Løsningsforslag til øving 4

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

Løsningsforslag til øving 8

TFY4106 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Våren Løsningsforslag til øving 8.

Midtsemesterprøve Bølgefysikk Fredag 12. oktober 2007 kl

Løsningsforslag til øving 6

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

Løsningsforslag til øving 5

Midtsemesterprøve Bølgefysikk Fredag 12. oktober 2007 kl

Løsningsforslag til øving 1

Midtsemesterprøve Bølgefysikk Fredag 10. oktober 2008 ca kl

Midtsemesterprøve Bølgefysikk Fredag 10. oktober 2008 ca kl

Midtsemesterprøve Bølgefysikk Fredag 10. oktober 2008 ca kl

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

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

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

Formelsamling Bølgefysikk Desember 2006

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

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

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

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

Midtsemesterprøve Bølgefysikk Torsdag 12. oktober 2006 kl

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

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

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 øving

Midtsemesterprøve Bølgefysikk Torsdag 12. oktober 2006 kl

Løsningsforslag til øving 9

Midtsemesterprøve Bølgefysikk Fredag 12. oktober 2007 kl

KONTINUASJONSEKSAMEN TFY4160 BØLGEFYSIKK Torsdag 9. august 2007 kl

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

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

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

Løsningsforslag til øving 8

FY1002/TFY4160 Bølgefysikk. Midtsemesterprøve fredag 9. oktober 2009 kl

Løsningsforslag EKSAMEN TFY4102 FYSIKK Fredag 10. juni 2011

EKSAMEN FY1002 og TFY4160 BØLGEFYSIKK Fredag 5. desember 2008 kl

TFY4160/FY1002 Bølgefysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Høsten Veiledning: 29. og 30. august. Innleveringsfrist: Mandag 3. september kl 12:00.

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

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, løsning øving 13 1 LØSNING ØVING 13. V (x, t) = xf (t) = xf 0 e t2 /τ 2.

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

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

TFY4109 Fysikk Eksamen 9. august Løsningsforslag

Flervalgsoppgaver i bølgefysikk

FY1001/TFY4145 Mekanisk Fysikk Eksamen 9. august 2016 Side 1 av 20

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

EKSAMEN FY1002 og TFY4160 BØLGEFYSIKK. Onsdag 12. desember 2012 kl

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

a 2 x 2 dy dx = e r r dr dθ =

Løsningsforslag Eksamen 11. august 2010 FY1006/TFY4215 Innføring i kvantefysikk

Midtsemesterprøve fredag 10. mars kl

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

Løsningsforslag til eksamen i TFY4170 Fysikk august 2004

TFY4106 Fysikk Løsningsforslag til Eksamen 12. august M k = ρv = ρ 4πR 3 /3 = π /3 = 2.10kg. E) 2.10 kg

SIF5005 Matematikk 2, 13. mai 2002 Løsningsforslag

Skinndybde. FYS 2130

Løsningsforslag til øving 3

NTNU. MA1103 Flerdimensjonal Analyse våren Maple-øving 2. Viktig informasjon. Institutt for matematiske fag. maple02 28.

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

Løsningsforslag Eksamen 12. august 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Øving 11. Oppgave 1. E t0 = 2. Her er

Fourier-analyse. Hittil har vi begrenset oss til å se på bølger som kan beskrives ved sinus- eller cosinusfunksjoner

I C Q R. Øving 11. Institutt for fysikk, NTNU TFY4155/FY1003: Elektromagnetisme

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

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

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

Løsningsforslag til øving 4

EKSAMEN FY1002 og TFY4160 BØLGEFYSIKK Torsdag 3. desember 2009 kl

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

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

Løsning, eksamen TFY4205 Kvantemekanikk II Onsdag 8. desember 2010

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

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

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

Løsningsforslag Eksamen 1. desember 2009 TFY4250/FY2045

Løsningsforslag Eksamen 20. desember 2012 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantemekanikk, Torsdag 16. august 2018

EKSAMEN FY1002 og TFY4160 BØLGEFYSIKK Fredag 3. desember 2010 kl

TFY4106 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Løsningsforslag til øving 4. m 1 gl = 1 2 m 1v 2 1. = v 1 = 2gL

FY1001/TFY4145 Mekanisk fysikk Høsten 2014 Vannbølger i bølgerenna Filmene (MP4) er spilt inn med 100 fps (frames per second). Mange mediaspillere (so

Oppgavene er hentet fra fagets lærebok, Hass, Weir og Thomas, samt gamle eksamener.

41307 Kraftelektroniske motordrifter Løsningsforslag Kapittel 4 Roterende elektriske maskiner

Kondenserte fasers fysikk Modul 2

TFY4160 og FY1002 Bølgefysikk

Løsningsforslag til øving 13

EKSAMEN TFY4160 BØLGEFYSIKK Mandag 3. desember 2007 kl Norsk utgave

Midtsemesterprøve Bølgefysikk Fredag 19. november 2010 kl

TFY Løsning øving 5 1 LØSNING ØVING 5. Krumning og stykkevis konstante potensialer

EKSAMEN FY1002 BØLGEFYSIKK Mandag 10. desember 2007 kl Norsk utgave

FY6019 Moderne fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Våren Løsningsforslag til øving 4. 2 h

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, løsning øving 14 1 LØSNING ØVING 14. ψ 210 z ψ 100 d 3 r a.

