Instituttt for fysikk Eksamensoppgave i FY1001/TFY4145 Mekanisk Fysikk Faglig kontakt under eksamen: Jon Andreas Støvneng Tlf.: 45 45 55 33 Eksamensdato: 16. desember 2014 Eksamenstid (fra-til): 0900-1300 Hjelpemiddelkode/Tillattee hjelpemidler: C (Godkjent kalkulator; Rottmann, Matematisk formelsamling; Angell og Lian, Fysiske størrelser og enheter) Annen informasjon: Kun ett av svarene er rett på hver av de 18 deloppgavene på Oppgave 1. Du krysser av for A, B, C eller D i tabellen på det siste arket. Rett svar gir 2.5 poeng. Feil svar, flere svar eller ingen svar gir 0 poeng. Husk å skrive på emnekode og kandidatnummer i boksene over svartabellen. Oppgavene er utarbeidet av Jon Andreas Støvneng. Sensurfrist: 16. januar. Målform/språk: Bokmål og Nynorsk Antall sider med oppgaver: 5 (for hver målform) Antall sider med formler: 4 Antall sider med svartabell og julehilsen: 2 I alt 10 ark inklusive dettee forsidearket Kontrollert av: Dato Sign
FY1001/TFY4145 Mekanisk Fysikk Eksamen 16. desember 2014 FORMLER: Fete symboler angir vektorer. Symboler med hatt over angir enhetsvektorer. Formlenes gyldighetsområde og de ulike symbolenes betydning antas forøvrig å være kjent. Symbolbruk og betegnelser som i forelesningene. MEKANISK FYSIKK INKL SVINGNINGER Newtons andre lov: F = dp/dt Konstant akselerasjon: v = v 0 +at p = mv = mṙ x = x 0 +v 0 t+ 1 2 at2 Konstant vinkelakselerasjon: ω = ω 0 +αt θ = θ 0 +ω 0 t+ 1 2 αt2 Arbeid: dw = F dr Kinetisk energi: K = 1 2 mv2 r Konservativ kraft og potensiell energi: U(r) = F dr r 0 Friksjon, statisk: f µ s N kinetisk: f = µ k N Luftmotstand (liten v): f = kv Luftmotstand (stor v): f = Dv 2ˆv Tyngdepunkt: R CM = 1 r i m i 1 r dm Tyngdepunktbevegelsen: M M M R CM = F ytre i Sirkelbevegelse: v = rω Sentripetalakselerasjon: a = v 2 /r Baneakselerasjon: a = dv/dt = rdω/dt Dreiemoment: τ = (r r 0 ) F Statisk likevekt: ΣF i = 0 Στ i = 0 Dreieimpuls: L = (r r 0 ) p N2 rotasjon: τ = dl/dt Stivt legeme, refleksjonssymmetri mhp rotasjonsaksen: L = L b +L s = (R CM r 0 ) MV +I 0 ω Kinetisk energi, stivt legeme: K = 1 2 MV 2 + 1 2 I 0ω 2 Treghetsmoment: I = m i ri 2 r 2 dm i Stivt legeme, rotasjon om fast akse: K = 1 2 Iω2 N2 rotasjon, akse med fast orientering: τ = I dω dt Steiners sats (parallellakseteoremet): I = I 0 +Md 2 Gravitasjon: U(r) = GMm r F = GMm r 2 ˆr = ˆr du(r) dr V(r) = U(r) m g = F m = ˆrdV(r) dr Enkel harmonisk oscillator: ẍ+ω0x 2 = 0 T = 2π/ω 0 f = 1/T = ω 0 /2π Masse i fjær: ω 0 = k/m Matematisk pendel: ω 0 = g/l Fysisk pendel: ω 0 = mgd/i Fri, dempet svingning, langsom bevegelse i fluid: mẍ+bẋ+kx = 0 ẍ+2γẋ+ω0x 2 = 0 ω0 2 = k/m γ = b/2m Underkritisk demping (γ < ω 0 ) x(t) = Ae γt sin(ωt+φ) ω = ω0 2 γ2 Overkritisk demping (γ > ω 0 ) x(t) = Ae α1t +Be α 2t α 1,2 = γ ± γ 2 ω0 2 Kritisk demping (γ = ω 0 ) x(t) = Ae γt +Bte γt 1
