Harjoitus 2. 10.9-14.9.2007. Nimi: Op.nro: Tavoite: Gradientin käsitteen sisäistäminen ja omaksuminen.



Samankaltaiset tiedostot
PRELIMINÄÄRIKOE. Pitkä Matematiikka

ClassPad 330 plus ylioppilaskirjoituksissa apuna

ClassPad 330 plus ylioppilaskirjoituksissa apuna

Koontitehtäviä luvuista 1 9

Diplomi-insinööri- ja arkkitehtikoulutuksen yhteisvalinta 2017 Insinöörivalinnan matematiikan koe , Ratkaisut (Sarja A)

MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 5: Gradientti ja suunnattu derivaatta. Vektoriarvoiset funktiot. Taylor-approksimaatio.

Luku 5. Johteet. 5.1 Johteiden vaikutus sähkökenttään E = 0 E = 0 E = 0

Numeeriset menetelmät Pekka Vienonen

Preliminäärikoe Tehtävät Pitkä matematiikka / 3

Diplomi-insinööri- ja arkkitehtikoulutuksen yhteisvalinta 2018 Insinöörivalinnan matematiikan koe, , Ratkaisut (Sarja A)

Potentiaali ja potentiaalienergia

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

a) Lasketaan sähkökenttä pallon ulkopuolella

2 Eristeet. 2.1 Polarisoituma

A Lausekkeen 1,1 3 arvo on 1,13 3,3 1,331 B Tilavuus 0,5 m 3 on sama kuin 50 l 500 l l C Luvuista 2 3, 6 7

A-osa. Ratkaise kaikki tämän osan tehtävät. Tehtävät arvostellaan pistein 0-6. Taulukkokirjaa saa käyttää apuna, laskinta ei.

Pythagoraan polku

r > y x z x = z y + y x z y + y x = r y x + y x = r

A B = (1, q, q 2 ) (2, 0, 2) = 2 2q q 2 = 0 q 2 = 1 q = ±1 A(±1) = (1, ±1, 1) A(1) A( 1) = (1, 1, 1) (1, 1, 1) = A( 1) A(1) A( 1) = 1

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos. MS-A0203 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2, kevät 2016

a) Mitkä reaaliluvut x toteuttavat yhtälön x 2 = 7? (1 p.) b) Mitkä reaaliluvut x toteuttavat yhtälön 5 4 x

c) Määritä paraabelin yhtälö, kun tiedetään, että sen huippu on y-akselilla korkeudella 6 ja sen nollakohdat ovat x-akselin kohdissa x=-2 ja x=2.

Kurssikoe on maanantaina Muista ilmoittautua kokeeseen viimeistään 10 päivää ennen koetta! Ilmoittautumisohjeet löytyvät kurssin kotisivuilla.

MS-A0202 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 2: Usean muuttujan funktiot

VIELÄ KÄYTÄNNÖN ASIAA

766320A SOVELTAVA SÄHKÖMAGNETIIKKA, ohjeita tenttiin ja muutamia teoriavinkkejä sekä pari esimerkkilaskua

YLIOPPILASTUTKINTO MATEMATIIKAN KOE - PITKÄ OPPIMÄÄRÄ

Tekijä Pitkä matematiikka Suoran pisteitä ovat esimerkiksi ( 5, 2), ( 2,1), (1, 0), (4, 1) ja ( 11, 4).

FY6 - Soveltavat tehtävät

Preliminäärikoe Pitkä Matematiikka

Antti Rasila. Kevät Matematiikan ja systeemianalyysin laitos Aalto-yliopisto. Antti Rasila (Aalto-yliopisto) MS-A0204 Kevät / 16

PRELIMINÄÄRIKOE PITKÄ MATEMATIIKKA

5. Numeerisesta derivoinnista

VEKTORIANALYYSIN HARJOITUKSET: VIIKKO 4

1.1 Funktion määritelmä

MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (CHEM) Luento 2: Usean muuttujan funktiot

Derivaatan sovellukset (ääriarvotehtävät ym.)

2 Yhtälöitä ja epäyhtälöitä

MATEMATIIKAN KOE, PITKÄ OPPIMÄÄRÄ (1 piste/kohta)

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 8: Divergenssi ja roottori. Gaussin divergenssilause.

Selvästi. F (a) F (y) < r x d aina, kun a y < δ. Kolmioepäyhtälön nojalla x F (y) x F (a) + F (a) F (y) < d + r x d = r x

Osa 5. lukujonot ja sarjat.

Kahden lausekkeen merkittyä yhtäsuuruutta sanotaan yhtälöksi.

Matemaatiikan tukikurssi

XXIII Keski-Suomen lukiolaisten matematiikkakilpailu , tehtävien ratkaisut

MAA7 HARJOITUSTEHTÄVIÄ

Pitkä matematiikka Suullinen kuulustelu (ma00s001.doc) Tehtävät, jotka on merkitty (V), ovat vaativia.

