EMNEKODE OG NAVN* Naturfag 1, 4NA1 1-7E1A OPPGAVETEKSTEN SENSURVEILEDNING SEMESTER/ ÅR/ EKSAMENSTYPE* Individuell skriftlig eksamen 4 timer Oppgave 1: (Mekanikk) En bilist som kjører i 80 km/h, må plutselig stoppe bilen for å unngå kollisjon. a) Hvor lang tid tar det å stanse bilen når bilføreren ved maksimal bremsing kan få en akselerasjon på 9,0 m/s 2 rettet bakover? En bilist som kjører med konstant fart v = 25 m/s lukker øyene når han nyser i 1 s. b) Hvor stor strekning tilbakelegger bilen i løpet av 1 sekund? Oppgave 2 (Lyslære) I gjennomgangen av lyslære ble det brukt tid til teori og praksis med labøvelser. a) Hvilke egenskaper hos lys forbinder du med bølgeteorien? Bølgefarten til lys og lyd utrykkes ved hjelp av relasjonen mellom bølgelengde og frekvens. Rødt lys har en bølgelengde på 560 10-9 m. b) Hva blir frekvensen til det røde lyset? I lyslære studerer vi lysbrytningen når lyset går gjennom forskjellige stoffer. c) En lysstråle går fra luft til vann. Brytningsvinkelen er 20 o. Hvor stor er innfallsvinkelen når brytningsindeksen for vann er n =1,33? I optikken studerer vi egenskaper hos linser. d) Forklar hva en konkav linse er. Lag en tegning som viser hvordan lysstråler går gjennom en konkav linse. e) Forklar hvordan et bilde blir dannet på en skjerm når vi bruker en konveks linse mellom skjerm og et stearinlys.
Oppgave 3 (Lydlære) I ett av kompetansemålene i naturfag etter 7.trinn i Kunnskapsløftet står det under Fenomener og stoffer at "mål for opplæringen er at eleven skal kunne gjennomføre forsøk med lyd, " a) Skriv kort om et forsøk innen temaet lyd som kan brukes for å nå dette kompetansemålet. Utstyr, mål og metode må være med i beskrivelsen. I lydlære ser vi på lydbølgenes egenskaper. b) En lydbølge har en frekvens på 1000 Hz og lydfarten i lufta er 340 m/s. Hvor stor bølgelengde har lydbølgen? Hører vi denne frekvensen? I laboratorieøvelser i forbindelse med lydlære kan det brukes flere eksperimenter som viser til lydbølgers bølgelengde, frekvens og lydfart i forskjellige medier. c) Beskriv et forsøk som viser til enten fart, bølgelengde eller frekvens til lydbølger. Skriv kort om faglige mål og metode. For en lydkilde med uniform lydutsendelse og effekt P, vil lydintensiteten i avstand r fra lydkilden være gitt ved forholdet: I = P/( 4π r 2 ) W/m 2 d) Hva blir lydintensiteten for en person som hører musikk 2 m fra en høyttaler som har en effekt på 40 W? Oppgave 4 (Gasser-Partikkelmodell) Et stempel presser luft i en mellom stor sprøyte fra 12 ml ned til 6 ml. Trykket i sprøyten endrer seg fra 1,0 10 5 Pa til en ny verdi. Denne prosessen skjer ved konstant temperatur. a) Hvor stort blir trykket når volumet blir 6 ml?
b) Forklar ved hjelp av partikkelmodellen hvilke egenskaper gasser har. For hvilket klassetrinn ville du velge et laboratorieforsøk der man bruker sprøyter for å nå et bestemt faglig mål. Oppgave 5 (Termofysikk) En gass med trykket 5,0 10 5 Pa blir tilført varme og utvider seg mot et friksjonsfritt stempel i en sylinder ved konstant trykk. a) Hvor stort arbeid gjør gassen mot omgivelsene når volumet øker med 0,1 m 3? b) Hvor stor er endringen i gassens indre energi når den tilførte varmen er 1,0 10 5 J? c) I termofysikk studerer vi energiomdanning og energioverføring. Hva sier termodynamikkens andre hovedsetning? d) Forklar varmetransport fra en koppkaffe som har 95 o C og som avkjøles til 20 o C på et bord. Etter at kaffen er 20 o C, settes kaffekoppen inn i et kjøleskap og etter kort tid får kaffen 2 o C. Hva skjer med kaffens indre energi? Oppgave 6 (Termofysikk) I termofysikken ser vi blant annet på hvordan varmeoverføring foregår i forskjellige prosesser. Gjennom forsøket som vises på figuren nedenfor er det mulig å vise til flere fysiske prosesser, som kondensasjon, fordamping, energioverføring og andre egenskaper til stoffene som er med i prosessen.
