Kontrollfrågor, Kap 4 & 5 - Fysik 1a PDF

Preview

Summary

Svar på kontrollfrågor från kapitel 4 & 5 från boken Ergo Fysik 1...

Description

Kontrollfrågor, Kap 4 & 5 - Fysik 1a

Sida 78: 1. Nämn tre olika sätt som en kraft kan påverka ett föremål. Hastighet, form, och rotation. 2. Vilken är enheten för riktning? Newton, N. 3. Vad menas med avståndskrafter? Ge exempel. Avståndskrafter är krafter mellan föremål som inte nuddar varandra, t.ex gravitationskraften mellan jorden och solen, eller den magnetiska kraften hos en kompassnål. 4. Vad menas med kontaktkrafter? Ge exempel. Kontaktkrafter är krafter mellan föremål som nuddar varandra, t.ex de krafter mellan ens bak och den stol man sitter på, eller krafterna mellan ens hand och den väska man håller i. (tekniskt sett är kontaktkrafter också avståndskrafter fast på molekylär nivå, elektriska krafter verkar när två föremål “nuddar” varandra.) 5. Vad menas med resultantkraft? Det som menas med resultantkraft är att summan av 2 eller flera krafter blir summan av dem, så som man adderar vektorer - krafter kan ju visualiseras m.h.a. vektorer. 6. Vad säger Newtons nollte lag? Newtons nollte lag förklarar hur parallella   krafter påverkar varandra. Alltså; hur två krafter i samma riktning kan adderas, medan två krafter i motsatta håll måste subtraheras. Newtons nollte lag nämner alltså inte vektorer i totalt olika håll som man måste lösa m.h.a. Pythagoras sats eller trigonometri - det handlar endast om parallella krafter. 7. Hur kan du beräkna resultanten av två vinkelräta krafter? Med hjälp av Pythagoras sats. (Närliggande katet)² + (Motstående katet)² = Hypotenusan². 8. Vad menas med att komposantuppdela en kraft? Att komposantuppdela en kraft innebär att man delar upp en kraft i två olika krafter så att man kan arbeta i X- och Y-led istället (användbart när man arbetar i olika plan). 9. Hur kan du bestämma resultanten av två krafter som inte är vinkelräta? Då måste man använda sig av trigonometri, se s ida 77. Man kan också bara lägga änden av ena vektorn på den andras nos, sedan drar man en vektor från den förstas bak, till den sistas nos. 10. Hur stor är resultanten till två krafter på 45N och 60N om krafterna är: lika riktade, motsatt riktade, vinkelräta mot varandra? Lika riktade: 45 + 60 = 105N. Motsatt riktade: 60 - 45 = 15N. Vinkelräta mot varandra: 45² + 60² = x² → x = 75N.

Sida 81: 1. Formulera Newtons första lag. Tröghetslagen: En kropp som är stilla förblir stilla om ingen utomstående kraft påverkar den, och en kropp som är i rörelse fortsätter färdas linjärt i en konstant hastighet ifall inget påverkar den. 2. På vilket sätt bryter Newtons första lag mot Aristoteles rörelselära? Aristoteles lära sa att alla ting söker sin naturliga plats, och vilar efter att de nått den, Newton säger att ett föremål fortsätter att röra på sig ifall inget påverkar den. 3. Stämmer Newtons första lag med någon av Galileis två lagar? Ja, den första “Om ingen kraft påverkar ett föremål i rörelse, så kommer det att fortsätta med konstant fart och riktning.”, samt den andra “Om nettokraften är konstant skild från noll, så kommer hastigheten att ändras.”, eftersom “När resultanten till alla krafterna på ett föremål inte är lika med noll, får föremålet en acceleration i samma riktning som resultanten.”.

