetting i ligningen for hyostatisk likevekt finner vi: dp = G r 4π 3 ρr3 ρ = 4πGρ r = 4πG 3 3 = 3GM 4πR 6 r. ( 3 4πR 3M ) r Denne ligningen integrerer vi fra sentrum, r = 0, der trykket er P c ut til randen, r = R, der trykket er lik null: som gir 0 P c dp = 3GM 4πR 6 P c = 3GM 8πR 4. R 0 r, c) Degenerasjonstrykket skyldes at nøytroner er fermioner og følger Pauliprinsippet: To nøytroner kan ikke være i samme kvantetilstand. Jo flere nøytroner vi har i systemet, desto høyere bevegelsesmengde må de siste nøytronene vi putter inn ha. d) Siden tettheten er konstant er trykket i sentrum gitt ved ( ) 3M 5/3 ( ) 3 5/3 M 5 /3 P c = C 1 = C 4πR 3 1. 4π R 5 1

Setter vi inn i resultatet fra b) og løser med hensyn på R, finner vi R = 6.0 10 13 M 1 3 m. For en nøytronstjerne med samme masse som sola, M = M = 10 30 kg gir dette R = 5 km. e) Øker vi massen, må sentraltrykket øke for å balansere tyngdekreftene. Av tilstandsligningen ser vi at trykket øker med tettheten. Vi må øke tettheten, dvs. redusere radius for å opprettholde hyodynamisk likevekt. f) Nå blir sentraltrykket ( ) 3 4/3 M 4/3 P c = C 4π R, 4 og ved innsetting i resultatet fra b) ser vi at radien kansellerer ut av ligningen. Løser vi med hensyn på M, finner vi Oppgave M = 3.453 10 30 kg = 1.7M. a) Vi må ha at (/dτ) 0. Dersom E/m er lik minimal- eller maksimalverdien til V eff /m blir den eneste løsningen at partikklen beveger seg med /dτ = 0, det vil si en sirkelbane med konstant r. Av grafen ser vi at ved maksimalverdien vil en liten ening i E/m sende partikkelen inn i en bane som enten fører den inn i det sorte hullet, eller uendelig langt vekk fra det. Dette er derfor en ustabil sirkelbane. I minimumspunktet vil en liten ening i E/m sende partikkelen inn i en ny lukket bane som skiller seg lite fra sirkelbanen. Dette er derfor en stabil sirkelbane. b) Ved å innføre variablene definert i oppgaveteksten får vi u = ( 1 ) ( 1 + M l ) ( = 1 ) ( ) 1 + l. x M x x x

c) Oppgaveteksten legger opp til at vi kan finne ekstremalverdiene ved å finne nullpunktene for den deriverte til u. Litt regning gir Ganger vi med x 4 blir dette til du dx = x l x 3 + 6l x 4 = 0. x l x x + 3l = 0. d) Her bruker vi bare formelen for løsningene av en annengradsligning: x = l ± l 4 1l, og resultatet oppgitt i teksten følger ved å ta en faktor l 4 ut av rottegnet. Av figur 1 ser vi at maksimalverdien har lavere r-verdi enn minimalverdien, så løsningen med foran rottegnet svarer til maksimum, +-tegnet svarer til minimum. e) Av uttrykket i d) ser vi at løsningen blir imaginær dersom l < 1, og det er jo ikke mulig. I dette tilfellet har ikke V eff /m noe lokalt minimum og dermed finnes det heller ingen stabile sirkulære baner. f) Den innerste stabile sirkulære banen får vi dersom l = 1. Da blir x = l / = 6, slik at r = 6M. Horisonten til det sorte hullet er ved r = M, s denne sirkelbanen er tre ganger s stor. For et sort hull med masse lik solens er r = M 3 km, og den innerste stabile sirkelbanen er da ved r = 9 km, bare 6 kilometer fra horisonten! Fra dette perspektivet alene er det ingen ting i veien for å ha en planet i bane nær et sort hull. Men det er selvsagt et problem å se for seg hvordan den har havnet der, og hvordan den kan unngå å bli brutt opp av de ikke ubetydelige tidekreftene. Oppgave 3 a) Uendelig langt vekk fra det sorte hullet er E/m = dt/dτ, og vi kan bruke spesiell relativitetsteori. Siden Øystein starter i ro, er energien lik hvilenergien m, og da er E/m = 1. 3

b) Med hans lokale tommestokk og klokke blir akselerasjonen Øystein måler g = d r dτ = d dτ dτ = (M) 1/ d ( M = dτ r 1/ = (M) 1/ ) 1/ r 3/ (M) 1/ r 1/ = M r. ( 1 ) 3/ r dτ c) Selv med Øysteins løgn om egen høyde er han liten nok til at vi kan sette g dg r = M r 3 r. d) Smertekriteriet i oppgaveteksten gir ligningen som løst med hensyn på r gir r = r Au = M r 3 r = ( ) 1/3 M r. For et sort hull med masse 10 milliarder solmasser gir dette r Au = 8.3 10 6 km, godt innenfor horisonten. Øysteins øm går i oppfyllelse. Det er tross alt jul. Generelt kan vi skrive resultatet om til r Au M = 1.3 103 ( ) /3 M, så jo større det sorte hullet er, desto lengre inn kan Øystein falle før det gjør vondt. e) Vi gjør som foreslått i oppgaveteksten og skriver M ( ) 1 1/ dτ = r 1/, M 4

og starter klokka ved r = r Au. Integrasjon gir da τ Au ( ) 1 1/ 0 = r 1/ M r Au ( ) 1 1/ = M 3 r3/ Au = ( ) 1 1/ ( ) 1/3 M r 3 M 3/ ( ) 1/ r = 9.4 10 7 m. = 3 Resultatet er uavhengig av M! Det spiller med ane ord ingen rolle hvor stort det sorte hullet er. Uansett størrelse vil det gå like lang tid fra et eventuelt ubehag setter inn til det hele er over. f) Tiden vi fant i e) har enhet meter, så for å sammenligne må vi gjøre om enheten til sekunder ved å dele med lyshastigheten. Det gir τ Au = 0.3 s. Dersom smertesignalene ikke beveger seg raskere enn oppgitt i teksten er det derfor høyst tvilsomt om Øystein vil rekke å kjenne noen smerte. Situasjonen i oppgaven ser derfor ut til å være en særdeles god deal for både ham og resten av universet. 5