Fysik A. Studentereksamen

Transkript

1 Fysik A Studentereksamen 2stx131-FYS/A Mandag den 3. juni 2013 kl

2 Side 1 af 10 Side 1 af 10 sider Billedhenvisninger Opgave 1 Opgave /sizes/o/in/photostream/ Opgave Opgave 4 Opgave /04/dsc_0534.jpg Opgave 7 physics/observing/cloud-images/shower.jpg

3 Side 2 af 10 sider Side 2 af 10 Opgavesættet består af 7 opgaver med tilsammen 15 spørgsmål. Svarene på de stillede spørgsmål indgår med samme vægt i vurderingen. Der er 1 bilag (vedlagt i 2 eksemplarer). Opgaverne Opgave 1 Is på højspændingsledninger Opgave 2 CINDI Opgave 3 Kvasaren 3C-279 Opgave 4 Luftskib Opgave 5 Rappelling Opgave 6 Papirbehandling Opgave 7 Produktion af K mesoner Alle hjælpemidler er tilladt Følgende hjælpemidler forudsættes: Databog fysik kemi (F&K Forlaget), 6. udgave (1992) eller senere udgave.

4 Side 3 af 10 sider Side 3 af 10 Opgave 1 Is på højspændingsledninger I 2008 blev den nordøstlige del af USA udsat for en kraftig snestorm. I løbet af få timer lagde der sig et tykt lag is på mange højspændingsledninger, som derfor faldt ned, og hundredetusinder af husstande mistede elforsyningen. En lang højspændingsledning har resistansen 1,53 Ω. Strømstyrken i ledningen er 105 A. a) Med hvilken effekt omsættes der elektrisk energi i højspændingsledningen? 4 Under en snestorm lægger der sig 4,2 10 kg is på højspændingsledningen. For at undgå at ledningen falder ned, skal isen smeltes. Isens temperatur er 10 C, når den lægger sig på ledningen. b) Bestem den energi, der skal tilføres isen for at smelte den.

5 Side 4 af 10 sider Side 4 af 10 Opgave 2 CINDI I jagten på narkotika anvender de amerikanske myndigheder apparatet CINDI, der kan opdage narkotika skjult i hulrum i fx skibe. Apparatet indeholder en radioaktiv kilde, der udsender energirige neutroner. Neutronerne kan let gå gennem metalplader, men reflekteres, hvis de rammer et stof med højt hydrogenindhold som fx narkotika. Apparatet CINDI indeholder en radioaktiv kilde med isotopen 252 Cf, der kan henfalde ved spontan fission, hvor en kerne af sig selv spaltes i to mindre kerner og et antal neutroner. Når 252 Cf henfalder ved spontan fission, kan der dannes 132 Sn og endnu en kerne samt 3 neutroner. a) Opskriv reaktionsskemaet for denne spontane fission af 252 Cf. Beregn processens Q-værdi ud fra massen af de partikler, der deltager i processen. Kilden i CINDI indeholder oprindeligt 500 µg 252 Cf. Kilden kan anvendes i 15 år. Der udsendes i gennemsnit 3,79 neutroner ved hver spontan fission, og disse udgør 3,09 % af henfaldene. b) Beregn antallet af udsendte neutroner i løbet af de 15 år, kilden kan anvendes.

6 Side 5 af 10 sider Side 5 af 10 Opgave 3 Kvasaren 3C-279 Astronomer har observeret den lysstærke kvasar 3C-279 med tre teleskoper, der er placeret med stor indbyrdes afstand på Jorden. Observationerne er de hidtil nøjagtigste foretaget med radioteleskoper på Jorden. Den nuværende afstand til kvasaren er rødforskydningen 0, ,67 10 ly. Kvasaren har a) Beregn, hvor mange lysår afstanden til kvasaren er blevet større, mens strålingen fra kvasaren har været undervejs.