4. Är det sant att alla krafter är noll på ett föremål som är i vila? Nej, men resultanten måste vara noll. Om en person drar i ena änden av ett rep med kraften 10 N, och en annan person gör samma sak från den andra änden så kommer ju snöret att vara i vila - eftersom resultanten är lika med noll. 5. Är det sant att resultanten av alla krafterna aldrig kan vara noll på ett föremål som är i rörelse? Ja, det behövs ingen kraft för att hålla igång en rätlinjig rörelse med konstant hastighet. 6. Vad innebär det att säga att ett föremål har tröghet? Alla föremål med en massa har en tröghet , en ovilja att röra på sig. 7. Föremålen till vänster [sida 81] ligger stilla. De påverkas av ytterligare en kraft. Hur stor är den, och åt vilket håll är den riktad? Första: 15 N nedåt. Andra: 17 N upp åt höger. 8. Vad blir svaret på frågorna i föregående uppgift om föremålen rör sig åt vänster med konstant fart? Samma svar som ovan.

Sida 84: 1. Formulera Newtons andra lag. En kropp som utsätts för en kraft får en acceleration i samma riktning som krafternas resultant. Fres  = m * a. 2. Hur definieras kraftenheten newton? Definitionen är: “En newton är den kraft som krävs för att ge massan ett kilogram en acceleration av 1 m/s2. 3. Vilken slags rörelse får ett föremål som startar från vila när föremålet påverkas av en konstant resultantkraft? När resultanten till alla krafterna på ett föremål inte är lika med noll, får föremålet en acceleration i samma riktning som resultanten. 4. Är det sant att det alltid verkar krafter på ett föremål som accelererar? Ja, det behövs en kraft för att förändra farten. 5. Är det sant att ett föremål alltid accelereras när krafter verkar på det? Nej, det kan vara två krafter från olika håll som slår ut varandra. 6. Vilket är sambandet mellan massa och tyngd? Tyngdkraften = Fg = mg. g är tyngdaccelerationen. 7. Badrumsvågen mäter massa. Hur kan den ändå användas för att mäta tyngd som ju är en kraft? Badrumsvågen kan väga ens massa eftersom jordens gravitation drar ner oss, vilket skapar en kraft - vår tyngd. 8. Stina väger 62,5 kg. Hur stor är hennes tyngd? Massan är 62,5 kg, accelerationen är 9,82 m/s2 , alltså är tyngden de multiplicerat = 614 N. 9. Stina hänger sin plånbok i en dynamometer. Den visar då 3,85 N. Vad väger plånboken? m = Fg/g = 3,85 N / 9,82 m/s2 = 392 gram. 10. Stina är ute och kör med sin moped. Under en kort tid är hennes acceleration 0,5 m/s2. Tillsammans väger hon och mopeden 165 kg. Hur stor är den resulterande kraften som driver dem framåt? a = 0,5. m = 165. Fres = ma = 83 N. 11. Stina bromsar plötsligt med en resulterande bromskraft på 330 N. Hur stor blir accelerationen under inbromsningen? Vi har m, vi har Fres, vad är a? a = Fres / m = 2 m/s2. 12. Stina lastar på ett tungt paket på mopeden. När hon nu accelererar ger den resulterande kraften på 82 N en acceleration på 0,45 m/s2. Vad väger paketet? Vi har F = 82 N. Vi har a = 0,45 m/s2. Vi vill ha mpaketet  . F = m*a = 82 = 182 * 0,45. Alltså väger hela grejen 182 kg. Stina och mopeden vägde ju 165 kg, alltså väger paketet 17 kg.

Sida 89:

1. Formulera Newtons tredje lag. Alla krafter arbetar i par. När två föremål verkar på varandra så är krafterna lika stora och motriktade. 2. Är det sant att krafter alltid uppträder i par? Ja, enligt Newtons tredje lag verkar ett föremål tillbaka på ett föremål som verkar på det. Krafter uppträder alltid  parvis. 3. Är det sant att kraft och motkraft alltid verkar på varsitt föremål? Nej. Newtons tredje lag handlar om krafter som verkar på två föremål. Newtons första och andra lag handlar om krafter som verkar på ett föremål. 4. Är det sant att kraft och motkraft alltid är lika stora? Ja, eftersom “När två föremål verkar på varandra med krafter, är krafterna lika  stora och motsatt riktade. Krafterna verkar längs samma räta linje.” 5. Var verkar motkrafterna till de två krafter som verkar på dig när du står stilla på golvet? Min tyngdkraft verkar ner i golvet, golvets normalkraft verkar upp på mina fötter. 6. Hur formulerar vi Newtons gravitationslag? Krafterna mellan två kroppar är proportionella mot massorna och omvänt proportionella mot kvadraten på avståndet mellan dem, “F = G((m1m2)/r2 )” och “G = 6,67 * 10-11 Nm2 /kg2”. Alltså; alla kroppar attraherar varandra med en kraft som är beroende av kropparnas massor och avstånd från varandra. 7. Hur förändras gravitationskraften om avståndet fördubblas mellan kropparna? Då blir gravitationskraften en fjärdedel så stark. 8. Är det sant att gravitationskraften på månen från jorden är större än gravitationskrafterna på jorden från månen? Nej, krafterna är lika stora; månen drar lika mycket på jorden som jorden drar på månen. Det säger NIII. 9. Stefan trycker sina armbågar mot bordet så att den totala tryckkraften mot bordet är 82 N. Hur stor är kraften från bordet på hans armbågar? Sammanlagt 82 N, alltså 41 N på vardera armbåge. 10. Stefans 2,2 kg tunga lampa hänger i sin sladd. Hur stor är kraften från sladden på lampan? Åt vilket håll är den riktad? Kraften nedåt är Fres = ma = 2,2 kg * 9,82 m/s2 = 21,604 = ca 22 N. Kraften nedåt är lika som kraften uppåt, alltså är sladdens kraft på lampan 22 N riktad uppåt. 11. Stefan ringer sin flickvän som befinner sig 160 m bort i köpcentret. Hur stor är gravitationskraften mellan de två? Båda två väger 62 kg. Använd gravitationslagen: F  =G* 2 -11 2 -11 -11 (m1*m2)/r . F = 6,67 * 10 * (62*62)/160 = 1 * 10 = 10 N.

Sida 115: 1. Vilken är den generella definitionen av arbete inom fysiken? Arbete är den energimängd som omvandlas när en förflyttning sker under inverkan av en kraft. 2. Vilken är enheten för arbete? Newtonmeter, Nm. 3. Vilken formel för arbete använder vi när kraft och väg har samma riktning? W  = Fs * Δs. Fs: kraftens komposant i sträckans riktning. Δs: skillnad i sträcka. 4. Är det sant att arbetet är noll när du bär din ryggsäck genom skolans korridorer? Ja, det är sant. Det kan vara tungt att bära den, men arbetet är noll eftersom kraftens komposant går nedåt, och det utförs inget arbete av att röra sig fram och tillbaka, dock krävs det arbete för att röra sig upp och ner. 5. Vad menar vi med effekt? Effekt handlar om hur lång tid det tar att utföra ett arbete, enheten är watt vilket innebär joule per sekund. 6. Vilken är enheten för effekt? Enheten är watt, vilket innebär joule per sekund.

7. På ett lager lyfter en truck en 150 kg tung pall 5 meter rakt upp. a) Hur stort arbete utför trucken på pallen? b) Tiden det tar att lyfta pallen är 6 sekunder. Vilken effekt utvecklar då trucken? a) W = F * s = 150 kg * 9,82 m/s2 * 5 meter = 7,5 kNm. b) P = ΔE / Δt = (mgh2 - mgh1) / t = (150 kg * 9,82 m/s2 * 5 meter - 0) / 6 sekunder = 1,2 kW. 8. Att lyfta ett kylskåp två våningar upp (6 meter) kräver ett arbete på 5 kJ (5 kNm). Hur mycket väger kylskåpet? W = ΔE = mgh2 - mgh1 = mgh2 - 0 = mgh2 → m = W / (gh) = 5000 J / (9,82 m/s2 * 6 meter = 84,86 = ca 85 kg. 9. Johan ska dra en 45 kg tung släde över en 160 meter bred isbelagd sjö. Han fäster ett rep i släden och drar med en kraft på 220 N i repet som pekar 25o upp från isen. Hur stort arbete utför han? W = ΔE = F * s. cos(25) = x / 220 → x = cos(25) * 20 = 199,39 = ca 200 N. W = f * s = 200 N * 160 meter = 32000 = 32 kJ. 10. En kalori är ungefär lika med 4,2 J. En människa behöver cirka 2000 kilokalorier per dygn. Hur stor är människans effekt om vi i genomsnitt avger lika mycket energi som vi förbrukar? 2000 kcal = 2000000 kalorier = 8400000 J. 1 dygn = 24 timmar = 1440 minuter = 86400 sekunder. Enheten för effekt är watt, vilken betyder joule per sekund. 8400000 joule / 86400 sekunder = 97,22 joule/sekund = ca 100 watt.

