Undervisningsministeriet STX092-FYA

FYSIKA-NIVEAU

Torsdag den 13. august 2009

Kl. 09.00 – 14.00

STUDENTEREKSAMEN AUGUST 2009

Opgavesættet består af 8 opgaver med tilsammen 15 spørgsmål.Svarene på de stillede spørgsmål indgår med samme vægt i vurderingen.

Der er 2 bilag (hver vedlagt i 2 eksemplarer).

OpgaverneOpgave 1 Verdens højest beliggende jernbaneOpgave 2 Eksotisk henfaldOpgave 3 Brud på lyslederOpgave 4 LegetøjsfrøOpgave 5 SvævebaneOpgave 6 SkibsforlisOpgave 7 KobberlaserOpgave 8 Solcelledrevet vandpumpe

Alle hjælpemidler er tilladtFølgende hjælpemidler forudsættes:Databog fysik kemi (F&K Forlaget), 6. udgave (1992) eller senere udgave.

Side 1 af 7

1. Verdens højest beliggende jernbaneJernbanen mellem Kina og Tibet er verdens højest beliggende jernbane. Næsten tusindkilometer af skinnerne ligger i mere end 4000 meters højde, hvor jorden stort set er frossethele året. Om sommeren er der risiko for, at isen i det øverste jordlag smelter. Derfor villeskinnernes stabilitet være dårlig, hvis de lå direkte på jorden. For at undgå dette, erjernbanen mange steder bygget på søjler, som er forankret dybt nede i den permanentfrosne jord.

Foto

: Pic

asa

Web

albu

m, k

c ta

ng

En vinterdag skinner Solen i 8,0 timer, og jorden modtager i det tidsrum energifra Solen med den gennemsnitlige effekt 430 W pr. m2.

a) Hvor meget energi modtager jorden pr. m2 i løbet af denne vinterdag?

En sommerdag før solopgang er temperaturen i jorden -5,0 °C. I løbet af dennedag modtager jordoverfladen energien 41,5 MJ pr. m2 fra Solen. Man kan regnemed, at det øverste lag af jorden udelukkende består af is.

b) Beregn, hvor langt ned i det øverste lag af jorden isen smelter denpågældende dag. Gør herunder rede for de relevante antagelser.

Side 2 af 7

2. Eksotisk henfaldDer findes nuklider, som i sjældne tilfælde henfalder ved en proces, hvor derudsendes en partikel, som er tungere end en -partikel. Et eksempel er nuklidet223Ra, der normalt henfalder ved et -henfald, men som i sjældne tilfælde i stedethenfalder ved at udsende en 14C-kerne.

a) Opstil reaktionsskemaet for henfaldet, hvor 223Ra udsender en 14C-kerne.Beregn processens Q-værdi ud fra masserne af de partikler, somdeltager i processen.

Henfald, hvor 223Ra udsender en 14C-kerne, sker kun én gang for hver 1,2 milliarder -henfald af 223Ra.

b) Hvor mange 14C-kerner udsender 2,0 g 223Ra i løbet af ét minut?

3. Brud på lyslederEn lang lysleder på bunden af havet har fået et brud, som skal findes. Derforsendes en kortvarig lyspuls ind i lyslederen fra den ene ende. Lyspulsenreflekteres i bruddet, og en detektor registrerer, at den reflekterede lyspulskommer tilbage 0,186ms efter, at den er udsendt. Lyslederens kerne harbrydningsindekset 1,453.

a) Beregn, hvor langt inde i lyslederen bruddet er sket.

En lyspuls har effekten 920 W, når den sendes ind i lyslederen. Den reflekte-rede lyspuls kan kun registreres, hvis den har en effekt på mindst 12,0 W, nården kommer tilbage til detektoren. Lyslederens effekttab er 0,19 dB/km. Mankan regne med, at alt lyset i lyslederen bliver reflekteret i bruddet.

b) Bestem den maksimale længde af en lysleder, der kan undersøges forbrud med den anvendte metode.

Side 3 af 7

4. Legetøjsfrø

Foto

: Nils

Kru

seLegetøjsfrøen på fotoet virker ved, at fjederen presses sammen, indtilden holdes fast af den hvide sugekop. Efter nogle sekunder slippersugekoppen den sorte fod, og fjederen udløses. Dette bevirker, at frøenmed sugekop, fjeder og fod springer højt til vejrs.

Tabellen viser sammenhørende værdier for størrelsen af fjederkraften F og detstykke x, som fjederen er trykket sammen.

x / cm 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

F / N 0,0 2,1 4,3 6,5 8,0 10,8 13,4

a) Vis ud fra tabellens data, at fjederkonstanten er 0,44 kN/m.

I det øjeblik, hvor sugekoppen slipper den sorte fod, er fjederen trykket 2,5 cmsammen. Massen af frøen med sugekop, fjeder og fod er 13,2 g.

b) Hvor højt kan frøen hoppe?

