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

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

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

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

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

Eksamen i Klassisk feltteori, fag TFY 4270 Onsdag 26. mai 2004 Løsninger

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

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

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

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

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

FYS 3120: Klassisk mekanikk og elektrodynamikk

FYS 3120: Klassisk mekanikk og elektrodynamikk

LØSNINGSFORSLAG TIL KONTINUASJONSEKSAMEN I FAG SIF 4012 ELEKTROMAGNETISME (SIF 4012 FYSIKK 2) Mandag 29. juli kl

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

Løsningsforslag til øving 3

Løsningsforslag til øving 1

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag til eksamen i klassisk mekanikk våren e N. R ρ m

Løsningsforslag til øving

FYS 3120: Klassisk mekanikk og elektrodynamikk

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

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

KONTINUASJONSEKSAMEN TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Onsdag 17. august 2005 kl

Eksamen i fag FY1004 Innføring i kvantemekanikk Fredag 30. mai 2008 Tid: a 0 = 4πǫ 0 h 2 /(e 2 m e ) = 5, m

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

UNIVERSITETET I OSLO

TFY4115: Løsningsforslag til oppgaver gitt

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

EKSAMEN FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME Mandag 4. desember 2006 kl

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

Løsningsforslag Eksamen 1. desember 2009 TFY4250/FY2045

Eksamen i fag FY1004 Innføring i kvantemekanikk Tirsdag 22. mai 2007 Tid:

UNIVERSITETET I BERGEN

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

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

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

Punktladningen Q ligger i punktet (3, 0) [mm] og punktladningen Q ligger i punktet ( 3, 0) [mm].

Løsningsforslag til øving 9

UNIVERSITETET I OSLO

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME I Mandag 17. desember 2007 kl

Løsningsforslag til ukeoppgave 4

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

Pendler, differensialligninger og resonansfenomen

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

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

TFY4104 Fysikk Eksamen 28. november 2016 Side 13 av 22

EKSAMENSOPPGAVE Njål Gulbrandsen / Ole Meyer /

Impuls, bevegelsesmengde, energi. Bevaringslover.

TFY4104 Fysikk Eksamen 28. november 2016 Side 13 av 22

Løsningsforslag Eksamen i Fys-mek1110 våren 2009

TFY Løsning øving 4 1 LØSNING ØVING 4. Vibrerende to-partikkelsystem

Arbeid og energi. Energibevaring.

Løsningsforslag til øving 4

Fysikkolympiaden Norsk finale 2019 Løsningsforslag

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 TFY4155 ELEKTROMAGNETISME FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME Tirsdag 30. mai 2006 kl

Eksamen i fag RELATIVISTISK KVANTEMEKANIKK Fredag 26. mai 2000 Tid: 09:00 14:00

Løsningsforslag til øving 4

Løsningsforslag til eksamen i FY8306 KVANTEFELTTEORI Fredag 9. juni 2006

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

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

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

Midtsemesterprøve fredag 10. mars kl

Løsningsforslag til eksamen i FYS1000, 14/8 2015

=,,,,, = det( A) a a a a a a a a a a + a a 0 1. a11 a12 a22 a12 a11 a22 a12 a21 a11a12 + a12 a11

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

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

EKSAMEN I TFY4145 OG FY1001 MEKANISK FYSIKK

Løysingsframlegg/skisse Eksamen TFY 4210 Kvanteteorien for mangepartikkelsystem 24. mai 2011

Løsningsforslag til prøveeksamen i MAT1050, vår 2019

EKSAMEN I NUMERISK LØSNING AV DIFFERENSIALLIGNINGER MED DIFFERANSEMETODER (TMA4212)

FYS 3120/4120: Klassisk mekanikk og elektromagnetisme. Midtterminevaluering våren 2004 Obligatorisk sett innleveringsoppgaver

Løsningsforslag Eksamen 8. august 2011 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

MA1102 Grunnkurs i analyse II Vår 2019

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

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

Mandag Mange senere emner i studiet bygger på kunnskap i bølgefysikk. Eksempler: Optikk, Kvantefysikk, Faststoff-fysikk etc. etc.

