Teoretiske Øvelser Mandag den 13. september 2010

Relaterede dokumenter
Teoretiske Øvelser Mandag den 30. august 2010

Kvalifikationsbeskrivelse

Teoretiske Øvelser Mandag den 28. september 2009

Teoretiske Øvelser Mandag den 31. august 2009

1. Beregn sandsynligheden for at samtlige 9 klatter lander i felter med lige numre.

MODUL 1-2: ELEKTROMAGNETISK STRÅLING

Bitten Gullberg. Solen. Niels Bohr Institutet

Projektopgave Observationer af stjerneskælv

STJERNER OG STJERNEMODELLER

Udledning af den barometriske højdeformel. - Beregning af højde vha. trykmåling. af Jens Lindballe, Silkeborg Gymnasium

Formelsamling i astronomi. Februar 2016

DETTE OPGAVESÆT INDEHOLDER 5 OPGAVER MED IALT 11 SPØRGSMÅL. VED BEDØMMELSEN VÆGTES DE ENKELTE

Reaktionskinetik - 1 Baggrund. lineære og ikke-lineære differentialligninger. Køreplan

Differentiation af sammensatte funktioner

Stjerneudvikling, grundstofsyntese og supernovaer. Jørgen Christensen-Dalsgaard Dansk AsteroSeismologi Center Institut for Fysik og Astronomi

Skråplan. Esben Bork Hansen Amanda Larssen Martin Sven Qvistgaard Christensen. 2. december 2008

Formelsamling i astronomi. November 2015.

MODERNE KOSMOLOGI STEEN HANNESTAD, INSTITUT FOR FYSIK OG ASTRONOMI

Udledning af Keplers love

Resumé fra sidst. Stjernerne i bulen er mere metalrige end i skiven

Termodynamik. Esben Mølgaard. 5. april N! (N t)!t! Når to systemer sættes sammen bliver fordelingsfunktionen for det samlede system

Differential- ligninger

DETTE OPGAVESÆT INDEHOLDER 6 OPGAVER MED IALT 11 SPØRGSMÅL. VED BEDØMMELSEN VÆGTES DE ENKELTE

MATEMATIK A-NIVEAU. Anders Jørgensen & Mark Kddafi. Vejledende eksempler på eksamensopgaver og eksamensopgaver i matematik, 2012.

Solindstråling på vandret flade Beregningsmodel

Undervisningsbeskrivelse

Undervisningsbeskrivelse

Drivhuseffekten. Hvordan styres Jordens klima?

Newtons love - bevægelsesligninger - øvelser. John V Petersen

Mini SRP. Afkøling. Klasse 2.4. Navn: Jacob Pihlkjær Hjortshøj, Jonatan Geysner Hvidberg og Kevin Høst Husted

SONG Stellar Observations Network Group

Fysik 2 - Den Harmoniske Oscillator

Impuls og kinetisk energi

Danmarks Tekniske Universitet

Eksamen i Matematik F2 d. 19. juni Opgave 2. Svar. Korte svar (ikke fuldstændige)

Dronninglund Gymnasium Fysik skriftlig eksamen 27. maj 2011

Besvarelser til Calculus Ordinær Eksamen - 5. Januar 2018

1. Bevægelse med luftmodstand

Besvarelser til Calculus Ordinær eksamen - Forår - 6. Juni 2016

Eksamen i fysik 2016

Strålingsintensitet I = Hvor I = intensiteten PS = effekten hvormed strålingen rammer en given flade S AS = arealet af fladen

Aalborg Universitet. Skriftlig eksamen i Grundlæggende Mekanik og Termodynamik. Torsdag d. 7. august 2014 kl

Undervisningsbeskrivelse

Danmarks Tekniske Universitet

Introduktion til Astronomi

Røntgenspektrum fra anode

Aalborg Universitet. Skriftlig eksamen i Grundlæggende Mekanik og Termodynamik. Torsdag d. 9. juni 2011 kl

Bernoulli s lov. Med eksempler fra Hydrodynamik og aerodynamik. Indhold

Aalborg Universitet. Skriftlig eksamen i Grundlæggende Mekanik og Termodynamik. Tirsdag d. 11. august 2015 kl

Lineære sammenhænge. Udgave Karsten Juul

Opgave 1. (a) Bestem de to kapacitorers kapacitanser C 1 og C 2.