, c) x = 0 tai x = 2. = x 3. 9 = 2 3, = eli kun x = 5 tai x = 1. Näistä

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

Funktion raja-arvo. lukumäärien tutkiminen. tutkiminen

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 2. viikolle /

Vektorien pistetulo on aina reaaliluku. Esimerkiksi vektorien v = (3, 2, 0) ja w = (1, 2, 3) pistetulo on

Sähköstatiikasta muuta. - q. SISÄLTÖ Sähköinen dipoli Kondensaattori Sähköstaattisia laskentamenetelmiä

A-osio. Ilman laskinta. MAOL-taulukkokirja saa olla käytössä. Maksimissaan yksi tunti aikaa. Laske kaikki tehtävät:

x + 1 πx + 2y = 6 2y = 6 x 1 2 πx y = x 1 4 πx Ikkunan pinta-ala on suorakulmion ja puoliympyrän pinta-alojen summa, eli

Matematiikan tukikurssi

Joukot. Georg Cantor ( )

MS-A010{3,4,5} (ELEC*, ENG*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 2: Sarjat

Lataa ilmaiseksi mafyvalmennus.fi/mafynetti. Valmistaudu pitkän- tai lyhyen matematiikan kirjoituksiin ilmaiseksi Mafynetti-ohjelmalla!

Preliminäärikoe Tehtävät A-osio Pitkä matematiikka kevät 2016 Sivu 1 / 4

Sähköstaattinen energia

Tekijä Pitkä matematiikka Pisteen (x, y) etäisyys pisteestä (0, 2) on ( x 0) Pisteen (x, y) etäisyys x-akselista, eli suorasta y = 0 on y.

MS-A0204 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (ELEC2) Luento 6: Ääriarvojen luokittelu. Lagrangen kertojat.

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 2: Sarjat

Lineaarialgebra MATH.1040 / voima

MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (Chem) Yhteenveto, osa I

30 + x ,5x = 2,5 + x 0,5x = 12,5 x = ,5a + 27,5b = 1,00 55 = 55. 2,5a + (30 2,5)b (27,5a + 27,5b) =

Injektio. Funktiota sanotaan injektioksi, mikäli lähtöjoukon eri alkiot kuvautuvat maalijoukon eri alkioille. Esim.

Sähköstaattinen energia

Tekijä Pitkä matematiikka a) Ratkaistaan nimittäjien nollakohdat. ja x = 0. x 1= Funktion f määrittelyehto on x 1 ja x 0.

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2013 Insinöörivalinnan fysiikan koe , malliratkaisut

cos x cos 2x dx a) symbolisesti, b) numeerisesti. Piirrä integroitavan funktion kuvaaja. Mikä itse asiassa on integraalin arvo?

Kuinka määritellään 2 3?

Pyramidi 9 Trigonometriset funktiot ja lukujonot HK1-1. Dsin3 x. 3cos3x. Dsinx. u( x) sinx ja u ( x) cosx. Dsin. Dsin

A-osio. Ilman laskinta. MAOL-taulukkokirja saa olla käytössä. Maksimissaan tunti aikaa. Laske kaikki tehtävät:

Harjoitustehtävät, syys lokakuu Helpommat

Johdantoa. Jokaisen matemaatikon olisi syytä osata edes alkeet jostakin perusohjelmistosta, Java MAPLE. Pascal MathCad

Helsingin, Itä-Suomen, Jyväskylän, Oulun, Tampereen ja Turun yliopisto Matematiikan valintakoe klo Ratkaisut ja pisteytysohjeet

Testaa taitosi Piirrä yksikköympyrään kaksi erisuurta kulmaa, joiden a) sini on 0,75 b) kosini on

Mat. tukikurssi 27.3.

VEKTORIT paikkavektori OA

Y ja

3.1 Väliarvolause. Funktion kasvaminen ja väheneminen

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 3: Vektorikentät

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

Derivaatan sovelluksia

MAY1 Tehtävien ratkaisut Kustannusosakeyhtiö Otava päivitetty Julkaiseminen sallittu vain koulun suljetussa verkossa.

Tenttiin valmentavia harjoituksia

Analyysi 1. Harjoituksia lukuihin 1 3 / Syksy Osoita täsmällisesti perustellen, että joukko A = x 4 ei ole ylhäältä rajoitettu.

Tekijä MAA2 Polynomifunktiot ja -yhtälöt = Vastaus a)

SATE1120 Staattinen kenttäteoria kevät / 5 Laskuharjoitus 2 / Coulombin laki ja sähkökentänvoimakkuus

Tässä osassa ei käytetä laskinta. Kaikkiin tehtäviin laskuja tai perusteluja näkyviin, ellei muuta ole mainittu.

58131 Tietorakenteet (kevät 2009) Harjoitus 6, ratkaisuja (Antti Laaksonen)

3. Kirjoita seuraavat joukot luettelemalla niiden alkiot, jos mahdollista. Onko jokin joukoista tyhjä joukko?

MS-A0204 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (ELEC2) Luento 7: Pienimmän neliösumman menetelmä ja Newtonin menetelmä.

