Natuurkunde voor informatici II

Ga naar: navigatie, zoeken

Samenvattingen

Klik hier om de samenvattingen te bekijken

extra info bij slides Door Jonas Soenen

PAS OP: is niet echt een samenvatting! Meer een documentje om open te doen naast de dia's als er iets is dat niet volledig duidelijk is (of voor eventuele aanvulling).

Inleiding

Sinds het academiejaar 2012-2013 is het grote vak Natuurkunde voor informatici opgesplitst in twee delen: Natuurkunde voor informatici I en Natuurkunde voor informatici II, die respectievelijk gedoceerd worden in de eerste en tweede bachelor. Mechanica en elektriciteit behoort tot Natuurkunde I en Magnetisme tot Natuurkunde II. Op de wikipagina van vroeger staan nog steeds heel nuttige vragen die nog altijd gebruikt worden en vaak terugkomen. Zeker het bekijken waard dus! Ook de examenstructuur is nog steeds dezelfde. Momenteel worden de vakken Natuurkunde voor informatici I en II gedoceerd door professor André Vantomme. Heel vriendelijke man op het examen. Niet verschieten als hij je naam kent wanneer je binnenkomt.

Het examen

Examenstructuur

Mondeling:

  1. Vraag 1: Een stuk uit de theorie bespreken, eerst voorbereiden op papier en daarna mondeling verdedigen.

Schriftelijk:

  1. Vraag 2: Twee kleine inleefvraagjes in iet of wat dagelijkse fenomenen, de bedoeling is dan dat je bespreekt adhv theorie wat er gebeurt.
  2. Vraag 3 en 4: 2 oefeningen

Je krijgt een formularium met de meeste moeilijke formules op, maar je moet toch zien dat je formules zoals de kinetische energie of de wetten van de ERB vanbuiten kent.

Onderschat het examen zeker niet, de oefeningen van het schriftelijke gedeelte zijn niet gemakkelijk, en je moet meestal 1 of 2 afleidingen van formules geven op het mondeling gedeelte. Hiervoor heb je dan weer andere, kleinere formules nodig die vaak niet in je formularium staan! Zorg er dus zeker voor dat je van zaken als de Wet van Gauss, Biot-Savart, e.d. de "Examples" uit Serway goed kan reproduceren: niet zomaar van buiten leren, begrijpen is noodzakelijk!

Examenvragen

!Kijk ook zeker hiertussen: Oude wiki Natuurkunde voor Informatici !

12/06/2018 namiddag

  1. Theorie mondeling:
    1. Bespreek het elektrisch veld en de emf die opgewekt worden wanneer een rechte geleider beweegt in een homogeen magnetisch veld (zowel voor geleider op zich en voor een geleider die een onderdeel is van een elektrische kring met een weerstand).
    2. Bepaal tevens de stroom en het vermogen in de kring en de krachten die op de bewegende geleider werken (werk uit voor een staafgeleider met constante snelheid).
    3. Formuleer in deze context de wet van Lenz. Is deze wet in overeenkomst met de Lorentzkracht en met het principe van energiebehoud?
  2. Theorie schriftelijk:
    1. Gegeven een kring met een schakelaar, een batterij en een lamp. Wat verandert er wanneer je de schakelaar sluit in het geval je er ook nog een spoel aan toevoegt? Bespreek de onderliggende principes en introduceer een grootheid die dit effect kwantitatief kan beschrijven.
    2. Hoe wordt een eenvoudige harmonische beweging gedefinieerd? Leid voor deze beweging de bewegingsvergelijking af (gebruik het voorbeeld van een massa aan een veer) en bespreek de betekenis van alle relevante parameters. Bespreek in het bijzonder de tijdsafhankelijk van de snelheid en de versnelling. Hoe verandert de situatie als de veer verticaal hangt?
  3. Leid een formule af voor de grootte en richting van het magnetisch veld dat gegenereerd wordt in het centrum van de zeshoek. Tekening toont een regelmatige zeshoek met straal R.
  4. Een niet-geleidende bol heeft een massa van 80,0g en straal 20,0cm. Een compacte spoel met 5 windingen wordt concentrisch rond de bol bevestigd. De bol ligt op een helling met hellingshoek θ zodat de spoel evenwijdig is met het grondoppervlak. Een uniform magnetisch veld van 0,350T is aanwezig verticaal omhoog gericht. Welke stroom moet er door de spoel vloeien opdat de bol niet schuift noch rolt van de helling. Toon aan dat het resultaat niet afhangt van de hoek θ.