Løsningsforslag til øving 5

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

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

NTNU. MA1103 Flerdimensjonal analyse våren Maple/Matlab-øving 2. Viktig informasjon. Institutt for matematiske fag

LØSNINGSFORSLAG TIL ØVING 11, TMA4105, V2008. x = r cos θ, y = r sin θ, z = 2r for 0 θ 2π, 2 2r 6. i j k. 5 r dr dθ = 8

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

Transkript:

1 FY100/TFY4160 Bølgefysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Høsten 01. Løsningsforslag til øving 4 Oppgave 1 a) D = D 0 [ cos (kx ωt) + sin (kx ωt) ] 1/ = D 0 for alle x og t. Med andre ord, vi har overalt og til enhver tid et utsving med konstant amplitude D 0. Dette betyr at spissen på vektoren D alltid ligger på en sirkel med radius D 0. Siden både D z og D y kontinuerlig gjennomløper alle verdier mellom D 0 og +D 0, må D kontinuerlig gjennomløpe alle punkter på sirkelen. Dvs at bølgen er sirkulærpolarisert. Det oppgitte MATLAB-programmet kjører fint i MATLAB. I min versjon av Octave måtte jeg fjerne spesifikasjonen av pilfarge i kommandoen compass for å få det til å kjøre som det skulle. Her er et bilde underveis i animasjonen : b) D z D y = D 0 cos(kx ωt) = D 0 cos(ωt kx) = D 0 sin(kx ωt) = D 0 cos(kx ωt π/) = D 0 cos[(ωt + π/) kx] Dette betyr at for alle verdier av x ligger D y faseforskjøvet π/ foran D z. F.eks. vil D y nå sin maksimalverdi +D 0 en fase π/ tidligere enn D z. Når D y = +D 0, er D z = 0, og D y = 0 når D z = +D 0. Dvs at vi for enhver verdi av x (f.eks. x = 0) har en situasjon som skissert nedenfor:

z t=0 yz planet (x=0) x aksen ut av planet t= π/ω D y Bølgen forplanter seg i positiv x-retning. Vi ser derfor av skissen ovenfor at D roterer mot urviseren for en observatør som ser mot bølgens forplantningsretning. Bølgen er altså venstredreiende. c) Skal vi ha en bølge som er høyredreiende, må vi la D z ligge en fase π/ foran D y. Det får vi ved f.eks. D z = D 0 sin(kx ωt) og D y = D 0 cos(kx ωt) d) Vi har at slik at for bølgen beskrevet ved sin(kx ωt + π) = sin(kx ωt) D = D 0 sin(kx ωt)ŷ + D 0 sin(kx ωt + π)ẑ vil vi ha like stor y og z komponent, men med motsatt fortegn. Det skulle da bli følgende rette linje i yz-planet (z = y): z t= π/ω D 0 D 0 t= π/ω t=0 D 0 y D 0 t= 3π/ω

3 For bølgen beskrevet ved D = D y ŷ + D z ẑ = D 0 sin(kx ωt)ŷ + D 0 cos(kx ωt)ẑ får vi en ellipse i yz-planet: z D 0 t=0 t= π/ω t= 3π/ω D 0 y t= π/ω ettersom vi har ( ) ( Dy Dz + ) = sin ωt + cos ωt = 1 D 0 D 0 dvs ellipse med akse D 0 i y retning og akse D 0 i z retning. Her er figuren produsert i Octave: 1 z-aksen 0-1 - - -1 0 1 y-aksen e) D h + D v = D 0 ŷ sin(kx ωt) D 0 ẑ cos(kx ωt) + D 0 ŷ sin(kx ωt) + D 0 ẑ cos(kx ωt) = D 0 ŷ sin(kx ωt) Dvs, en lineærpolarisert bølge, polarisert i y-retning.

