Eksamenssett logo
eksamenssett.noTren målrettet
  • Ungdomsskole/VGS
  • Høyskole
  • Ressurser
  • Skolenyttig
  • Forum
eksamenssett.noTren målrettet

Komplett samling av eksamensoppgaver og løsninger for norsk skole.

Om ossFAQPersonvernVilkårAngrerettKontakt

© 2025 Eksamenssett.no · Alle rettigheter forbeholdt

Innholdet er utviklet med AI-verktøy og kvalitetssikres kontinuerlig. Slik jobber vi med kvalitet →

Eksamenssett.no eies og drives av Studenthjelp Privatundervisning AS

Eksamenssett logo
eksamenssett.noTren målrettet
  • Ungdomsskole/VGS
  • Høyskole
  • Ressurser
  • Skolenyttig
  • Forum
eksamenssett.noTren målrettet

Komplett samling av eksamensoppgaver og løsninger for norsk skole.

Om ossFAQPersonvernVilkårAngrerettKontakt

© 2025 Eksamenssett.no · Alle rettigheter forbeholdt

Innholdet er utviklet med AI-verktøy og kvalitetssikres kontinuerlig. Slik jobber vi med kvalitet →

Eksamenssett.no eies og drives av Studenthjelp Privatundervisning AS

Eksamenssett logo
eksamenssett.noTren målrettet
  • Ungdomsskole/VGS
  • Høyskole
  • Ressurser
  • Skolenyttig
  • Forum
eksamenssett.noTren målrettet

Komplett samling av eksamensoppgaver og løsninger for norsk skole.

Om ossFAQPersonvernVilkårAngrerettKontakt

© 2025 Eksamenssett.no · Alle rettigheter forbeholdt

Innholdet er utviklet med AI-verktøy og kvalitetssikres kontinuerlig. Slik jobber vi med kvalitet →

Eksamenssett.no eies og drives av Studenthjelp Privatundervisning AS

Eksamenssett logo
eksamenssett.noTren målrettet
  • Ungdomsskole/VGS
  • Høyskole
  • Ressurser
  • Skolenyttig
  • Forum
eksamenssett.noTren målrettet

Komplett samling av eksamensoppgaver og løsninger for norsk skole.

Om ossFAQPersonvernVilkårAngrerettKontakt

© 2025 Eksamenssett.no · Alle rettigheter forbeholdt

Innholdet er utviklet med AI-verktøy og kvalitetssikres kontinuerlig. Slik jobber vi med kvalitet →

Eksamenssett.no eies og drives av Studenthjelp Privatundervisning AS

Eksamenssett logo
eksamenssett.noTren målrettet
  • Ungdomsskole/VGS
  • Høyskole
  • Ressurser
  • Skolenyttig
  • Forum
  1. Hjem
  2. Fysikk
  3. Fysikk 2
  4. Løsning Høst 2024
VG3

Løsningsforslag Fysikk Fysikk 2Høst 2024

Se eksamensoppgaven
Vår 2025NyereVår 2024Eldre
Om løsningsforslaget: Dette er et veiledende løsningsforslag laget av eksamenssett.no. Det kan finnes alternative fremgangsmåter som også gir riktig svar.

Del 1

Oppgave 1 – Flervalgsoppgaver

OppgaveSvar
aD
bA
cC
dB
eB
fC
gB
hD
iB
jB
kC
lB
mC
nB
oB
pD
qA
rA
sC
tB

a) Fallskjermhopper fra fly

En fallskjermhopper kaster seg ut fra et fly som beveger seg med konstant og horisontal fart. I løpet av 15 sekunder får fallskjermhopperen tilnærmet konstant, rettlinjet fart.

Fallskjermhopperen starter med flyets horisontale fart og akselereres nedover av tyngdekraften. Luftmotstanden øker etter hvert som farten øker.

Når hopperen nærmer seg konstant fart (terminalfart), nærmer nettokraften seg null. Det betyr at akselerasjonen avtar gradvis mot null.

  • A er feil: Den horisontale fartskomponenten endres fordi luftmotstand bremser horisontal bevegelse.
  • B er feil: Den horisontale akselerasjonskomponenten endres (avtar) etter hvert som farten stabiliseres.
  • C er feil: Den vertikale fartskomponenten øker (fra null) mot terminalfart, den minker ikke.
  • D er riktig: Den vertikale akselerasjonskomponenten starter på \(g\) og minker mot null etter hvert som luftmotstanden balanserer tyngdekraften.
Svar: D – Absoluttverdien av den vertikale akselerasjonskomponenten minker.
Vanlig feil: Mange velger C fordi de tenker at den vertikale farten må minke når hopperen når terminalfart. Dette er feil fordi den vertikale fartskomponenten faktisk øker fra null (hopperen kastet seg ut horisontalt) og opp mot terminalfart – det er akselerasjonen som avtar, ikke farten.

b) Kule skytes horisontalt fra høyde \(h\)

Ei kule skytes ut med en horisontal fart \(v_0\) fra en høyde \(h\) over et horisontalt underlag. Hvor lang tid tar det før kula treffer underlaget?

Den horisontale bevegelsen påvirker ikke falltiden. Dette er et grunnleggende prinsipp i prosjektilbevegelse: horisontale og vertikale komponenter er uavhengige når vi ser bort fra luftmotstand. Vertikalt har kula startfart null (skytes horisontalt), og den faller dermed likt som om den bare ble sluppet fra ro:

\[ h = \frac{1}{2}gt^2 \quad \Rightarrow \quad t = \sqrt{\frac{2h}{g}} \]
Svar: A – \(\sqrt{\dfrac{2h}{g}}\)
Vanlig feil: Mange velger et alternativ som inkluderer \(v_0\) i uttrykket for falltiden. Dette er feil fordi den horisontale og vertikale bevegelsen er uavhengige ved skrått kast uten luftmotstand. Den horisontale startfarten \(v_0\) påvirker bare hvor langt bort kula lander, ikke hvor lang tid den bruker på å falle høyden \(h\).

c) Lodd i to snorer mellom stolper

Figur 1: loddet henger midt mellom stolpene. Figur 2: loddet henger til venstre for midten. Påstand 1: \(S_1 > S_2\). Påstand 2: \(S_3 > S_4\).

Figur 1: Loddet henger midt mellom, og snorene er symmetriske. Dermed er \(S_1 = S_2\). Påstand 1 (\(S_1 > S_2\)) er feil.

Figur 2: Loddet henger til venstre for midten. Snor 3 (fra venstre stolpe) er brattere (mer vertikal, mindre vinkel med vertikalen), og snor 4 (fra høyre stolpe) danner en flatere vinkel.

Horisontal likevekt: \(S_3 \sin\theta_3 = S_4 \sin\theta_4\). Siden \(\theta_3 < \theta_4\) (snor 3 er brattere), har vi \(\sin\theta_3 < \sin\theta_4\), og dermed \(S_3 > S_4\). Påstand 2 er riktig.

