Schriftelijk examen Fysica: trillingen, golven en thermodynamica

Transcriptie

1 Naam: Opleiding: Bio-Ir/Bio/Che/Geo/... Schriftelijk examen Fysica: trillingen, golven en thermodynamica 1ste bachelor Bio-Ir, Biologie, Chemie, Geografie prof. J. Danckaert 8 juni 2016 Dit examen bevat 2 delen: I) meerkeuzevragen (50 %) II) open vragen (50 %) Bij meerkeuzevragen wordt geen giscorrectie toegepast: als je het antwoord niet zeker weet, vul dan altijd het antwoord in wat je het meest waarschijnlijk lijkt. Meerkeuzevragen mogen niet opengelaten worden. Je uiteindelijke score op dit onderdeel wordt als volgt berekend: ((aantal goede antwoorden 5) 5)%. Je finale antwoorden op de meerkeuzevragen breng je in zwarte of blauwe balpen (geen potlood of vulpen) over op het daarvoor bestemde antwoordformulier. Daarna is veranderen niet meer mogelijk. Vraag een nieuw formulier indien je je vergist. Duid op het antwoordformulier ook het juiste versienummer aan: VERSIE 1 Zorg ervoor dat je elke open vraag oplost op een apart blad. Vul op elk blad met antwoorden je naam, voornaam en studierichting in. De opgavebundel evenals kladbladen worden niet bekeken bij het verbeteren! Wees bij open vragen volledig in het weergeven van je werkwijze: een numeriek antwoord alleen is niet voldoende! Dit examen bevat bladzijden genummerd van 1 t.e.m. 10. Ga na of je die allemaal hebt; zo dit niet het geval is, vraag dan een nieuwe kopij. Een eenvoudig rekentoestel (zonder grafische functies en/of formule-geheugens) mag gebruikt worden. Boeken, cursussen of persoonlijke nota s mogen uiteraard niet gebruikt worden, noch welke andere informatie ook. GSM s zet je uit, pennenzakken aan de kant. Elke (poging tot) fraude wordt gesanctioneerd! Begin best aan die vragen die je dadelijk denkt te kunnen oplossen. Lees aandachtig de hele vraag vooraleer aan de oplossing te beginnen. Er bevindt zich een lijst met constanten achteraan deze bundel. Eventuele vragen stel je persoonlijk aan de assistent. Veel succes! 1/10

2 Meerkeuzevragen Duid je finale antwoorden aan op het antwoordformulier door het juiste vakje in te kleuren met blauwe of zwarte balpen. Daarna is veranderen niet meer mogelijk. Vraag een nieuw formulier indien je je vergist. Geef op alle vragen een antwoord: er worden geen punten afgetrokken voor foute antwoorden! 1. Aan een balk die vrij is om te roteren om zijn middelpunt kan op drie verschillende manieren een kracht worden uitgeoefend. Deze drie mogelijkheden zijn op schaal aangegeven in figuur 1. De krachten liggen allemaal in het vlak van het blad. Welke van deze krachten zal de grootste hoekversnelling tot gevolg hebben? A. F 1 B. F 2 C. F 3 D. F 1 en F 2 E. Alle krachten hebben dezelfde hoekversnelling tot gevolg. Figuur 1 2. Hoe groot zou de kracht moeten zijn om de maximale hoekversnelling van de voorgaande opgave te evenaren als deze kracht op het draaipunt werkte in plaats van op het uiteinde? A. minder dan 10 N B. tussen 10 N en 100 N C. Meer dan 100 N D. Niet te bepalen met de huidige gegevens E. Dit is niet mogelijk In het labo ligt een veer waarvan de veerconstante helaas niet meer bekend is. Om deze constante te bepalen, bevestig je een massa van 1,0 kg aan de onuitgerokken veer en laat de massa los waarop het systeem verticaal begint te oscilleren. Je meet 8,0 oscillaties in 20,0 seconden. Verwaarloos de massa van de veer en demping. 3. Wat is de veerconstante? A. 0,16 N/m B. 6,3 N/m C. 52 N/m D. 250 N/m E. geen van allen 4. Wat is de amplitude van de oscillatie? A. 0,18 m B. 1,6 m C. 21 m D. 61 m E. geen van allen 5. Hoeveel pianisten die elk 80dB produceren moet je verzamelen om het geluidsniveau van een jet motor (160dB) te evenaren? A. 2 B. 4 C. 100 D E /10