7 Side 6 af 10 sider Side 6 af 10 Opgave 4 Luftskib Ved overvågning af sæler og hvaler anvendes moderne luftskibe fyldt med helium. De er støjsvage og kan holde sig svævende længe. Luftskibenes elmotorer får energi fra solceller. Et luftskib er udstyret med 750 m 2 solceller, som modtager energi fra Solen med effekten 800 W pr. m 2. Solcellernes nyttevirkning er 0,25. a) Beregn den effekt, hvormed solcellerne leverer energi til luftskibets elmotorer. Luftskibets volumen er 8,0 t. 3 8,4 10 m 3. Luftskib og helium har den samlede masse b) Vurdér massen af den nyttelast, som luftskibet kan medbringe. På en vindstille dag følger luftskibet nogle hvaler, som svømmer langs en kyst. Motorerne påvirker luftskibet med en kraft, der udfører arbejde på luftskibet med effekten 18 kw. Luftskibet har formfaktoren 0,078. Dets tværsnitsareal vinkelret på bevægelsesretningen er 310 m 2. c) Vurdér luftskibets fart.

8 Side 7 af 10 sider Side 7 af 10 Opgave 5 Rappelling Rappelling er en teknik til at fire sig ned fra store højder. Personen sænker sig ned ved hjælp af et tov. Personen sætter af med fødderne, og når han ikke længere har kontakt med underlaget, slækker han tovet og glider ned, indtil fødderne igen rammer underlaget. Personen fortsætter med dette, indtil han er nede. En person rappeller ned ad en klippe. Tabellen viser sammenhørende værdier af personens højde h over jorden og tiden t efter et afsæt. Til tiden t = 0 s sætter personen af fra klippen, og til tiden t = 1,83 s rammer personen klippen igen og kan foretage det næste afsæt. t / s 0,00 0,23 0,50 0,76 1,03 1,30 1,57 1,83 h / m 28,42 28,55 28,54 28,39 28,11 27,79 27,36 27,09 a) Vurdér ud fra tabellens data personens højeste fart mellem de to afsæt.

9 Side 8 af 10 sider Side 8 af 10 En person rappeller ned ad en klippevæg. På figuren ses personen i hvile. Personen med udstyr har massen 68 kg. b) Indtegn på bilag 1 pile, der viser størrelse og retning af de tre kræfter, der virker på personen i den viste situation.

10 Side 9 af 10 sider Side 9 af 10 Opgave 6 Papirbehandling Papirs styrke kan øges ved overfladebehandling med latex. Det gør samtidigt papiret mere smudsafvisende. Ved overfladebehandling af papir med latex føres papiret gennem et elektrisk felt mellem to parallelle plader. Latex i form af små ladede partikler blæses ind mellem pladerne og trækkes mod papiret af det elektriske felt. Spændingsfaldet mellem pladerne er 100 kv, og afstanden mellem dem er 24 cm. Den elektriske 9 kraft på en latexpartikel har størrelsen 4,42 10 N. a) Beregn størrelsen af ladningen på latexpartiklen. 3 Latexpartiklerne er kugleformede med radius 16 m og densitet 2,7 10 kg/m 3. Partiklerne sprøjtes ind i plademellemrummet i afstanden 12 cm fra papiret med begyndelsesfart 7,5 m/s og retning vinkelret mod papiret. Man kan se bort fra tyngdekraft og luftmodstand. b) Beregn partiklernes fart, når de rammer papiret.

11 Side 10 af 10 sider Side 10 af 10 Opgave 7 Produktion af K mesoner K mesoner blev første gang observeret ved studier af kosmisk stråling i slutningen af 1940 erne. Studier af K mesoner har haft central betydning for forståelsen af strange-kvarker og symmetriegenskaber ved de fundamentale vekselvirkninger. K mesoner kan produceres ved at beskyde protoner med mesoner. En K meson bevæger sig i laboratoriet med gammafaktoren 1,567. a) Beregn K mesonens middellevetid i laboratoriet. Ved en bestemt produktion af K mesoner beskydes protonerne med mesoner, som netop har den tilstrækkelige energi Emin til at producere K mesoner. K mesonerne dannes ved reaktionen p K K n b) Gør rede for kvarksammensætningen for de indgående partikler i reaktionen. Forklar, at ved energien Emin er det netop partiklerne K og n, der dannes sammen med K. Protoner i hvile beskydes med mesoner med energien 1,50 GeV. c) Vis ud fra masserne af de indgående partikler i reaktionen, at mesoner med energien 1,50 GeV netop har tilstrækkelig energi til at producere K mesoner. (Opgavesættet er slut)

12 541 TRYKSAG 457

13 STUDENTEREKSAMEN JUNI stx131 FYS.A BILAG 1 Ark af i alt ark Navn: Skole/kursus: Klasse: Bilaget kan afleveres sammen med besvarelsen