LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I TFY4160 BØLGEFYSIKK Torsdag 9. august 2007 kl

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

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

KONTINUASJONSEKSAMEN TFY4160 BØLGEFYSIKK Torsdag 9. august 2007 kl

Løsningsforslag til øving 8

Arbeid og potensiell energi

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

Øving 1: Bevegelse. Vektorer. Enheter.

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

Øving 11. Oppgave 1. E t0 = 2. Her er

Formelsamling Bølgefysikk Desember 2006

Løsningsforslag til øving

, og dropper benevninger for enkelhets skyld: ( ) ( ) L = 432L L = L = 1750 m. = 0m/s, og a = 4.00 m/s.

Løsningsforslag til øving 8

TFY4104 Fysikk Eksamen 18. desember 2013 Side 1 av 18

H Ø G S K O L E N I B E R G E N Avdeling for lærerutdanning

1 Trigonometriske Funksjoner Vekt: 1. 2 Trigonometriske Funksjoner Vekt: 1

Løsningsforslag til øving 4

Løsning: V = Ed og C = Q/V. Spenningen ved maksimalt elektrisk felt er

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

Løsningsforslag til øving 1

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

Løsningsforslag til eksamen i TFY4170 Fysikk august 2004

FYS3220 Oppgaver om Fourieranalyse

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

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

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

Arbeid og potensiell energi

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

Løsningsforslag til ukeoppgave 12

Midtsemesterprøve Bølgefysikk Fredag 12. oktober 2007 kl

Arbeid og kinetisk energi

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

Løsningsforslag for regneøving 3

Repetisjon

Løsningsforslag til øving 5

Krefter og betinget bevegelser Arbeid og kinetisk energi

Tillatte hjelpemidler: Lærebok og kalkulator i samsvar med fakultetet sine regler. 2 2x

t [0, t ]. Den er i bevegelse langs en bane. Med origo menes her nullpunktet

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

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

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

Repetisjon

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

Løsningsforslag til øving 6

Løsningsforslag EKSAMEN TFY4102 FYSIKK Fredag 10. juni 2011

Løsningsforslag til midtveiseksamen i FYS1000, 17/3 2016

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

Løsningsforslag nr.1 - GEF2200

Løsningsforslag til obligatorisk øvelsesoppgave i ECON 1210 høsten 06

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME Mandag 4. desember 2006 kl

Løsningsforslag til eksamen i SIF4072 KLASSISK FELTTEORI Onsdag 28. mai 2003

Repetisjon Eksamensverksted i dag, kl , Entropia

Eksamensoppgave i TFY4190 Instrumentering

Løsningsforslag til regneøving 5. Oppgave 1: a) Tegn tegningen for en eksklusiv eller port ved hjelp av NOG «NAND» porter.

Oppgave 1. = 2(1 4) = 6. Vi regner også ut de andre indreproduktene:

Flervalgsoppgaver i bølgefysikk

E K S A M E N S O P P G A V E : FAG: FYS105 Fysikk LÆRER: Per Henrik Hogstad KANDIDATEN MÅ SELV KONTROLLERE AT OPPGAVESETTET ER FULLSTENDIG

Bevegelse i én dimensjon

Spesiell relativitetsteori

Oppgaveverksted 3, ECON 1310, h14

Newtons lover i to og tre dimensjoner

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

Løsningsforslag eksamen TFY des 2013

Styring av romfartøy STE6122

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

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

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

Sensorveiledning UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT. ECON 1310 Obligatorisk øvelsesoppgave våren 2012

TFY4109 Fysikk Eksamen 9. august Løsningsforslag

Eksamensoppgave i TFY4190 Instrumentering

Arbeid og potensiell energi

YF kapittel 3 Formler Løsninger til oppgavene i læreboka

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

EKSAMEN TFY4160 BØLGEFYSIKK Mandag 3. desember 2007 kl Norsk utgave

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

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

Forelesning nr.9 INF 1410

Løsningsforslag til eksamen FY0001 Brukerkurs i fysikk Fredag 29. mai 2009

TFY4115: Løsningsforslag til oppgaver gitt

Øving 9. Oppgave 1. E t0 = 2. Her er

Ved opp -og utladning av kondensatorer varierer strøm og spenning. Det er vanlig å bruke små bokstaver for å angi øyeblikksverdier av størrelser.