Løsningsforslag Eksamen i Fys-mek1110 våren 2010

TFY4104 Fysikk Eksamen 17. august Løsningsforslag. M k = ρv = ρ 4πR 3 /3 = π /3 = 2.10kg. E) 2.10 kg

Løsningsforslag Eksamen M001 Våren 2002

UNIVERSITETET I OSLO

A) 1 B) 2 C) 3 D) 4 E) 5

Løsningsskisse EKSAMEN i FYSIKK, 30. mai 2006

TMA4100 Matematikk 1 Høst 2014

TFY4104 Fysikk Eksamen 4. desember Løsningsforslag. 1) m = ρv = ρ 4πr 2 t = π g 24g. C

Løsningsforslag Eksamen 8. august 2009 TFY4250 Atom- og molekylfysikk

Flervalgsoppgave. Arbeid og energi. Energibevaring. Kollisjoner REP Konstant-akselerasjonslikninger. Vi har sett på:

Løsningsforslag til eksamen i SIF4072 KLASSISK FELTTEORI Torsdag 8. august 2002

Magnetisme som relativistisk fenomen

UNIVERSITETET I OSLO

FYS1120 Elektromagnetisme, Ukesoppgavesett 1

EKSAMENSOPPGAVE. Eksamen i: FYS 0100 Generell fysikk Dato: Fredag 13.des 2013 Tid: Kl 09:00 13:00 Sted: Administrasjonsbygget: Aud.

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

Øving 11. Oppgave 1. E t0 = 2. Her er

Kap. 3 Arbeid og energi. Energibevaring.

EKSAMEN I FY1001 og TFY4145 MEKANISK FYSIKK

Eksamensoppgave i TFY4104 Fysikk

Løsningsforslag Eksamen 16. august 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

TMA4105 Matematikk 2 vår 2013

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2014

Transkript:

NORGES TEKNISK- NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET INSTITUTT FOR ENERGI- OG PROSESSTEKNIKK Kontakt under eksamen: Jon Andreas Støvneng Telefon: 73 59 36 63 / 45 45 55 33 LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I TEP4145 KLASSISK MEKANIKK Mandag 1. mai 007 kl. 0900-1300 Løsningsforslaget er på i alt 9 sider. 1

OPPGAVE 1 [Teller 5%] a) Faste endepunkter gir δi = δ Virtuelle variasjoner ved fast t dvs δt = 0): t Ldt = t δldt Ombytte av δ og d/dt gir og dermed Delvis integrasjon på siste ledd: t q δi = δl = q t δq + q δ q δ q = δ dq dt = d dt δq, q δq + q d dt δqdt = t t1 q δq t ) d dt δq dt Her forsvinner første ledd fordi δq = 0 i endepunktene. Dermed: δi = t q d dt Ettersom δq er vilkårlig, må integranden forsvinne, dvs som er Lagranges ligning. q d dt q = 0 ) d δqdt dt q ) δqdt = 0 q b) Her er V = 0, så L = T = 1 m ẋ +ẏ ) Vi ser fra figuren neste side) at x = Rcosω 0 t+rcosω 0 t+θ) y = Rsinω 0 t+rsinω 0 t+θ) som gir ẋ = Rω 0 sinω 0 t Rω 0 + θ)sinω 0 t+θ) ẏ = Rω 0 cosω 0 t+rω 0 + θ)cosω 0 t+θ) Vi kvadrerer og legger sammen: ẋ +ẏ = Rω 0 ) +R ω 0 + θ) +R ω 0 ω 0 + θ)[sinω 0 tsinω 0 t+θ)+cosω 0 tcosω 0 t+θ)]

Deretter bruker vi trigonometriske relasjoner gitt i formelvedlegget) og får sinω 0 tsinω 0 t+θ)+cosω 0 tcosω 0 t+θ) = sinω 0 tsinω 0 tcosθ+sinω 0 tcosω 0 tsinθ + Systemets lagrangefunksjon er dermed cosω 0 tcosω 0 tcosθ cosω 0 tsinω 0 tsinθ = cosθ L = mr [ω 0 +ω 0 θ+ 1 θ +ω 0 ω 0 + θ)cosθ ] Kommentar: Noen hadde oppfattet det slik at ringen også var plassert i tyngdefeltet. Det ble sett på med stor forståelse. Dog ville det da være på sin plass med en fornuftig kommentar når det ble problematisk å sammenligne ringen med pendelen. Vi må regne ut de ulike partielle) deriverte av L: Lagranges ligning blir θ θ d dt θ = mr ω 0 ω 0 + θ)sinθ = mr [ ω 0 + θ+ω 0 cosθ ] = mr [ θ ω0 θsinθ ] θ+ω 0 sinθ = 0 Fra figuren nedenfor) ser vi at tyngdekraftens komponent vinkelrett på pendelen er mg sin θ. I følge Newtons. lov skal denne kraften være lik ma, der a = l θ. Pendelens bevegelse beskrives dermed av ligningen θ+ g l sinθ = 0 Samme oppførsel som massen på den roterende ringen dersom pendelen har lengde l = g ω 0 Pendelproblemet kan selvsagt også løses med Lagrange-teknikk. y m R sin ω 0 t + θ ) R sin ω 0 t R cos ω 0 t R ω 0 t θ ω 0 t x mg sin θ l θ g m mg cos θ R cos ω 0 t + θ ) mg 3