a) Forklar energistrømmen før og etter prosessen. Hvor skjer faseovergangene? Gi en forklaring på fordampning og kondensasjon. b) Trykk og undertrykk skapes i prosessen. Gi en forklaring på det. c) Hvordan forklarer du hva temperatur er og hva varme er. d) Hva sier termodynamikkens 1. lov? Vedlegg Formelark i fysikk s = v. o t + ½ a. t 2 v f = v o + a. t Bølgefart v = λ. f Farten til lys i vakuum: v= 3,0 10 8 m/s Lydfarten i luft : v= 340 m/s Brytningsindeks n = sinα sinα i b (hvor α i = innfallsvinkel og α b = brytningsvinkel) K = 273 + o C Arbeid: W = p. ΔV Endring i indre energi ΔU = Q + W
RELEVANT PENSUMLITTERATUR * Fra pensumboka ERGO fysikk 1: Kap. 1s. 19 57, Kap. 2 s. 59 91, Kap. 5 s. 157-171, Kap. 2 s. 59-91, Kap. 5 s. 174 182, Kap. 5 s. 172 173, Kap. 4 s.126-134, s.93-110, s.135-139, s.135-154, s.135-154, s.135-154. Laboratorieøvelser i fysikk. Tapir kompendium. Haugan, John og Aamot, Eimund (2009). Gyldendals tabeller og formler i fysikk : Fysikk 1 og fysikk 2. Oslo, Gyldendal undervisning EKSAMENSKRAV Innhold Oppgave 1 a) Først må vi omregne farten fra km/h til m/s. 80km/h deles med 3,6 =22,2 m/s Videre brukes relasjonen v f = v o + a t. Bilen stopper og v f =0. v 0 =22,2 m/s og a= -9,0 m/s 2 gir ved innsetting: (-v 0 /a) = t = -22,2/-9,0= 2,4 s Det tar 2,4 s å stoppe bilen. b) Her ser vi direkte at det bilen tilbakelegger 25 m i løper at 1 sekund Oppgave 2 a) Ingen fasit, men svaret bør inneholde følgende sentrale begreper: -Lys er elektromagnetiske bølger. -Lys har forskjellige farger, hver farge har en bestemt bølgelengde. -Lysbølger forplanter seg med en bestemt fart. I vakuum er lysfarten 3,0x10 8 m/s 2 -Lysbølger brytes når de passerer fra et medium til et medium med høyere tettet. b) Her brukes relasjonen v=λf. Med v= 3,0 10 8 m/s 2 og λ=560 10-9 m, får vi innsatt i f = v/λ = (3,0 10 8 m/s/560. 10-9 m)=5,36 10 14 Hz Frekvensen er 5,36 10 14 Hz c) sinα i For å regne ut innfallsvinkelen brukes det relasjonen n =, omstilles slik sinα b n sin α b = sin α i. Med verdier innsatt for n=1,33 og sin(20 o ) 1,33. 0,342=0,45488.Videre med kalkulator regnes den inverse fuksjonen som gir: arc sin(0,45488)= 27 o Innfallsvinkelen er 27 o d) En konkav linse er en linse som sprer lyset. Et eksempel er briller som korrigerer nærsyntehet. Nærsynte personer bruker altså briller med konkave glass.
e) Når vi får et bilde av et stearinlys ved hjelp av en konveks linse mot en skjerm blir det bildet oppned. En tegning kan også være med på å belyse forklaringen. Oppgave 3. a) For 7. klassetrinn kan vi velge å lage en fløyte med et sugerør. Utstyr: sugerør og saks. Metode: Flat ut en av endene av røret, klipp ut noe av kanten slik at når vi blåser, får vi vibrasjoner som skaper lyd. Klipp av fløyten hver andre centimeter, og da hører vi lysere toner etter som fløyten blir kortere. b) For å regne ut bølgelengden til en lydbølge som har 1000Hz, brukes det relasjonen: v = λ. f. Da omstilles slik at λ = v/ f og ved innsetting får vi: (340m/s)/(1000Hz)=0,34m. Bølgelengen er 0,34 m og vi hører denne frekvensen. c) Her kan være flere svaralternativer som kan nevnes. Eksempel: Hvis man velger å påvise bølgelengde til lydbølger og lydfart i luft og faststoffer kan, Kundtsrørets forsøk egne seg til det. Her blir bølgene synlig vha. korkpulver som vibrerer i røret når en messingstav blir satt i resonas vha. en fuktig klut med spirit. Bølgelengde i messingstaven er så dobbelt så lang som stavens lengde. Lydbølgen i messing og i luft har den samme frekvensen. d) Lydintensiteten regnes ut fra relasjonen I = P/( 4π r 2 ) W/m 2. Ved innsetting