Sida 118: 1. Hur definieras storheten kinetisk energi? Definitionen är: “Det mekaniska arbete som krävs för att reducera dess hastighet till noll.”. (Notera att det står mekaniska arbete , trots att vi pratar om energi och inte arbete. Det är eftersom W = E i många fall, eftersom ett föremål som rör sig i rät linje har kinetisk energi lika med arbetet.) 2. Vilken formel använder vi för kinetisk energi? EK = (mv2)/2. 3. Vad händer med den kinetiska energin när en bil fördubblar hastigheten? EK = (mv2)/2, om det istället blir 2v så blir EK 4x så stor. 4. Vad är det för skillnad mellan kinetisk energi och ändring i kinetisk energi? Kinetisk är hastigheten där och då medan ändring i kinetisk energi är arbete. 5. Ulrika cyklar med en hastighet av 5 m/s. Hon väger 58 kg. Hur stor är hennes rörelseenergi? EK = (mv2 )/2 = (58 kg * 52 m/s)/2 = 725 = ca 700 J. 6. En fullblodshäst i full galopp kan hålla hastigheten 50 km/h i flera kilometer. Hur stor är rörelseenergin för en 560 kg tung häst i full galopp? 50 km/h = 13,888… m/s. EK = (mv2)/2 = (560 kg * 13,892 m/s)/2 = 54012 = ca 54 kJ. 7. En bil som väger 950 kg har en rörelseenergi på 150 kJ. Hur fort går den? EK = (mv2)/2 → v = sqrt(2EK/m) = sqrt(2*150000/950) = 17,77 m/s = 64 km/h.

Sida 121: 1. Vad menas med potentiell energi? Definitionen säger att: “Potentiell energi är energi som är lagrad i ett föremål beroende på dess position i ett kraftfält eller lagrad i ett system vars energi är beroende av systemets tillstånd.”, alltså, håller man en boll i luften så har den potentiell lägesenergi relativt till marken att kunna falla nedåt. 2. Vilken formal har vi för potentiell energi? EP = mgh. 3. Vad händer med den potentiella energin hos ett föremål som flyttas uppåt? Nedåt? Ett föremål som flyttas uppåt får högre potentiell energi, medan ett föremål som flyttas nedåt får lägre potentiell energi.

4. Kan ett föremål flyttas utan att dess potentiella energi ändras? Ja, men bara sidled, inte upp eller ner. Alltså, den potentiella energin förändras inte om ett föremål flyttas i x- eller z-led, men den ändras ifall föremålet flyttas i y-led. Detta gäller för ett föremål som endast har tyngdkraften som påverkande kraft. Svaret till frågan är ja, ifall den flyttas i ett led som ingen kraft verkar. 5. Ulf väger 62 kg och är duktig på att klättra. En dag ska han klättra uppför en 18 meter hög klippa. Sätt hans potentiella energi till 0 J vid foten av klippan. a) Hur stor är hans potentiella energi när han kommit 4,5 meter upp längs klippan? b) Var är han när hans potentiella energi är 5 kJ? c) Hur stor är hans potentiella energi längst upp på klippan? a) EP = mgh = 62 kg * 9,82 m/s2 * 4,5 meter = 2740 = ca 2,7 kJ. b) EP = mgh → h = EP / mg = 5000 J / 62 kg * 9,82 m/s2 = 8,2 meter upp på klippan. c) EP = mgh = 62 kg * 9,82 m/s2 * 18 meter = 10959 = ca 11 kJ.

