EKSAMEN I FAG SIF 4008 FYSIKK Mandag 7. mai 2001 kl Bokmål. K. Rottmann: Matematisk formelsamling

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

NORGES TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET INSTITUTT FOR FYSIKALSK ELEKTRONIKK

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

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

Midtsemesterprøve onsdag 7. mars 2007 kl

Mandag E = V. y ŷ + V ẑ (kartesiske koordinater) r sin θ φ ˆφ (kulekoordinater)

Øving 8. Dersom ikke annet er oppgitt, antas det at systemet er i elektrostatisk likevekt.

Eksamen TFY 4240: Elektromagnetisk teori

Midtsemesterprøve fredag 10. mars kl

UNIVERSITETET I OSLO

KONTINUASJONSEKSAMEN I EMNE TFE 4120 ELEKTROMAGNETISME

TFY4104 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Høsten Øving 10. Dersom ikke annet er oppgitt, antas det at systemet er i elektrostatisk likevekt.

Sammendrag, uke 14 (5. og 6. april)

EKSAMEN I EMNE SIF4005 FYSIKK For kjemi og materialteknologi Onsdag 11. desember 2002 kl

Eksamen i TFY4205 Kvantemekanikk Mandag 8. august :00 13:00

Løsningsforslag TEP 4110 FLUIDMEKANIKK 18.desember ρ = = = m / s m / s 0.1

Løsning øving 12 N L. Fra Faradays induksjonslov får vi da en indusert elektromotorisk spenning:

Løsningsforslag for eksamen i FY101 Elektromagnetisme torsdag 12. desember 2002

EKSAMEN FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME I Mandag 5. desember 2005 kl

EKSAMEN I EMNE SIE 4015 BØLGEFORPLANTNING

NORGES TEKNISK- NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET INSTITUTT FOR FYSIKK

EKSAMEN FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME I Mandag 17. desember 2007 kl K. Rottmann: Matematisk formelsamling (eller tilsvarende).

Fysikk-OL Norsk finale 2005

Løsning midtveiseksamen H12 AST1100

NORGES TEKNISK- NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET INSTITUTT FOR FYSIKK

ρ = = = m / s m / s Ok! 0.1

TFY4104 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. ving 10.

EKSAMEN I FAG SIF 4012 ELEKTROMAGNETISME (SIF 4012 FYSIKK 2) Onsdag 11. desember kl Bokmål

KONTINUASJONSEKSAMEN TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Onsdag 17. august 2005 kl

UNIVERSITETET I OSLO

Fysikkolympiaden 1. runde 25. oktober 5. november 2004

b) 3 MATEMATISKE METODER I 1 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Repetisjonsoppgaver Bruk av regneregler: 1 Regn ut: e) 0 x ) 4 3 d) 4 x f) 5y

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

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

b) C Det elektriske feltet går radielt ut fra en positivt ladd partikkel.

Newtons lover i to og tre dimensjoner

Eksamensoppgave i TEP4105 FLUIDMEKANIKK

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

KONTINUASJONSEKSAMEN I EMNE TFE 4120 ELEKTROMAGNETISME

Newtons lover i én dimensjon (2)

EKSAMEN FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME Mandag 4. desember 2006 kl

Løsningsforslag til ukeoppgave 11

( 6z + 3z 2 ) dz = = 4. (xi + zj) 3 i + 2 ) 3 x x 4 9 y. 3 (6 2y) (6 2y)2 4 y(6 2y)

UNIVERSITETET I OSLO

Magnetisk hysterese. 1. Beregn magnetfeltet fra en strømførende spole med kjent vindingstall.

Løsningsforslag til eksamen i TFY4170 Fysikk august 2004

EKSAMEN TFY4155 ELEKTROMAGNETISME FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME Tirsdag 31. mai 2005 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 I FY1001 og TFY4145 MEKANISK FYSIKK: LØSNINGSFORSLAG

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

Midtsemesterprøve onsdag 7. mars 2007 kl Versjon A

Forelesning 9/ ved Karsten Trulsen

a) C Det elektriske feltet går radielt ut fra en positivt ladet partikkel og radielt innover mot en negativt ladd partikkel.

TFY4104 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Høsten Øving 9. Veiledning: 18. oktober. Innleveringsfrist: 23. oktober kl 14.