Svar: C – Bare påstand 2
Vanlig feil: Mange velger A (bare påstand 1) fordi de intuitivt tenker at den korteste snoren må ha størst kraft. Dette er feil fordi i figur 1 er snorene symmetriske og like lange, slik at \(S_1 = S_2\). Det avgjørende er vinklene snorene danner med vertikalen – den brattere snoren må bære en større del av tyngden for å oppfylle likevekt i horisontal retning.

d) Kloss på skråplan med friksjon

En kloss glir nedover et skråplan med helningsvinkel \(\alpha\). Friksjonstallet mellom klossen og skråplanet er 0,20.

Langs skråplanet: tyngdekomponenten nedover er \(mg\sin\alpha\), og friksjonskraften oppover er \(\mu N = \mu mg\cos\alpha\):

\[ ma = mg\sin\alpha - \mu mg\cos\alpha \]
\[ a = g(\sin\alpha - 0{,}20\cos\alpha) \]
Svar: B – \(g(\sin\alpha - 0{,}20\cos\alpha)\)
Vanlig feil: Mange velger et alternativ med pluss mellom leddene, f.eks. \(g(\sin\alpha + 0{,}20\cos\alpha)\). Dette er feil fordi friksjonskraften alltid virker mot bevegelsesretningen. Når klossen glir nedover, peker friksjonen oppover langs planet og bremser bevegelsen. Derfor skal friksjonsbidraget \(\mu g\cos\alpha\) trekkes fra, ikke legges til.

e) Kloss trukket av snor over trinse med lodd

En kloss blir trukket horisontalt langs et bord av ei snor over ei trinse til et lodd. Snora danner vinkelen \(\alpha\) med horisontalen. Vinkelen endres når klossen beveger seg.

Trinsen sitter over bordkanten. Når klossen beveger seg mot trinsen, øker vinkelen \(\alpha\) (snora blir brattere). Den horisontale komponenten av snorkraften er \(T\cos\alpha\). Etter hvert som \(\alpha\) øker, blir \(\cos\alpha\) mindre, og den horisontale kraften som trekker klossen avtar.

Med avtagende horisontal kraft vil akselerasjonen til klossen avta. Fysisk sett betyr dette at selv om loddet faller med konstant tyngdekraft, blir en stadig større andel av snorkraften rettet oppover (vertikalt) i stedet for horisontalt. Den horisontale nettokraften på klossen avtar derfor kontinuerlig etter hvert som vinkelen øker.

Svar: B – Akselerasjonen avtar
Vanlig feil: Mange velger A (akselerasjonen øker) fordi loddet akselereres av tyngdekraften og man tenker at snorkraften dermed øker. Dette er feil fordi det er den horisontale komponenten av snorkraften som bestemmer klossens akselerasjon. Selv om snorkraften kan øke noe, synker \(\cos\alpha\) raskere, slik at den horisontale drakraften og dermed akselerasjonen avtar.

f) Pendel – summen av krefter på kula

Ei kule svinger i snor mellom to ytterstillinger. Posisjon 1 er ytterstillingen, posisjon 2 er det laveste punktet. Påstand 1: Summen av kreftene peker i samme retning som snorkraften i posisjon 1. Påstand 2: Summen av kreftene peker i samme retning som snorkraften i posisjon 2.

Posisjon 1 (ytterstilling): Kula er i ro et øyeblikk. Summen av kreftene har en tangentiell komponent (tilbake mot likevekt) fra tyngdekraften. Snorkraften peker langs snora mot opphengingspunktet. Summen av kreftene peker ikke i samme retning som snorkraften. Påstand 1 er feil.

Posisjon 2 (laveste punkt): Kula beveger seg i sirkelbane. Summen av kreftene (nettokraften) er sentripetalkraften, som peker rett oppover mot opphengingspunktet. Snorkraften peker også rett oppover. Summen av kreftene peker i samme retning som snorkraften. Påstand 2 er riktig.

Svar: C – Bare påstand 2
Vanlig feil: Mange velger D (begge påstandene) fordi de tror at summen av kreftene alltid peker mot sentrum for en pendel. Dette er feil fordi i ytterstillingen (posisjon 1) har kula null fart, og nettokraften peker tangentialt tilbake mot likevekt – den har altså en komponent vinkelrett på snorretningen. Bare i det laveste punktet er hele nettokraften rettet langs snoren (sentripetalt).

g) Kloss på sirkelformet bane – normalkraft

En kloss med masse \(m\) glir ned overflata på en sirkelformet bane med radius \(r\). Figuren viser tyngdekraften \(G\) dekomponert i \(G_x\) (tangentiell) og \(G_y\) (radiell). Finn normalkraften \(N\).

Klossen glir på yttersiden av en sirkelformet (konveks) bane. Normalkraften \(N\) peker bort fra sentrum av sirkelen (utover, fra overflaten på klossen). Fra figuren peker \(G_y\) mot sentrum (radielt innover) – det er den radielle komponenten av tyngden.

Newtons 2. lov i radialretning (positiv mot sentrum):

\[ G_y - N = \frac{mv^2}{r} \]
\[ N = G_y - \frac{mv^2}{r} \]
Svar: B – \(N = G_y - \dfrac{mv^2}{r}\)
Vanlig feil: Mange velger alternativet med pluss, f.eks. \(N = G_y + \frac{mv^2}{r}\). Dette ville vært riktig hvis klossen lå på innsiden av en konkav bane (som i en skål), men her glir klossen på yttersiden av en kuppelformet bane. Da virker normalkraften og tyngdens radialkomponent i motsatte retninger, og sentripetalkraften \(mv^2/r\) må trekkes fra \(G_y\) for å finne normalkraften.

h) Tre asteroider kolliderer med jorda

Tre identiske asteroider har alle farten \(v_0\) i en bestemt avstand fra jorda, men retningen de beveger seg i er forskjellig. Hvem treffer med minst fart?

Vi bruker energibevaring. Alle asteroidene har samme kinetiske energi \(\frac{1}{2}mv_0^2\) og samme potensielle energi \(-\gamma\frac{mM}{r}\) i utgangspunktet (samme avstand \(r\) fra jorda).

Total mekanisk energi er den samme for alle tre. Ved jordoverflata har alle samme potensielle energi. Dermed har alle samme kinetiske energi, og dermed like stor fart ved treffpunktet. Det avgjørende prinsippet er at energibevaring kun avhenger av start- og sluttposisjon, ikke av banen mellom dem. Retningen på farten bestemmer banen asteroiden følger, men ikke den totale mekaniske energien.

Svar: D – Asteroidene treffer jorda med like stor fart
Vanlig feil: Mange velger et alternativ der asteroiden som peker rett mot jorda treffer med størst fart, fordi den har «kortest vei». Dette er feil fordi gravitasjonskraften er konservativ – arbeidet den gjør avhenger bare av start- og sluttposisjon, ikke av banen. Alle asteroidene starter med samme fart og avstand, og ender på jordoverflata, så de har nøyaktig samme sluttfart.

i) Positivt ladd partikkel i E-felt og gravitasjonsfelt

En positivt ladd partikkel slippes fra ro mellom to vertikale plater. Det elektriske feltet er vannrett og peker mot høyre. Gravitasjonsfeltet peker nedover.

Den elektriske kraften på den positive partikkelen peker i feltretningen, altså mot høyre. Tyngdekraften peker nedover. Nettokraften er summen av disse to konstante kreftene, som gir en konstant akselerasjon i en retning skrått nedover mot høyre.