Side 4 af 7

5. SvævebaneFlere steder i Alperne har man udspændt en stålwire hen over en dyb dal. Vovehalsebliver spændt fast i en sele og glider derefter med stor fart ned ad stålwiren til den andenside af dalen.

En mand med massen 72 kg glider ned ad stålwiren. Efter et stykke tid bevirkerluftmodstanden, at manden bevæger sig med konstant hastighed.

a) Indtegn på Bilag 1 pile, der viser størrelse og retning af de tre kræfter,som virker på manden, når han bevæger sig med konstant hastighed.

6. SkibsforlisDen 25. juli 1956 kolliderede passagerskibene “Stockholm” og “Andrea Doria” i tæt tågeud for kysten ved New York. Efter sammenstødet hang de to skibe sammen i flereminutter.

Foto

: Han

dels

- og

Søfa

rtsm

usee

t, K

ronb

org

Fotoet viser Stockholm på vej mod New York. Skibets stævn er tydeligtmærket af kollisionen med Andrea Doria. I baggrunden sesFrihedsgudinden.

Side 5 af 7

Andrea Doria var på vej over Atlanterhavet fra Europa til Nordamerika. Skibet havde ved sammenstødet tilbagelagt 5550 km med en gennemsnitsfart på12,0 m/s.

a) Hvor lang tid brugte Andrea Doria på at tilbagelægge de 5550 km?

Lige inden sammenstødet sejlede Andrea Doria med farten u1 = 11,3 m/s, ogStockholm sejlede med farten u2 = 9,8 m/s. Lige efter sammenstødet, mens de toskibe stadig hang sammen, sejlede de med den fælles fart 10,4 m/s. Massen afStockholm var 20 tusinde ton, og massen af Andrea Doria var 40 tusinde ton.

b) Beregn det samlede tab i kinetisk energi ved sammenstødet.

Stockholm20 tusinde ton

= 9,8 m/su

Andrea Doria40 tusinde ton

= 11,3 m/su

33°

1

2

Figuren viser skibenes sejlretninger inden sammenstødet.

Inden sammenstødet var vinklen mellem de to skibes sejlretninger 33°.

c) Eftervis, at de to skibe lige efter sammenstødet må have sejlet med denfælles fart 10,4 m/s.

Side 6 af 7

7. KobberlaserI en kobberlaser er det kobber på gasform, der sørger for laservirkningen.

O

AB

CD

0

0,22250,2631

0,60660,6115

Energi / aJ

Figuren viser et energiniveaudiagram for et kobberatom medgrundtilstanden og de relevante exciterede tilstande.

En kobberlaser udsender laserstråling med bølgelængderne 510,6 nm og 578,2 nm.

a) Gør rede for, hvilke overgange i kobberatomet, der giver anledning til denudsendte laserstråling.

Side 7 af 7

8. Solcelledrevet vandpumpe

Foto

: TE

DA

, Ind

ien

Fotoet viser et solcellepanel, der driver en vandpumpe i Indien.

Et solcellepanel, som driver en vandpumpe, består af moduler. Et modul i solcelle-panelet leverer effekten 165 W, når spændingsfaldet over modulet er 24 V.

a) Beregn strømstyrken gennem modulet, når spændingsfaldet over det er 24 V.

00

2000

4000

6000

12 24

Effekt / W

Tid / h

Figuren viser, hvordan den tilførte effekt fra solstrålingen til solcelle-panelet afhænger af tidspunktet i et bestemt døgn.

Anlægget udnytter 4,8 % af den tilførte solenergi til at løfte vand op fra en 80 mdyb brønd.

b) Hvor mange m3 vand henter vandpumpen op fra brønden det pågældendedøgn? Bilag 2 kan benyttes til besvarelsen.

(Opgavesættet er slut)

STUDENTEREKSAMEN AUGUST 2009 STX092-FYA

BILAG 1 Ark af i alt ark

Navn:

Skole/kursus: Klasse:

100 N

Bilaget skal afleveres sammen med besvarelsen

STUDENTEREKSAMEN AUGUST 2009 STX092-FYA

BILAG 1 Ark af i alt ark

Navn:

Skole/kursus: Klasse:

100 N

Bilaget skal afleveres sammen med besvarelsen

STUDENTEREKSAMEN AUGUST 2009 STX092-FYA

BILAG 2 Ark af i alt ark

Navn:

Skole/kursus: Klasse:

0

1000

0

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

4 6 8 10 12 14 16 18 2220 24

Effekt / W

Tid / h

Bilaget kan afleveres sammen med besvarelsen

STUDENTEREKSAMEN AUGUST 2009 STX092-FYA

BILAG 2 Ark af i alt ark

Navn:

Skole/kursus: Klasse:

0

1000

0

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

4 6 8 10 12 14 16 18 2220 24

Effekt / W

Tid / h

Bilaget kan afleveres sammen med besvarelsen