Laboratorieøvelse i MNFFY1303-Elektromagnetisme Institutt for Fysikk, NTNU MAGNETISK HYSTERESE

FYSIKK-OLYMPIADEN Andre runde: 4/2 2010

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

Diffraksjon og interferens med laser

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

KONTINUASJONSEKSAMEN I FAG SIF4028 FYSIKK MED ELEKTROMAGNETISME Mandag 7. august 2000 Tid:

KONTINUASJONSEKSAMEN TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Fredag 11. august 2006 kl

Løsningsforslag Fysikk 2 Høst 2014

Løsningsforslag Eksamen i fag TEP4110 Fluidmekanikk

EKSAMENSOPPGAVE. Fys-1002 Elektromagnetisme. Adm.bygget B154 Kalkulator med tomt dataminne, Rottmann: Matematisk formelsamling

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

Løsningsforslag eksamen 2. august 2003 SIF 4005 Fysikk for kjemi og materialteknologi

EKSAMEN i. MA-132 Geometri. Torsdag 3. desember 2009 kl Tillatte hjelpemidler: Alle trykte og skrevne hjelpemidler. Kalkulator.

FASIT FRAMSKUTT EKSAMEN VÅREN Oppg. 1

Kuleflate rundt ladning q. Elektrisk fluks gjennom et lite areal da defineres ved. da som gjelder uansett fasong på den lukkede flaten A.

NORGES TEKNISK- NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET INSTITUTT FOR FYSIKK Faglig kontakt under eksamen: Ola Hunderi, tlf (mobil: )

Eksamen i MA-104 Geometri Løsningsforslag

Newtons lover i én dimensjon

Notat i FYS-MEK/F 1110 våren 2006

Kap. 22. Gauss lov. Gauss lov skjematisk. Eks.1: Homogent ladd kule =Y&F Ex = LHL Vi skal se på: Fluksen til elektrisk felt E Gauss lov

Betraktninger rundt det klassiske elektronet.

Fysikkolympiaden Norsk finale 2010

UNIVERSITETET I OSLO

8 Eksamens trening. E2 (Kapittel 1) På figuren er det tegnet grafene til funksjonene f og g gitt ved

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

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

Kapittel 2: Krumlinjet bevegelse

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

Oppgave 1 a)1 b)3 c)2 d)3 e)3 f)2 g)3 h)2 i)1 j)2 k)1 l)2

Løsningsforslag til øving 8

Fiktive krefter. Gravitasjon og planetenes bevegelser

Kap 28: Magnetiske kilder. Kap 28: Magnetiske kilder. Kap 28. Rottmann integraltabell (s. 137) μ r. μ r. μ r. μ r

Elektrisk potensial/potensiell energi

EKSAMEN FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Onsdag 3. juni 2009 kl

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

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

Løsningsforslag sist oppdatert

EKSAMENSOPPGAVE. Eksamen i: FYS 0100 Generell fysikk Dato: Onsdag 26.feb 2014 Tid: Kl 09:00 13:00 Sted: Aud max.

Newtons lover i to og tre dimensjoner

Pytagoreiske tripler og Fibonacci-tall

a) Bruk en passende Gaussflate og bestem feltstyrken E i rommet mellom de 2 kuleskallene.

Tre klasser kollisjoner (eksempel: kast mot vegg)

EKSAMEN I EMNE TFE 4120 ELEKTROMAGNETISME

Løsningsforslag til øving

EKSAMEN I FAG SIF 4014 FYSIKK 3 Onsdag 2. desember 1998 kl

Transkript:

Side 1 av 1 NORGES TEKNISK- NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET INSTITUTT FOR FYSIKK Faglig kontakt unde eksamen: Føsteamanuensis Knut Ane Stand Telefon: 73 59 34 61 EKSAMEN I FAG SIF 48 FYSIKK Mandag 7. mai 1 kl. 9-15 Bokmål Hjelpemidle: B K. Rottmann: Matematisk fomelsamling O. Øgim og B. E. Lian: Støelse og enhete i fysikk og teknikk Typegodkjent kalkulato, med tomt minne, i henhold til liste utabeidet av NTNU Sensuen kan ventes i uke