Partikkelen starter fra ro og akselereres i en fast retning. Siden nettokraften er konstant (både i størrelse og retning), er akselerasjonen også konstant. En partikkel som starter fra ro med konstant akselerasjon beveger seg alltid i en rett linje langs akselerasjonsretningen – analogt med fritt fall, men her skrått i stedet for rett nedover.

Svar: B – Rett linje skrått nedover mot høyre
Vanlig feil: Mange velger en parabelformet bane (som ved skrått kast) fordi det er to krefter i ulike retninger. Dette er feil fordi partikkelen starter fra ro. Ved skrått kast har partikkelen en startfart vinkelrett på tyngdekraften, som gir parabelbanen. Her er det ingen startfart, så partikkelen akselererer rett langs nettokraftens retning og følger en rett linje.

j) To ladde kuler i snor – uttrykk for \(q\)

Ei kule med masse \(m\) henger i ro i ei snor. En annen kule er festet til ei stang. Begge har ladning \(q\). Opphengingspunktet og kulene danner en rettvinklet trekant med kateter \(d\).

Fra figuren: snora har lengde \(d\) (vertikal kateter), og avstanden mellom kulene er \(d\) (horisontal kateter). Rettvinkelen er ved den hengende kula.

Snora danner 45° med vertikalen (fordi begge katetene er like lange, \(d\)).

Krefter på den hengende kula:

  • Tyngdekraft: \(mg\) nedover
  • Snorkraft: \(T\) langs snora oppover/innover
  • Coulombkraft: \(F_e = k_e \frac{q^2}{d^2}\) horisontalt bort fra den andre kula

Likevekt horisontalt og vertikalt:

\[ T\sin 45° = k_e\frac{q^2}{d^2} \quad \text{og} \quad T\cos 45° = mg \]

Deler den første på den andre:

\[ \tan 45° = 1 = \frac{k_e q^2}{d^2 \cdot mg} \]
\[ q^2 = \frac{d^2 \cdot mg}{k_e} \quad \Rightarrow \quad q = d\sqrt{\frac{mg}{k_e}} \]
Svar: B – \(q = d\sqrt{\dfrac{mg}{k_e}}\)
Vanlig feil: Mange velger et alternativ med \(d^2\) i stedet for \(d\) i uttrykket. Dette er feil fordi man forveksler avstanden i Coulombs lov (\(d\)) med det endelige uttrykket for \(q\). I utregningen får man \(q^2 = \frac{d^2 mg}{k_e}\), og når man tar kvadratroten, blir \(d^2\) til \(d\) – ikke \(d^2\).

k) Heliumkjerne sendes mot atomkjerne – programmering

En heliumkjerne sendes mot en større atomkjerne. Programmet beregner tiden. Hva skal stå på linje 13?

I programmet definerer positiv \(v\) som fart mot kjernen. Linje 14: \(\texttt{v = v + a*dt}\), linje 15: \(\texttt{r = r - v*dt}\) (avstand minker når \(v > 0\)).

Coulombkraften er frastøtende (begge positivt ladd), og virker mot bevegelsesretningen. For at \(v\) skal avta (partikkelen bremses), må \(a < 0\):

\[ a = -\frac{k_e \cdot Q \cdot q}{r^2 \cdot m} \]

I Python-syntaks: a = -k*Q*q/(r**2*m). Merk at r**2 er \(r^2\), mens r*2 ville vært \(2r\) (feil).

Svar: C – a = -k*Q*q/(r**2*m)
Vanlig feil: Mange velger et alternativ med r*2 i stedet for r**2. Dette er feil fordi r*2 i Python betyr \(2r\) (multiplikasjon), mens r**2 betyr \(r^2\) (potens). Coulombs lov har \(r^2\) i nevneren, ikke \(2r\). Denne forvekslingen er en klassisk programmeringsfeil som gir et helt feil fysisk resultat.

l) To magneter med friksjon – fart-tid-graf

To magneter med like poler mot hverandre. Høyre magnet slippes og beveger seg rett fram. Det virker friksjon. Grafen viser fart mot tid.
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 t (s) 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 v (m/s) (0,1 ; 0,7)

Fart-tid-graf for magneten

Fra grafen: farten øker fra 0 til maks (~0,7 m/s) ved ca. \(t = 0{,}1\) s, deretter avtar den til 0.

  • A: Ved \(t = 0{,}1\) s er grafen nær toppen, og stigningstallet (akselerasjonen) er nær null. Akselerasjonen er størst ved \(t = 0\) (brattest stigning). Feil.
  • B: Ved \(t = 0{,}1\) s er farten på sitt maksimale, dvs. akselerasjonen er null. Da er nettokraften null, som betyr at friksjonskraften og den magnetiske frastøtningskraften er like store. Riktig.
  • C: Ved \(t = 0{,}2\) s avtar farten (negativ akselerasjon). Det betyr friksjonskraften er større enn den magnetiske frastøtningskraften. Feil.
  • D: Arealet under grafen gir forflytningen. En grov beregning gir ~19 cm, altså mer enn 15 cm. Feil.
Svar: B – Ved tiden 0,1 s er friksjonskraften og den magnetiske frastøtningskraften like store.
Vanlig feil: Mange velger A fordi de tror at maks fart betyr maks akselerasjon. Dette er feil fordi det er omvendt: ved toppunktet i en fart-tid-graf er stigningstallet (og dermed akselerasjonen) lik null. Maks akselerasjon oppstår der grafen stiger brattest, altså ved \(t = 0\). Null akselerasjon betyr null nettokraft, som igjen betyr at friksjonskraften og frastøtningskraften balanserer hverandre.

m) Rett leder i magnetfelt – retning og strøm

Rett, strømførende leder i homogent magnetfelt med flukstetthet 0,50 T (vinkelrett på papirplanet). Magnetisk kraft 2,0 N på 0,25 m, retning til venstre. Strømretningen er nedover.

Strømstyrken:

\[ F = BIL \quad \Rightarrow \quad I = \frac{F}{BL} = \frac{2{,}0}{0{,}50 \cdot 0{,}25} = 16 \text{ A} \]

Retning på magnetfeltet: Vi bruker \(\vec{F} = I\vec{L} \times \vec{B}\).

Med koordinater: \(\hat{x}\) = høyre, \(\hat{y}\) = opp, \(\hat{z}\) = ut av papiret.

Strøm nedover: \(I\vec{L} \propto -\hat{y}\). Kraft til venstre: \(\vec{F} \propto -\hat{x}\).

\[ (-\hat{y}) \times \hat{z} = -(\hat{y} \times \hat{z}) = -\hat{x} \quad \checkmark \]

Magnetfeltet peker ut av papiret (i \(+\hat{z}\)-retning).

Svar: C – Ut av papiret, 16 A
Vanlig feil: Mange velger D (inn i papiret, 16 A) fordi de gjør en fortegnfeil med kryssproduktet eller blander retningsreglene. Dette er feil fordi høyrehåndsregelen for \(\vec{F} = I\vec{L} \times \vec{B}\) gir en unik retning: strøm nedover krysset med felt ut av papiret gir kraft mot venstre, som stemmer med oppgaven. Felt inn i papiret ville gitt kraft mot høyre – stikk motsatt av det som er oppgitt.

n) Ladd partikkel i magnetfelt – halvsirkelbane

En ladd partikkel følger en halvsirkelbane i et homogent magnetfelt \(B\). En identisk partikkel med like stor fart sendes inn, men \(B\) endres mens partikkelen beveger seg. Banen viser en spiralform med økende radius.

