Fysik STX A eksamen 2. juni 2015 Vejledende svar | Oversigt
Svar på opgave 1: Laserbehandling
hvor ℏ er Plancks konstant, c er lysets hastighed og lambda er lysets bølgelængde. Man indsætter:
ℏ = 6,63·10−34 J·s, λ = 532 nm og c = 3,00·108 m/s, og man får:
Efoton = (6,63·10−34 J·s)·(3,00·108 m/s)/(532·10-9 m) = [6,63·3,00/532]·10−34·108/10-9 (J·s·m/s)/m =
[6,63·3,00/532]·10−34+8+9 J = 3,74·10-19 J.
Dette kan omskrives til eV, idet 1 eV = 1,602·10-19 J. Man får: (3,74·10-19 J)/(1,602·10-19 J/eV) = (3,74/1,602) eV = 2,33 eV.
Dvs. fotonens energi er 2,33 eV
Den energi, der kræves, er givet ved formlen: ΔE = m·ΔT·cp + m·Lf,
hvor m er vandets masse, ΔT ændingen i temperatur under opvamning til kogepunkt, cp er vandets specifikke varmekapacitet og Lf er vandets fordampningsvarme.
Hudens temperatur er ca. 35 °C. Dvs. ΔT = (100 - 35) °C = 65 °C (eller 65 K).
Fra tabelopslag har man: cp = 4,18 J/(g·K) og Lf = 2250 kJ/kg.
Man får følgende ligning, som skal løses med hensyn til vandets masse m:
5,3 J = m·(65 K)·(4,18 J/(g·K)) + m·(2250 kJ/kg) ⇒ 5,3 J = m·(65·4,18 + 2250) J/g ⇒
m = [5,3/(65·4,18 + 2250)] g ⇒ m = 0,002102 g
Dvs. på et sekund fordamper 2,1 mg vand
Svar på opgave 2: Napoleons død
Der gælder følgende formel for aktiviteten af As: A = k·N. Her er A aktiviteten, k er aktivitetskonstanten og N er antallet af 76As-kerner.
Aktivitetskonstanten k findes som ln(2) divideret med halveringskonstanten. Ved tabelopslag findes halveringskonstanten for henfald af 76As til 26,3 timer. Dette giver, at k = ln(2)/(26,3 timer) = 0,6931/(26,3·3600 s) = 0,00000732 s-1
A = 46,5 Bq = 46,5 s-1. Dette giver følgende ligning for N, antallet af 76As-kerner:
46,5 s-1 = 0,00000732 s-1·N ⇒ N = 46,5/0,00000732 = 6,35·106
Dvs. massen af 76As-kerner er 6,35·106·1,260·10-22 g = 8,00·10−16 g, hvilket er mindre end 2,92·10-14 g
Svar på opgave 3: Kenguru
F = 2,1 kN og m = 575 kg. Det giver følgende acceleration: a = (2100 N)/(575 kg) = 3,65 m/s2
Her er ΔE = 36 MJ og Δt = Δs/Δv = 95 km/(38 km/t).
Det giver effekten: P = 36 MJ/(95 km/(38 km/t)) = (36·106 J)/(95 km/(38 km/3600 s)) = [36·38/(95·3600)]·106 J/s = 4000 W = 4,0 kW
Svar på opgave 4: Copenhagen Suborbitals
ΔEkin = (1/2)·(144,6 kg)·(331 m/s)2 = 7,921·106 kg·m2/s2 = 7,92 MJ
Man finder maksimumværdien af stedfunktionen s(t), der er givet som integralet af v(t) fra start indtil det tidspunkt, hvor den lodrette hastighed er lig med 0. Man bruger en graf af v(t) som funktion af tiden for at vurdere dette integrale.
I dette tilfælde vurderes integralet eller arealet under kurven ved hjælp af en trekant ABC, der er vist med rødt nedenunder.
(A = starthastighed.
A-B: ret linje over x-aksen, der viser konstant acceleration opad, som skyldes rakettens brændstof.
B = største hastighed, der indtræder hvor brænstoffet slipper op.
B-C: Herefter forsætter raketten opad kun påvirket af tyngdekraften, der bremser raketten.
C = toppunkt for raketten, idet hastigheden er 0, når raketten vender.
Efter C er raketten stadig kun påvirket af tyngdekraften, der nu øger hastigheden nedad.)
Trekantens areal er 0,5·højde·grundlinje = 0,5·(356,4 m/s)·(45,7 s) = 8144 m.
