SV – Fysik

29.9.2020

Provet består av 11 uppgifter av vilka sju ska besvaras. Uppgifterna är indelade i tre delar. Del I omfattar en 20-poängsuppgift som är obligatorisk för alla. Del II omfattar sju 15-poängsuppgifter av vilka fyra ska besvaras. Del III omfattar tre 20-poängsuppgifter av vilka två ska besvaras. Det maximala antalet poäng i provet är 120. Alla svar ska motiveras förutsatt att det svarstekniskt sett är möjligt. Om du vill kan du göra figurer, diagram eller tabeller som stöd för ditt svar och bifoga en skärmdump av dem till vilket textsvar som helst.

Lämna inga anteckningar i svarsfältet för sådana uppgifter som du inte vill lämna in för bedömning.

Del I: 20-poängsuppgift

Besvara uppgift 1.

1. Flervalsuppgifter från olika delområden i fysik 20 p.

Välj rätt alternativ för varje deluppgift 1.1.–1.10. Rätt svar 2 p., fel svar 0 p., inget svar 0 p.

1.1. En fotbollsspelare sparkar en boll. Vilket av följande påståenden gäller under själva sparken? 2 p.

 

1.2. Vilket av följande alternativ är korrekt? En golfboll påverkas genast efter slaget av 2 p.

 

1.3. En fallskärmshoppare med öppen fallskärm svävar nedåt med konstant hastighet. Vilket av följande alternativ är korrekt? 2 p.

 

1.4. En innebandyboll kastas mot en tom dryckesburk. Vid kollisionen uppstår det en stor buckla på sidan av burken. Vilket av följande påståenden gäller under själva kollisionen? 2 p.

 

1.5. En simmare plumsar ner i kallt (10 °C) sjövatten. Vilken av följande värmespridningsformer överför mest energi från simmarens hud? 2 p.

 

1.6. Vilken av följande energiomvandlingar har den lägsta verkningsgraden? 2 p.

 

1.7. En elektrisk ledare befinner sig i ett magnetfält i enlighet med bilden. En ström på 3 ampere flödar genom ledaren. Vad kan man säga om den magnetiska kraften som påverkar ledaren? 2 p.



 

1.8. En vågrörelse fortplantas snett genom en gränsyta till ett annat, för vågrörelsen annorlunda, medium. Vilket av följande påståenden gäller i situationen? 2 p.

 

1.9. Punkterna K och L har markerats i strömkretsen i bilden. Vilket av följande påståenden är korrekt? 2 p.



 

1.10. En liten, negativt laddad partikel hålls på plats i ett elektriskt fält i enlighet med bilden. I vilken riktning börjar partikeln röra sig när den släpps lös? 2 p.



 

Del II: 15-poängsuppgifter

Besvara fyra uppgifter.

2. Bastu 15 p.

Leo och Joakim badar i en bastu som värmts till temperaturen 90 °C. De käbblar sinsemellan om huruvida det lönar sig att kasta kallt (temperaturen 7 °C) eller varmt (temperaturen 40 °C) vatten på bastustenarna. Leo anser att kallt vatten kyler ner stenarna för mycket, medan Joakim är av åsikten att vattnets temperatur inte har någon större betydelse.

Det finns 100 kg bastustenar på ugnen och de har en temperatur på 250 °C. Den specifika värmekapaciteten hos stenarna är 1,30 kJ/(kg K). 0,30 liter vatten kastas på bastuugnen. Den genomsnittliga förångningstemperaturen för vattnet på bastustenarna är 90 °C.

2.1. Med hur många fler procent minskar energin som är lagrad i bastustenarna då man använder det kalla vattnet i stället för det varma vattnet? 7 p.

 

2.2. Hur mycket sjunker i medeltal temperaturen hos hela stenmassan då man använder det kalla vattnet (7 °C)? 4 p.

 

2.3. Förklara med fysikaliska termer vad den uppvärmande effekten på huden genast efter att vattnet kastats på stenarna beror på. 4 p.

 

3. Elektriskt laddade pingisbollar 15 p.

Växelverkan mellan laddade kroppar undersöktes med hjälp av den experimentella uppställningen i bild 3. A. Två likadana försilvrade pingisbollar är fritt upphängda på en isolerande krok med hjälp av en mycket tunn koppartråd. Trådarnas längd från upphängningspunkten till bollarnas mittpunkt är L = 130 cm och massan hos en boll är m = 3,0 g. Då laddningen från en Van de Graaff-generator förs till koppartrådens upphängningspunkt kan man märka att avståndet mellan bollarnas mittpunkter ökar till värdet d = 12 cm.

3.1. Rita kraftfiguren för pingisbollen till vänster och namnge krafterna som verkar på bollen. 5 p.

 

3.2. Vad kan du säga om förhållandet mellan storleken på laddningarna hos bollarna och om laddningarnas förtecken? Bestäm storleken på de elektriska laddningarna hos bollarna. 10 p.

