Elektronavbøyingsrør med to spenningskilder
Lov på eksamen
- Kalkulator
- CAS
- Graftegner og regneark
- Lærebok, formelsamling og egne notater
Ikke åpent internett, kommunikasjon med andre eller kunstig intelligens.
Kan den løses uten PC?
Alle deloppgavene kan løses uten PC.
Fra 2027 er det bare kalkulator og skriftlige hjelpemidler på del 2. Vurderingen er gjort med KI og kan inneholde feil.
Lest inn av KI og ikke kontrollert manuelt enda — kan inneholde feil.


En gruppe elever kobler sammen et elektronavbøyingsrør i et stativ med to spenningskilder. Akselerasjonsspenningen er . En spenning mellom to horisontale plater bøyer elektronstrålen som vist på figurene over. Avstanden mellom disse platene er .
Regn ut farten til elektronene etter at de er akselerert av spenningen .
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.
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 - og -retningen er henholdsvis og målt fra origo. Hver rute i rutenettet er .

Vi kan beregne bevegelsesmengden til elektronene ut fra elektronkanonen ved å bruke denne formelen:
Les av en posisjon på elektronstrålen, og regn ut farten til elektronene ved å bruke denne formelen.
Vi øker spenningen slik at farten til elektronene, , når de kommer ut fra elektronkanonen, er over av lysfarten. Bildet under viser da banen til elektronene.

Skissér banen slik den ville blitt uten relativistiske effekter, men med den samme utgangsfarten .
Fasit
Feltet peker nedover fra den øvre (positive) til den nedre (negative) plata; den elektriske kraften på elektronet peker oppover. Se skisse.
, omtrent ganger mindre enn den elektriske kraften
Med og : (avhenger noe av avlesningen)
Uten relativistiske effekter bøyes banen mer av (større for samme ). Se skisse.
LøsningsforslagKI-generert
Det elektriske feltet mellom katoden og anoden gjør arbeidet på hvert elektron, og dette blir kinetisk energi (elektronene starter tilnærmet i ro):
Dette er under 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 .

Gravitasjonskraften på et elektron er
Den elektriske kraften mellom platene er
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 og derfra. Vi velger et punkt der strålen går tydelig gjennom et krysningspunkt: rutelinja merket 7 og linja over aksen. Det gir omtrent og .
Farten er under av lysfarten, så vi kan bruke :
Dette stemmer godt med farten fra a). Fordi er proporsjonal med , er svaret følsomt for avlesningen. Andre rimelige avlesninger gir fra omtrent til . Bildet er dessuten tatt litt på skrå, og feltet mellom platene er ikke helt homogent, slik formelen forutsetter.
Når farten er over av lysfarten, er bevegelsesmengden til elektronene , som er større enn den klassiske verdien . Den elektriske kraften endrer bevegelsesmengden på tvers av banen like mye per tid i begge tilfeller (), 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 , ville elektronene altså fått større akselerasjon på tvers, og banen ville bøyd mer av – omtrent ganger så stor for hver . Banen ligger fortsatt som en parabel fra origo, men krummer kraftigere og treffer høyere opp på rutenettet.

Ved fart litt over av lysfarten er –, så forskjellen er i virkeligheten bare rundt én prosent. Forskjellen i skissen er overdrevet for å vise retningen på effekten.
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