2015 Lp4 - Luleå tekniska universitet

Studieguide
Fysik 3
F0006T
7,5 hp
Erik Elfgren
2015-03-13
Innehållsförteckning
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Inledning – varför läsa Fysik 3? ............................................................................................... 2
Förkunskaper ............................................................................................................................ 2
Syfte ......................................................................................................................................... 2
Lärandemål ............................................................................................................................... 2
Innehåll ..................................................................................................................................... 2
Vad förväntas av dig? ............................................................................................................... 2
Laborationer ............................................................................................................................. 3
Undervisning ............................................................................................................................ 3
Examination ............................................................................................................................. 3
Utvärdering ............................................................................................................................... 3
Litteratur ................................................................................................................................... 3
Planering ................................................................................................................................... 4
Numeriska svar på uppgifter i YF ............................................................................................ 5
Examinator: Erik Elfgren, E136, elf@ltu.se, 0920-492056
Institutionen för teknikvetenskap och matematik
Luleå tekniska universitet
Erik Elfgren (elf@ltu.se)
Studieguide, Fysik 3 (F0006T)
1/5
1 Inledning – varför läsa Fysik 3?
Hur fort går tiden? Varför är kärnavfall farligt? Hur stort är universum? Hur räknar man på en varierande
acceleration? Rullar en tom ölburk fortare än en full? Varför är det svårare att cykla långsamt? Hur kan
vinden få en bilbro att gunga? Dessa, och många andra frågor får du svar på i Fysik 3. Kursen ger dig en solid
påbyggnad som hjälper dig att bättre förstå de tillämpningar du stöter på senare i utbildningen för att inte tala
om arbetslivet. Kunskaperna i fysik ger dig en god bas för forskning och utveckling inom vilket område du
än bestämmer dig för att jobba. De ger också en bredd som är nödvändig för att hänga med i dagens
föränderliga samhälle. Fysik 3 ingår därför i de flesta civilingenjörsprogram. Välkommen!
2 Förkunskaper
Grundläggande behörighet, F0004T – Fysik 1, samt M0029M – Differentialkalkyl (eller motsvarande).
3 Syfte
Kursens syfte är att ge dig förståelse för grundläggande mekanik och modern fysik samt att förbereda dig
inför arbetslivet och framtida ingenjörskurser relaterade till dessa ämnen.
4 Lärandemål
Efter fullgjord kurs
1. Kunskap och förståelse
 kan du förklara begreppen arbete, energi, rörelsemängd, rörelsemängdsmoment och
tröghetsmoment
 kan du förklara begreppen tidsdilatation, längdkontraktion och radioaktiv strålning
2. Färdighet och förmåga
 kan du frilägga och räkna på tvådimensionella dynamiska förlopp för partiklar och stela kroppar
t.ex. vid enkel rotation, fysisk pendelsvängning, satellitrörelse, godtyckliga stötar och ickekonstant acceleration
 kan du beräkna masscentrums läge för godtyckliga tvådimensionella kroppar
 kan du tillämpa mekaniska energisatsen på system med roterande delar
 kan du räkna på endimensionell speciell relativitetsteori
 kan du genomföra energiberäkningar för radioaktiva sönderfall och kärnreaktioner
 kan du skriftligen presentera vetenskapliga resultat på ett strukturerat sätt
3. Värderingsförmåga och förhållningssätt
 kan du delta i samhällsdebatten i kärnkraftsfrågan på ett informerat sätt
 har du kännedom om den moderna fysikens världsbild och ditt eget ansvar för att utveckla
hållbara tekniska lösningar
5 Innehåll
I Fysik 3 ingår följande moment
 speciell relativitetsteori
 kärn- och partikelfysik
 radioaktivitet
 strålningsrisker och användandet
av radioaktiva isotoper inom
teknik och medicin
 astrofysik och kosmologi
 masströghetsmoment
 stel kropps rörelse (translation
och rotation)
 dynamiska kraftmoment och
lagerkrafter
 rörelsemängdsmoment och stela
kroppars dynamik





masscentrums rörelse
tvådimensionell stöt, stöttal
gravitation, satellitrörelse
periodisk rörelse
rörelse med icke-konstant
acceleration
 polära koordinater
6 Vad förväntas av dig?
Totalt bör du lägga ner ca 20 timmar per vecka (inklusive ca 4 timmar lektioner per vecka) på Fysik 3. Du
förväntas räkna de rekommenderade uppgifterna (se planeringen nedan), aktivt delta i lektionerna genom att
fundera själv, ställa frågor och diskutera. Ett tips är att gå på räknestugan för att få hjälp med att lösa
uppgifterna. Det finns också Bonusuppgifter (länk finns på Fronter) som är en god repetitionsmöjlighet,
Erik Elfgren (elf@ltu.se)
Studieguide, Fysik 3 (F0006T)
2/5
samtidigt som de ger bonuspoäng på tentan. Inför de två laborationerna ska ni ha gjort
förberedelseuppgifterna och tittat igenom instruktionerna. Ni får samarbeta med bonusuppgifterna, men du
måste själv lösa dina uppgifter. Ni får inte plagiera laborationsrapporten.
