Ladde kuler, tidsdilatasjon og kraft på leder

Del 1, uten hjelpemidler, med vedlegg

Ladde kuler, tidsdilatasjon og kraft på leder

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

To kuler med lik ladning Q og masse m henger i to like lange snorer. Vinkelen mellom snorene er θ, og avstanden mellom kulene er r.

To ladde kuler i snorer med vinkel theta og avstand r

Tegn kreftene som virker på kulene.

Bestem absoluttverdien til ladningen Q uttrykt ved størrelsene gitt i oppgaven og kjente konstanter.

Et romskip har konstant fart i forhold til jorda slik at lorentzfaktoren γ=2,0. Albert er om bord i romskipet og Bror står på jorda. En hendelse skjer på jorda. Albert måler at hendelsen tar 1,0 μs.

Albert i romskipet og Bror på jorda

Bruk den spesielle relativitetsteorien til å bestemme hvor lang tid Bror måler at hendelsen tar. Dersom romskipet er langt nok unna jorda, må vi også ta hensyn til den generelle relativitetsteorien.

Forklar hvordan svaret i oppgave b1 vil endres hvis vi også må ta hensyn til den generelle relativitetsteorien.

Hvorfor må vi bruke kvantefysikk for å forklare fenomenet fotoelektrisk effekt?

Du får utlevert følgende utstyr: spenningskilde, stavmagneter, ledninger, to metallskinner som er festet til et stativ, og en lederstav som er litt lengre enn avstanden mellom skinnene.

Utstyr: spenningskilde, stavmagneter, ledninger, metallskinner og lederstav

Gjør rede for hvordan du kan bruke utstyret til å demonstrere fenomenet kraft på leder i magnetfelt.

Fasit

1) Se kraftdiagram: tyngdekraft, snordrag og elektrisk frastøtende kraft på hver kule. 2) |Q|=rmgtan⁡(θ/2)ke

1) t0=0,50 μs 2) Bror måler kortere tid enn 0,50 μs, fordi klokker på jorda går saktere i det sterkere gravitasjonsfeltet.

Lysets energi er kvantisert i fotoner med energi hf. Bare det forklarer at løsrivingen avhenger av frekvensen og ikke av intensiteten.

Koble skinnene til spenningskilden, legg lederstaven over skinnene og plasser en stavmagnet slik at feltet står vertikalt ved staven. Staven ruller når strømmen slås på.

LøsningsforslagKI-generert

Hver kule påvirkes av tre krefter:

  • tyngdekraften G→, rett nedover, med G=mg
  • snordraget S→, langs snora mot opphengspunktet
  • den elektriske kraften F→e fra den andre kula, vannrett og bort fra den andre kula (like ladninger frastøter hverandre)

Kraftdiagram for de to ladde kulene

Kulene er i ro, så kraftsummen på hver kule er null. Hver snor danner vinkelen θ/2 med loddlinja. Vi dekomponerer snordraget i en vertikal og en horisontal komponent:

Vertikalt:Scos⁡θ2=mgHorisontalt:Ssin⁡θ2=Fe

Deler vi den andre likningen på den første, får vi Fe=mgtan⁡θ2. Coulombs lov gir Fe=keQ2r2, så

keQ2r2=mgtan⁡θ2⇒Q2=r2mgtan⁡(θ/2)ke
|Q|=rmgtan⁡(θ/2)ke

Hendelsen skjer på jorda, og Bror er i ro i forhold til den. Bror måler derfor egentiden t0. Albert beveger seg i forhold til hendelsen og måler en forlenget tid t=γt0:

t0=tγ=1,0 μs2,0=0,50 μs

Bror måler at hendelsen tar t0=0,50 μs.

Ifølge den generelle relativitetsteorien går klokker saktere jo sterkere gravitasjonsfelt de er i. Bror står på jordoverflaten i et sterkere gravitasjonsfelt enn Albert, som er langt unna jorda. Sett fra Albert går Brors klokke da saktere både på grunn av den relative farten og på grunn av gravitasjonen. Albert måler fortsatt 1,0 μs, så forholdet mellom tidene blir større enn γ, og Bror måler en kortere tid enn 0,50 μs.

Ifølge bølgemodellen for lys er energien spredt jevnt utover bølgen og øker med intensiteten. Da skulle vi vente at lys med hvilken som helst frekvens kan løsrive elektroner bare intensiteten er stor nok, og at elektronene får mer kinetisk energi når intensiteten øker. Forsøk viser noe annet:

  • Det finnes en grensefrekvens. Lys med lavere frekvens løsriver ingen elektroner, uansett hvor sterkt det er.
  • Den største kinetiske energien til elektronene avhenger bare av frekvensen. Sterkere lys gir flere elektroner, men ikke raskere elektroner.
  • Elektronene løsrives med en gang lyset treffer, uten forsinkelse.

Dette kan bare forklares hvis lyset består av fotoner med energi Ef=hf, der ett foton gir all energien sin til ett elektron. Einsteins likning hf=W+Ek viser at bare fotoner med hf≥W kan løsrive elektroner, og at Ek øker lineært med frekvensen. At lysets energi kommer i bestemte kvanter, er et kvantefysisk fenomen som klassisk fysikk ikke kan forklare.

Forsøket bygger på at en strømførende leder i et magnetfelt får en kraft F=IlB som står normalt på både strømretningen og feltet.

  • Oppsett: Koble den ene metallskinnen til plusspolen og den andre til minuspolen på spenningskilden (likespenning) med ledningene. Legg lederstaven på tvers over skinnene, slik at den lukker kretsen og strømmen går gjennom staven.
  • Magnetfelt: Plasser en stavmagnet slik at feltet ved lederstaven står normalt på staven, helst vertikalt, for eksempel på høykant rett under staven med den ene polen opp (eller hold den over staven). Flere magneter med samme pol opp gir sterkere felt.
  • Gjennomføring: Slå på spenningen kort og med lav spenning, siden kretsen nesten er en kortslutning. Staven begynner å rulle langs skinnene. Det viser at det virker en kraft på lederen.
  • Kontroller:
    • Uten magnet blir staven liggende, så kraften skyldes magnetfeltet.
    • Bytter vi polene på spenningskilden eller snur magneten, ruller staven motsatt vei. Retningen stemmer med høyrehåndsregelen.
    • Større strøm eller sterkere felt gir større akselerasjon, altså større kraft.
    • Holder vi magneten slik at feltet går langs staven, blir det ingen kraft.

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 H2023. De kunne brukes på hele eksamen, også del 1 (om hjelpemidlene).

Åpne på egen side: Faktavedlegg · Formelvedlegg · Programmeringsvedlegg

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