Side av 1 Oppgave 1 a) Coulombs lov fo det elektiske feltet E () punktladning q lyde: i vakuum i en avstand fa en q E = 4πε ˆ e (1) de ε e pemittiviteten i vakuum og eˆ /. Vis at Gauss lov fo vakuum følge fa (1) fo det spesialtilfellet at den lukkede flaten e en kuleflate og at den innelukkede ladningen kun e én punktladning plasset i sentum fo kuleflaten! I de neste to punktene betakte vi en massiv kule med adius 1 laget av et ledende mateiale. Utenfo kulen e det luft (pemittiviteten fo luft skal egnes lik pemittiviteten ε fo vakuum). Avstanden fa kulas sentum kalles. Kula ha nettoladning Q. b) Hva e det elektiske feltet inne i kula? Begunn svaet! c) Finn E () (uttykt ved Q, og ε ) også utenfo kula og lag en skisse av E () fo alle vedie av! I de to siste punktene betakte vi en massiv kule av ledende mateiale fotsatt med adius 1 og nettoladning Q, men nå også omgitt av et konsentisk skall av ledende mateiale med inde adius og yte adius 3. Skallet ha null nettoladning. Rommet mellom den massive kula og kuleskallet e fylt av et dielektisk mateiale med elativ pemittivitet ε = 5,. Avstanden fa sentum av kula kalles fotsatt. Et snitt e vist nedenfo. 1 3 d) Finn E () (uttykt ved Q, og ε ) og lag en skisse av E () fo alle vedie av!

Side 3 av 1 e) Finn potensialet V () (uttykt ved Q, og ε ) og lag en skisse av V () fo alle vedie av! (Define V ( ) = fo =!) Oppgitt Fo en vilkålig lukket flate (i vakuum) som omhylle en samling ladninge, gjelde Gauss lov: E da = Q ε encl de E e elektisk felt gjennom flaten og Q encl e algebaisk sum av ladning innenfo den lukkede flaten. ε e pemittivitet i vakuum. Fo en vilkålig lukket flate i et dielektikum med pemittivitet ε = ε ε de ε e elativ pemittivitet, modifisees Gauss lov til: E da = Q encl, fi ε de Q encl, fi e algebaisk sum av fie ladninge innenfo den lukkede flaten. Fo sentalsymmetisk tilfelle e sammenhengen mellom elektisk felt E () elektisk potensial V () gitt ved: og E( ) = V ( ) ˆ e de eˆ /.

Side 4 av 1 Oppgave I de to føste punktene betakte vi en kets som vist på figuen nedenfo. ε + A B R L Ketsen bestå av en likespenningskilde (som vi egne ideell, dvs uten inde motstand) med elektomotoisk spenning ε, en en esistans med motstand R og en spole med induktans L. A og B e to bytee. Med byteen B åpen og byteen A lukket e Kichhoffs ande lov fo ketsen: di ε = ir + L (1) dt di de t e tiden, i e stømmen, L og ir e spenningsfallene henholdsvis ove spolen med dt induktans L og esistansen R. a) Vi tenke oss føst følgende situasjon: Begge bytene ha væt åpne, men ved tiden t = lukkes byteen A mens B fotsatt fobli åpen. Vis at stømmen fo t > da e gitt ved: de i = R τ L / R. ε /τ t ( 1 e ) () b) Vi tenke oss så at byteen A ha væt lukket og B åpen så lenge at stømmen i ketsen e blitt ε / R. Ved tiden t = åpnes byteen A samtidig som byteen B lukkes. Finn stømmen i ketsen fo t >!

Side 5 av 1 c) Vi betakte så en tilsvaende kets som den ovenfo, men med en påtykt vekselelektomotoisk spenning V = V cosω t (de ω e vinkelfekvens) i stedet fo likespenning og uten bytene A og B. R V = V cosω t L Kichhoffs ande lov fo denne ketsen på eell fom e: di L dt + Ri = V cosω t (3) Skiv opp den komplekse epesentasjonen av denne ligningen og bestem i (uttykt ved ω, R, L og V ) i den komplekse epesentasjonen: i = i e jωt (4) av den stasjonæe løsningen fo stømmen i ketsen! d) Finn også den stasjonæe løsningen fo stømmen i fo ketsen i punkt c på eell fom (uttykt ved ω, R, L og V )!