OPPGAVE [Teller 5%] Sammenpressing i fjæra til venstre: Sammenpressing i fjæra til høyre: x 1 x ) x 10 x 0 ) = η 1 η x x 3 ) x 0 x 30 ) = η η 3 Strekk i fjærene blir tilsvarende, med motsatt fortegn. Systemets potensielle energi blir V = 1 kη 1 η ) + 1 kη η 3 ) = 1 kη 1 +η +η 3 η 1η η η 1 η η 3 η 3 η ) Matrisen V blir dermed Systemets kinetiske energi er V = k k 0 k k k 0 k k T = 1 m iẋ i = 1 m i η i Matrisen T blir dermed T = m 0 0 0 3m 0 0 0 m Systemets egenfrekvenser bestemmes av den sekulære ligningen k ω m k 0 k k 3ω m k 0 k k ω m = 0 Stryker en felles faktor k 3 for hele determinanten og innfører α ω m k for å forenkle notasjonen litt. Det gir ligningen 1 α 1 0 1 3α 1 0 1 1 α = 0 Utvikling etter for eksempel første rad gir 1 α) 3α)1 α) 1 α) 1 α) = 0 dvs 6α 3 13α +6α = 0 4

Vi ser bort fra moden med α = 0 som tilsvarer ren translasjon av hele systemet langs x-aksen). De to andre løsningene er dvs α = 13± 13 4 6 6 6 = 13±5 1 α 1 = 3, α = 3 Dette tilsvarer frekvensene og f 1 = ω 1 π = f = ω π = kα 1 /m π kα /m π = = k/3m π 3k/m π 13.0 Hz 19.5 Hz Kommentar: Vibrasjons-bevegelsen i hver av disse to normale modene kan bestemmes ved å regne ut de ulike underdeterminantene iα, dvs de ulike -determinantene som fås ved å stryke rekke nr i og kolonne nr α i V ω αt og multiplisere med 1) i+α. Da vil utsvingsamplituden A iα for masse nr i i mode nr α være proporsjonal med 1) i+α iα. Uten at vi bryr oss om normeringen finner vi da, for mode nr 1 med α 1 = /3): og for mode nr med α = 3/): A 1 = A 11,A 1,A 31 ) = 1, 1 ) 3,1 A = A 1,A,A 3 ) =,1, 1 ) OPPGAVE 3 [Teller 5%.] Potensiell energi: V = kq / = q /. Kinetisk energi: T = mv / = p /m = p /. Dette gir hamiltonfunksjonen Hq,p) = V +T = 1 q +p ) Vi har åpenbart at [q,p] = 1, slik at vi må sjekke at [Q,P] = 1. De ulike partielle deriverte av de nye kanoniske koordinatene er Q q = 1, P q = 1, Q p = i P p = i Dermed: [Q,P] = 1 i 1 i = 1 + 1 = 1 5

Her var det også andre varianter som førte fram. Regner først ut q og p uttrykt ved Q og P: q = Dermed blir hamiltonfunksjonen i nye koordinater Hamiltons ligninger blir: som har løsninger i Q P), p = 1 Q+P) K = H = 1 q +p ) = 1 [ i Q QP +P ) + 1 Q +QP +P )] = 1 i 4QP) = iqp Q = K P = iq P = K Q = ip Qt) = Q 0 e it Pt) = P 0 e it Med de gitte startbetingelsene qt = 0) = pt = 0) = 1 får vi Q0) = Q 0 = 1 1+i) = 1 P0) = P 0 = 1 1 i) = i altså Qt) = 1+i e it = e it Pt) = i 1 e it = ie it Oscillatorens totale energi: E = K = H = 1 1+1) = 1 6