 

4. En långbåge 15 p.

Långbågen är en traditionell typ av pilbåge. Kraften FL som krävs för att spänna en långbåge är beroende av längden som bågen spänns till (den så kallade draglängden L, se bild 4. A). Tabell 4. B visar hur kraften beror av draglängden.

4.1. Presentera grafiskt kraften FL som funktion av draglängden. Hur stort arbete utför kraften då långbågen spänns till en draglängd på 0,70 m? 7 p.

 

4.2. En pil med massan 490 grain (1 grain = 64,79891 mg) läggs på långbågen och bågen spänns till en draglängd på 0,70 m. Hur stor utgångshastighet kan en pil som skjuts i vågrät riktning maximalt få? 8 p.

 

5. En pendel 15 p.

5.1. Din uppgift är att bygga en pendel lik den som visas i den schematiska bilden 5. A. Vilka olika faktorer måste du beakta för att dämpningen hos din pendel ska vara så liten som möjligt? 6 p.

 

5.2. Vad menas med harmonisk oscillation? Planera ett experiment genom vilket du kan undersöka om den pendel du har byggt är en harmonisk oscillator. Beskriv hur experimentet utförs. Förklara med motiveringar vilket slutresultat du förväntar dig av ditt experiment. 9 p.

 

6. Knappnålar 15 p.

Du tappar knappnålar av metall på golvet och en del av dem faller ner i en 1,5 mm bred springa mellan golvbrädorna därifrån du inte kan fiska upp dem med fingrarna.

Hur kan du fiska upp knappnålarna ur springan utan att förstöra golvet då du har redskapen i bild 6. A i materialet till ditt förfogande?

Av ditt svar ska det i tillräckligt stor detalj framgå

  • hur du använder redskapen du valt
  • vilket eller vilka fysikaliska fenomen din lösning baserar sig på
  • hur du kan reglera effektiviteten hos metoden du använder i lösningen
  • vilka säkerhetsaspekter du bör beakta i din metod.
 

7. Radioaktivt sönderfall 15 p.

Den radioaktiva cesiumisotopen Cs-137 används bland annat i industrin för att bestämma tjockleken eller flödeshastigheten hos material och vid cancerbehandlingar på sjukhus. Isotopen uppstår vid kärnornas fissionsreaktioner i kärnkraftverk.

7.1. Sönderfallsdiagrammet för den radioaktiva cesiumisotopen Cs-137 presenteras i material 7. A. Vilken typ av strålning uppstår vid övergångarna a, b och c? Motivera ditt svar. 5 p.

 

7.2. Dämpningen i aluminium av 662 keV gammastrålning från en viss radioaktiv källa undersöktes genom att man placerade 10,0 mm tjocka aluminiumskivor mellan källan och en strålningsdetektor. Skivorna lades till en åt gången och strålningens intensitet I uttryckt som fotoner per tidsenhet mättes varje gång skivornas antal ökade. Aluminiumskivornas sammanlagda tjocklek och intensiteten vid varje mätning är givna i materialet 7. B. Presentera de uppmätta intensiteterna som funktion av aluminiumets tjocklek och anpassa en I(x)-graf till mätpunkterna, där x är aluminiumlagrets tjocklek. 5 p.

 

7.3. Hur tjockt aluminiumlager behöver man för att minska intensiteten av gammastrålningen på 662 keV till en tiondel av det ursprungliga värdet? 5 p.

 

8. Apollo 11 15 p.

Under månfärden med Apollo 11 i juli 1969 gick farkosten som bestod av kommandomodulen, servicemodulen och månlandaren in i en nästan cirkelformad omloppsbana runt månen på en höjd av 110 km från månens yta. Då 100 h 12 min hade förflutit sedan färdens början lösgjordes månlandaren som sedan tog Neil Armstrong och Edwin Aldrin till månens yta. Michael Collins blev kvar i kommando- och servicemodulen i omloppsbana runt månen. Efter månlandningen återvände månlandaren för att docka med kommando- och servicemodulen. 128 h 3 min hade då förflutit sedan färdens början.

8.1. Hur många varv runt månen hann Collins färdas för sig själv? 10 p.

 

8.2. Förklara varför Collins upplevde sig vara tyngdlös medan han var i omloppsbana runt månen. 5 p.

 

Del III: 20-poängsuppgifter

Besvara två uppgifter.

9. Parkeringsradar 20 p.

Parkeringsradar är ett system som assisterar vid parkering av ett fordon. Det fungerar med hjälp av ultraljudspulser som skickas från och tas emot av ultraljudsanordningar i fordonets bak- eller framdel. I ett enkelt system kan anordningen inte skicka och ta emot ultraljudssignaler samtidigt. I stället skickar det ut pulser vid jämna intervall och registrerar i tiden mellan pulserna ultraljud av samma frekvens från omgivningen (se bild 9. A). Systemet bestämmer avståndet till hinder med hjälp av pulserna, och om ett hinder är nära fordonet varnas föraren.