Sida 127: 1. Vad menar vi med mekanisk energi? Den mekaniska energin hos ett föremål är lika med rörelseenergin adderat med lägesenergin. Alltså, Emek  = EK + EP . 2. Vad innebär det att en fysikalisk storhet bevaras? Det förklarar hur vissa fysikaliska system bevarar sitt värde efter en viss händelse. Energiprincipen helt enkelt, energi kan inte skapas eller förstöras, bara omvandlas eller flyttas. Har vi ett isolerat system (ingen friktion, ingen värme, osv), så är Emek1 = Emek2. De är likadana. Men de består av potentiell energi och rörelseenergi, och de värdena kan ändras. 3. Vad är det som gör att mekanisk energi förloras i ett vattenkraftverk? Ett vattenkraftverk omvandlar vattens potentiella energi till elektrisk energi genom att vattnet forsas genom en turbin. Endast cirka 90% av vattnets energi omvandlas till elektrisk energi, resterande 10% “läcker ut” som termisk energi via friktion och dylikt. 4. Vad skulle det ha blivit av den mekaniska energin i vattnet om vattnet inte gick genom kraftverket? Den skulle ha förblivit densamma eller flyttats eller omvandlats till annan energi. 5. Vad är det som gör att en svängande pendel så småningom stannar? Vad har då hänt med den mekaniska energin som pendeln hade? Pendelns energi övergår så småningom från svängning till t.ex friktionsenergi i själva anordningens axelled (det bildas värme där snöret är fäst) eller i luften. 6. En bok i en bokhylla har 14 J i potentiell energi om golvet sätts som nollnivå. Vid ett tillfälle ramlar boken ner på från hyllan. a) Hur stor rörelseenergi har den precis innan den slår i golvet? b) Boken väger 0,64 kg. Med vilken hastighet slår den i golvet? a) Den har 14 J i rörelseenergi då; energin är alltså densamma, den har bara omvandlats. b) EK = (mv2 )/2 → v = sqrt(2EK/m) = sqrt(2 * 14 J / 0,64 kg) = 6,6 m/s. 7. Från vilken höjd ska man släppa en 0,82 kg tung boll för att rörelseenergin ska bli 10 J när den slår i marken? EK = (mv2)/2, alltså har höjden inte något med rörelseenergin att göra. Men höjden påverkar lägesenergin, eftersom EP = mgh, och i och med energiprincipen så är EP = EK. Alltså, EP = mgh → h = EP / mg = 10 J / 0,82 kg * 9,82 m/s2 = 1,24 = 1,2 meter. 8. På badhuset ställer sig Stella på en våg som då visar 40 kg. Hon prövar sedan den nya vattenrutschkanan, som har en fallhöjd på 8 meter. a) Om vi bortser från energiförluster hur stor är hennes hastighet längst ner? b) På grund av energiförluster har hon en hastighet på 8 m/s när hon kommit ner. Hur stora är förlusterna? a) EK = (mv2)/2 → v = sqrt(2EK/m). EK = EP = mgh. v = sqrt(2 * mgh / m) = sqrt(2gh) = sqrt(2 * 9,82 m/s2 * 8 meter) = 12,53 = 13 m/s. b) Bortsett från förlusterna så är hennes EK = (mv2 )/2 = (40 kg * 12,532 m/s)/2 = 3142,4 J. Hennes rörelseenergi

medräknat med förlusterna är EK = (mv2 )/2 = (40 * 82 m/s)/2 = 1280 J. 3142,4 - 1280 = 1862,4 = ca 1900 J = 1,9 kJ. 9. Den tillförda energin till en elektrisk motor varje sekund är 600 J. Motorns verkningsgrad är 0,85. Hur mycket energi levererar motorn varje sekund? 600 J * 0,85 = 510 J.

Sida 133: 1. Vad menas med glidfriktion? Vilofriktion? asdasdasdasdasdasdasd....