4 Hva så med polarisasjon i en vilkårlig retning i yz-planet, dvs i retningen gitt ved ˆn = ŷ cosα + ẑ sinα, som danner vinkelen α med y-aksen? En slik lineærpolarisert bølge får vi til ved å legge sammen D h = D 0 ŷ sin(kx ωt + α) D 0 ẑ cos(kx ωt + α) og på dette viset: D v + D h D v = D 0 ŷ sin(kx ωt) + D 0 ẑ cos(kx ωt) = D 0 ŷ [sin(kx ωt + α α) + sin(kx ωt + α + α)] + D 0 ẑ [cos(kx ωt + α α) cos(kx ωt + α + α)] = D 0 ŷ cos α sin(kx ωt + α) + D 0 ẑ sinαsin(kx ωt + α) = D 0ˆn sin(kx ωt + α) der vi har benyttet de velkjente reglene for sinus og cosinus til sum og differanse av to vinkler, hvor de to vinklene her er kx ωt + α og α. Oppgave a) Longitudinale utsving på ei slik fjær oppfyller bølgeligningen ξ x = µ ξ K t = 1 ξ v t og det eneste vi krever av funksjonen ξ(x, t) er at den kan skrives på formen f(x vt) eller g(x + vt), eller en kombinasjon av disse to, der f og g er vilkårlige to ganger deriverbare funksjoner. Den oppgitte gaussformede bølgepulsen er på en slik form (f(x vt)) og representerer dermed en mulig bølgepuls langs fjæra. Bølgen propagerer i positiv x-retning. b) Som utledet i forelesningene, og som vi ser av ligningen ovenfor, har vi v = K µ Uttrykket på høyre side har dimensjon kg m/s m kg/m = s = m/s som er det vi skal ha. c) Bølgepulsens energi endrer seg ikke med tiden. Vi kan derfor beregne E for et hvilket som helst tidspunkt, for eksempel t = 0. Med energi ε(x, 0) dx på intervallet (x, x + dx), må total energi være E = ε(x, 0)dx

5 Her inngår størrelsen dξ/dx = dξ/dx, og med t = 0 har vi som gir dξ dx = ξ 0( x/a x /a )e ε(x, 0) = µv ξ0 x a Vi substituerer β = x/a som gir (med dx = a dβ/ ) som skulle vises. E = µv ξ0 a a e x /a β e β = µv ξ0 a π = πµv ξ 0 a d) Bølgepulsens impuls endrer seg heller ikke med tiden. Vi kan derfor også beregne p ved t = 0. Men la oss først se hvor langt vi kan komme uten egentlig å regne all verden. For det første: Ettersom ξ(x, t) = ξ(x vt), har vi sammenhengen ξ ξ = v t x Dessuten: Utsvinget ξ er en symmetrisk funksjon mhp argumentet X = x vt. Dermed blir ξ/ x en antisymmetrisk funksjon mhp X. Dermed har vi: ( p = µ 1 ξ ) ( v) ξ x x dx ( ) ξ = µv dx x = E v = πµvξ 0 a Her har vi brukt at integralet av den antisymmetriske funksjonen ξ/ x er lik null. Oppgave 3 a) Innsetting av den antatte løsningen gir ξ(x + d) ξ(x) = ξ 0 [sin(kx + ωt) sin(kx ωt)] kx + ωt + kx ωt = ξ 0 cos sin = ξ 0 cos(kx ωt + ) sin ξ(x d) ξ(x) = ξ 0 [sin(kx ωt) sin(kx ωt)] kx ωt + kx ωt = ξ 0 cos sin = ξ 0 cos(kx ωt ) sin kx + ωt kx + ωt kx ωt kx + ωt

6 der vi har benyttet den oppgitte trigonometriske relasjonen. b) I neste omgang bestemmer vi høyre side i bevegelsesligningen (gitt i oppgaveteksten) ved å legge de to uttrykkene i punkt a sammen. Vi benytter oss av de oppgitte trigonometriske relasjonene cos(α ± β) = cos α cosβ sin αsinβ og får ξ(x + d) + ξ(x d) ξ(x) = ξ 0 sin [ cos(kx ωt + ] ) cos(kx ωt ) = ξ 0 sin [cos(kx ωt)cos sin(kx ωt)sin cos(kx ωt)cos = 4ξ 0 sin sin(kx ωt) sin(kx ωt)sin ] Her har vi også brukt at sinα = sin( α) og cos α = cos( α). På venstre side av bevegelsesligningen inngår den andrederiverte av ξ med hensyn på t: ξ t = ω ξ 0 sin(kx ωt) Vi setter alt sammen inn i bevegelsesligningen, forkorter felles faktor ξ 0 og sin(kx ωt) på begge sider, og får mω = 4ssin dvs ω = 4s sin m som vi skulle vise. Dette viser samtidig at antagelsen var korrekt, nemlig at harmoniske bølger er løsning av den gitte bevegelsesligningen. c) Når 1, kan vi sette slik at som gir sin k d 4 ω 4s m k d 4 v = ω k sd dvs uavhengig av bølgelengden (og bølgetallet). = sk d m d) Lydens hastighet i typiske metaller kan vi anslå ved å finne fram til tallverdier for Youngs modul og massetettheten. Et par eksempler: Jern: Y = 1.9 10 11 N/m, ρ = 700 kg/m 3, v = Y/ρ = 5.1 km/s m

7 Bly: Y = 0.16 10 11 N/m, ρ = 11340 kg/m 3, v = Y/ρ = 1. km/s Med andre ord, bølgehastigheten er av størrelsesorden 10 3 m/s. Det hørbare området dekker frekvenser mellom ca 0 og 0000 Hz, som dermed tilsvarer bølgelengder λ = v/ν i området mellom 5 cm og 50 m. Dette er uansett veldig mye mer enn typiske avstander mellom naboatomer i en krystall (mindre enn 1 nm), så for hørbar lyd er tilnærmelsen 1, eventuelt λ d godt oppfylt.