.5.4.3..1 -.1 -. -.3 -.4 -.5 Side 6 av 1 Oppgave 3 Vi skal i de te føste punktene i denne oppgaven betakte oveflatebølge som foplante seg på genseflaten vann/luft. Vi anta fo alle de te føste punktene at bølgelengde λ og vanndybde begge e stoe nok til at vi fo fasehastighet V f med god tilnæmelse ha: Vf = g T π de T e peiodetid til aktuell cosinusbølge elle fouiekomponent og g = 9,8 m/s. (1) a) Finn ut fa ligning (1) sammenhengen mellom bølgelengden λ og peiodetiden T fo en cosinusbølge elle fouiekomponent! Finn også tilsvaende sammenheng mellom vinkelfekvensen ω og angulæt bølgetall k = π / λ! b) Vis at vi i det tilfellet vi he betakte ha: 1 V g = V f fo enhve cosinusbølge elle fouiekomponent! () c) Et bølgetog med utsving U ( x, som vist på figuen, e geneet på en vann/luftgenseflate av en bølgegeneato i en bølgeenne (dvs det foplante seg i én dimensjon). Bølgetoget ha fouiekomponente (fekvenskomponente) ω sentet om fekvensen ω = gk med k = π / λ de λ =,5 m. Vi anta som en bukba tilnæmelse at vi kan egne ω = konstant k fo de fouiekomponentene som bølgetoget bestå av, dvs vi neglisjee at omhyllingskuven til bølgetoget foande fom nå bølgetoget foplante seg botove bølgeenna. Det e en definisjonssak akkuat hvo langt bølgetoget e. Vi definee det til å ha lengde 6λ = 6,5 m = 3, m. Nå bølgetoget gå botove oveflaten se det ut som nye bølge med λ λ =,5 m oppstå i bakkant av bølgetoget og få økende amplitude mens de foplante seg famove i bølgetoget inntil de ha nådd sentum. Deette minke de til amplituden igjen bli null i famkant av bølgetoget. U ( x, t 1 ) -4-3 - -1 1 3 4 x Finn tiden t fa en slik bølge oppstå i bakkant av bølgetoget til den dø (dvs amplituden minke til null) i famkant av bølgetoget!

. 5. 4.. 3. 1 -. -. 1 -. 4 -. 3 -. 5-4 - 3 - - 1 1 3 4 Side 7 av 1 Vi skal i de to siste punktene i denne oppgaven betakte tansvesale utsving D ( x, som foplante seg som bølge på en steng som e stekt i x-etning. Stengen ha masse p lengdeenhet µ =,1 kg/m og stamming F = 5 T N. Vi anta at utsvingene D ( x, e så små og at foholdene fo øvig e slik at bølgeligningen: D( x, µ x = F T D( x, t (3) gjelde fo de tilfelle vi betakte. d) Vis at bølgefunksjonene: D( x, = A cos( kx ω t + ϕ) (4) oppfylle bølgeligningen (3) fo alle eelle vedie av konstantene A og ϕ og alle eelle vedie av ω og k som e slik at ω = (5 m/s) k. e) Vi betakte så et bølgetog geneet på stengen som ha utsving gitt ved K U( x,. Vi anta at U ( x, fo et gitt tidspunkt e det utsving som vi fo et gitt tidspunkt hadde fo bølgetoget i punkt c. K e en konstant vesentlig minde enn 1. (Denne antagelsen bety at dette bølgetoget bestå av de samme bølgelengdekomponente som det i punkt c, sentet om bølgelengden til å væe λ λ =,5m 6λ = 6,5 m = 3, m langt.). Dette bølgetoget definees også KU( x, t ) x F T Vil det nå dette bølgetoget foplante seg botove stengen, se ut som nye bølge med λ λ =,5 m oppstå i bakkant og dø i famkant av bølgetoget? (Vi kan tenke oss at bølgepakkens foplantning bli tatt opp på film som kan kjøes med langsom hastighet fo obsevasjon.) Hvis nei, begunn svaet utfølig! Hvis ja, finn tiden tsteng som gå fa en slik komponent se ut til å oppstå i bakkant til den dø i famkant av bølgetoget!

Side 8 av 1 Oppgitt Fasehastighet V f e definet ved: Vf ω k Guppehastighet V g e definet ved: Vg dω dk dω Mek at nå vi ha dispesjon, må tas fo aktuell k-vedi. dk Oppgave 4 Vi skal i denne oppgaven betakte en planbølge med lys (som e lineæpolaise som komme nomalt inn mot en skjem A med to spalte S 1 og S. Intefeensmønsteet dannet av lyset som passee S 1 og S bli egistet på en skjem B plasset en avstand L fa A, som vist på figuen nedenfo. Innkommende planbølge P S 1 + d θ S y x A B L