Radius for en ladd partikkel i magnetfelt:

\[ r = \frac{mv}{qB} \]

Magnetkraften er alltid vinkelrett på hastigheten og gjør derfor ikke arbeid. Det betyr at farten \(v\) er uendret.

Siden radius øker (spiralen blir større), og \(v\) er konstant, må \(B\) ha minket (fra \(r = mv/(qB)\): lavere \(B\) gir større \(r\)). Dette er et viktig prinsipp: magnetfeltet kan endre banens form, men aldri partikkelens fart. Grunnen er at magnetkraften \(\vec{F} = q\vec{v} \times \vec{B}\) alltid er vinkelrett på hastigheten, slik at den bare endrer fartsretningen – aldri fartsstørrelsen.

Svar: B – Flukstettheten minker, men farten endres ikke.
Vanlig feil: Mange velger C eller D fordi de tror at farten endres når magnetfeltet endres. Dette er feil fordi magnetkraften alltid er vinkelrett på hastigheten og dermed ikke gjør arbeid (\(W = \vec{F} \cdot \vec{v} = 0\)). Uten arbeid er det ingen endring i kinetisk energi, og farten forblir konstant uansett hva som skjer med magnetfeltet.

o) Lukket strømsløyfe gjennom to områder med magnetfelt

Ei lukket strømsløyfe er koblet til ei lyspære. Sløyfa går med konstant fart gjennom to områder med motsatt rettet magnetfelt.

Lyspæra lyser når det er endring i magnetisk fluks gjennom sløyfa (indusert EMF). Fluks endres når sløyfa går inn i eller ut av et feltområde. Når sløyfa er helt inne i et homogent felt, er fluksen konstant og det er ingen indusert strøm.

Mellom de to områdene (med motsatt rettet felt) endres fluksen kontinuerlig. Lyspæra lyser når sløyfa krysser grensen mellom områdene, og slukker når den er helt inne i ett av områdene. Legg spesielt merke til at overgangen mellom to motsatt rettede felt gir en ekstra stor fluksendring, fordi fluksen ikke bare går mot null – den skifter fortegn. Denne raske endringen gir et kraftigere indusert EMF enn ved inn- eller utgang fra et enkelt feltområde.

Svar: B
Vanlig feil: Mange velger et alternativ der lyspæra lyser kontinuerlig hele veien gjennom begge feltområdene. Dette er feil fordi lyspæra bare lyser når fluksen endres. Når hele sløyfa er inne i et homogent felt, er fluksen konstant og det induseres ingen spenning – lyspæra er slukket.

p) Treghetssystemer i spesiell relativitetsteori

Fem referansesystemer i et homogent gravitasjonsfelt. Hvilke er treghetssystemer ifølge den spesielle relativitetsteorien?

I den spesielle relativitetsteorien er et treghetssystem et system der Newtons 1. lov gjelder – ingen akselerasjon.

  • System 1: Vogn med konstant banefart i bunnen av en bakke. Banen er kurvet, så det er sentripetalakselerasjon. Ikke treghetssystem.
  • System 2: Vogn med rettlinjet konstant akselerasjon. Ikke treghetssystem.
  • System 3: Heis med konstant vertikal fart. Konstant hastighet (rettlinjet, konstant fart) betyr ingen akselerasjon. Treghetssystem.
  • System 4: Kasse i fritt fall. I SR (med gravitasjon som en reell kraft) er kassen akselerert. Ikke treghetssystem.
  • System 5: Karusell med konstant periode. Rotasjon gir sentripetalakselerasjon. Ikke treghetssystem.
Svar: D – Bare system 3
Vanlig feil: Mange velger et alternativ som inkluderer system 4 (fritt fall), fordi man i den generelle relativitetsteorien regner fritt fall som et lokalt treghetssystem. Dette er feil i denne oppgaven fordi den eksplisitt spør om den spesielle relativitetsteorien, der gravitasjon behandles som en vanlig kraft. I SR er en fritt fallende kasse akselerert og dermed ikke et treghetssystem.

q) Lengdekontraksjon av skolebygning

Line måler skolebygningen til 36 m. Fra tog med \(\gamma = 4{,}0\). Hvor lang er bygningen observert fra toget?

Lengdekontraksjon: bevegelige objekter (sett fra toget beveger skolebygningen seg) forkortes i bevegelsesretningen:

\[ L = \frac{L_0}{\gamma} = \frac{36}{4{,}0} = 9{,}0 \text{ m} \]
Svar: A – 9,0 m
Vanlig feil: Mange velger et alternativ med \(L = \gamma \cdot L_0 = 144\) m fordi de blander formelen for lengdekontraksjon og tidsdilatasjon. Dette er feil fordi lengdekontraksjon alltid forkorter objekter i bevegelsesretningen – man deler på \(\gamma\), ikke ganger. Tidsdilatasjon ganger med \(\gamma\) (tid blir lengre), mens lengdekontraksjon deler på \(\gamma\) (lengde blir kortere).

r) Klokker på roterende skive

Klokke 1 nær sentrum, klokke 2 nær kanten av en roterende skive. Klokke 3 i ro utenfor. Påstand 1: Klokke 1 og 2 går like raskt. Påstand 2: Klokke 2 går raskere enn klokke 3.

Påstand 1: Klokke 2 (ved kanten) har høyere fart enn klokke 1 (nær sentrum). Tidsdilatasjon: klokker som beveger seg raskere går saktere. Klokke 2 går saktere enn klokke 1. Påstandene er feil.

Påstand 2: Klokke 2 beveger seg relativt til klokke 3 (som er i ro). Tidsdilatasjon gir at klokke 2 går saktere enn klokke 3, ikke raskere. Påstanden er feil.

Svar: A – Ingen av påstandene er riktige
Vanlig feil: Mange velger B (bare påstand 1) fordi de tenker at begge klokkene er på samme skive og dermed «i ro» relativt til hverandre. Dette er feil fordi klokke 2 ved kanten har en mye høyere banehastiget (\(v = \omega r\)) enn klokke 1 nær sentrum. I spesiell relativitetsteori er det den momentane farten som bestemmer tidsdilasjonen, og siden klokke 2 beveger seg raskere, går den saktere enn både klokke 1 og klokke 3.

s) Lyssignal mellom to identiske planeter

Et lyssignal sendes fra overflata av planet A til overflata av planet B. Planetene er identiske. Påstand 1: Signalet blir først blåforskjøvet og deretter rødforskjøvet. Påstand 2: Bølgelengden ved sending er lik bølgelengden ved mottak.

Påstand 1: Når lyset forlater planet A (klatrer ut av gravitasjonsbrønnen), blir det rødforskjøvet. Når det faller inn mot planet B, blir det blåforskjøvet. Altså først rødforskjøvet, deretter blåforskjøvet – motsatt av påstanden. Feil.

Påstand 2: Siden planetene er identiske, er rødforskyvningen fra A eksakt lik blåforskyvningen mot B. Netto effekt: bølgelengden ved mottak er lik bølgelengden ved sending. Riktig.