7 Laborationer
Det är två obligatoriska laborationer i kursen: ”Radioaktivitet” och ”Rotationsmekanik”. Det finns
förberedelseuppgifter som ska göras inför båda laborationerna. Om du kommer dåligt förberedd kan du
avvisas från labben. En rapport i Radioaktivitet ska lämnas in inom två veckor efter laborationstillfället,
syftet är att ni ska få träna på att skriva rapporter och den förväntas hålla högre kvalitet än den ni gjorde i
Fysik 1. Det är otroligt värdefullt att kunna skriva en lättbegriplig rapport. Om du inte rättar enligt lärarens
kommentarer kan du underkännas och får då återkomma vid ett senare kurstillfälle. Rapporterna
plagiatkontrolleras. En kortare rapport i Rotationsmekanik ska redovisas under laborationen. Båda
laborationerna har två olika moment.
8 Undervisning
Under Föreläsningarna lär du dig teori och ser demonstrationer, på Tillämpningarna går ni igenom exempel
och tillämpningar, räknar själva och diskuterar med varandra och med läraren. Du lär dig också metodik och
hur du kan tänka för att lättare lösa problem.
9 Examination
Examinationen sker genom
 Bonusuppgifter: 0-2 bonuspoäng på tentan (0,1 bonuspoäng per 5%)
 Två laborationer och en laborationsrapport (en rapport som följer alla rapportinstruktioner i
labbhandledningen och saknar allvarliga fel ger 0,5 bonuspoäng på tentan)
 Tentamen är skriftlig med 4-6 uppgifter på totalt 18 poäng. Bonuspoängen räcker endast till den ordinarie
tentan. Bonusfrågor kan även göras inför omtentamen.
Betygsskala: 3a: 9-12; 4a: 12,5-15; 5a: 15,5-20,5
Tentamenstid: 5 tim
Tentauppgifterna byggs på
 Förståelse av centrala delar av kursen
 Rekommenderade uppgifter i boken och tilläggskompendiet i mekanik
 Uppgifter räknade på Föreläsningar, Tillämpningar och laborationer, speciellt demonstrationer
 Gamla tentor
Hjälpmedel på tentamen i Fysik 3
 Boken Physics Handbook med Tilläggshäfte (det är tillåtet att ha blanka sidmarkeringslappar och
färgmarkering, men utan text)
 Appendixet i kompendiet Problemlösning
 Räknedosa och ritmateriel
10 Utvärdering
Kursutvärdering sker elektroniskt (med EvaSys) i slutet av kursen. Examinator (Erik Elfgren, elf@ltu.se)
välkomnar också löpande feedback, frågor, synpunkter och förbättringsförslag.
11 Litteratur
 Young H. D., Freedman R. A., University Physics with Modern Physics Technology
Update, 13th edition, Pearson 2013, ISBN: 978-0-321-76219-1 eller motsvarande (tex
ISBN: 9780321709998, 9780321762191, 9780321762184). Även upplaga 12 (eller 11)
kan fungera hyggligt.
 Nordling C., Österman J., Physics Handbook, Studentlitteratur, ISBN: 9144044534
(upplaga 8, 2006). Även tidigare upplagor av Physics Handbook kan fungera.
 Övrigt: Diverse material såsom kompendier, kompletterande formelsamling och
laborationshandledningar som läggs i den webbaserade lärplattformen Fronter.
Erik Elfgren (elf@ltu.se)
Studieguide, Fysik 3 (F0006T)
3/5
12 Planering
YF = Young & Freedman: University Physics, upplaga 13.
M = tilläggskompendium i mekanik (finns på hemsidan i Fronter).
Q = bokens ”Discussion Questions”.
Kursiv stil innebär att avsnittet läses kursivt, dvs innehållet behöver inte kunnas i detalj.
Under Rekommenderade uppgifter finns räkneuppgifter att träna på i anslutning till respektive föreläsning. Om du gör
bonusuppgifterna räcker det med att du räknar de med fet stil, annars bör du räkna alla. Planeringen för YF:s upplaga 11 &
12 finns på Fronter (fast ordningen och antal uppgifter är ändrade). Gamla tentor och lösningar finns här.