Tvungen svingning, harmonisk ytre kraft: (partikulær-)løsning: x(t) = A(ω) sin(ωt + φ(ω)) F 0 /m amplitude: A(ω) = (ω 2 ω0 2)2 +(2γω) 2 halvverdibredde: Q-faktor: Q = ω 0 / ω ω 2γ mẍ+bẋ+kx = F 0 cosωt BØLGEFYSIKK Harmonisk plan bølge (forplantning i positiv x-retning): ξ(x,t) = ξ 0 sin(kx ωt+φ), k = 2π/λ, ω = 2π/T = 2πf Bølgeligning: Fasehastighet: v = λ/t = ω/k Gruppehastighet: v g = dω/dk 2 ξ(x,t) x 2 = 1 v 2 2 ξ(x,t) t 2 Lineær respons i elastiske, isotrope medier (Hookes lov): mekanisk spenning = elastisk modul relativ tøyning S = strekk-kraft, B = bulkmodul, E = elastisitetsmodul, G = skjærmodul For transversale bølger på streng: v = S/µ For longitudinale bølger (lydbølger) i fluider (gasser og væsker): v = B/ρ For longitudinale bølger i tynn stang (fast stoff): v = E/ρ For longitudinale (v P ) og transversale (v S ) bølger i faste stoffer (bulk): v P = (B +4G/3)/ρ ; v S = G/ρ Midlere energi pr lengdeenhet for harmonisk bølge på streng: ε = 1 2 µω2 y 2 0 Midlere energi pr volumenhet for harmonisk plan longitudinal bølge (lydbølge): ε = 1 2 ρω2 ξ 2 0 Midlere effekt transportert med harmonisk bølge på streng: P = vε = 1 2 vµω2 y 2 0 (Midlere) Intensitet i harmonisk plan longitudinal bølge (lydbølge): I = vε = 1 2 vρω2 ξ 2 0 2
Lydtrykk: Lydtrykksnivå: p = B ξ x β(db) = 10log I I 0 med I 0 = 10 12 W/m 2 Refleksjon og transmisjon av bølge på streng: y r0 = µ2 µ 1 µ2 + µ 1 y i0 ; y t0 = 2 µ 1 µ2 + µ 1 y i0 ; R = P r P i = ( yr0 y i0 ) 2 ; T = P t P i = 1 R Dopplereffekt: Svevning ( interferens i tid ): Interferens (romlig): f O = v +v m v O v +v m v S f S f S = f 1 f 2 I max for dsinθ = nλ (n = 0,1,2,...) RELATIVITETSTEORI Lorentzfaktor: γ = (1 v 2 /c 2) 1/2 Lorentztransformasjonene (S har hastighet v = vˆx i forhold til S): x = γ(x vt) y = y z = z t = γ (t v ) c 2x x = γ(x+vt) y = y z = z t = γ (t+ v ) c 2x Tidsdilatasjon: Lengdekontraksjon: t = γ t x = γ x Hastighet i S (u = u xˆx+u y ŷ +u z ẑ): u x = dx/dt u y = dy/dt u z = dz/dt Hastighet i S (u = u xˆx+u y ŷ +u z ẑ): u x = dx/dt u y = dy/dt u z = dz/dt Transformasjon av hastigheter: u x = (u x +v)/(1+u x v/c 2 ) u y = (u y /γ)/(1+u x v/c 2 ) u z = (u z /γ)/(1+u x v/c 2 ) Addisjon av hastigheter (alle hastigheter i samme retning; Einsteins addisjonsformel): v AC = v AB +v BC 1+v AB v BC /c 2 Relativistisk impuls: p = γmv 3
Relativistisk energi: E = γmc 2 ; E 0 = mc 2 ; K = E E 0 ; E 2 = (pc) 2 + (mc 2) 2 Elastisk prosess: E, p, K og m bevart. Uelastisk prosess: E og p bevart. MIDDELVERDI OG FEIL I MÅLINGER Gauss feilforplantningslov: ( q) 2 = n i=1 ( q a i a i ) 2 Middelverdi (gjennomsnittsverdi): x = 1 N Ni=1 x i ( Standardavvik (feil i enkeltmåling): δ x = 1 Ni=1 N 1 (x i x) 2) Standardfeil (feil i middelverdi): δ x = δ x / N KONSTANTER, OMREGNINGSFAKTORER OG DEKADISKE PREFIKSER Fundamentale konstanter: G = 6.67 10 11 Nm 2 /kg 2 g = 9.81 m/s 2 ) m e = 9.11 10 31 kg m p = m n = 1.67 10 27 kg h = 6.63 10 34 Js h = h/2π = 1.05 10 34 Js e = 1.60 10 19 C c = 3.00 10 8 m/s Omregningsfaktorer: 1 ev = 1.60 10 19 J 1 Å = 10 10 m Dekadiske prefikser: p = piko = 10 12, n = nano = 10 9, µ = mikro = 10 6, m = milli = 10 3, c = centi = 10 2, k = kilo = 10 3, M = mega = 10 6, G = giga = 10 9 4
FY1001/TFY4145 Mekanisk Fysikk Eksamen 16. desember 2014 Svartabell for Oppgave 1 Emnekode (FY1001 eller TFY4145): Kandidatnummer: Deloppgave A B C D 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 NB: Kontroller at du har satt nøyaktig ETT kryss for HVER av de 18 oppgavene!
FY1001/TFY4145 Mekanisk Fysikk Eksamen 16. desember 2014 GOD JUL!