11/06/2018 voormiddag

  1. Mondeling: zelfde vraag als de mondelinge vraag van 12/06/2017 voormiddag
  2. Je hebt een spoel met daarop een ijzeren staaf met daarrond een metalen ring. Wat gebeurt als je de schakelaar sluit ? Leg uit bij DC en AC.
  3. Bij het opladen van een condensator is er een "probleem" met de wet van Ampère. Wat is dit? Hoe kan dit "opgelost" worden zodat de wet nog steeds gebruikt kan worden?
  4. Vraag4examenNat11062018vm.PNG
  5. Vraag5examenNat11062018.png

14/06/2017 namiddag

  1. Mondeling: Gegeven een rechthoekige geleider met zijden a en b, die een stroom I voert. Er is een magnetisch veld B in het vlak van de geleider, van beneden naar boven, loodrecht op b.
    1. wat is de kracht op elke zijde? wat is de totale kracht?
    2. beweegt de geleider?
    3. verandert er iets in de tijd?
    4. leidt de vergelijking voor het magnetisch moment af. Bespreek de betekenis hiervan op macroscopisch en atomair niveau.
  1. Een radio werkt met behulp van een RLC kring om op een radio-zender af te stemmen. Wanneer is het vermogen van de kring maximaal? Welke eigenschap moet de radio hebben om de zender zo goed mogelijk te ontvangen?
  1. Wat is zelfinductie? Hoe verschilt het van 'gewone' inductie? Leid een grootheid voor zelfinductie af.
  1. vraag 4 was dezelfde als de laatste vraag op 12/06/2017
  1. Gegeven een coax-kabel met R1, R2 en R3 de straal van de kern, het lege deel tussen de kern en de buitenste kabel en de buitenste straal. Er loopt een stroom van 700 mA door de kabel, uniform verdeeld over de doorsnede. Wat is het magnetisch veld op een afstand r voor a) r < R1; b) R1 < r < R2; c) R2 < r < R3; d) R3 < r

14/06/2017 Voormiddag

  1. Mondelinge theorievraag:
    1. Bespreek de wet van Ampère.
    2. Gebruik de wet van Ampère voor het magnetisch veld van tgv een torus waar stroom I door stroomt af te leiden, zowel binnen als buiten de torus.
    3. Gebruik de uitdrukking uit 2) om het magnetisch veld van een spoel af te leiden.
  2. Theorievraag 1: Wanneer/waarom ontstaan er wervelstromen in een metalen plaat die in een magneetveld bewogen wordt? Voor welke problemen zorgen wervelstromen en hoe kunnen deze vermeden worden? Anderzijds: hoe kunnen wervelstromen nuttig gebruikt worden?
  3. Theorievraag 2: Beschrijf de beweging van een deeltje met lading q en snelheid v in een homogeen magnetisch veld B. Voor zowel v loodrecht op B als v niet loodrecht op B. Beschrijf zo kwantitatief mogelijk en leid de kenmerkende variabelen af.
  4. Oefening 1: Gegeven een tekening van een geleider met stroom I, bereken het magnetische veld in punt P.
  5. Oefening 2: Gegeven onderstaand schema waar er op 3 verschillend momenten een ander component wordt geschakeld in een kring met AC spanning,f = 50 Hz. Wanneer de condensator wordt geschakeld is er een maximale stroom I_1. Wanneer de weerstand wordt geschakeld is er een maximale stroom I_2. Wanneer de geleider wordt geschakeld is er een maximale stroom I_3. Bereken L, R, en C. Bereken het vermogen in elk van de 3 fasen. (I_1, I_2 en I_3 worden gegeven)
        --C--
 ------ --R-- ------
 |      -----      |
 R                 L
 |                 |
 --------AC---------