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

Eksamen R2, Hausten 2009

Løsningsforslag øving 6, ST1301

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

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Fredag 11. august 2006 kl

av Erik Bédos, Matematisk Institutt, UiO, 25. mai 2007.

EKSAMEN FY1002 og TFY4160 BØLGEFYSIKK Torsdag 3. desember 2009 kl

Arbeid og kinetisk energi

Newtons lover i to og tre dimensjoner

KONTINUASJONSEKSAMEN TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Onsdag 17. august 2005 kl

Virkninger av ubalansert produktivitetsvekst («Baumols sykdom»)

EKSAMEN FY1002 og TFY4160 BØLGEFYSIKK Fredag 3. desember 2010 kl

LØSNINGSFORSLAG TIL KONTINUASJONSEKSAMEN I TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Onsdag 17. august 2005 kl

Løsningsforslag, eksamen FY desember 2017

EKSAMEN I TFY4145 OG FY1001 MEKANISK FYSIKK

Løsningsforslag til eksamen i FYS1000, 13/6 2016

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I TFY4155 ELEKTROMAGNETISME FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME Tirsdag 30. mai 2006 kl

Transkript:

NORGES TEKNISK- NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET INSTITUTT FOR FYSIKK Faglig konak under eksamen: Jon Andreas Søvneng Telefon: 73 59 36 63 / 45 45 55 33 LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I TFY4160 BØLGEFYSIKK Torsdag 9. augus 007 kl. 0900-1300 Eksamen besod av 5 oppgaver. Løsningsforslage er på 7 sider (inklusive denne). 1

OPPGAVE 1 Kraf på m: F = kx bẋ (Foregnene: Posiiv usving x > 0 ( mo høyre) gir negaiv kraf ( mo vensre). Posiiv hasighe ẋ > 0 ( mo høyre) gir negaiv kraf ( mo vensre).) Newons. lov: F = mẍ Dermed: mẍ + kx + bẋ = 0 For å vise a oppgi x() er løsning av denne ligningen, må vi regne u ẋ og ẍ: [ ẋ = A 1 ] τ e /τ cos(ω + φ) ωe /τ sin(ω + φ) [ 1 ẍ = A cos(ω + φ) + ω ] τ e /τ τ e /τ sin(ω + φ) ω e /τ cos(ω + φ) Vi seer inn og samler ledd proporsjonale med henholdsvis cos(ω + φ) og sin(ω + φ). Alle ledd vil inneholde en felles fakor A exp( /τ) som kan srykes. Vi får: cos(ω + φ) [ m τ mω b ] [ ] mω τ + k + sin(ω + φ) bω = 0 τ Hvis dee skal gjelde il alle ider, må urykkene i hakeparenesene være lik null hver for seg. Den sise av de o gir da τ = m b Vi seer dee inn for τ i den førse hakeparenesen og finner m b 4m mω b m + k = 0 ω = k ( ) b m = m ω 0 1/τ Ved e gi idspunk besår sysemes energi E av kineisk energi E k = mẋ / og poensiell energi E p = kx /. På grunn av dempingen reduseres E eer hver som iden går. (Den ape energien kan gjenfinnes som øk ermisk energi i dempemekanismen.) Når dempingen er svak, og dermed ω 1/τ, kan vi med god ilnærmelse see E = E p og E k = 0 når cos(ω+φ) = 1 og sin(ω + φ) = 0. Da er x = x max A exp( /τ) mens ẋ = 0. Dermed kan vi skrive E() = E max p = 1 kx max ka e /τ Relaiv energiap eer 50 perioder av svingningen blir E() E( + 50T) E() = 1 e 100T/τ = 1 e 100πb/ωm 1 e 100πb/ω 0m = 1 e 100πb/ km