Side 9 av 1 Vi anta at spaltene S 1 og S e like og så smale at hve av dem (i samsva med Huygens pinsipp) e utgangspunktet fo en bølge med en halvsikel som tvesnitt. Det vil si, vi anta at bølgene fa de to spaltene e sylindebølge og at spaltene e så lange at vi ikke ha poblem med ende-effekte de vi obsevee lysfodelingen på obsevasjonsskjemen. I hele oppgaven skal vi altså bae egne på det som skje i det tvesnitt som papiplanet epesentee, de bølgene fa S 1 og S ha halvsikle som bølgefonte. Vi anta fo hele oppgaven at L > d slik at lysstålen fa S 1 til et punkt P på obsevasjonsskjemen kan betaktes å væe paallell med lysstålen fa S til P (uavhengig av P s plasseing). Vi anta videe fo hele oppgaven at: Det innkommende lyset e fullstendig koheent, og fo punkt a og b: De elektiske feltene henholdsvis fa spalt S 1 og fa spalt S, kan i et punkt P på obsevasjonsskjemen (dvs at lyset e bøyd vinkelen θ ) uttykkes ved: E 1 [ k ω ϕ] = E cos t 1 [ k( + ω ϕ] E = E cos ) t de k = π / λ, λ e bølgelengden, ω e vinkelfekvensen, ϕ e en fasekonstant (som vi ikke ha bestem, e avstanden fa S 1 til P og + e avstanden fa S til P. E 1 og E e avhengige av henholdsvis og +. Men siden vi betakte L > d kan vi med god tilnæmelse sette: E 1 E E = (uavhengig av P s plasseing på skjemen) a) Vis at det totale feltet på obsevasjonsskjemen som funksjon av vinkelen θ e gitt ved: E θ kd sinθ 1 = E cos cos[ k( + d sinθ) ω t ϕ ] b) Finn ut fa E θ gitt i punkt a, lysets intensitetsfodeling på obsevasjonsskjemen som funksjon av vinkelen θ! Finn også de vinkle θ som gi maksimum lysintensitet (uttykt ved d og λ)! Vi betakte i fotsettelsen så små bøyningsvinkle θ at sin θ tanθ θ, dvs at vetikalavstande på obsevasjonsskjemen B målt ut fa midtnomalen til spalteåpningene i skjem A, kan uttykkes ved y = θ L. Vi anta videe at spalteavstanden d e 5, µm og at obsevasjonsskjemen B e plasset i en avstand L = 5, cm.

Side 1 av 1 c) Vi la nå S 1 væe tildekket av en glassplate (glassplaten plassees foan S 1, dvs på den siden av skjemen A som vende mot lyskilden) mens S ikke e tildekket. Vi anta at sideflatene til glassplaten e paallelle med hveande og fullstendig plane. Vi neglisjee efleksjon fa glassplaten og se elles bot fa diffaksjon pga. kanten av glassplaten mellom S 1 og S. Med glassplaten på plass obsevees det at intefeensmønsteet på obsevasjonsskjemen bli flyttet slik at mønsteets nullteodens maksimum nå ha samme posisjon som mønsteets øve føste-odens maksimum hadde fø glassplaten ble lagt på. Finn den tykkelse glassplaten må ha fo at dette skal væe tilfelle desom det innkommende lyset ha bølgelengde λ = 5, 1 nm og bytningsindeksen fo glassplaten (kystallglass med bly) e 1,98! d) Vi anta så at hele oppsettet fa punkt c senkes ned i en gjennomsiktig væske med ukjent bytningsindeks. Det obsevees da at nullte odens maksimum i intefeensmønsteet foflyttes halvveis tilbake til posisjonen det hadde fø glassplaten ble lagt på og oppsettet ble senket ned i den ukjente væsken. Hva e da avstanden mellom to nabo-intefeensmaksima? (Vi anta at lyskilden ha samme fekvens som i punkt c, dvs tilsvaende at bølgelengden i luft e 5, 1 nm ) Oppgitt cosa + cos a + b a b b = cos cos Intensiteten fo en peiodisk elektomagnetisk bølge i vakuum e gitt ved: I = ε ce de E e det elektiske feltet til bølgen, E e E midlet ove en peiode, ε e pemittiviteten i vakuum og c e lyshastigheten i vakuum. Desom E = E cos( ω t + ϕ ) de ϕ ' e en konstant (dvs uavhengig av ha vi: ' E = 1 E Nå lyshastigheten i vakuum (elle luf kalles c, så e lyshastigheten (dvs fasehastigheten fo lys) c s i et stoff med bytningsindeks n gitt ved c = s c / n, og desom vakuumbølgelengden e λ, så e bølgelengden λ s i stoffet gitt ved λ s = λ/ n.