Svar: C – Bare påstand 2
Vanlig feil: Mange velger D (begge påstandene) fordi de antar at lyset først blåforskyves når det forlater en planet. Dette er feil fordi lys som klatrer ut av et gravitasjonsfelt mister energi og blir rødforskjøvet, ikke blåforskjøvet. Blåforskyvning skjer når lyset faller inn i et gravitasjonsfelt og får mer energi. Rekkefølgen er altså rødforskyvning først (ut fra A), deretter blåforskyvning (inn mot B).

t) Kvantepartikkel – bølgepakke som sprer seg

Bølgefunksjonen \(\Psi\) viser en bølgepakke ved \(t_0\) og \(t_1\). Bølgepakken er bredere ved \(t_1\). Ved \(t_0\) er uskarpheten i posisjon \(\Delta x_0\) og den minste mulige uskarpheten i bevegelsesmengde er \(\Delta p_0\).

Bølgepakken sprer seg i rommet, altså \(\Delta x_1 > \Delta x_0\).

Uskarphetsrelasjonen: \(\Delta x \cdot \Delta p \geq \frac{h}{4\pi}\). Siden \(\Delta p_0\) er den minste mulige uskarpheten ved \(t_0\), har vi \(\Delta x_0 \cdot \Delta p_0 = \frac{h}{4\pi}\).

Ved \(t_1\) er \(\Delta x_1 > \Delta x_0\). Den minste mulige \(\Delta p_1\) oppfyller \(\Delta x_1 \cdot \Delta p_1 = \frac{h}{4\pi}\), som gir \(\Delta p_1 = \frac{h}{4\pi \Delta x_1} < \frac{h}{4\pi \Delta x_0} = \Delta p_0\).

Svar: B – \(\Delta x_1 > \Delta x_0\) og \(\Delta p_1 < \Delta p_0\)
Vanlig feil: Mange velger A (\(\Delta x_1 > \Delta x_0\) og \(\Delta p_1 > \Delta p_0\)) fordi de tolker uskarphetsrelasjonen som at begge usikkerhetene alltid vokser sammen. Dette er feil fordi uskarphetsrelasjonen \(\Delta x \cdot \Delta p \geq \frac{h}{4\pi}\) bare setter en nedre grense for produktet. Når vi spør om den minste mulige \(\Delta p\), bruker vi likheten \(\Delta x \cdot \Delta p = \frac{h}{4\pi}\). Dermed gir en større \(\Delta x\) en mindre minste mulige \(\Delta p\).

Oppgave 2

a) Elektron i E- og B-felt (3 poeng)

Et elektron beveger seg i et område med elektrisk felt \(E\) (oppover) og magnetisk felt \(B\) (ut av papirplanet). Elektronet kommer inn med farten \(v\) mot høyre og beveger seg rettlinjet.

1) Vis at \(v = E/B\):

For at elektronet skal bevege seg rettlinjet, må nettokraften være null. Elektronet (ladning \(-e\)) påvirkes av:

  • Elektrisk kraft: \(\vec{F}_E = (-e)\vec{E}\). Feltet peker oppover, så kraften på elektronet er nedover: \(F_E = eE\).
  • Magnetisk kraft: \(\vec{F}_B = (-e)\vec{v} \times \vec{B}\). Med \(\vec{v}\) mot høyre og \(\vec{B}\) ut av papiret: \(\vec{v} \times \vec{B}\) peker nedover. Ganget med \(-e\) gir kraft oppover: \(F_B = evB\).

Likevekt:

\[ eE = evB \quad \Rightarrow \quad v = \frac{E}{B} \quad \checkmark \]

2) Vurder påstandene til Håkon og Johanna:

Det nye elektronet har samme retning men mindre fart (\(v' < E/B\)).

Håkon påstår at kraftsummen har retning nedover like etter at elektronet kommer inn.

Den elektriske kraften er fortsatt \(eE\) nedover. Den magnetiske kraften er \(ev'B\) oppover. Siden \(v' < E/B\):

\[ ev'B < eE \]

Nettokraften peker nedover. Håkon har rett.

Johanna påstår at størrelsen på den magnetiske kraften vil være konstant.

Magnetkraften har størrelse \(|F_B| = ev'B\). Magnetkraften alene gjør ikke arbeid (alltid vinkelrett på hastigheten), men det elektriske feltet \(E\) gjør arbeid på elektronet. Siden nettokraften peker nedover (som vi viste over), akselereres elektronet, og farten \(v'\) øker. Magnetfeltet \(B\) er konstant, men siden \(v'\) øker, øker også \(ev'B\). Johanna tar feil – størrelsen på magnetkraften er ikke konstant, den øker.

b) Kloss og vogn på skråplan (4 poeng)

En kloss med masse \(m\) og ei vogn med masse \(M = 2m\) er forbundet med ei snor over ei trinse. Klossen er på et skråplan med vinkel \(\alpha\), vogna på et skråplan med vinkel \(\beta > \alpha\). Ingen friksjon.

1) Krefter på klossen:

  • Tyngdekraften \(mg\) rett nedover
  • Normalkraften \(N_1\) vinkelrett på skråplanet (ut fra overflata)
  • Snorkraften \(T\) langs skråplanet oppover

2) Krefter på vogna:

  • Tyngdekraften \(Mg = 2mg\) rett nedover
  • Normalkraften \(N_2\) vinkelrett på skråplanet (ut fra overflata)
  • Snorkraften \(T\) langs skråplanet oppover

3) Akselerasjonen:

Siden \(\beta > \alpha\), glir vogna nedover sitt skråplan og trekker klossen oppover. Newtons 2. lov langs skråplanene:

For klossen (oppover langs planet er positiv):

\[ T - mg\sin\alpha = ma \]

For vogna (nedover langs planet er positiv):

\[ 2mg\sin\beta - T = 2ma \]

Adderer likningene:

\[ 2mg\sin\beta - mg\sin\alpha = 3ma \]
\[ a = \frac{g(2\sin\beta - \sin\alpha)}{3} \]

c) Vannkraftverk med hjul og spole (2 poeng)

Et vannkraftverk har et hjul med fire magneter som passerer en spole. Hvordan kan økt vanntilførsel øke den maksimale induserte spenningen?

Faradays induksjonslov:

\[ \varepsilon = -N\frac{\Delta\Phi}{\Delta t} \]

Økt vanntilførsel gir at hjulet roterer raskere. Når hjulet roterer raskere:

  • Magnetene passerer spolen med høyere fart.
  • Den magnetiske fluksen gjennom spolen endres raskere, dvs. \(\frac{\Delta\Phi}{\Delta t}\) øker.
  • Ifølge Faradays lov gir en raskere fluksendring en større indusert spenning.
Den maksimale induserte spenningen \(\varepsilon_{\text{maks}}\) øker fordi magnetene passerer raskere, noe som gir en større endringsrate i magnetisk fluks \(\frac{\Delta\Phi}{\Delta t}\).