12/06/2017 Voormiddag

  1. Mondeling: gegevem een negatief geladen deeltje in een homogeen magnetisch veld.
    1. Wat is de kracht die erop inwerkt?
    2. Beschrijf de beweging van het deeltje. Geef alle relevante grootheden (je moest dus weten dat het een bepaalde hoeksnelheid zou hebben). Beschrijf dit voor een willekeurige orientatie tussen de beweging (de snelheid) en het magnetisch veld (dus niet noodzakelijk beweging loodrecht op het veld). Als bijvraag werd er nog gevraagd hoe het komt dat voor een willekeurig grote beginsnelheid de hoeksnelheid enkel afhangt van de lading, massa, en het magnetisch veld, en niet van de snelheid. Dat is dus omdat de straal mee varieert. Verder werd nog gevraagd hoe de frequentie van die rotatiebeweging heet (cyclotron-frequentie) en waarom een cyclotron (een deeltjesversneller) vertrouwt op het feit dat de hoeksnelheid snelheidsonafhankelijk is. Dat is omdat, als de hoeksnelheid constant is, het elektrisch veld periodisch kan omschakelen. (waarschijnlijk moest je dat enkel weten om 20 te halen)
    3. Leid uit de eerste deelvraag af wat de kracht is op een geleider in een magnetisch veld. Hoe vereenvoudigt dit voor een rechte geleider enerzijds en voor een homogeen magnetisch veld anderzijds (2 aparte gevallen).
  2. Gegeven een kring met enkel een inductor (spoel) en een condensator die initieel opgeladen is. Bepaal de lading op de condensator, de stroom, en de energie van het systeem als een functie van de tijd. Wat verandert er (m.b.t. de stroom, lading, en energie) als we een lamp met deze kring in serie zetten. Dit hoef je niet mathematisch uit te werken, maar je moet wel precies zijn.
  3. Wanneer er stroom door een spoel gaat, reageert een kompasnaald in de buurt niet zo sterk. Wanneer we echter een stuk weekijzer in de spoel steken, reageert het kompas veel sterker. Leg uit hoe dit komt.
  4. Gegeven een holle cilindrische geleidende buis met buitenste straal 3.00cm en binnenste straal (de straal van het holle gedeelte) 1.00cm. Door de buis is er een stroom van 4.00 mA, die uniform verdeeld is. Bereken het magnetisch veld binnen het holle gedeelte, in de buis, rond het holle gedeelte, en buiten de buis.

   *****
 *********
***     ***
***     ***
 *********
   *****
  1. Gegeven een gesloten elektrische kring met breedte 0.600 m en hoogte 0.500 m met enkel twee weestanden R1 = 5.00 ohm, R2 = 10.0 ohm met daarbinnen een spoel met 100 windingen per cm en een straal r = 0.20m. In deze spoel verandert de stroom met 100A/s. De bovenste en onderste geleiders zijn verlengd en op hun verlengden ligt een staaf die naar rechts schuift met een snelheid van 2.00 m/s. De weerstand hierop is 15.0 ohm. Rechts van R2 is er een constant magnetisch veld van 0.500 T.
    1. Bepaal de stroom door R2.
    2. Bepaal de mechanische kracht die nodig is om de verplaatsing te realiseren.