9.1. Tillverkaren av en viss anordning meddelar att avståndet till ett hinder måste vara minst 15 cm för en tillförlitlig registrering av avståndet till hindret. Maximiavståndet till ett hinder är beroende av anordningens känslighet. Förklara kortfattat hur avståndsmätningar med ultraljudsanordningen fungerar. Förklara också varför mätningarna inte fungerar vid för korta eller för långa avstånd. 7 p.

 

9.2. Bestäm varaktigheten av ultraljudspulsen samt våglängden och frekvensen för själva ultraljudet om en puls består av 90 svängningsperioder och minimiavståndet för en tillförlitlig mätning är 15 cm. Luftens temperatur är 20,0 °C. 6 p.

 

9.3. Ljudets hastighet i luft är proportionell mot kvadratroten av temperaturen, alltså v\sim\sqrt{T} v T . Minimiavståndet är 15 cm då temperaturen är 20,0 °C. Beräkna förändringen i minimiavståndet för tillförlitliga mätningar då luftens temperatur ökar till 45,0 °C. Hur stor är den relativa förändringen i ultraljudets våglängd? Förändras ultraljudspulsens varaktighet? 7 p.

 

10. Den flygande ringen 20 p.

I material 10. A, 10. B och 10. C finns det videofilmer av tre experiment. I experimenten används en spole som består av 600 varv tråd. En järnstång fungerar som spolens kärna. Spolen är kopplad i serie med en likspänningskälla och en strömbrytare. I det första experimentet placeras en aluminiumring på spolen varefter en elektrisk ström kopplas till spolen. I det andra experimentet upprepas proceduren med en aluminiumring som är bruten. I det tredje experimentet används en obruten aluminiumring som har kylts med flytande kväve.

10.1. Förklara varför ringen flyger uppåt då en elektrisk ström kopplas till spolen i det första experimentet (video 10. A). 6 p.

 

10.2. Förklara varför den brutna ringen i det andra experimentet (video 10. B) inte flyger uppåt. 3 p.

 

10.3. Förklara varför den nedkylda ringen i det tredje experimentet (video 10. C) flyger högre än ringen i det första experimentet. 3 p.

 

10.4. Förklara i detalj vad som händer i järnstången när en elektrisk ström kopplas till spolen. 4 p.

 

10.5. Skulle aluminiumringen flyga lika högt i det första experimentet (video 10. A) om järnstången som fungerar som spolens kärna byttes ut mot en stång av mässing? Motivera ditt svar. 4 p.

 

11. En galax 20 p.

11.1. Material 11. A är ett pressmeddelande om upptäckten av den avlägsna galaxen GN-z11 år 2016. Besvara kortfattat följande frågor utifrån materialet.

  • Hur gammalt är vårt kända universum?
  • Vad förorsakar den kosmiska rödförskjutningen av ljus från avlägsna galaxer?
  • Utifrån vad kunde forskarna bedöma att GN-z11 är en ung galax i tillväxtskedet?
6 p.

 

11.2.

Galaxen GN-z11 som upptäcktes år 2016 är en av de mest avlägsna kända galaxerna. I kosmologin uttrycks stora avstånd med hjälp av den kosmiska rödförskjutningen. Som mått på rödförskjutning används storheten z=\frac{\lambda_h-\lambda}{\lambda} z = λ h λ λ där \lambda_h λ h är den i mätningar observerade våglängden och \lambda λ är våglängden hos strålningen från galaxen. Bilden 11. B visar resultat för värdet på storheten z z för mätningar från galaxen GN-z11.

Till vilket värde för våglängden uppskattar du att Lyman \alpha α -linjen i vätespektret (våglängd 121,57 nm) har förskjutits i det observerade spektrumet?

6 p.

 

11.3.

Enligt Dopplers lag om elektromagnetisk strålning är \lambda_h = \lambda\sqrt{\frac{1+\displaystyle{\frac{v}{c}} }{1-\displaystyle{\frac{v}{c}} }} λ h = λ 1 + v c 1 v c där v v är hastigheten med vilken galaxen avlägsnar sig och c c är ljusets hastighet.

Bestäm hastigheten med vilken galaxen GN-z11 avlägsnar sig och med hjälp av Hubbles lag v= H_0d v = H 0 d avståndet d d till galaxen. (H_0 =22\frac{{\rm km/s}}{{\rm Mly}}) ( H 0 = 22 k m / s M l y )

8 p.

 

Källor

  1. Källa: SEN.
  2. Källa: SEN.
  3. Källa: SEN.

Kontrollera att du har svarat på det antal uppgifter som anges i instruktionerna. Lämna inga anteckningar i svarsfältet för sådana uppgifter som du inte vill lämna in för bedömning.