Del 2

Oppgave 3 – Ball fra brygge (6 poeng)

En ball sparkes skrått ut fra kanten av ei brygge. Brygga har høyde \(h = 2{,}0\) m over vannflata. Startfart \(v_0 = 15\) m/s og utgangsvinkel \(\alpha = 30°\). Se bort fra luftmotstand.

a) Vis at det tar 1,8 s fra ballen sparkes til den treffer vannet

Vi setter opp et koordinatsystem med origo ved sparkepunktet, positiv y-retning oppover.

Horisontale og vertikale komponenter av startfarten:

\[ v_{0x} = v_0\cos 30° = 15 \cdot \frac{\sqrt{3}}{2} = 13{,}0 \text{ m/s} \]
\[ v_{0y} = v_0\sin 30° = 15 \cdot 0{,}50 = 7{,}50 \text{ m/s} \]

Ballen treffer vannet når \(y = -h = -2{,}0\) m:

\[ y = v_{0y} \cdot t - \frac{1}{2}g t^2 \]
\[ -2{,}0 = 7{,}50 \cdot t - \frac{1}{2} \cdot 9{,}81 \cdot t^2 \]
\[ 4{,}905 t^2 - 7{,}50 t - 2{,}0 = 0 \]

Andregradsformelen:

\[ t = \frac{7{,}50 + \sqrt{(7{,}50)^2 + 4 \cdot 4{,}905 \cdot 2{,}0}}{2 \cdot 4{,}905} = \frac{7{,}50 + \sqrt{56{,}25 + 39{,}24}}{9{,}81} \]
\[ t = \frac{7{,}50 + \sqrt{95{,}49}}{9{,}81} = \frac{7{,}50 + 9{,}77}{9{,}81} = \frac{17{,}27}{9{,}81} \]
\[ t \approx 1{,}8 \text{ s} \quad \checkmark \]

b) Horisontal avstand fra bryggekanten

Vi bruker \(t = 1{,}8\) s (som vist i oppgave a):

\[ x = v_{0x} \cdot t = 13{,}0 \cdot 1{,}8 = 23 \text{ m} \]
\[ x \approx 23 \text{ m} \]

c) Farten for å treffe midt på flåten

Flåten har høyde 0,50 m over vannflata, lengde 3,0 m, og ligger 20 m fra bryggekanten. Ballen sparkes med samme utgangsvinkel \(\alpha = 30°\).

Midt på flåten: horisontal avstand = 20 + 1,5 = 21,5 m. Vertikal posisjon: flåtens topp er 0,50 m over vannet, brygga er 2,0 m over vannet. Altså \(y = -(2{,}0 - 0{,}50) = -1{,}50\) m relativt til sparkepunktet.

Banelikningen (eliminerer \(t\)):

\[ y = x\tan\alpha - \frac{gx^2}{2v_0^2\cos^2\alpha} \]

Setter inn \(x = 21{,}5\) m, \(y = -1{,}50\) m, \(\alpha = 30°\):

\[ -1{,}50 = 21{,}5 \cdot \tan 30° - \frac{9{,}81 \cdot (21{,}5)^2}{2v_0^2 \cdot \cos^2 30°} \]
\[ -1{,}50 = 21{,}5 \cdot 0{,}5774 - \frac{9{,}81 \cdot 462{,}25}{2v_0^2 \cdot 0{,}750} \]
\[ -1{,}50 = 12{,}41 - \frac{4535}{1{,}500 \cdot v_0^2} \]
\[ \frac{3023}{v_0^2} = 12{,}41 + 1{,}50 = 13{,}91 \]
\[ v_0^2 = \frac{3023}{13{,}91} = 217{,}3 \text{ m}^2/\text{s}^2 \]
\[ v_0 = \sqrt{217{,}3} \approx 14{,}7 \text{ m/s} \approx 15 \text{ m/s} \]

Oppgave 4 – Luna-25 romsonde (7 poeng)

I august 2023 kolliderte romsonden Luna-25 med månen. Masse 30,0 kg, fart 2000 m/s ved kollisjon. Kun påvirket av gravitasjonsfeltet fra månen.

a) Vis at farten var 1,44 km/s ved 900 km fra overflata

Energibevaring mellom posisjon 1 (900 km over overflata) og posisjon 2 (overflata):

\[ \frac{1}{2}mv_1^2 - \gamma\frac{mM}{r_1} = \frac{1}{2}mv_2^2 - \gamma\frac{mM}{r_2} \]

Der \(r_1 = R_{\text{måne}} + 900 \text{ km} = 1737 + 900 = 2637 \text{ km} = 2{,}637 \cdot 10^6\) m og \(r_2 = R_{\text{måne}} = 1{,}737 \cdot 10^6\) m.

Forenkler (massen \(m\) forkortes):

\[ \frac{1}{2}v_1^2 = \frac{1}{2}v_2^2 + \gamma M\left(\frac{1}{r_1} - \frac{1}{r_2}\right) \]

Beregner \(\gamma M\):

\[ \gamma M = 6{,}67 \cdot 10^{-11} \cdot 7{,}35 \cdot 10^{22} = 4{,}90 \cdot 10^{12} \text{ m}^3/\text{s}^2 \]
\[ \frac{1}{r_1} - \frac{1}{r_2} = \frac{1}{2{,}637 \cdot 10^6} - \frac{1}{1{,}737 \cdot 10^6} = 3{,}793 \cdot 10^{-7} - 5{,}757 \cdot 10^{-7} = -1{,}964 \cdot 10^{-7} \text{ m}^{-1} \]
\[ \frac{1}{2}v_1^2 = \frac{1}{2}(2000)^2 + 4{,}90 \cdot 10^{12} \cdot (-1{,}964 \cdot 10^{-7}) \]
\[ \frac{1}{2}v_1^2 = 2{,}000 \cdot 10^6 - 9{,}62 \cdot 10^5 = 1{,}038 \cdot 10^6 \]
\[ v_1^2 = 2{,}076 \cdot 10^6 \]
\[ v_1 = \sqrt{2{,}076 \cdot 10^6} = 1441 \text{ m/s} \approx 1{,}44 \text{ km/s} \quad \checkmark \]

b) Tid fra 900 km til overflata – programmering

Vi antar at romsonden faller rettlinjet mot månen. Vi bruker Eulers metode:

Python-kode:
G = 6.67E-11
M = 7.35E22
R = 1.737E6

r = R + 900E3       # 2.637E6 m (startavstand fra sentrum)
v = 1440             # m/s (startfart mot månen)
t = 0
dt = 0.001           # tidssteg i sekunder

while r > R:
    a = G*M/r**2     # gravitasjonsakselerasjon mot månen
    v = v + a*dt
    r = r - v*dt     # r minker når v > 0
    t = t + dt

print(t)

Estimat: gjennomsnittsfart \(\approx \frac{1440 + 2000}{2} = 1720\) m/s. Avstand = 900 000 m.

\[ t \approx \frac{900\;000}{1720} \approx 523 \text{ s} \approx 8{,}7 \text{ min} \]

c) Rundetid i sirkelbane 900 km over månen

Baneradius: \(r = R_{\text{måne}} + 900 \text{ km} = 2{,}637 \cdot 10^6\) m.

