Lysavbøyning, comptoneffekt, to kast og leder gjennom magnetfelt Fysikk 2 E26
Lov på eksamen
- Skrivesaker og linjal
- Vedlegg i oppgavesettet
Ingen kalkulator eller digitale verktøy. Vedleggene i oppgavesettet kan brukes på begge deler.
Lest inn av KI og ikke kontrollert manuelt enda — kan inneholde feil.
Når lys passerer et himmellegeme, f.eks. et sort hull, blir det avbøyd.

Dag, Ole og Kristine diskuterer fenomenet når lyset passerer et himmellegeme, og kommer med følgende påstander:
Vurder påstandene til Dag, Ole og Kristine.
Arthur Compton fikk tildelt Nobelprisen i 1927 for sine eksperimenter som viste at lys har partikkelegenskaper. Gi en forklaring på comptoneffekten.
To like kuler A og B har samme høyde over et horisontalt underlag. A kastes vertikalt rett nedover. B kastes på skrå nedover med startfarten og danner vinkelen med horisontalen. Begge kulene kastes samtidig. Se bort fra luftmotstand.

Hvor stor må startfarten til A være for at kulene skal lande samtidig?
En kvadratisk leder beveger seg med konstant rettlinjet fart over et homogent rektangelformet magnetfelt. Magnetfeltet har flukstetthet (feltstyrke) . Sidene på kvadratet er , og resistansen i lederen er .

Grafen viser strømmen i lederen som funksjon av tiden.

Bestem farten til lederen.
Bestem absoluttverdien til .
Tegn en skisse av en graf som viser fluksen gjennom lederen som funksjon av tid fra til . Husk begrunnelse.
Fasit
Dag har rett, Ole tar feil (lysfarten i vakuum er alltid ), og Kristine har rett (gravitasjonell rødforskyvning).
Røntgenfotoner som spres på elektroner, får lengre bølgelengde fordi de gir fra seg energi og bevegelsesmengde til elektronene i et partikkelstøt.
1) 2) 3) Se graf: fluksen er null, øker lineært til , er konstant og avtar lineært til null.
LøsningsforslagKI-generert
Dag har rett. Etter den generelle relativitetsteorien krummer massen til himmellegemet tidrommet rundt seg, og lyset følger denne krumme geometrien. Ekvivalensprinsippet gir samme konklusjon: i et romskip som akselererer, ser en lysstråle på tvers av romskipet ut til å bøye av, og da må lys også avbøyes i et gravitasjonsfelt. Jo større masse, desto sterkere avbøyning.
Ole tar feil. Lysfarten i vakuum er for alle observatører som måler lokalt. Avbøyningen endrer retningen til lyset, ikke farten. Et foton kan ikke få større fart slik en ball i fritt fall får.
Kristine har rett. Lys som beveger seg bort fra himmellegemet, går ut av gravitasjonsfeltet og mister energi. Farten er fortsatt , så energitapet viser seg som lavere frekvens () og lengre bølgelengde: lyset blir rødforskjøvet (gravitasjonell rødforskyvning). Dette henger sammen med at klokker går langsommere nær et massivt legeme. På vei inn mot himmellegemet blir lyset blåforskjøvet like mye, så lys som bare passerer, har samme frekvens langt borte etter passeringen som før.
- Compton sendte røntgenstråling mot et stoff med løst bundne elektroner (grafitt) og målte bølgelengden til strålingen som ble spredt i ulike retninger.
- Den spredte strålingen hadde lengre bølgelengde enn den innkommende, og økningen ble større jo større spredningsvinkelen var. Dette kan ikke bølgemodellen forklare: der svinger elektronene i takt med den innkommende bølgen og sender ut stråling med samme frekvens.
- Forklaringen er at lyset består av fotoner med energi og bevegelsesmengde . Et foton støter mot et elektron som en partikkel mot en annen, og både energi og bevegelsesmengde er bevart i støtet.
- Elektronet får rekyl og kinetisk energi. Fotonet har derfor mindre energi og bevegelsesmengde etter støtet, altså lavere frekvens og lengre bølgelengde. Regningen gir , der er spredningsvinkelen, og dette stemte med målingene.
Comptoneffekten viser at fotoner har bevegelsesmengde og oppfører seg som partikler i støt.
Den horisontale og den vertikale bevegelsen er uavhengige av hverandre. Begge kulene har akselerasjonen nedover og starter i samme høyde. Tiden fram til landing avhenger derfor bare av den vertikale startfarten. Den horisontale komponenten til B bestemmer bare hvor B lander.
Den vertikale startfarten til B er
Med samme vertikale startfart og samme akselerasjon faller kulene like langt på samme tid. A må derfor kastes rett ned med .
Det induseres strøm bare når fluksen gjennom lederen endrer seg. Fra til er lederen utenfor feltet. Fra til er den på vei inn, og fluksen øker. Fra til er hele lederen inne i feltet, fluksen er konstant og strømmen null. Fra til er den på vei ut.
På vei inn flytter lederen seg en sidelengde på :
Kontroll: Lederen er helt inne i feltet i , så feltet er bredt. Det passer med figuren.
Mens lederen er på vei inn, er det bare den fremre siden som beveger seg i feltet. Den induserte spenningen er , og med Ohms lov er :
Fluksen er , der er den delen av kvadratet som er inne i feltet. Når hele kvadratet er inne, er fluksen

Begrunnelse:
- Etter Faradays lov er . Der strømmen er null, er fluksen konstant: før lederen kommer inn, og mens den er helt inne.
- Der strømmen har konstant absoluttverdi, endrer fluksen seg med konstant fart, så grafen er rette linjestykker. Arealet i feltet øker (og senere avtar) jevnt fordi farten er konstant.
- Stigningstallet stemmer: .
- Strømmen har motsatt fortegn på vei inn og på vei ut, fordi fluksen øker i det første tidsrommet og avtar i det andre (Lenz’ regel).
Vedlegg
Vedleggene i oppgavesettet til Fysikk 2 E2026. De kunne brukes på hele eksamen, også del 1 (om hjelpemidlene).
Åpne på egen side: Formelvedlegg