Løsningsforslag til prøve i fysikk

Løsningsforslag til prøve i fysikk
Dato: 17/4 - 2015
Tema: Kap 11 – Kosmologi og kap 12 – Elektrisitet
Kap 11 – Kosmologi:
1. Hva menes med rødforskyvning av lys fra stjerner?
Fungerer på samme måte som Doppler-effekt på lydbølger. Dersom en sender (kilde)
av et lyssignal beveger seg i forhold til mottakeren (observatøren) vil ikke mottakeren
oppfatte at lyset vil ha samme frekvenser som det som ble sendt ut. Lyset fra stjerner
som beveger seg bort fra oss vil måles til å ha lengre bølgelengder enn om stjernen
hadde stått i ro. Rødt lys er det synlige lyset som har størst bølgelengde, og derfor
kalle vi det rødforskyving av lys.
2. Hubbles lov er gitt ved
a. Hva forteller Hubbles lov?
Hubbles lov forteller oss at jo lenger en stjerne er borte fra oss, jo høyere
hastighet har den bort fra oss. Dette forholdet er proporsjonalt.
b. Gjør et overslag på universets alder ved å bruke Hubbles lov. Hvilke(n)
antagelse(r) må du gjøre?
Kan sette inn v = r/t i ligningen over. Da antar vi at hastigheten (utvidelsen av
universet) har vært konstant hele tiden.
Vi vet at universet akselererer, gjennomsnittsfarten har vært lavere, og
universet er derfor litt eldre enn som så, rundt 13,7 mrd år.
3. Nevn i korte trekk hvordan forskere ser for seg at universet har utviklet seg og
hvordan fortsettelsen ser ut.
- Alt begynte i Big Bang for rundt 13,7mrd år siden. Rom, materie og tid vart til
samtidig.
- I begynnelsen var alt en «glovarm suppe». Temperaturen var så høy at partikler
ikke hadde
4.
a. Hva er mørk materie og energi?
Mørk materie og energi er noe som vi ikke vet hva er siden vi ikke har
observert det (derav mørk). Noe kalles materie fordi det utøver gravitasjon, og
noe kalles energi fordi det utøver krefter som virker ekspanderende og som
motvirker gravitasjon.
b. Hvilke observasjoner har gjort at forskere mener at dette eksisterer?
Lys fra fjerne stjerner på vei mot oss bøyes av når det passerer store galakser
pga gravitasjonskrefter. Lyset blir i midlertidig bøyd av mye mer enn hva den
observerte massen i galaksene skulle tilsi. Studerer man bevegelsen til stjerner
innad i galaksene finner man ut det samme. Derfor må det være noe mer som
utøver gravitasjonskrefter (mørk materie)
Universet akselererer utover, noe som egentlig er litt uforklarlig ettersom man
skulle tro at gravitasjonskrefter forsøker å holde igjen og at det ikke skulle
være noe som presser utover. Derfor må det være noe «energi-aktig» som får
universet til å ekspandere.
Kap 12 – Elektrisitet:
5. Dersom man gnikker en ballong mot håret kan man få den til å henge på en vegg eller
i et tak. Forklar hvordan dette er mulig.
Når ballongen gnikkes mot håret hopper det en del negativt ladde elektroner (som
sitter veldig «løst») over på ballongen. Ballongen vil derfor bli negativt ladd. Når
ballongen kommer nær veggen, vil ladningene i veggen orientere seg slik at
elektronene i veggen vil trekke innover i veggen og den blir positivt ladd ytterst. Da vil
det virke elektriske krefter mellom den negativt ladde ballongen og de positive
ladningene ytterst i veggen, og siden ballongen er såpass lett, er denne kraften sterk
nok til å «overvinne» tyngdekraften. Sakte men sikkert vil ballongen utlades og til
slutt vil den falle ned.
6. Det avgis en varmeenergi på 30J når en ladning på 2C går gjennom en motstand på
10Ω. Hva er spenningen over motstanden?
7.
Tegn et kretsdiagram som tilsvarer koblingen over. (De tre komponentene er alle
vanlige motstander)
Se boken side 301.
8. En lyspære er koblet i en strømkrets som vist i kretsdiagrammet under:
Spenningskilden er et batteri som gir en likespenning på 10.0 V. Spenningen over
lyspæren er 3.5 V og den er koblet i serie med en motstand på 30.0 Ω.
a. Regn ut strømmen i kretsen over.
Kirchhoffs spenningslov gir spenningen over motstanden:
Ifølge Ohms lov får vi da:
Batteriet har en total elektrisk energi på 3600 kJ.
b. Hvor lenge kan batteriet forsyne denne kretsen med elektrisk energi?
Batteriet gir en spenning på 10.0V og en strøm på 0.22A. Dette gir en effekt
på:
Som vi utfra definisjonen på effekt, P = W/t, kan bruke til å finne tiden:
Som tilsvarer litt over 29 dager.
9. Under vises en strømkrets med tre motstander. Et amperemeter er koblet inn i den
ene grenen av parallellkoblingen.
Motstandene er gitt ved R1 = 10.0 Ω, R2 = 8.0 Ω og R3 = 5.0 Ω. Ved en gitt spenning
viser amperemeteret 100 mA.
a. Hva er spenningen over motstanden R2?
b. Bestem hvilken spenning U som blir gitt av spenningskilden.
Spenningen er den samme over grenene i en parallellkobling, så vi kan finne I2
som I2 = 0.8V/5.0Ω = 0.16A = 160mA. Kirchhoffs første lov gir da:
og spenningen over R1 blir da:
Spenningen U vet vi fra Kirchhoffs lov er summen av seriespenningene i
kretsen:
De parallellkoblede motstandene kan også slås sammen til en motstand som vist
under.
c. Hva er sammenhengen mellom RP, R1 og R2? Regn ut hvor stor motstanden RP
er.
Motstander i parallell kan finnes ved:
I vårt tilfelle blir:
d. Hvorfor blir RP mindre enn både R1 og R2?
Det blir lettere for elektronene å komme seg frem når strømmen blir delt og
de slipper å «kjempe seg frem» sammen med så mange andre. I spesialtilfellet
der den ene grenen i parallellkoblingen får veldig høy motstand i forhold til
den andre, vil omtrent hele strømmen gå langs grenen med minst motstand.
Da vil motstanden i parallellkoblingen være omtrent lik som den minste
motstanden.
10. Du har et uthus med innlagt elektrisitet. Det eneste elektriske apparatet som står på
er en lyspære på 60W. Prisen på strøm er 29.99 øre/kWh.
a. Hvor mye elektrisk energi bruker denne lyspæren i løpet av et år?
b. Hva koster det deg å ha denne lyspæren stående på?
Du erstattet lyspæren med en sparepære som bare bruker 1GJ i året.
c. Hva er effekten til denne sparelyspæra? Hvor mye sparer du på et år?
Da sparer du rundt 74kr på å bytte til denne pæra.