Matematisk modellering og numeriske metoder. Lektion 11

Matematik A. Studentereksamen. Fredag den 5. december 2014 kl stx143-mat/a

Aalborg Universitet. Skriftlig eksamen i Grundlæggende Mekanik og Termodynamik. Fredag d. 2. juni 2017 kl

Hvorfor bevæger lyset sig langsommere i fx glas og vand end i det tomme rum?

Log - Mikro og makroskopiske tilstande, det mikrokanoniske ensemble, multiplicitet og entropi

Begge bølgetyper er transport af energi.

MATEMATIK A-NIVEAU. Kapitel 1

Skriftlig eksamen BioMatI (MM503)

GUX. Matematik. A-Niveau. Torsdag den 31. maj Kl Prøveform a GUX181 - MAA

Måling og modellering af partikelspredning

Cirkulær hyperboloide (snoet trætårn i Camp Adventure ved Gisselfeld Kloster v/ Haslev)

Danmarks Tekniske Universitet

Dosering af anæstesistoffer

Matematik A. Studentereksamen

Modeldannelse og simulering

Aalborg Universitet. Skriftlig eksamen i Grundlæggende Mekanik og Termodynamik. Tirsdag d. 27. maj 2014 kl

a og b. Den magnetiske kraftlov Og måling af B ved hjælp af Tangensboussole

gl. Matematik A Studentereksamen

1 Løsningsforslag til årsprøve 2009

Solen - Vores Stjerne

Rektangulær potentialbarriere

Simuleringsresultater

Øvre rand ilt. Den målte variation, er antaget at være gældende på randen i en given periode før og efter målingerne er foretaget.

Note om Laplace-transformationen

Nanotermodynamik formelsamling

Første og anden hovedsætning kombineret

Gaslovene. SH ver Hvad er en gas? Fysiske størrelser Gasligninger... 3

Cepheider. Af Michael A. D. Møller. Oktober side 1/12. Cepheider

1, c. 52% af er ca , så der skulle bortskaffes m 3 moræneler.

Figur 1 Energetisk vekselvirkning mellem to systemer.

FYSIK 3 / TERMODYNAMIK Københavns Universitet, 13. april, 2016, Skriftlig prøve

Kalkulus 1 - Opgaver. Anne Ryelund, Anders Friis og Mads Friis. 20. januar 2015

Danmarks Tekniske Universitet

Løsningsforslag til fysik A eksamenssæt, 23. maj 2008

Kernefysik og dannelse af grundstoffer. Fysik A - Note. Kerneprocesser. Gunnar Gunnarsson, april 2012 Side 1 af 14

Danmarks Tekniske Universitet

Matematik A. Studentereksamen

Eksperimentelle øvelser, øvelse nummer 3 : Røntgenstråling målt med Ge-detektor

a og b Den magnetiske kraftlov Og måling af B ved hjælp af Tangensboussole

Skriftlig eksamen i Statistisk Mekanik den fra 9.00 til Alle hjælpemidler er tilladte. Undtaget er dog net-opkoblede computere.

SOLOBSERVATION Version

Måling af turbulent strømning

Besvarelser til Calculus Ordinær Eksamen - 3. Januar 2017

AARHUS UNIVERSITET. Det naturvidenskabelige fakultet 3. kvarter forår OPGAVESTILLER: Allan H. Sørensen

EKSAMENSOPGAVELØSNINGER CALCULUS 2 (2005) JANUAR 2006 AARHUS UNIVERSITET.. Beregn den retningsafledede D u f(0, 0).

DET USYNLIGE UNIVERS. STEEN HANNESTAD 24. januar 2014

Tallene angivet i rapporten som kronologiske punkter refererer til de i opgaven stillede spørgsmål.