av verdier for effekt, 40 W og avstand, 2m, får vi I=(40W)/(4π(2m) 2 )=0,8 W/m 2 Lydintensiteten er 0,8W. Oppgave 4 a) For å regne trykket når vi endrer volumet i sprøyten kan vi bruke relasjonen ved konstant temperatur er det lett se at volumet blir redusert til halv parten fra 12ml til 6ml, da trykket blir det dobbelt. Så p 2 =2,0 10 5 Pa V1 p1 Eller V 1 p 1 =V 2 p 2 som omstilles slik p 2 =. Ved innsetting av verdier for V2 5 12ml 1,0 10 Pa trykk og volum p2 = = 2,0 10 5 Pa (Her kan man se bort fra 6ml omregning til m 3 siden 12/6 er 2 uansett benevning) b) I en gass er det partikkelbevegelsen vi forbinder med kinetisk energi. Det er temperatur som uttrykker mengde kinetisk energi hos partiklene, når partiklene er i et lukket volum og har en gitt temperatur. Når partiklene krasjer med beholderens vegger, yter de trykk mot veggene. Trykket er da kraften som partiklene påfører vegger per areal.( Her kan være mange måter å forklare disse egenskaper på) Vi kan se på LK06 at etter 7. klassetrinn skal elevene bruke partikkelmodellen for å forklare egenskaper til gasser, væsker og faste stoffer. Faglig mål med valg av et forsøk der elevene bruker sprøyter, kan være å påvise trykk og volumendring hos gasser. Oppgave 5 a) Arbeidet regnes ut fra relasjonen W= p V Ved innsetting av verdier for trykk og volumendringen får vi: W= 5,0 10 5 Pa 0,1m 3 = 5,0 10 4 J b) Endringen i indre energi i gassen er differanse mellom tilført varme og arbeidet som er utført mot omgivelsene. Ut fra relasjonen ΔU = Q + W med innsatt verdier for arbeid og varme, får vi: 1,0 10 5 J - 5,0 10 4 J=5,0 10 4 J c) Termodynamikkens 2.hovedsetning sier at entropien i universet øker. Eller at alle prosesser etterlater seg et spor. Eller at mer og mer energi blir mindre og mindre tilgjengelig. Eller at energikvaliteten minker når vi omdaner energi ved arbeid. d) Når kaffen avkjøles fra 95 o C til 10 o C avgis varme til omgivelsene og indre energi minker i kaffen. Når kaffen er i et kjøleskap som har 2 o C, avgir kaffen energi til kjøleskapet inntil temperatur i kaffen blir 2 o C. Kaffens indre energi minker fordi kjøleskapet tar ut varmen fra kaffen ut mot rommet.
Oppgave 6 (Oppgavebesvarelsen har ikke noe fasit svar, men kandidaten bør har flere sentrale begreper i beskrivelsene) a)termisk energi fra gassbrenneren overføres ved kontakt til glasskolben som har noe vann ved lav temperatur og luft med normal romtemperatur. Gassen opptar varme energi når luftpartikler øker fart og øker temperatur. Disse gasspartikler blir presset gjennom røret som kopler sammen kolben med et glassbeger med mye vann. Vannet i begeret har romtemperatur nesten konstant under hele prosessen. Ettersom temperatur i vannet i kolben øker, fordamper vannet som vanndamp i kolben og fortrenger de siste luftpartikler som var i det lukkete systemet. Dampen treffer det kalde vannet i begeret og kondenserer til væske. Da er det ingen bobler i begeret. Fordamping betyr at vannpartikler forlater væske tilstand og blir til gass tilstand. Kondensasjon er når gasspartikler får mindre bevegelse, lav temperatur, trenger mindre plass og går sammen til væske tilstand. b) Trykk i gassblanding av luft og vanndamp øker når vi øker temperatur i kolben. Men aldri så mye at det er like over normaltrykket. c) Temperatur er et utrykk for mengde kinetisk energi hos partiklene. For eksempel i en gass. Varme er energioverføring fra et sted med høy temperatur til et sted med lavere temperatur. d) Energibevarelse i termodynamikken sier at energien forsvinner ikke, bare går over til en annen form for energi. Eller at endringer i indre energi i en prosess er lik summen av tilført varme og arbeidet som blir utført. Form/ struktur/ språklig fremstilling og logisk sammenheng Svarene bør være klare og konkrete uten at sensor kan misoppfatte innholdet i forhold til oppgavenummer som disse hører til. OPPGAVENS KARAKTER TOLKING AV OPPGAVETEKSTEN Regneoppgaver bør ha mellomregninger. FAGLÆRER/ OPPGAVEGIVER Sted/ dato: Trondheim 03.06.11 Navn: George Sundt