Dvs. rakettens maksimale højde er 8,14 km
Svar på opgave 5: Bobslæde
Da der ikke er nogen gnidning, er den mekaniske energi bevaret, dvs. ΔEp = ΔEk, hvor ΔEp er ændringen i potentiel energi og ΔEk er ændringen i kinetisk enrgi.
Dette giver m·Δh·g = (1/2)·m·v2 ⇒ v = √[2·Δh·g], hvor Δh er højdeforskellen mellem start og mål på banen, g er tyngdeaccelerationen og v er farten.
Tallene indsættes: v = √[Δh·g·2] = √[2·(114,3 m)·(9,82 m/s2)] = √[2·114,3·9,82 m2/s2] = 47,4 m/s
Dvs. den maksimale fart er 47,4 m/s
Gnidningskraftens størrelse er |FN|·μ, hvor FN er normalkraften og μ er gnidningskoefficienten. Normalkraften er på det lige vandrette stykke lig med 630 kg·9,82 m/s2 = 6187 N.
Man får at tabet i mekanisk energi er: ΔEM = (50 m)·(6187 N·0,0095 + 48 N) = 50·(6187·0,0095 + 48) J = 5338,8 J = 5,34 kJ
Tyngdekraften er masse gange tyngdeacceleration = (630 kg)·(9,82 m/s2) = 6186,6 N. Dette er tegnet ind på figuren som FT. Den har retning lodret nedad.
Af figuren nedenunder fremgår det, at bobslædens normalretning i forhold til underlaget har en vinkel på 73° i forhold til lodret og dermed en vinkel på 90° - 73° = 17° i forhold til vandret.
Normalkraften danner en retvinklet trekant sammen med den resulterende kraft og en repræsentant for tyngdekraften som vist på figuren. Det ses, at normalkraften (FN) gange sinus til 17° er lig med tyngdekraften, dvs. |FN|·sin(17°) = 6186,6 N ⇒ |FN| = (6186,6 N)/sin(17°) = 21160 N.
Om den resulterende kraft gælder, at...
tan(17°) = |FT|/|FR| ⇒ |FR| = |FT|/tan(17°) = 6186,6 N/tan(17°) = 20236 N.
For at finde hastigheden i cirkelbevægelsen benytter man, at den resulterende krafts størrelse i en jævn cirkelbevægelse er lig med m·v2/r, hvor m er massen af bobslæde med mandskab, v er hastigheden og r er cirklens radius. Dette giver:
20236 N = (630 kg)·v2/(20 m) ⇒ v = √[(20236 N)·(20 m)/(630 kg)] = √[20236·20/630 m2/s2] = 25,35 m/s
Svar på opgave 6: Eltandbørste
Effekten er 230 V·4,0 mA = 230·4,0·10-3 W = 0,92 W
Der gælder, at dB/dt kan aflæses for tidspunktet 0,01 ms ved hjælp af hældningen til nedenstående kurve af B mod t.
Hældningen i t = 0,010 ms ses af den blå tangent at være: [(-0,35 - 0,35) mT]/[(0,013 - 0,007) ms] = (-0,70/0,006) mT/ms = (-0,70/0,006) T/s = -117 T/s.
Dvs. den inducerede spænding i spolen til tiden t = 0,010 ms er: -82·1,8 cm2·(-117 T/s) = -82·1,8·(-117) cm2·(V⋅s/m2)/s = 17269 (0,01 m)2·(V⋅s/m2)/s = 17269·10-4 m2·(V⋅s/m2)/s = 1,7269 V = 1,73 V
Svar på opgave 7: MiniBooNE
Ud over impulsbevarelse skal der også gælde energibevarelse. For partiklernes energi gælder, at E2 = (m0)2·c4 + p2·c2 ⇒ E = √[(m0)2·c4 + p2·c2], hvor E er partiklens energi, m0 er partiklens hvilemasse og p er dens impuls.
Emeson = √[(493,7MeV/c2)2·c4 + 02·c2] = 493,7 MeV. K+ mesonens hvilemasse er fundet til 493,7 MeV/c2 i en tabel.
Emyon = √[(105,7 MeV/c2)2·c4 + p2·c2]. Antimyonens hvilemasse er fundet i en tabel til 105,7 MeV/c2.
Eneutrino = √[0 + p2·c2] = p·c, da myonneutrinoens hvilemasse kan sættes til 0.
Dette giver følgende energibevarelsesligning: 493,7 MeV = √[(105,7 MeV/c2)2·c4 + p2·c2] + p·c
Denne ligning løses i Ti-Nspire:
solve(493.7*mev=p*c+sqrt((105.7*mev)2+p2*c2),p) ▸ p=235.535*mev/c or mev=0.
Dvs. antimyonens impuls er p = 235,5 MeV/c