Negativ ladning som svinger mellom to positive kuler

Del 2, alle hjelpemidler

Negativ ladning som svinger mellom to positive kuler

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

To små positivt ladede kuler er i en avstand 2d fra hverandre, der d=4,0 cm. Kulene er på x-aksen, og origo er midt mellom dem. Kulene holdes hele tiden i ro. Et punkt P på y-aksen har en avstand R=2,0 cm fra origo. Ladningen til hver av kulene Q=7,0⋅10−9 C.

To positive ladninger Q på x-aksen i avstand d fra origo, og punktet P på y-aksen i avstand R fra origo

Hjelpemiddelkrav: For hånd

Hvor stor er den elektriske feltstyrken i origo?

Hjelpemiddelkrav: For hånd

Tegn en figur som viser retningen til den elektriske feltstyrken i punktet P.

En liten negativ ladet gjenstand med ladning q=−5,0⋅10−9 C, og masse m=1,0 g, slippes fra ro i punktet P. Se bort fra alle andre krefter enn den elektriske kraften som virker på gjenstanden. Det kan vises at absoluttverdien til den elektriske feltstyrken i punktet P er

E=2keRQ(d2+R2)3/2.
Hjelpemiddelkrav: For hånd

Vis at absoluttverdien til akselerasjonen til gjenstanden er

a=2keRQ⋅|q|m(d2+R2)3/2,

når den er en avstand R fra origo.

Hjelpemiddelkrav: Oppsett for hånd

Hvor lang tid vil det ta fra gjenstanden slippes, og til den kommer tilbake til punktet P? Du kan ta utgangspunkt i koden ved siden av.

ke = 8.99E9
Q = 7.0E-9
q = -5.0E-9
d = 4.0E-2
R = 2.0E-2
m = 1.0E-3
v = 0
t = 0
dt = 0.01
while      :
⋮
print(t)
Fasit

E=0

Se figur: Den elektriske feltstyrken i P peker langs y-aksen, bort fra origo.

a=|q|Em=2keRQ⋅|q|m(d2+R2)3/2

t=2,3 s

LøsningsforslagKI-generert

Hver av kulene gir en elektrisk feltstyrke i origo med størrelse

E1=E2=keQd2=8,99⋅109 Nm2/C2⋅7,0⋅10−9 C(0,040 m)2=3,9⋅104 N/C

Kulene er positive, så feltet fra hver kule peker bort fra kula. Feltet fra kula til venstre peker mot høyre, og feltet fra kula til høyre peker mot venstre. Feltstyrkene er like store og motsatt rettet, så summen blir

E=0

Feltet fra hver kule peker bort fra kula, langs linja fra kula til P. Feltene fra de to kulene er like store, siden P ligger like langt fra begge. På grunn av symmetrien er x-komponentene like store og motsatt rettet, så de opphever hverandre. y-komponentene peker begge oppover og legges sammen.

Elektriske feltstyrker fra hver av kulene i P og den resulterende feltstyrken langs y-aksen, bort fra origo

Den resulterende elektriske feltstyrken E→ i P peker langs y-aksen, bort fra origo.

Den eneste kraften på gjenstanden er den elektriske kraften. Den har størrelse

F=|q|E

Siden q er negativ, peker kraften motsatt vei av feltet, altså mot origo. Newtons 2. lov gir absoluttverdien til akselerasjonen:

a=Fm=|q|Em=|q|m⋅2keRQ(d2+R2)3/2=2keRQ⋅|q|m(d2+R2)3/2

I P er akselerasjonen a=0,14 m/s2.

På grunn av symmetrien har feltet på y-aksen ingen x-komponent, så gjenstanden beveger seg langs y-aksen. Kraften peker hele tiden mot origo. Gjenstanden får størst fart i origo (der feltet er null), bremses opp på den andre siden og snur i y=−R (energibevaring). Så går den tilbake og snur igjen i P.

Akselerasjonen varierer med posisjonen, så vi kan ikke bruke formlene for konstant akselerasjon. Vi løser bevegelsen numerisk med Eulers metode. Formelen for feltet gjelder i alle punkter på y-aksen hvis vi bytter ut R med posisjonen y. Bruker vi y med fortegn, får feltet riktig fortegn: Ey>0 over origo og Ey<0 under. Med a=qEym og negativ q peker akselerasjonen da automatisk mot origo.

Gjenstanden er tilbake i P når den snur på toppen igjen, det vil si når farten skifter fra positiv til null eller negativ. Det bruker vi som stoppbetingelse i while-løkka:

ke = 8.99E9
Q = 7.0E-9
q = -5.0E-9
d = 4.0E-2
R = 2.0E-2
m = 1.0E-3
v = 0
t = 0
dt = 0.001

y = R            # posisjonen på y-aksen, starter i P
v_forrige = 0    # farten i forrige tidssteg

# Løkka går til farten skifter fra positiv til null eller negativ,
# det vil si når gjenstanden snur på toppen igjen (i P)
while not (v_forrige > 0 and v <= 0):
    E = 2*ke*y*Q/(d**2 + y**2)**(3/2)   # feltet langs y-aksen (fortegnet følger y)
    a = q*E/m                           # Newtons 2. lov med F = qE
    v_forrige = v
    v = v + a*dt
    y = y + v*dt
    t = t + dt

print(f"t = {t:.2f} s")

Programmet skriver ut

t = 2.28 s

Med dt=0,01 s som i den oppgitte koden blir svaret også 2,28 s. Det tar altså 2,3 s fra gjenstanden slippes, til den er tilbake i P.

Sensorveiledning

Oppgaven gir til sammen 5 poeng

2 poeng
  • Dersom det bare forekommer syntaksfeil i koden, skal det gis poeng i rimelig omfang.
  • Dersom det vesentligste er kommet med i koden, men programmet ikke kjører, skal det gis en rimelig uttelling.
  • Dersom programmet kjører, men det er en logisk feil, skal det ikke gis full uttelling.

1 poeng: Regner riktig tid fra punktet P til origo.

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 V2025. 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