------------------------||---------
|         |  x x x x x  ||  x x x x
|   ***   |  x x x x x  ||  x x x x
R1 *:::*  R2 x x x x x  R3  x x x x
|   ***   |  x x x x x  ||  x x x x
|         |  x x x x x  ||  x x x x
------------------------||--------


08/06/2016

  1. Mondelinge theorievraag: Bespreek magnetisme in materialen. Begin op het atomair niveau en bouw zo op naar het macroscopisch niveau. Gebruik de begrippen magnetisatie en veldsterkte, benoem de drie klassen magnetische materialen en geef enkele eigenschappen. Formule voor kwantisatie van impulsmoment is gegeven.
  2. Theorievraag 1: Toon aan dat een slinger met lengte l en massa m voor een kleine uitwijkingshoek theta een harmonische beweging volgt. Bereken de frequentie/periode. Tip: sin(theta) ~ theta voor kleine theta.
  3. Theorievraag 2: Bij het opladen van een condensator is er een "probleem" met de wet van Ampère. Wat is dit? Hoe kan dit "opgelost" worden zodat de wet nog steeds gebruikt kan worden?
  4. Oefening 1: Gegeven een figuur: middelpunt O, een draad loopt driekwart cirkel hierrond en in het open kwart maakt de draad een rechte hoek (dus een soort van unie van een cirkel met straal r en vierkant met zijde r). Stroom loopt tegenwijzerzin. Bereken de grootte, richting en zin van het magnetische veld in O.
  5. Oefening 2: Gegeven een 2,00H spoel, een 10,0 Ohm weerstand en een 10 microFarad condensator. Deze worden in serie geschakeld en er wordt een AC-bron aangeld met als functie V = 100V*sin(omega*t).
    1. Bereken de frequentie f0 waarbij het vermogen van het circuit maximaal is.
    2. Bereken dit maximale vermogen.
    3. Bereken de twee frequenties waarbij het vermogen de helft van dit maximale vermogen is.
    4. Bereken voor alle drie frequenties de fasehoek tussen de spanning en stroom.

06/06/2016

  1. Mondelinge theorievraag: Bespreek de oscillaties in een circuit met een spanningsbron die een wisselstroom levert.
    1. eerst afzonderlijk bespreken: (met als enige element in het circuit)
      1. een weerstand (R & AC)
      2. een inductor (L & AC)
      3. een condensator (C & AC)
      4. Alle voorgaande tegelijk, in serie (RLC & AC, zie slides)
    2. Bespreek met een fasordiagram en analytisch de stroomfuncties van alle voorgaande circuits. a)iv. mag met enkel een fasordiagram besproken worden. (leidt deze eerst af, teken de functies uit, toon aan waarom stroom voor of achter loopt, ... zie slides)
    3. Toon hoe je tot de vergelijking van impedantie komt. (mogelijk vanuit het fasorendiagram van de vorige vraag)
  2. Theorievraag 1: Leid de bewegingsvergelijking van een simpele harmonische beweging af, via het voorbeeld van een veer waaraan een massa hangt. (zie boek, SHM), verduidelijk elke belangrijke grootheid in de vergelijking. Wat gebeurt er als de veer verticaal hangt? (invloed zwaartekracht)
  3. Theorievraag 2: Hoe werkt een stroomgenerator? Hoe ziet de stroom er uit die deze levert? (zie slides/theorie, Wet van Faraday)
  4. Oefening 1: Gegeven:
    • Een vierkante geleider (2D) met zijde d en een stroomrichting (kloksgewijs)
    • Een punt p rechtsboven in het verlengde van de bovenste zijde gelegen op een afstand d van hoekpunt rechtboven van de geleider.
      Bereken B in het punt, geef de richting ervan (gebruik Biot-Savart).
  5. Oefening 2: Twee geleidende draden van 40A (in de pagina gericht) worden vast gemaakt in de twee onderste hoekpunten van een gelijkzijdige driehoek. Een geleider wordt vastgemaakt in het bovenste hoekpunt van de driehoek.
    Hoe groot moet de stroom zijn en in welke richting moet deze gaan door om er voor te zorgen dat deze blijft zweven?
    Nog gegeven: lengte zijde gelijkzijdige driehoek, massadichtheid van de bovenste geleider, diameter van de bovenste geleider.

19/06/2014

Mondeling 1 Bespreek vanalles over magnetische kracht op een rechthoekige stroomvoerende gesloten geleider. Het magnetisch veld komt van boven aan.

