tentamen 2015-08-19

Tentamen i Fysik för M, TFYA72
Onsdag 2015-08-19 kl. 14:00-18:00
Tillåtna hjälpmedel:
Bifogat formelblad
Avprogrammerad räknedosa enlig IFM:s regler.
Emma Björk kommer att besöka tentamenslokalen två gånger under tentamenstiden och är även
anträffbar på tel: 070-565 10 38.
Lösningsförslag läggs ut på kurshemsidan efter tentamen.
Införda beteckningar skall definieras, ekvationer motiveras och numeriskt svar alltid utskrivas med
korrekt enhet.
Alla steg i lösningarna måste kunna följas.
Lösningar skall, där det är motiverat, åtföljas av figur.
Skriv bara på ena sidan av varje blad, och endast en uppgift per blad.
Skriv ID-nr och kurskod på varje inlämnat blad.
Tentamen består av en del med ellära (uppgift 1-5) och en del med vågfysik (uppgift 6-8). Första
uppgiften i vardera del består av 4 stycken teorifrågor av flervalstyp som ger 1p vardera. Övriga
problem ger även de maximalt 4p, så den maximala poängen är alltså 32. För godkänt krävs
totalpoäng enligt nedan, samt minst 5p på elläran och 3p på vågrörelseläran.
Preliminära betygsgränser:
3: 13-19,5
4: 20-25,5
5: 26-32
Lycka till!
1
Del 1. Ellära
Uppgift 1, teori
Frågorna nedan ger 1p var vid korrekt svar. Det räcker att ange svarsalternativ. Fler än ett alternativ
kan vara rätt! Samtliga korrekta alternativ måste anges för att få poäng. Minuspoäng tillämpas ej.
Om ni tycker någon fråga är oklar eller ni vill förtydliga något, skriv en textkommentar!
I. Figuren visar elektriska fältlinjer från två punktladdningar som har samma belopp.
Vilket/vilka av påståendena nedan gäller?
a) Laddningarna har olika tecken.
b) I en punkt mitt mellan laddningarna, på deras
sammanbindningslinje, är det elektriska fältet noll.
c) På det plan som ligger mitt mellan laddningarna, vinkelrätt mot
sammanbindningslinjen, är det elektriska fältet noll.
d) Båda punktladdningarna är positiva.
II. Att kunna lagra elektrisk energi effektivt är det sista avgörande teknikgenombrottet som krävs för
att få konkurenskraftiga elbilar. Det kan därför vara av intresse att gå igenom vilka elektriska
komponenter som i princip kan användas för att lagra elektrisk energi. Vilket/vilka av påståendena
nedan gäller?
a) Såväl batterier, motstånd, kondensatorer och spolar kan användas.
b) Enbart batterier kan användas.
c) Batterier, kondensatorer och spolar kan användas.
d) Batterier kondensatorer och motstånd kan användas.
III. Två parallella ledare för båda en ström med beloppet I men i motsatt riktning. Vad gäller för
kraften mellan ledarna?
a) Det blir ingen kraftverkan mellan ledarna.
b) Ledarna påverkar varandra enbart med en elektrostatisk kraft.
c) Ledarna påverkar varandra enbart med en magnetisk kraft.
d) Ledarna påverkar varandra med både en elektrostatisk och magnetisk kraft.
IV. Figuren till höger visar en elektromagnet som befinner sig i närheten
av en spole ansluten till ett instrument som mäter ström. Vilket/vilka av
påståendena nedan gäller.
a) Om det går en konstant ström genom elektromagneten ger
instrumentet utslag även när elektromagneten hålls still.
b) Om det går en konstant ström genom elektromagneten samtidigt som
den rör sig ger instrumentet utslag.
c) Om elektromagneten hålls still ger instrumentet utslag när strömmen
genom elektromagneten ändras.
d) Om elektromagneten rör sig ger instrumentet utslag även om det inte går någon ström i
elektromagneten.
2
Uppgift 2
I figuren finns en punktladdning q som ger upphov till ett elektriskt fält. I
punkten P som ligger på avståndet d från punktladdningen uppmäts den
elektriska potentialen till +6,96 V och beloppet av det elektriska fältet till
12,0 V/m. (Det antas att potentialen är noll i oändligheten).
a) Bestäm avståndet d. (2p)
b) Beräkna laddningen q till tecken och storlek. (1p)
c) Hur förändras den potentiella energin U för en laddad partikel med laddningen +2 μC när den
förs från oändligheten till punkten P? Ange värdet samt om U ökar eller minskar. (1p)
Uppgift 3
I kretsen till höger har de elektromotoriska spänningarna
(emf på engelska) och motstånden följande värden:
ε1 = 5,0 V, ε2 = 2,4 V, r1 =2,1 Ω, r2 = 1,2 Ω och
R = 6,2 Ω.
a) Beräkna kretsens ström till storlek och riktning.
