Elektronavbøyingsrør med to spenningskilder

Del 2, alle hjelpemidler

Elektronavbøyingsrør med to spenningskilder

Lest inn av KI og ikke kontrollert manuelt enda — kan inneholde feil.

Skisse av elektronavbøyingsrøret med akselerasjonsspenning U1, avbøyningsspenning U2, plateavstand d og origo

Bilde av elektronavbøyingsrøret i stativ med avbøyd elektronstråle

En gruppe elever kobler sammen et elektronavbøyingsrør i et stativ med to spenningskilder. Akselerasjonsspenningen er U1=2000 V. En spenning U2=3400 V mellom to horisontale plater bøyer elektronstrålen som vist på figurene over. Avstanden mellom disse platene er d=6,0 cm.

Hjelpemiddelkrav: Kalkulator

Regn ut farten v til elektronene etter at de er akselerert av spenningen U1.

Hjelpemiddelkrav: For hånd

Tegn en skisse av det elektriske feltet som virker mellom de horisontale platene, og den elektriske kraften på et elektron som er mellom disse platene.

Hjelpemiddelkrav: Kalkulator

Regn ut gravitasjonskraften som virker på elektronet, og bruk svaret til å begrunne hvorfor det er naturlig å se bort fra denne kraften i dette forsøket.

På bildet til høyre er origo det stedet der strålen kommer inn i det elektriske feltet mellom platene. Elektronenes posisjon i x- og y-retningen er henholdsvis sx og sy målt fra origo. Hver rute i rutenettet er 1,0 cm×1,0 cm.

Nærbilde av elektronstrålen over rutenettet med origo markert

Vi kan beregne bevegelsesmengden til elektronene ut fra elektronkanonen ved å bruke denne formelen:

p2=eU2sx2me2dsy
Hjelpemiddelkrav: Kalkulator

Les av en posisjon på elektronstrålen, og regn ut farten til elektronene ved å bruke denne formelen.

Vi øker spenningen U1 slik at farten til elektronene, vr, når de kommer ut fra elektronkanonen, er over 10% av lysfarten. Bildet under viser da banen til elektronene.

Bilde av elektronavbøyingsrøret med banen til elektroner med fart over 10 % av lysfarten

Hjelpemiddelkrav: For hånd

Skissér banen slik den ville blitt uten relativistiske effekter, men med den samme utgangsfarten vr.

Fasit

v=2,65⋅107 m/s

Feltet peker nedover fra den øvre (positive) til den nedre (negative) plata; den elektriske kraften på elektronet peker oppover. Se skisse.

G=8,9⋅10−30 N, omtrent 1015 ganger mindre enn den elektriske kraften Fe=9,1⋅10−15 N

Med sx=5,5 cm og sy=2,0 cm: v=2,7⋅107 m/s (avhenger noe av avlesningen)

Uten relativistiske effekter bøyes banen mer av (større sy for samme sx). Se skisse.

LøsningsforslagKI-generert

Det elektriske feltet mellom katoden og anoden gjør arbeidet eU1 på hvert elektron, og dette blir kinetisk energi (elektronene starter tilnærmet i ro):

eU1=12mev2⇒v=2eU1me
v=2⋅1,60⋅10−19 C⋅2000 V9,1094⋅10−31 kg=2,65⋅107 m/s

Dette er under 9% av lysfarten, så det er rimelig å regne klassisk.

Strålen bøyes oppover, så den elektriske kraften på elektronene peker oppover. Elektronet har negativ ladning, og kraften på en negativ ladning er motsatt rettet feltet. Feltet mellom platene peker derfor nedover, fra den øvre plata (positiv) til den nedre plata (negativ).

Mellom to parallelle plater er feltet tilnærmet homogent: feltlinjene er parallelle, like tette og står vinkelrett på platene. Feltstyrken er E=U2/d=3400 V/0,060 m=5,7⋅104 V/m.

Homogent elektrisk felt nedover mellom positiv øvre og negativ nedre plate, med elektrisk kraft oppover på elektronet

Gravitasjonskraften på et elektron er

G=meg=9,1094⋅10−31 kg⋅9,81 m/s2=8,9⋅10−30 N

Den elektriske kraften mellom platene er

Fe=eE=eU2d=1,60⋅10−19 C⋅3400 V0,060 m=9,1⋅10−15 N
FeG=9,1⋅10−15 N8,9⋅10−30 N≈1⋅1015

Den elektriske kraften er omtrent en million milliarder ganger større enn gravitasjonskraften. Gravitasjonskraften påvirker banen umerkelig, og det er naturlig å se bort fra den.