som alså maksimal skal være 1%, 0.01. Med andre ord, i SI-enheer kg/s. km b max = 100π ln 0.99 3 10 4 OPPGAVE Poynings vekor: S = 1 µ 0 E B = µ 0p 0 ω4 sin θ 16π cr cos [ω( r/c)] ˆr siden ˆθ ˆφ = ˆr, noe vi ser av figuren i oppgaveeksen. Srålingsinensieen I(r) er (som gi i oppgaven) middelverdien av absoluverdien il Poynings vekor, midle over en (eller flere) perioder. Den enese idsavhengige fakoren er cos [ω( r/c)], som oscillerer mellom verdiene 0 og 1. Tidsmiddele av denne funksjonen er åpenbar lik 1/, for eksempel fordi cos x + sin x = 1. Dermed har vi uen videre a I som funksjon av θ og φ: I(r) = I(r, θ) = µ 0p 0ω 4 sin θ 3π cr I( θ) I( φ) θ 0 π/ π 0 π π φ Den elekromagneiske energien sråler radiel uover. Tallverdien av Poynings vekor angir usrål energi pr idsenhe og pr flaeenhe ( effek pr flaeenhe). Gjennom e lie elemen da = r sin θ dθ dφ av en kuleflae med radius r vil de dermed, pr idsenhe, i gjennomsni ( midle over en periode) srømme en energi S da = S da = µ 0p 0ω 4 sin θ 3π cr r sin θ dθ dφ Vi finner midlere oal usrål effek P ved å inegrere dee urykke over hele kuleflaen, vinkelen θ fra 0 il π og vinkelen φ fra 0 il π: P = µ 0p 0ω 4 3π c π 0 dφ π 0 sin 3 θdθ Fakoren sin 3 θ kan omskrives med de oppgie urykke slik a inegrale over θ blir π [ 1 ] [ 1 0 4 (sin 3θ 3 sin θ) dθ = π 0 1 cos 3θ 3 ] 4 cosθ = 4 3 3

Følgelig: P = µ 0p 0 ω4 1πc som skulle vises. Usrål effek øker forholdsvis rask med srålingens (vinkel-)frekvens, P ω 4. Blå lys har høyere frekvens enn rød lys. Amosfæren inneholder molekyler som fungerer som små elekriske dipoler som kan absorbere og reemiere srålingen fra sola. Denne prosessen er dermed beydelig mer effekiv for blå lys enn for rød lys. Når vi ser opp på himmelen, ser vi sollys som er spred av amosfæren, forrinnsvis blå. Ved solnedgang (og soloppgang) ser vi, nede ved horisonen, sollys som ikke er spred av amosfæren, forrinnsvis rød. OPPGAVE 3 Uniform inensie over halvkulen gir Dee ilsvarer e lydnivå I 1 = P 1 A 1 = P 1 πr 1 = 1.0 π 16 0.01 W/m β = 10 log(10 /10 1 ) = 100 db Toal parikkelusvingsbølge ξ(x, ) blir summen av delbølgene ξ 1 og ξ : ξ(x, ) = ξ 0 [sin(k 1 x ω 1 ) + sin(k x ω )] Oppgi rigonomerisk sammenheng gir ( k1 + k ξ(x, ) = ξ 0 sin x ω ) ( 1 + ω k k 1 cos x ω ) ω 1 Lydinensieens avhengighe av i avsanden x = d blir dermed ( I(d, ) ξ(d, ) = 4ξ0 k k 1 cos d ω ) ω 1 sin ( k1 + k Dee er produke av en rask og en langsom varierende funksjon: d ω ) 1 + ω I(d,) 1 s Den langsomme funksjonen, cos ( k d ω ) (der k = (k k 1 )/ og ω = (ω ω 1 )/) sørger for a inensieen varierer mellom 0 og en maksimal verdi. Tiden T s ( sveveperioden ) mellom o maksima er gi ved T s ω = π. Vi har ω = (ω ω 1 )/ = π(ν ν 1 ) slik a T s = π ω = 1 ν ν 1 = 1 s 4