Banefart i sirkelbane (gravitasjonskraft = sentripetalkraft):

\[ v = \sqrt{\frac{\gamma M}{r}} = \sqrt{\frac{4{,}90 \cdot 10^{12}}{2{,}637 \cdot 10^6}} = \sqrt{1{,}858 \cdot 10^6} = 1363 \text{ m/s} \]

Rundetid:

\[ T = \frac{2\pi r}{v} = \frac{2\pi \cdot 2{,}637 \cdot 10^6}{1363} = \frac{1{,}657 \cdot 10^7}{1363} \]
\[ T \approx 12\;200 \text{ s} \approx 3{,}4 \text{ timer} \]
Alternativ: \(T = 2\pi\sqrt{\frac{r^3}{\gamma M}} = 2\pi\sqrt{\frac{(2{,}637 \cdot 10^6)^3}{4{,}90 \cdot 10^{12}}} \approx 12\;200\) s

Oppgave 5 – Tankeeksperiment med \(c = 300\) m/s (5 poeng)

I et tankeeksperiment er lysfarten 300 m/s. Et tog kjører med konstant rettlinjet fart 280 km/h forbi en perrong. Mikkel er i toget, Nils står på perrongen. Nils slipper en kuleformet ball idet Mikkel passerer. Nils måler falltiden til 1,00 s. Ballens diameter er 15,9 cm.

a) Lengre eller kortere falltid for Mikkel?

Ballslippet skjer i Nils' referansesystem (hvilesystemet til ballen). Falltiden 1,00 s er egentiden for denne hendelsen, fordi start- og sluttbegivenheten (slipp og treff) skjer på samme sted i Nils' system.

I Mikkels referansesystem (toget) beveger Nils og ballen seg. Ifølge tidsdilatasjon går bevegelige klokker saktere, dvs. Mikkel observerer at det tar lengre tid. Fysisk intuisjon: i Mikkels system beveger ballen seg både nedover og sidelengs, slik at den tilbakelegger en lengre bane. Siden lysfarten er den samme i alle referansesystemer, må tiden som har gått være lengre for at fysikkens lover skal være konsistente.

Mikkel måler en lengre falltid enn Nils.

b) Mikkels falltid

Togfart: \(v = 280 \text{ km/h} = \frac{280}{3{,}6} = 77{,}8\) m/s. Lysfart: \(c = 300\) m/s.

Lorentzfaktoren:

\[ \gamma = \frac{1}{\sqrt{1 - \left(\frac{v}{c}\right)^2}} = \frac{1}{\sqrt{1 - \left(\frac{77{,}8}{300}\right)^2}} = \frac{1}{\sqrt{1 - 0{,}0672}} = \frac{1}{\sqrt{0{,}9328}} \]
\[ \gamma = \frac{1}{0{,}9659} = 1{,}035 \]

Mikkels falltid (tidsdilatasjon):

\[ t_{\text{Mikkel}} = \gamma \cdot t_{\text{Nils}} = 1{,}035 \cdot 1{,}00 \text{ s} \]
\[ t_{\text{Mikkel}} \approx 1{,}04 \text{ s} \]

c) Skisse og lengdemål for ballen sett av Mikkel

I Mikkels referansesystem beveger ballen seg med fart 77,8 m/s. Lengdekontraksjonen skjer kun i bevegelsesretningen (horisontal).

  • Diameter vinkelrett på bevegelsen (vertikal): uendret = 15,9 cm
  • Diameter langs bevegelsesretningen (horisontal): kontrahert
\[ d_{\text{horisontal}} = \frac{d_0}{\gamma} = \frac{15{,}9}{1{,}035} = 15{,}4 \text{ cm} \]
Ballen ser ut som en ellipse for Mikkel: 15,4 cm i horisontal retning (bevegelsesretningen) og 15,9 cm i vertikal retning.

Oppgave 6 – Fotoelektrisk effekt og kvantepartikler (7 poeng)

Fotoner med bølgelengde 245 nm treffer en metalloverflate. Elektroner frigjøres med maksimal kinetisk energi \(1{,}18 \cdot 10^{-19}\) J.

a) Frigjøringsarbeidet

Fotonenergi:

\[ E_{\text{foton}} = \frac{hc}{\lambda} = \frac{6{,}63 \cdot 10^{-34} \cdot 3{,}00 \cdot 10^8}{245 \cdot 10^{-9}} = \frac{1{,}989 \cdot 10^{-25}}{2{,}45 \cdot 10^{-7}} = 8{,}12 \cdot 10^{-19} \text{ J} \]

Einsteins ligning for den fotoelektriske effekten:

\[ E_{\text{foton}} = W + E_{k,\text{maks}} \]
\[ W = E_{\text{foton}} - E_{k,\text{maks}} = 8{,}12 \cdot 10^{-19} - 1{,}18 \cdot 10^{-19} \]
\[ W = 6{,}94 \cdot 10^{-19} \text{ J} \approx 6{,}9 \cdot 10^{-19} \text{ J} \approx 4{,}3 \text{ eV} \]

b) Beregning av maksimal kinetisk energi fra kretsen

Figuren viser en krets med en variabel spenningskilde og et amperemeter koblet til metalloverflata.

Ved å øke spenningen \(U\) (med positiv pol mot metallplata) kan vi bremse de frigjorte elektronene. Prinsippet er at det elektriske feltet mellom platene gjør negativt arbeid på elektronene – det bremser dem. Når spenningen er akkurat stor nok til å stoppe de mest energirike elektronene, er dette stoppespenningen \(U_0\).

Praktisk: vi øker spenningen gradvis mens vi leser av amperemeteret. Ved stoppespenningen faller strømmen (amperemeteret) til null, fordi selv de raskeste elektronene ikke lenger klarer å nå motstanderen. Da gjelder:

\[ E_{k,\text{maks}} = eU_0 \]
Ved å øke spenningen gradvis til strømmen blir null, finner vi stoppespenningen \(U_0\). Den maksimale kinetiske energien beregnes som \(E_{k,\text{maks}} = eU_0\).

c) Uskarpheten i bevegelsesmengde i y-retning

Elektronene går gjennom en spalte med åpning 12 nm i y-retning. Uskarpheten i posisjon: \(\Delta y = 12 \text{ nm} = 12 \cdot 10^{-9}\) m.

Heisenbergs uskarphetsrelasjon:

\[ \Delta y \cdot \Delta p_y \geq \frac{h}{4\pi} \]

Minste mulige uskarphet:

\[ \Delta p_y = \frac{h}{4\pi \cdot \Delta y} = \frac{6{,}63 \cdot 10^{-34}}{4\pi \cdot 12 \cdot 10^{-9}} = \frac{6{,}63 \cdot 10^{-34}}{1{,}508 \cdot 10^{-7}} \]
\[ \Delta p_y \approx 4{,}4 \cdot 10^{-27} \text{ kg}\cdot\text{m/s} \]

d) Elektron gjennom to spalter

Forklar at et elektron som går gjennom den første spalten, ikke nødvendigvis går gjennom den andre spalten.

Elektronet er en kvantepartikkel og beskrives av en bølgefunksjon. Når elektronet passerer gjennom den første spalten (åpning 12 nm), begrenses dets posisjon i y-retning til \(\Delta y = 12\) nm.

Ifølge Heisenbergs uskarphetsrelasjon får elektronet da en usikkerhet i bevegelsesmengde i y-retning: \(\Delta p_y \geq \frac{h}{4\pi \cdot \Delta y}\). Dette betyr at elektronet kan få en hastighetskomponent i y-retning etter den første spalten.