Modern fysik
1 F1 YF 37.1–37.3
Innehåll
Kursintroduktion; Relativitetsteori –
Einsteins postulat, tidsdilatation
2 F2 YF 37.4
Relativitetsteori – längdkontraktion,
YF 37.6–37.8
dopplerskift, relativistisk mekanik
3 T1 Tillämpning
Relativitetsteori
4 F3 YF 43.1–43.3
Kärnfysik – atomkärnor, bindningsenergi,
α-, β-, γ-strålning
5 F4 YF 43.4–43.5
Kärnfysik – sönderfallslagen,
aktivitetslagen, absorberad strålning
6 F5 YF 43.6–43.8
Kärnfysik – kärnreaktioner, Q-värde,
fission, kärnreaktorer, fusion
7 T2 Tillämpning
Kärnfysik
8 F6 YF 44
Partikelfysik och kosmologi
Mekanik
Innehåll
9 F1 YF 4-7
Newtons lagar, arbete, energi, friläggning;
YF 8.1–8.4; M3
Rörelsemängd, impuls, stöt
10 F2 YF 8.5
Masscentrum och dess rörelse
M4
Beräkning av masscentrum
11 T1 Tillämpning
Friläggning och masscentrum
12 F3 YF 9.1-9.3
Rotationskinematik, samband mellan linjär
rörelse och rotationsrörelse
13 F4 YF 9.4; YF 9.5–9.6 Rotationsenergi, tröghetsmoment
M6
14 T2 Tillämpning
Rotationsenergi, tröghetsmoment
15 F5 YF 10.2
Momentekvationen och vinkelacceleration
M 7.1
Lagerkrafter
16 T3 Tillämpning
Momentekvationen, lager
17 F6 YF 10.3 YF 10.4 Allmän rörelse, arbete och effekt
M 7.2
Momentancentrum
18 T4 Tillämpning
Allmän rörelse, momentancentrum
19 F7 YF 10.5–10.6
Rörelsemängdsmoment
20 T5 Tillämpning
Rörelsemängdsmoment
21 F8 YF 14.1–6
Svängningar: Harmonisk, pendeln
22 F9 YF 14.7–8
Dämpad och tvungen svängning
23 F10 M 2
Polära koordinater
M5
Icke-konstant acceleration
24 T6 Tillämpning
Svängning, polära koordinater, acceleration
25 F11 YF 13.1–13.5
Gravitation, satellit- och planetrörelse
YF 13.7 YF13.8
Skenbar tyngd, svarta hål
26 T7 Tillämpning
Lösningsmetodik inför tentan
Erik Elfgren (elf@ltu.se)
Rekommenderade uppgifter
37.2 37.5
37.9 37.10 37.13 37.25 37.26 37.29 37.32 37.33 37.35
37.36 37.37 37.52 37.57 37.67 Q37.3 Q37.13
43.7 43.10 43.12 43.13 43.15 43.16 43.61 Q43.3 Q43.9
43.26 43.30 43.37 43.64 43.65 43.69 43.76 Q43.18
43.25 43.40 43.45 43.46 43.50 43.72 43.78
Rekommenderade uppgifter
4.47 4.50 5.74 5.115 6.85 7.55 7.81 Q4.33 Q5.21 Q6.12
8.27 8.82 Q8.9 M3.1 3.2 3.3 3.4 3.6
8.52 8.54 8.56 8.58 Q8.18 Q8.19
M4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8
9.10 9.16 9.22 9.23 Q9.4
9.30 9.35 9.47 9.55 9.83 9.87 Q9.10
M6.1 6.3
10.2 10.4 10.58 10.59 10.68 Q10.7
M7.1 7.2 7.4
10.19 10.31 10.71 10.76 10.85 Q10.9
M7.6
10.37 10.41 10.45 10.91 10.94 Q10.24
14.3 14.12 14.54 14.85 14.97 14.98 Q14.1 Q14.13
14.63
M2.1 2.4
M5.1 5.3 5.4
13.2 13.17 13.19 13.51 13.80
Q13.1 Q13.16
Studieguide, Fysik 3 (F0006T)
4/5
13 Numeriska svar på uppgifter i YF
Svaren är förkortade och numeriska för att spara plats (övriga svar finns längst bak i boken):