Tallene på rutenettet er ikke koordinater målt fra origo. Origo ligger omtrent en halv rute til høyre for rutelinja merket 2, og vi må måle sx og sy derfra. Vi velger et punkt der strålen går tydelig gjennom et krysningspunkt: rutelinja merket 7 og linja 2 cm over aksen. Det gir omtrent sx=7−1,5=5,5 cm og sy=2,0 cm.

p2=eU2sx2me2dsy=1,60⋅10−19 C⋅3400 V⋅(0,055 m)2⋅9,1094⋅10−31 kg2⋅0,060 m⋅0,020 m=6,25⋅10−46 kg2⋅m2/s2
p=2,50⋅10−23 kg⋅m/s

Farten er under 10% av lysfarten, så vi kan bruke p=mev:

v=pme=2,50⋅10−23 kg⋅m/s9,1094⋅10−31 kg=2,7⋅107 m/s

Dette stemmer godt med farten 2,65⋅107 m/s fra a). Fordi v er proporsjonal med sx/sy, er svaret følsomt for avlesningen. Andre rimelige avlesninger gir fra omtrent 2,6⋅107 m/s til 3,0⋅107 m/s. Bildet er dessuten tatt litt på skrå, og feltet mellom platene er ikke helt homogent, slik formelen forutsetter.

Når farten er over 10% av lysfarten, er bevegelsesmengden til elektronene p=γmev, som er større enn den klassiske verdien mev. Den elektriske kraften endrer bevegelsesmengden på tvers av banen like mye per tid i begge tilfeller (F=Δp/Δt), men fordi elektronet relativistisk sett har større treghet, gir dette mindre fart på tvers. Relativistisk bøyes strålen derfor mindre av enn den ville gjort klassisk.

Uten relativistiske effekter, men med samme utgangsfart vr, ville elektronene altså fått større akselerasjon på tvers, og banen ville bøyd mer av – omtrent γ ganger så stor sy for hver sx. Banen ligger fortsatt som en parabel fra origo, men krummer kraftigere og treffer høyere opp på rutenettet.

Illustrasjon: observert bane og skissert klassisk bane som bøyer mer av, med samme utgangsfart

Ved fart litt over 10% av lysfarten er γ≈1,005–1,01, så forskjellen er i virkeligheten bare rundt én prosent. Forskjellen i skissen er overdrevet for å vise retningen på effekten.

Forstå oppgaven med en KI

Du får en ferdig tekst du limer inn i den KI-chatboten du bruker. Teksten inneholder oppgaven og en instruks om at chatboten skal hjelpe deg å tenke selv — stille spørsmål, gi ett hint av gangen og la deg gjøre regningen.

Anbefalt. Chatboten får beskjed om å bruke det til å veilede deg riktig vei — ikke til å røpe svaret. Du kan slå det av hvis du vil være helt sikker på at ingenting lekker.

Hva du bør vite
  • Ingenting sendes herfra. Teksten kopieres bare til utklippstavla på enheten din. Det du limer inn i en chatbot, går til den tjenesten — og de har sine egne regler for hva de lagrer.
  • Ikke lim inn personopplysninger — navn, skole eller noe annet om deg selv eller andre. Oppgaveteksten holder.
  • KI kan ta feil, også i fysikk. Sjekk alltid mot løsningsforslaget her på siden.
  • Er du usikker på om du har lov til å bruke KI på skolearbeidet ditt, spør læreren din først.
Vedlegg

Vedleggene i oppgavesettet til Fysikk 2 H2021. De kunne brukes på hele eksamen, også del 1 (om hjelpemidlene).

Åpne på egen side: Faktavedlegg · Formelvedlegg

Tastatursnarveier

Navigasjon

⌘K / Ctrl+K
Åpne søk
G F
Gå til Fag
G E
Gå til Eksamener
G T
Gå til Temaer
G K
Gå til Kompetansemål
G H
Hjem
?
Vis snarveier

I oppgave

←/→ · J/K
Forrige / neste oppgave
0
Marker som ikke prøvd
1
Marker som prøvd
2
Marker som trenger hjelp
3
Marker som ferdig
S
Vis / skjul løsningsforslag
A
Legg til i liste
N
Skriv notat
Esc
Tilbake / avslutt