3 Een staande golf op een snaar, met lengte 1,20 m en aan beide uiteinden vastgemaakt, heeft vijf buiken. Het geluid dat voortgebracht wordt door deze snaar heeft een frequentie van 0,40 khz. 6. Wat is de golflengte van de golf op de snaar? A. 0,24 m B. 0,30 m C. 0,48 m D. 0,96 m E. Geen van allen. 7. Wat is de voortplantingssnelheid van de golf op de snaar? A. 120 m/s B. 190 m/s C. 380 m/s D. 96 m/s E. Geen van allen. 8. Als de maximale uitwijking van de snaar 5,0 mm is, wat is dan de maximale trilsnelheid van een deeltje halfweg de snaar? A. 0 m/s B. 2,0 m/s C. 8,0 m/s D. 8,5 m/s E. Geen van allen. 9. Wat wordt de nieuwe geluidsfrequentie als er slechts vier buiken zijn op de snaar, zonder andere wijzigingen? A. 120 Hz B. 240 Hz C. 320 Hz D. 440 Hz E. Geen van allen. 10. Een vleermuis maakt gebruik van echolocatie: de vleermuis zendt geluid uit dat wordt teruggekaatst, zodanig dat hij zich een beeld kan vormen van zijn omgeving. In figuur 2 zie je de frequentie van het geluid dat een vleermuis opvangt met het linker- en rechteroor. De vleermuis hoort met zijn linkeroor enkel de linkerkant van de omgeving, analoog voor het rechteroor. f 0 is de door de vleermuis uitgezonden frequentie. De frequenties opgevangen door het linkeroor en het rechteroor van de vleermuis worden aangegeven door f L en f R respectievelijk. Figuur 2: Verandering van de frequentie die de vleermuis hoort. Welke figuur geeft de meest correcte beschrijving van de positie van de obstakels (O 1 en O 2 ) en de beginpositie en vliegrichting van de vleermuis? A. Figuur 3a B. Figuur 3b C. Figuur 3c D. Figuur 3d E. Figuur 3e 3/10

4 N N v v (a) (b) N N v v (c) (d) N v (e) Figuur 3: Omgeving van de vleermuis op t = 0 s 11. Een schip op zee verliest lading. Er belanden o.a. twee flessen wodka en een fles wijn met een respectievelijk alcoholpercentage van 40% en 12, 5% in zee. Alledrie de flessen zijn identiek en even vol. De dichtheid van alcohol is 790 kg/m 3. Neem aan dat het zeewater onsamendrukbaar is en dat alle flessen zo zwaar zijn dat ze volledig ondergedompeld zijn. Welke fles ervaart de grootste opwaartse stuwkracht? A. De fles die het minst diep in zee belandt, ongeacht de inhoud. B. De fles wodka die het diepst in zee belandt. C. De fles wodka die het minst diep in zee belandt. D. De twee flessen wodka ervaren dezelfde opwaartse kracht, maar de opwaartse kracht op de fles wijn is groter. E. Ze ervaren allemaal dezelfde opwaartse kracht. 4/10

5 12. Voor de identificatie van een onbekend gas maak je gebruik van het licht dat het gas uitstraalt als je het opwarmt. Als je het licht door een diffractierooster stuurt zie je de eerste heldere franje op een afstand 0,0295 m van de centrale franje, indien het scherm op een afstand van 1,00 m van het rooster wordt geplaatst. De afstand tussen de spleten in het diffractierooster is 0,0200 mm. Gebruik tabel 1, waarin voor vijf stoffen een aantal sterke emissielijnen zijn opgesomd, om te achterhalen welke stof je aan het onderzoeken bent. A. Kwik B. Argon C. Natrium D. Helium E. Waterstof Stof Golflengte (nm) Kwik 404,6; 407,7; 435,8; 546,1; 576,9; 579,1 Argon 671,9; 723,4; 1048 Natrium 589,3 Helium 447,1; 501,6 Waterstof 656,3; 486,1; 434,0; 410,2; 397,0; 364,6 Tabel 1: Emissiespectra voor gassen. 13. Het volume van een ideaal gas stijgt van 2,00 liter naar 4,00 liter. Wat weet je over de absolute temperatuur van het systeem? A. Deze verdubbelt. B. Verviervoudigt. C. Vermindert met de helft. D. Stijgt lichtjes. E. Er zijn onvoldoende gegevens om te weten hoe de temperatuur verandert. 14. De warmtemotor/koelmachine in figuur 4a is in overtreding met: A. de 1ste wet van thermodynamica B. de 2de wet van thermodynamica C. zowel de 1ste als de 2de wet van thermodynamica D. de ideale gaswet E. geen van deze wetten 15. De warmtemotor/koelmachine in figuur 4b is in overtreding met: A. de 1ste wet van thermodynamica B. de 2de wet van thermodynamica C. zowel de 1ste als de 2de wet van thermodynamica D. de ideale gaswet E. geen van deze wetten (a) Figuur 4 (b) 5/10

6 Een gewicht slingert aan een touw als een ideale harmonische oscillator met een amplitude van 2 m. Figuur Welke grootheid wordt beschreven door de grafiek in figuur 5? A. uitwijking gemeten t.o.v. het evenwichtspunt B. hoeksnelheid C. fase D. kinetische energie E. totale energie 17. Wat is de hoeksnelheid ω van deze beweging? A. 0,25 rad/s B. 1,6 rad/s C. 4,0 rad/s D. 13 rad/s E. Niet met deze gegevens te bepalen want de hoeksnelheid varieert in de tijd. 18. Wat is de maximale snelheid? A. 2 m/s B. 3 m/s C. 4 m/s D. geen van allen E. niet met deze gegevens te bepalen 19. Wat is de massa aan het uiteinde van de slinger? A. 3,2kg B. 0,50 kg C. 8,2 kg D. 26 kg E. niet met deze gegevens te bepalen 20. Bekijk de opstelling in figuur 6. Een gas beweegt van links naar rechts door de bovenste buis waarvan de binnenkant niet getoond wordt, de diameter in de buis kan dus variëren. Op welk punt in de buis is de diameter het kleinste? Figuur 6 A. Punt a. B. Punt b. C. Punt c. D. De diameter verandert niet. E. Er is niet voldoende informatie gegeven om deze vraag te kunnen beantwoorden. 6/10