4.47
4.50
5.74
5.115
6.85
7.55
7.81
8.27
8.52
8.54
8.56
8.58
8.82
9.10
9.16
9.22
9.23
9.30
9.45
9.55
79,6 N
a) 2,93 m/s2; b) 11,1 m/s2
a) 21,1 N; b) 12,7 N
b) 0,28; c) nej
a) 0,600 m; b) 1,50 m/s
4,4 m/s
119 J
a) 7,20 m/s; b) -680 J
7,42·108 m
a) 16,0 m bakom främre bilen; b) 5,04·104 kg·m/s;
c) 16,8 m/s; d) 5,04·104 kg·m/s
a) 0,30 kg; b) 2,0ex kg·m/s; c) 6,7ex m/s
a) 0,75 kg; b) 1,5tex m/s3; c) 5,6ex N
0,30 m
a) -1,25 varv/s2, 23,3 varv; b) 2,67 s
a) 84,0 rad/s; b) 12,3 s; c) -8,16 rad/s2
a) 5,09 cm; b) 15,7 rad/s2
a) 0,180 m/s2; b) 0,418 m/s2; c) 0,775 m/s2
a) 0,0640 kg·m2; b) 0,0320 kg·m2; c) 0,0320 kg·m2
7,35·104 J
M(a2 + b2)/3
9.83
Svar:√
9.88
10.3
10.4
10.19
10.31
10.37
10.41
10.42
10.45
10.58
10.59
10.68
10.71
10.76
a) 2,00·107 J; b) 17,9 min
2,50 N.m
0,31 N.m (medurs)
a) 1,80 m/s; b) 7,13 J; c) 3,60, 0 och 2,55 m/s;
d) 1,80 m/s till höger, 1,80 m/s, till vänster och
1,80 m/s, nedåt
a) 0,309 rad/s; b) 100 J; c) 6,67 W
a) 115 kg·m2/s; b) 125 kg·m2/s2
4,6·103 rad/s
a) Ja; b) 7,00 rad/s; c) 0,0103 J; d) 0,0103 J
a) 1,38 rad/s; b) 495 J
a) 1,34 kg·m2; b) -0,112 N.m; c) 104 varv
0,483
1,3 kN
a) 2,88 m/s2; b) 6,13 m/s2
a) 17R/6; b) 11mg/5; c) 5mv2/6; d) 2mg/3
10.85
a) √20ℎ𝑦/7; b) samma resultat på månen;
2𝑔𝑑(𝑚B −𝜇𝑘 𝑚A )
𝑚A +𝑚B +𝐼/𝑅2
c) avståndet minskar; d)√8ℎ𝑦/3
10.91
a) 6v/(19L); b) 3/19
Erik Elfgren (elf@ltu.se)
10.94
13.2
13.19
13.38
13.51
13.80
14.12
14.54
14.85
14.97
14.96
14.98
37.2
37.10
37.13
37.25
37.26
37.29
37.32
37.33
37.36
37.52
37.57
43.6
43.7
43.10
43.12
43.15
43.16
43.25
43.26
43.30
43.38
43.40
43.46
43.64
43.65
43.72
43.76
43.78
-1,1 cm
a) 1,27·10-7 N; b) 3,81·10-8 N·m; c) öka massorna
a) 7,46·103 m/s; b) 1,68 h
b) 350 N; c) 9,44·1024 kg
a) 3,59·107 m; b) 81,3º
1,4·1014 m
a) 0,383 m; b) 58,5°;
c)x = (0,383 m)cos([12,2rad/s]t + 1,02 rad)
a) 0,0987 kg·m2; b) 2,66 rad/s
a) 2,57 m/s; b) 0,21 m; c) 0,49 s
𝑇 = 2𝜋√𝑀/3𝑘
2,74 s
0,88 m
a) 5,05·10-6 s, b) 1,36 km
2,86·108 m/s
a) 3,57 km; b) 9,00·10-5 s; c) 8,92·10-5 s
a) 4,77·107 m/s; b) 1,72·108 $
0,220c (mot dig)
a) 0,866c; b) 0,608
a) 0,145 N; b) 1,75 N; c) 51,7 N;
d) 0,145 N, 0,333 N, 1,03 N
a) 0,866c; b) 0,986c
a) 0,00407mc2; b) 4,79mc2
24 år
0,168 MeV
a) 1,93u; b) 1,80·103 MeV; c) 7,56 MeV/nukleon
0,5575 pm
a) 7,48 MeV/nukleon; b) 7,07 MeV/nukleon
a) 783 keV; b) ej möjligt
156 keV
a) β+; b) α; c) β–
a) 0,421 Bq; b) 1,14·10-11 Ci
a) 6,0·10-12 kg; b) 108 dar
7,57·103 år
a) 540 rem; b) 540 rad; c) 351 J, 3 kJ
18,4 MeV
a) Z = 5, A = 10 (bor); b) 2,79 MeV (absorberad)
a) 1,16 h; b) 1,20·108; c) 1,81·106
94 rad, 1,9 krem
a) 240 s, kvot 124; b) kvot 7,15·107
3,48·1016 st
185 MeV
Studieguide, Fysik 3 (F0006T)
5/5