Matematik A. Højere teknisk eksamen

Erik Vestergaard 1. Opgaver. i Lineære. funktioner. og modeller

Transkript:

Hans Kjeldsen hans@phys.au.dk 6. september 00 eoretiske Øvelser Mandag den 3. september 00 Computerøvelse nr. 3 Ligning (6.8) og (6.9) på side 83 i Lecture Notes angiver betingelserne for at konvektion finder sted i det indre af en stjerne. I nærværende computerøvelse skal vi undersøge denne betingelse for en simpel model af Solen. Det er tanken at øvelsen skal bruges som optakt til øvelse Ø-0. I det følgende ser vi på en simpel model af Solen, hvor ligningen for en ideal gas antages at gælde: k B μ m Vi antager at gassen i Solens indre er fuldstændigt ioniseret og at værdien af middel molekylvægten overalt i Solen er: μ 0,60 Vi antager desuden at opaciteten kan beskrives ved Kramers approksimation. I denne øvelse benyttes følgende udtryk: κ κ 4 0,4 0 cm / u g il undersøgelsen af (6.8) og (6.9) benytter vi nu følgende approksimation for temperaturen i Solens indre (som funktion af radius): 7 (,33 0 K 6489 0, ( r / R) + 0,54 hvor r er afstanden fra Solen centrum og R er Solens radius. Side

For tætheden benyttes følgende approksimation (som er mindre præcis end den vi benytter for temperaturen): ( 0,77g / cm ( r / R) + 0,0 0,98035 3/ + 0 (,44,0 ( r / R) ) g / cm C-3..: lot (eller log()) som funktion af r/r (vi benytter ovenstående approksimation for (). C-3.: Antag at L(/m( er konstant ud gennem Solen. Beregn og plot ud fra denne antagelse værdien af strålings-temperaturgradienten som funktion af r (benyt ligning 6.8). Hvor i Solen er der konvektion? Bestem dybden af den ydre konvektions zone. Sammenlign med figur 6.3. C-3.3.: Benyt nu approksimationen for ( til at beregne m( ved numerisk integration (benyt ligning 4.5). C-3.4.: Beregn massen af konvektionszonen i forhold til hele Solens masse, ved at benytte m( (fra C-3.3) og dybden af konvektionszonen som blev fundet i C-3.. Side

eoretiske Øvelser nr. 0 Fagpakke i Astronomi: Stjerner Vi skal i denne øvelse (som i computerøvelsen ovenfo regne på ligning (6.8) og via (6.9) undersøge betingelsen for konvektion i Solen. I C-3 benyttede vi MatLab til generelt at plotte strålings-temperaturgradienten som funktion af r, mens vi i denne opgave skal undersøge den samme problemstilling analytisk. I områder med adiabatisk konvektion er temperaturgradienten givet ved ad 0,4 Ø-0.: Vi antager at Solen består af en atmosfære og under dette ligger et område med adiabatisk konvektion, som vi antager begynder lige under atmosfæren. Vi antager at atmosfæren når % ind i Solen (til r/r 0,99) og at værdierne for temperatur og tryk (i cgs-enhede ved bunden af atmosfæren (og toppen af konvektionszonen) er: 4 4,0 0 K og 9,5 0 dyn / cm Vi antager at stoffet er fuldstændigt ioniseret (og at strålingstrykket negligeres). Bestem sammenhængen mellem og i konvektionszonen. Ø-0.: Vi antager nu (i lighed med computerøvelse C-3) at ligningen for en ideal gas gælder for stoffet i Solen: k B μ m Vi antager samtidigt at værdien af middel molekylvægten overalt i Solen er: μ 0,60 Desuden antages at opaciteten kan beskrives ved Kramers approksimation. I denne øvelse benyttes (som i C-3) følgende udtryk: κ κ 4 0,4 0 cm / u g Vi ønsker nu at bestemme værdierne for temperaturen, trykket og tætheden ved bunden af konvektionszonen i Solen, idet vi antager at værdien for L/m er konstant i konvektionszonen og er lig med L(sol)/M(sol). Side 3

Hint: Opskriv sammenhængen mellem og, og samt og i konvektionszonen. Indsæt nu værdierne for middel molekylvægten, opaciteten (som funktion af og ) og L/m i ligning (6.8) og bestem det sted hvor (6.9) går fra at være opfyldt til ikke længere at gælde. Dette sted udgør bunden af konvektionszonen. Ved indsættelse af () i (6.8) er den eneste ubekendte som derfor kan bestemmes under antagelse af (6.9). Bestem herefter og ud fra. Ø-0.3: Det er nu muligt at bestemme den brøkdel af Solens radius som konvektionszonen strækker sig over. Idéen er at benytte relationen mellem tætheden () og trykket () i konvektionszonen i sammenhæng med ligningen for hydrostatisk ligevægt. Herved er det muligt at opstille følgende ligning, hvor konstanten (k) er bestem ud fra værdierne i Ø-0. og Ø-0.: d dr k r Vis (ved at kombinere () med ligningen for hydrostatisk ligevægt) at ovenstående ligning er korrekt i konvektionszonen og bestem værdien af k. Vis nu at denne ligning har følgende løsning: 3/5 5 / 5 c + k r hvor c er en ny konstant. Benyt værdien for trykket i toppen af konvektionszonen (ved r/r 0,99) til at bestemme c. Indsæt herefter værdien for trykket i bunden af konvektionszonen og find r/r for konvektionszonens bund. Sammenlign resultatet med det vi fandt i øvelse C-3 og det vi finder ved aflæsning på figur 6.3. Side 4