(Den markerade strömriktningen definierar positiv riktning).
(3p)
b) Beräkna spänningen Vab över batteri 1, (1p)
Uppgift 4
Till höger ses en R-L-C krets med tillhörande visardiagram.
a) Rita ett diagram som visar momentanvärden för ström och
spänning (tid på x-axeln). Plotta strömmen =
(streckad kurva), spänningarna vL, vR,och vC, (heldragna kurvor)
samt v (punktad kurva). Tidsaxeln måste spänna över minst en
period. Spänningarnas amplituder ska på ett ungefär
överensstämma med pilarna i visardiagrammet. ϕ = 45°. (2p)
b) Antag att kondensatorns kapacitans ändras så att resonans
erhålles, dvs strömmen maximeras. Rita visardiagrammet för
detta fall. (2p)
Uppgift 5
En elektron med kinetisk energi 4,0 keV (Kinetisk energi K =
med ett nedåtriktat elektriskt fält som har styrkan 10 kV/m.
) rör sig horisontellt in ett område
a) Bestäm styrka och riktning hos det minsta magnetiska fält som krävs för att elektronen skall
fortsätta att röra sig horisontellt när de två fälten verkar på den. (Bortse från gravitationen, som här
spelar en försumbar roll.) (3p)
b) Antag att det istället för en elektron är en proton som sänds in i det nedåtriktade E-fältet.
Beräkna nu det minsta magnetiska fält till storlek och riktning som krävs för att partikeln skall
fortsätta att röra sig horisontellt. (1p)
3
Del 2. Vågfysik
Uppgift 6, teori (se instruktioner för uppgift 1)
I. Figuren visar avvikelsen från jämviktsläget för en våg på en sträng som utbreder sig i positiv xriktning för ett viss värde på t. Vilket/vilka påståenden nedan stämmer för strängens hastighet vy
respektive acceleration ay i y-riktningen i punkterna A, B
y
respektive C?
a) Hastigheten vy är noll i punkt A, B och C.
b) Accelerationen ay är noll i punkt A, B och C.
c) Accelerationen ay i punkt A är riktad i positiv y-riktning.
d) Accelerationen ay i punkt B och C är riktade åt samma håll.
II. En siren beskrivs som en punktformig ljudkälla som sänder ut ljud likformigt i alla riktningar.
Vilket/vilka påståenden nedan gäller för ljudintensiteten I [W/m2] respektive ljudintensitetsnivån β
[dB] i punkterna P1 och P2 som ligger på avstånden d1 och d2 från sirenen.
a) Om d2 = 2d1 så är alltid I2 = I1/2.
b) Om d2 = 2d1 så är alltid β 2 ≈ β 1/2.
c) Om d2 = 2d1 så är alltid I2 = I1/4.
d) Om d2 = 2d1 så är alltid β 2 ≈ β 1 - 6dB.
III. Totalreflektion kan uppstå vid gränsskiktet mellan två transparanta medier. Antag att en ljusstråle
rör sig i medium a, med brytningsindex na, och reflekteras medium b, med brytningsindex nb.
Vilket/vilka av påståendena nedan gäller?
a) Totalreflektion uppstår alltid, oberoende av infallsvinkel, om na > nb.
b) Totalreflektion kan uppstå för vissa infallsvinklar om na > nb.
c) Totalreflektion uppstår alltid, oberoende av infallsvinkel, om na = nb.
d) Totalreflektion kan uppstå för vissa infallsvinklar om na = nb.
IV. Stående vågor kan uppstå på både på strängar och i pipor. Vilket/vilka påståenden nedan gäller?
a) Den längsta våglängden λ för den stående vågen är alltid lika lång som längden på strängen/pipan.
b) Stående vågor på en sträng börjar och slutar alltid med en buk
c) Stående vågor på en sträng börjar och slutar alltid med en nod
d) Stående vågor i en pipa börjar alltid med en buk.
4
Uppgift 7
En transversell våg, se figuren, har genererats via ett
fäste som rör sig upp och ner med frekvensen 60 Hz. Vid
startögonblicket befinner sig strängen i jämviktsläget.
a) Ange vågens ekvation (3p)
b) Hur stor är vågens utbredningshastighet (1p)?
Uppgift 8
Ett 5 cm högt objekt placeras till vänster om en positiv lins med fokallängden 15,0 cm.
a) Rita upp strålgången för fallet då avståndet mellan objektet och linsen är 10,0 cm. Beräkna var
bilden från objektet hamnar, bildens storlek, om bilden är virtuell eller reell samt om den är
rättvänd eller omvänd.(2p)
b) Samma som i a), men avståndet mellan linsen och objektet är nu 20,0 cm. (2p)
5