Løsningsforslag til prøve i fysikk Dato: 17/4-2015 Tema: Kap 11 Kosmologi og kap 12 Elektrisitet Kap 11 Kosmologi: 1. Hva menes med rødforskyvning av lys fra stjerner? Fungerer på samme måte som Doppler-effekt på lydbølger. Dersom en sender (kilde) av et lyssignal beveger seg i forhold til mottakeren (observatøren) vil ikke mottakeren oppfatte at lyset vil ha samme frekvenser som det som ble sendt ut. Lyset fra stjerner som beveger seg bort fra oss vil måles til å ha lengre bølgelengder enn om stjernen hadde stått i ro. Rødt lys er det synlige lyset som har størst bølgelengde, og derfor kalle vi det rødforskyving av lys. 2. Hubbles lov er gitt ved a. Hva forteller Hubbles lov? Hubbles lov forteller oss at jo lenger en stjerne er borte fra oss, jo høyere hastighet har den bort fra oss. Dette forholdet er proporsjonalt. b. Gjør et overslag på universets alder ved å bruke Hubbles lov. Hvilke(n) antagelse(r) må du gjøre? Kan sette inn v = r/t i ligningen over. Da antar vi at hastigheten (utvidelsen av universet) har vært konstant hele tiden. Vi vet at universet akselererer, gjennomsnittsfarten har vært lavere, og universet er derfor litt eldre enn som så, rundt 13,7 mrd år.
3. Nevn i korte trekk hvordan forskere ser for seg at universet har utviklet seg og hvordan fortsettelsen ser ut. - Alt begynte i Big Bang for rundt 13,7mrd år siden. Rom, materie og tid vart til samtidig. - I begynnelsen var alt en «glovarm suppe». Temperaturen var så høy at partikler ikke hadde 4. a. Hva er mørk materie og energi? Mørk materie og energi er noe som vi ikke vet hva er siden vi ikke har observert det (derav mørk). Noe kalles materie fordi det utøver gravitasjon, og noe kalles energi fordi det utøver krefter som virker ekspanderende og som motvirker gravitasjon. b. Hvilke observasjoner har gjort at forskere mener at dette eksisterer? Lys fra fjerne stjerner på vei mot oss bøyes av når det passerer store galakser pga gravitasjonskrefter. Lyset blir i midlertidig bøyd av mye mer enn hva den observerte massen i galaksene skulle tilsi. Studerer man bevegelsen til stjerner innad i galaksene finner man ut det samme. Derfor må det være noe mer som utøver gravitasjonskrefter (mørk materie) Kap 12 Elektrisitet: Universet akselererer utover, noe som egentlig er litt uforklarlig ettersom man skulle tro at gravitasjonskrefter forsøker å holde igjen og at det ikke skulle være noe som presser utover. Derfor må det være noe «energi-aktig» som får universet til å ekspandere. 5. Dersom man gnikker en ballong mot håret kan man få den til å henge på en vegg eller i et tak. Forklar hvordan dette er mulig. Når ballongen gnikkes mot håret hopper det en del negativt ladde elektroner (som sitter veldig «løst») over på ballongen. Ballongen vil derfor bli negativt ladd. Når ballongen kommer nær veggen, vil ladningene i veggen orientere seg slik at elektronene i veggen vil trekke innover i veggen og den blir positivt ladd ytterst. Da vil det virke elektriske krefter mellom den negativt ladde ballongen og de positive ladningene ytterst i veggen, og siden ballongen er såpass lett, er denne kraften sterk nok til å «overvinne» tyngdekraften. Sakte men sikkert vil ballongen utlades og til
slutt vil den falle ned. 6. Det avgis en varmeenergi på 30J når en ladning på 2C går gjennom en motstand på 10Ω. Hva er spenningen over motstanden? 7. Tegn et kretsdiagram som tilsvarer koblingen over. (De tre komponentene er alle vanlige motstander) Se boken side 301. 8. En lyspære er koblet i en strømkrets som vist i kretsdiagrammet under: Spenningskilden er et batteri som gir en likespenning på 10.0 V. Spenningen over lyspæren er 3.5 V og den er koblet i serie med en motstand på 30.0 Ω.
a. Regn ut strømmen i kretsen over. Kirchhoffs spenningslov gir spenningen over motstanden: Ifølge Ohms lov får vi da: Batteriet har en total elektrisk energi på 3600 kj. b. Hvor lenge kan batteriet forsyne denne kretsen med elektrisk energi? Batteriet gir en spenning på 10.0V og en strøm på 0.22A. Dette gir en effekt på: Som vi utfra definisjonen på effekt, P = W/t, kan bruke til å finne tiden: Som tilsvarer litt over 29 dager. 9. Under vises en strømkrets med tre motstander. Et amperemeter er koblet inn i den ene grenen av parallellkoblingen. Motstandene er gitt ved R 1 = 10.0 Ω, R 2 = 8.0 Ω og R 3 = 5.0 Ω. Ved en gitt spenning viser amperemeteret 100 ma. a. Hva er spenningen over motstanden R 2? b. Bestem hvilken spenning U som blir gitt av spenningskilden. Spenningen er den samme over grenene i en parallellkobling, så vi kan finne I 2
som I 2 = 0.8V/5.0Ω = 0.16A = 160mA. Kirchhoffs første lov gir da: og spenningen over R 1 blir da: Spenningen U vet vi fra Kirchhoffs lov er summen av seriespenningene i kretsen: De parallellkoblede motstandene kan også slås sammen til en motstand som vist under. c. Hva er sammenhengen mellom R P, R 1 og R 2? Regn ut hvor stor motstanden R P er. Motstander i parallell kan finnes ved: I vårt tilfelle blir: d. Hvorfor blir R P mindre enn både R 1 og R 2? Det blir lettere for elektronene å komme seg frem når strømmen blir delt og de slipper å «kjempe seg frem» sammen med så mange andre. I spesialtilfellet der den ene grenen i parallellkoblingen får veldig høy motstand i forhold til den andre, vil omtrent hele strømmen gå langs grenen med minst motstand. Da vil motstanden i parallellkoblingen være omtrent lik som den minste motstanden. 10. Du har et uthus med innlagt elektrisitet. Det eneste elektriske apparatet som står på er en lyspære på 60W. Prisen på strøm er 29.99 øre/kwh.
a. Hvor mye elektrisk energi bruker denne lyspæren i løpet av et år? b. Hva koster det deg å ha denne lyspæren stående på? Du erstattet lyspæren med en sparepære som bare bruker 1GJ i året. c. Hva er effekten til denne sparelyspæra? Hvor mye sparer du på et år? Da sparer du rundt 74kr på å bytte til denne pæra.