Den raske funksjonen, sin (kd ω) (der k = (k 1 + k )/ og ω = (ω 1 +ω )/) gir onen, med frekvens ν = ω/π = (ν 1 + ν )/ = 440.5 Hz. Vi hører alså en lyd med denne frekvensen, med en lydsyrke (inensie) som varierer med en periode på 1 sekund. Bølgelengden er λ = v/ν = 340/3400 = 0.10 m. I en rening gi ved vinkelen θ vil veilengdeforskjellen fra de o høyalerne il øre di være omren lik a sin θ, der a er avsanden mellom høyalerne. Dersom denne veilengdeforskjellen er lik en halv bølgelengde, vil de o delbølgene inerferere desrukiv og gi null inensie. Dee innreffer alså når a sin θ = λ/ De beyr a du må flye deg en avsand θ = arcsin(λ/a) = arcsin(1/6) 10 y = d anθ d sinθ = d/6 1.7 m mo høyre eller vensre for a lyden skal forsvinne. OPPGAVE 4 Vi må finne oal kraf som virker på massen med likeveksposisjon x. Hver masse påvirkes av o krefer, en fra fjæra il høyre og en fra fjæra il vensre. Fjæra il høyre er srukke en lengde ξ(x + d) ξ(x). (Alle usving er her ved id, så de er underforså a ξ(x) = ξ(x, ) osv.) Dersom srekke er negaiv, innebærer de en sammenpressing. Srukke fjær il høyre innebærer en kraf F + ree mo høyre. Dermed: F + = k [ξ(x + d) ξ(x)] Fjæra il vensre er srukke en lengde ξ(x) ξ(x d). Srukke fjær il vensre innebærer en kraf F ree mo vensre. Dermed: Toal kraf: F = k [ξ(x) ξ(x d)] F = F + + F = k [ξ(x + d) + ξ(x d) ξ(x)] Newons. lov: F = m ξ Den eksake bevegelsesligningen for vår modellsysem blir dermed ξ = k [ξ(x + d) + ξ(x d) ξ(x)] m Dersom vi anar a ξ(x) varierer langsom (: bølgelengder λ sore i forhold il d), kan vi bruke den oppgie rekkeuviklingen av ξ(x ± d). Da blir krafen på m F kd ξ x 5

og bevegelsesligningen ξ = kd ξ m x Dee er på den oppgie formen, med bølgehasighe kd v = m Vi velger e spesialilfelle, nærmere besem en harmonisk bølge, som ugangspunk for å diskuere energien som ransporeres langs ransmisjonslinjen. Kineisk energi for massen m er E k = 1 ( ) ξ m = 1 mω ξ0 cos (kx ω) Poensiell energi lagre i fjæra il høyre for m er E p = 1 k [ξ(x + d) ξ(x)] 1 ( ) ξ kd = 1 x kd k ξ0 cos (kx ω) Eersom v = ω/k, er ω = v k = (kd /m)k, og dermed kd k = mω, så E p = E k. Toal energi pr masse-fjær-enhe er derfor E = E k + E p = E k = mω ξ 0 cos (kx ω) Med masseehe ( masse pr lengdeenhe) µ = m/d, blir oal energi pr lengdeenhe ε = E d = µω ξ 0 cos (kx ω) Siden energien pr lengdeenhe er en funksjon på formen ε(x v), beyr de a ε oppfyller bølgeligningen. Da må energien også forplane seg med hasighe v langs ransmisjonslinjen. Midlere energi pr lengdeenhe, ε, finner vi ved å midle ε over en bølgelengde. Middelverdien av cos (kx ω) er 1/, så ε = 1 µω ξ 0 I løpe av iden T ( en periode) vil energien på e inervall mellom x λ og x passere ved x. Dee er neopp den midlere energien pr idsenhe som vi her er på jak eer (evenuel effeken): P = ε λ T = εv = 1 vµω ξ 0 OPPGAVE 5 Lyssignalene fra sjernen sarer i henholdsvis (x 1, y 1 ) og (x, y ) ved idspunkene 1 og og når fram il jorda, il posisjonene (x 1, 0) og (x, 0) ved idspunkene 1 og. Lyse reiser med hasighe c, så vi må ha sammenhengene c( 1 1 ) = y 1 c( ) = y 6

Fra figuren i oppgaveeksen ser vi dessuen a y 1 y = s cosθ x 1 x = x = s sin θ De beyr a og dermed a = s cosθ c u = x = s sin θ s cos θ/c = ( s/ ) sinθ 1 ( s/ ) cosθ/c = v sin θ 1 (v/c) cosθ Maksimal ilsynelaende hasighe u (for gi v) finner vi ved å see du/dθ = 0: du dθ = v cos θ(1 (v/c) cosθ) v sin θ(v/c) sin θ (1 (v/c) cosθ) = 0 v cos θ v ( cos θ + sin θ ) = 0 c cosθ max = v c Innsa i urykke for u, sammen med sin θ = 1 v /c, har vi u(θ max ) = v 1 v /c 1 (v/c)(v/c) = v 1 v /c Vi ser uen videre a u(θ max ) > v. Dessuen har vi u = c når v c = 1 v /c v = c For v sørre enn dee blir u(θ max ) sørre enn lyshasigheen. (De er selvsag ikke noe mysisk ved de, eersom u bare er en ilsynelaende hasighe.) 7