2.

schriftelijk 3. (Vul aan) 4.

Er is de volgende afbeelding gegeven:


-----------------------
|        |             |
|  ***   |    ***      |
R *   *  R   *   *     R
|  ***   |    ***      |
|        |             |
---------|-------------|

Met de R'en in volgorde: 5, 3, 6 ohm. De rondjes zijn oneindig lange solenoiden met een constant toeneemt magnetisch veld van 100T/s De afstand van elke zijde bedraagt 0.5m. Bereken de stroom door alle 3 de weerstanden.

06/06/2014

  • Theorie:

Mondeling:

a) Gegeven een RLC-kring aangesloten op een spanningsbron DeltaV, waarbij DeltaV(t) = DeltaVmax*sin(omega*t). In deze kring bevinden zich een weerstand R, inductor L, en een condensator C. Leid de uitdrukkingen af voor de frequentie, spanningsgroottes, fasehoek en de amplitudes van de stroom in elk van deze componenten. Wat is impedantie? Waarom maakt dit het gemakkelijker om de stroom in de kring en andere formules te interpreteren? Wat is de fasehoek?

b) Leid de formules af voor het gemiddelde vermogen geleverd aan de RLC kring en de gemiddelde kwadratische stroom in een RLC-kring (bij wisselstroom). Toon het verband aan tussen de frequentie omega en deze 2 grootheden, wat is de invloed van omega op deze twee. Licht toe met behulp van grafieken. Geef ook één toepassing die gebruik maakt van het verband tussen de frequentie en deze grootheden (en licht beknopt toe).

c) BONUS: Voor het beter doorlaten van bastonen (= lage frequenties) bij een versterker, wordt er een variant van de RLC-kring gebruikt. Welke? Bespreek ook de onderliggende begrippen die men hierbij toepast.

Schriftelijk:

1. Snelheidsfilter uitleggen: Een toepassing uit het domein van elektromagnetisme is de snelheidsfilter ofwel de Wienfilter. Hierbij wilt men enkel versnelde geladen deeltjes met een bepaalde snelheid v willen selecteren uit verschillende bundels van bewegende ladingen. Hoe doet men dit? Bespreek deze toepassing.

2. (Productie van EM golven met behulp van antenne) Een elektrische tandenborstel wordt opgeladen door het te plaatsen op een voetstuk dat aangesloten is op een stopcontact van 220V. Hoe gebeurt het opladen van de tandenborstel, en welke concepten worden hierbij toegepast? Zou men de tandenborstel ook kunnen opladen door het voetstuk aan te sluiten op een zware batterij van 220V in plaats van het in het stopcontact te steken?

  • Oefeningen:

1. Gegeven een vierkant kader met zijdelengte d waar een stroom I door loopt. Het punt P ligt exact in het midden van dit vierkant kader. Bepaal de grootte van het magnetisch veld in het punt P.
Tip: Bereken eerst het magnetisch veld afkomstig van één zijdesegment in het punt P.

2. Volgende figuur gegeven (ietsje mooier, dat wel):

   
                       
        ------------------------
        |              |        |
        R              |        R
        |              |        |
        |              |        |
        -------------------------
                       

Twee parallelle, geleidende rails met verwaarloosbare wrijving zijn verbonden via twee weerstanden van 5,00 ohm en 2,00 ohm. Een geleidende staaf van lengte 35,0 cm beweegt zich voort naar links met een constante snelheid v = 8 m/s en wordt door een persoon voortgeduwd. Deze staaf staat loodrecht op beide rails en bevindt zich tussen de twee weerstanden. Een uniform magnetisch veld van 2,5T wordt aangelegd in deze ruimte.
(i) Geef de stroomgroottes die langs weerstand 1 en weerstand 2 passeren.
(ii) Bereken het totale vermogen geleverd aan de twee weerstanden.
(iii) Hoe groot is de kracht die de persoon uitoefent op de staaf? Bereken ze op twee verschillende manieren.