eoretiske Øvelser nr. Fagpakke i Astronomi: Stjerner Den dynamiske tidsskala for Solen er omkring 30 millioner år og udtrykker bl.a. den tid energien er om at bevæge sig fra centrum af Solen til overfladen. Det er i forlængelse af dette, naturligvis interessant at undersøge om energistrømmen ud gennem Solen sker med konstant hastighed, eller om der er steder i Solen hvor energien transporteres væsentligt hurtigere. Dette vil vi undersøge i denne øvelse. Ø-.: Den termiske tidsskala (Kelvin-Helmholtz tiden) er givet ved: t KH GM RL S U L tot S Vis at vi kan opstille et lignende udtryk for den tid det tager energien at strømme gennem kugleskallen dr i afstanden r fra stjernens centrum, hvor u( er den indre energi pr. enhedsvolumen og L( er total luminositeten dt 4 r u( dr π L( Benyt sammenhængen mellem u og til at opstille et udtryk for hastigheden dr/dt som funktion af r, ( og L( og vis at for Solen bliver denne energistrømningshastighed (i cgs-enhede: v Energi dyn cm s L / L 0 S 4, 0 ( r / R) Ø-.: Benyt tabellen herunder til at beregne hastigheden i forskellige dybder af Solen. Værdierne i tabellen er hentet fra tabel. (side 47 i Lecture Notes). r/r L/LS log( cm²/dyn) 0,0 0,938 6,637 0,30 0,999 6,04 0,40,000 5,433 0,50,000 4,86 0,60,000 4,33 0,70,000 3,80 0,80,000 3,3 0,90,000,38 0,99,000 9,37 0,999,000 6,063 Side 5

eoretiske Øvelser nr. I følgende opgave skal en sollignende stjerne undersøges. å de to figurer herunder ses Solens temperatur og tryk som funktion af afstanden fra centrum. De afsatte værdier er identiske med værdierne i tabel. i Lecture Notes on Stellar Structure and Evolution. Den fuldtoptrukne kurve er en analytisk beskrivelse af temperatur- og trykprofilen, som i store dele af Solens indre stemmer godt overens med den model, der er vist i figurerne. Nær centrum af den stjernemodel, som er vist ovenfor, kan den analytiske beskrivelse opskrives som ( ( C C e e r / R 8r / R Hvor C og C er hhv. den centrale temperatur og det central tryk. R er stjernens radius, og r er afstanden fra centrum. Ø-. Bestem værdien for temperaturgradienten d ln d ln d dr d dr nær stjernens centrum. og undersøg om energien nær den pågældende stjernes centrum transporteres ved stråling eller ved konvektion. Side 6

Det antages, at idealgasligningen kan benyttes til at beskrive sammenhængen mellem tryk, tæthed og temperatur i stjernens indre. Ø-. Vis, at der i centrum af denne stjerne (hvis vi ser bort fra variationen i middelmolekylvægten (μ)) gælder ( hvor C er den centrale densitet. r e 7r / R ) C eoretiske Øvelser nr. 3 Middel vejlængden for en foton i det indre af en stjerne er givet ved ligning (5.3): λ n σ R κ Beregn hvor langt en foton bevæger sig (i middel) i forskellige afstande fra Solens centrum. Benyt værdierne i tabellen herunder (fra tabel.) til beregningen af middel vejlængden. r/r log( cm³/g) κ g/cm² 0,00,88,4 0,0,94,54 0,0,543, 0,40 0,595 5,0 0,60-0,95,54 0,70-0,68 9,6 0,80 -,038 50,9 0,90 -,58 70 0,95 -,0 00 0,98 -,84 5000 0,99-3,489 30000 0,996-4,588 4000 0,999-5,937 970 Side 7