7 Er woedt een orkaan. De wind waait met een snelheid van 130 km/h over een plat dak van een goed afgesloten huis. Het balkvormige huis is 4, 0 m hoog, 6, 0 m breed en 15, 0 m lang. De dichtheid van de lucht is 1, 28 kg/m Wat is het drukverschil binnen en buiten het huis, p binnen p buiten? A. 830 Pa B. 830 Pa C. 140 kpa D. 140 kpa E. Geen van allen. 22. Wat is de absolute waarde van de kracht uitgeoefend op het dak? A. 9, 3 N B. 75 kn C. 13 MN D. 1, 6 kn E. Geen van allen In figuur 7 is het pv-diagram van een warmtemotor gegeven. De motor maakt gebruik van een mono-atomisch gas, waarbij C P = 5 2R. Geef je antwoorden weer met 2 beduidende cijfers. 23. Hoeveel warmte wordt opgenomen tijdens de isotherme compressie? A. 1, J B J C. 1, J D. 44 J E. Geen van allen 24. Wat is de arbeid die de motor per cyclus levert? A. -24J B. 36J C. 120J D. 2200J E. Geen van allen 25. Wat is de efficiëntie van de motor? A. 67% B. 33% C. 22% D. 18% E. 9,0% Figuur 7: pv-diagram van een warmtemotor 7/10

8 Open vragen Los elke open vraag op op een apart blad! 1. Figuur 8 toont een grafiek die de uitwijking D weergeeft op tijdstip t=1,0 s van een naar de negatieve x-richting bewegende transversale golf. In dit medium bedraagt de golfsnelheid 12 m/s. Bepaal de wiskundige uitdrukking voor de uitwijking D van deze golf. Figuur 8: Grafiek van de uitwijking van de golf als functie van de positie op t=1,0 s. 2. Om zware objecten op te kunnen tillen kan gebruik worden gemaakt van het hefboomprincipe: een lange staaf wordt zodanig neergelegd dat het een draaipunt heeft dicht bij het op te tillen object. Onderstaande figuur laat een dergelijke constructie zien, bestaande uit een homogene staaf met een lengte van 1 m en massa van 10 kg die bevestigd is op een wrijvingsloos draaipunt. Op deze staaf wordt een massa van M 1 = 20 kg bevestigd op 20 cm van het draaipunt. (a) Wat is de massa M 2 die aan de andere kant van de staaf moet worden bevestigd zodat de staaf niet kantelt? Modelleer M 1 en M 2 als puntmassa s. (b) Bereken, door middel van directe integratie, het traagheidsmoment van de staaf voor de gegeven rotatieas. (c) Bereken het totale traagheidsmoment van de staaf en massa M 1. Tip: Je mag hiervoor de additiviteitsregel voor traagheidsmomenten gebruiken. (d) Stel dat vanuit evenwicht M 2 wordt weggenomen, bereken dan de versnelling die massa M 1 ondervindt ten gevolge van de rotatie. Als je geen antwoord hebt op (c) of (d), reken dan symbolisch verder. 8/10

9 3. Drie luidsprekers (A, B en C op onderstaande figuur) die in fase uitzenden, bevinden zich op een verticale as met een onderlinge afstand van 5 meter tussen elk. Ze produceren een geluidssignaal van 170 Hz in een ruimte waarin de geluidssnelheid 340 m/s is. Jij zit rechts van de middelste luidspreker, op een afstand van 12 m. De maximale uitwijking van elke golf uitgezonden door de luidsprekers A, B en C is daar a. Demping mag verwaarloosd worden. (a) Wat is de totale maximale uitwijking op die plaats? (b) Over welke afstand moet de middelste luidspreker naar links verschoven worden om een maximale uitwijking van 3a te bereiken in het punt waarin jij je bevindt? 4. In onderstaande figuur is weergegeven hoe de temperatuur van 2,0 kg van een onbekende stof stijgt als functie van de hoeveelheid toegevoegde warmte. Bepaal: (a) Het smeltpunt (b) De latente smeltwarmte (c) De specifieke warmte in vloeibare toestand Deze onbekende stof (2,0 kg) wordt bij een temperatuur van 10 C samengevoegd met 10 l water van 80 C. (d) Wat is de eindtemperatuur van het (geïsoleerd) systeem? (In het geval je geen antwoorden hebt op vorige deelvragen kan je niet-numeriek verder rekenen met de grootheden c en L) 9/10

10 Constantes 10/10