OPPGAVE 4 [For fysikkstudentene, teller 5%.] a) Firerpotensialet er mens feltene er relatert til A µ slik: Med andre ord: osv syklisk for B og B 3 ) Fra definisjonen A µ = A,iφ/c) E = φ A t B = A E j = φ A j x j t B 1 = A 3 x A x 3 F µν = A ν x µ A µ x ν ser vi uten videre at F µµ = 0 og F µν = F νµ. Det holder altså å regne ut de 6 elementene over eller under) diagonalen: F 1 = A y x A x y = A) z = B z = B 3 F 13 = A z x A x z = A) y = B y = B F 3 = A z y A y z = A) x = B x = B 1 φ F 14 = A 4 x A 1 = i x 4 c x A 1 ic t = i φ c x A ) 1 = i t c E 1 F 4 = A 4 y A = i φ x 4 c y A ic t = i φ c y A ) = i t c E F 34 = A 4 z A 3 = i φ x 4 c z A 3 ic t = i φ c z A ) 3 = i t c E 3 b)transformasjonsligningene fore j ogb j ergittiformelvedlegget forrelativbevegelse langsx-aksen. Bruker disse og får: E B = E x B x +E y B y +E z B z = E 0x B 0x +γ E 0y +vb 0z ) B 0y v ) c E 0z +γ E 0z vb 0y ) B 0z + v ) c E 0y 7

= E 0x B 0x +E 0y B 0y γ 1 )+E v c 0z B 0z γ E 0y E 0z γ v c +γ v c ) +B 0y B 0z γ v γ v ) = E 0x B 0x +E 0y B 0y 1+E 0z B 0z 1 = E 0 B 0 som var det vi skulle vise. v c +1 c) I inertialsystemet S 0 er ladningen i ro, så der er B 0 = 0. Da gir transformasjonsligningene ) + B x = 0, B y = γ v c E 0z, B z = γ v c E 0y og dessuten Dermed: E y = γe 0y B y = v c E z, E z = γe 0z, B z = v c E y Hastigheten er slik at vi kan skrive v = v ˆx Ved sammenligning ser vi da at vi har v E) x = 0, v E) y = ve z, v E) z = ve y B = 1 c v E d) I den ikkerelativistiske grensen v c β 1) reduserer uttrykket for E gitt i oppgaveteksten under punkt c) seg til E = q r 4πε 0 r 3 Magnetfeltet blir da B = 1 qv r v E = c 4πε 0 c r = µ 0 3 4π qv r r 3 Vi kan skrive v = dl/dt, dvs ladningen forflytter seg et veielement dl i løpet av en tid dt. Da har den midlere) strømmen på dette veielementet vært I = q/dt, så vi kan skrive qv = q dl = I dl dt og dermed som er Biot-Savarts lov. db = µ 0 Idl r, 4π r 3 8

Feltlinjer for B i yz-planet: y z OPPGAVE 5 [For kybernetikkstudentene, teller 5%.] a) Dette er en førsteordens lineær differensligning. Den generelle løsningen er b n = µ n b 0. Modellen er urealistisk fordi veksten er eksponensiell, uten noen øvre grense. b) Skisse av funksjonen F µ x): F x) µ 1/, µ /4) 1/ 1 x Vi får x n = x 0 for alle n. Punktet x 0 blir et likevektspunkt for bestanden. x 0 er også et fikspunkt.) c) x er et fikspunkt for f dersom fx) = x. Dersom f n) x) = x, sier vi at x er periodisk med periode n. Hvis f k) x) x for alle k, 1 k < n, så er n grunnperioden til x. Et fikspunkt x kalles tiltrekkende dersom f x) < 1. Punkter nær x vil da gå mot x. Et fikspunkt x kalles frastøtende dersom f x) > 1. Punkter nær x vil da fjerne seg fra x. d) Fikspunkter for F µ x): Vi har at x = 0, x = µ 1 µ ) µ 1 F µ 0) = µ, F µ = µ µ For 1 < µ < 3 har vi dermed et frastøtende fikspunkt i x = 0 og et tiltrekkende fikspunkt i x = µ 1)/µ. 9