Bølgefunksjonen sprer seg (diffrakteres) etter den første spalten. Når elektronet når den andre spalten, har bølgefunksjonen en utstrekning som kan være større enn spalteåpningen. Sannsynligheten for å finne elektronet akkurat i spalteåpningen er derfor ikke 100 %.

Fordi elektronet diffrakteres ved den første spalten og sprer seg i y-retning (grunnet uskarpheten i bevegelsesmengde), er det en endelig sannsynlighet for at elektronet treffer veggen ved den andre spalten i stedet for å gå gjennom.

Oppgave 7 – Stavmagnet gjennom spole (7 poeng)

En stavmagnet slippes fra ro, med nordpolen ned, gjennom en spole. Spolen har 600 vindinger.
0 0,06 0,12 0,18 0,21 t (s) 0,3 0,2 0,1 -0,1 -0,2 -0,3 -0,4 ε (V) +0,23 V -0,31 V

Indusert spenning som funksjon av tid når stavmagneten faller gjennom spolen

a) Retning på det induserte magnetfeltet i spolen

1) Når magneten faller mot spolen (nordpolen ned):

Magnetisk fluks gjennom spolen øker (nordpolen nærmer seg, feltet nedover gjennom spolen øker). Ifølge Lenz' lov motvirker det induserte feltet endringen. Det induserte magnetfeltet peker oppover (mot magneten, for å motvirke den økende fluksen nedover). Man kan tenke på dette som at spolen «prøver å skyve magneten bort» – den oppfører seg som en magnet med nordpolen oppover, som frastøter den innkommende nordpolen.

2) Når magneten forlater spolen (nordpolen har passert gjennom):

Magnetisk fluks gjennom spolen avtar (nordpolen beveger seg bort nedover). Det induserte feltet prøver å opprettholde fluksen. Det induserte magnetfeltet peker nedover (i samme retning som magnetens felt, for å motvirke den minkende fluksen). Nå «prøver spolen å holde magneten tilbake» – den tiltrekker den forsvinnende sydpolen ved å lage et felt i samme retning.

b) Hvorfor er \(|\varepsilon_{\text{maks}}|\) mindre ved inngang enn utgang?

Magneten slippes fra ro og akselereres av tyngdekraften. Når magneten kommer inn i spolen, har den lavere fart enn når den forlater spolen (den har akselerert gjennom spolen).

Ifølge Faradays lov: \(\varepsilon = -N\frac{d\Phi}{dt}\). Raten for fluksendring \(\frac{d\Phi}{dt}\) er proporsjonal med magnetens fart. Høyere fart gir raskere fluksendring og dermed større indusert EMF.

Magneten beveger seg raskere når den forlater spolen enn når den kommer inn. Dermed er \(\frac{d\Phi}{dt}\) større når magneten forlater, og \(|\varepsilon_{\text{maks}}|\) er større ved utgang enn inngang.

c) Endring i magnetisk fluks

Fra grafen: \(|\bar{\varepsilon}| = 0{,}23\) V ved inngang (\(\Delta t_1 = 0{,}12\) s) og \(|\bar{\varepsilon}| = 0{,}31\) V ved utgang (\(\Delta t_2 = 0{,}21 - 0{,}12 = 0{,}09\) s).

Faradays lov: \(|\bar{\varepsilon}| = N\frac{|\Delta\Phi|}{\Delta t}\), altså \(|\Delta\Phi| = \frac{|\bar{\varepsilon}| \cdot \Delta t}{N}\).

Intervallet \(0 < t < 0{,}12\) s (magneten kommer inn):

\[ |\Delta\Phi_1| = \frac{0{,}23 \cdot 0{,}12}{600} = \frac{0{,}0276}{600} = 4{,}6 \cdot 10^{-5} \text{ Wb} \]

Intervallet \(0{,}12\text{ s} < t < 0{,}21\) s (magneten forlater):

\[ |\Delta\Phi_2| = \frac{0{,}31 \cdot 0{,}09}{600} = \frac{0{,}0279}{600} = 4{,}7 \cdot 10^{-5} \text{ Wb} \]

\(|\Delta\Phi_1| \approx 4{,}6 \cdot 10^{-5}\) Wb og \(|\Delta\Phi_2| \approx 4{,}7 \cdot 10^{-5}\) Wb.

Kommentar: Fluksendringene er tilnærmet like store. Dette er forventet fordi magneten bringer med seg den samme magnetiske fluksen inn og ut av spolen – den totale fluksen som øker når magneten kommer inn, må minke med like mye når den forlater.

d) Vurdering av måleresultater mot Faradays lov

Ifølge Faradays lov: \(|\bar{\varepsilon}| = N\frac{|\Delta\Phi|}{\Delta t}\). Hvis \(|\Delta\Phi|\) er den samme for alle forsøk (samme magnet og spole), da skal produktet \(|\bar{\varepsilon}| \cdot \Delta t = N \cdot |\Delta\Phi|\) være konstant.

Vi beregner produktet for hvert forsøk:

Forsøk\(\Delta t\) / s\(\bar{\varepsilon}\) / V\(\bar{\varepsilon} \cdot \Delta t\) / (V·s)
10,120,220,0264
20,110,240,0264
30,100,270,0270
40,0880,300,0264
50,0840,330,0277
60,0750,370,0278
70,0720,380,0274
80,0690,400,0276

Produktet \(\bar{\varepsilon} \cdot \Delta t\) varierer mellom 0,0264 og 0,0278, med gjennomsnitt \(\approx 0{,}0271\).

Usikkerhetsvurdering: Med 5 % usikkerhet i \(\Delta t\) og 1 % i \(\bar{\varepsilon}\) er den samlede usikkerheten i produktet ca. 6 %. 6 % av 0,0271 gir \(\pm 0{,}0016\). Intervallet \(0{,}0255\) til \(0{,}0287\) dekker alle måleverdiene.

Konklusjon: Produktet \(\bar{\varepsilon} \cdot \Delta t\) er tilnærmet konstant for alle forsøk, noe som er i godt samsvar med Faradays induksjonslov. Variasjonene er innenfor måleusikkerhetene.

Dette bekrefter at \(|\bar{\varepsilon}| \propto \frac{1}{\Delta t}\): når magneten slippes fra større høyde, beveger den seg raskere (\(\Delta t\) minker), og den gjennomsnittlige induserte spenningen øker tilsvarende.

Laster…
Nyere løsning
Vår 2025
Eldre løsning
Vår 2024

Alle løsningsforslag for Fysikk 2

Vår 2026Høst 2025Vår 2025Høst 2024Vår 2024Høst 2023Vår 2023
Se eksamensoppgaven
eksamenssett.noTren målrettet

Komplett samling av eksamensoppgaver og løsninger for norsk skole.

Om ossFAQPersonvernVilkårAngrerettKontakt

© 2025 Eksamenssett.no · Alle rettigheter forbeholdt

Innholdet er utviklet med AI-verktøy og kvalitetssikres kontinuerlig. Slik jobber vi med kvalitet →

Eksamenssett.no eies og drives av Studenthjelp Privatundervisning AS