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

1 sup- ja inf-esimerkkejä

Transkriptio:

SMG-1300 Sähkömagneettiset kentät ja aallot I Harjoitus 2. 10.9-14.9.2007 Nimi: Op.nro: Tavoite: Gradientin käsitteen sisäistäminen ja omaksuminen. Tehtävä 1: Harjoitellaan ensinmäiseksi ymmärtämään lausekkeen φ gradφ l merkitystä. Tarkastellaan tätä varten pistevarauksen aiheuttamaa sähkökentän voimakkuutta. Pisteessä r oleva pistevaraus q aiheuttaa pisteeseen r kentät E(r) = q(r )(r r ) 4πɛ 0 3 ja φ(r) = q(r ) 4πɛ 0. Kiinnitä q:n arvoksi vaikka reaaliluku, joka on yhtä suuri kuin 4πɛ 0. Laske φ:n tarkka arvo sekä likiarvo E:n avulla r:n ja r :n kautta kulkevalla suoralla väleillä a) = 0.4... 0.6 pituusyksikköä b) = 0.45... 0.55 pituusyksikköä c) = 0.475... 0.525 pituusyksikköä d) = 0.499... 0.501 pituusyksikköä. Vastaukset: Huomaa ensin, että koska kyse on pistevarauksesta, E on (pallo-)symmetrinen kenttä ja se osoittaa kaikkialla pisteestä r poispäin. (a) Välin 0.4,..., 0.6 keskipiste on 0.5. Vektorikentän E arvo tässä keskipisteessä saadaan seuraavasti: q/4πɛ 0 = 1, ja = 0.5, joten (r r ) = (r r ) 3 0.5 2 = 4.0(r r ) eli E = 4.0 (sähkökentän voimakkuuden yksikköä).

Vektori l on a)-kohdan tapauksessa (0.6 0.4) (r r ) = 0.2 (r r ), joten potentiaalin r r r r muutos φ on likimääräisesti 0.2 (r r ) = 0.8 (r r ) = 0.8, koska yksikkövektorin (r r ) r r pistetulo itsensä kanssa on yksi. Potentiaalin muutoksen tarkka arvo on (huomaa, E = gradφ, joten meidän pitää huomioida etumerkki) a)-kohdan vastaus: (φ(0.6) φ(0.4)) = 1 0.4 1 0.6 = 21 2 5 3 = 5 6 0.8333 φ:n likiarvo on 0.8 (potentiaalin yksikköä). φ:n tarkka arvo on 5 0.8333 (potentiaalin yksikköä). 6 b) Potentiaalin muutoksen tarkka arvo on (φ(0.55) φ(0.45)) = 1 0.45 1 0.55 = 20 9 20 11 0.4040 0.1 (r r ) = 0.4 (r r ) = 0.4. b)-kohdan vastaus: φ:n likiarvo on 0.4 (potentiaalin yksikköä). φ:n tarkka arvo on 0.40404040... (potentiaalin yksikköä). c) Potentiaalin muutoksen tarkka arvo on (φ(0.525) φ(0.475)) = 1 0.475 1 approx 0.200501 0.525 0.05 (r r ) = 0.2 (r r ) = 0.2. c)-kohdan vastaus: φ:n likiarvo on 0.2 (potentiaalin yksikköä). φ:n tarkka arvo on välillä 0.200501253 ± 2 10 (potentiaalin yksikköä).

d) Potentiaalin muutoksen tarkka arvo on (φ(0.501) φ(0.499)) = 1 0.499 1 0.501 0.008000032 0.05 (r r ) = 0.002 (r r ) = 0.008. d)-kohdan vastaus: φ:n likiarvo on 0.008 (potentiaalin yksikköä). φ:n tarkka arvo on välillä 0.008000032 ± 2 13 (potentiaalin yksikköä). Tehtävä 2: Yllättävän usein kuulee sanottavan, että luonnossa kaikki funktiot ovat sileitä ja hyvin käyttäytyviä, joten fysiikassa ja tekniikassa ei tarvitse murehtia matematiikan yksityiskohdista. Koestetaan seuraavaksi tällaisen ajattelutavan mielekkyyttä pienellä esimerkillä gradientista ja kartan korkeuskäyristä. Palautetaan aluksi mieleen, että gradientti tarkoittaa skalaarifunktion tiettyä derivaattaa. a) Mikä on funktio? b) Mikä on skalaarifunktio? c) Voidaanko (voitaisiinko) korkeuskäyrät esittää aina funktiona? d) Onko korkeuden gradientti, eli intuitiivisesti jyrkimmän ylämäen suunta ja suuruus aina löydettävissä? e) Johtopäätös: Onko kaikki luonnossa esitettävissä hyvin käyttätyvillä funktioilla? Vastaukset: (a) Tässä haettiin sitä, että funktio on relaatio joukolta X joukolle Y siten, että jokaista alkiota x X vastaa korkeintaan (tai täsmälleen, määritelmästä riippuen) yksi joukon Y alkio y. (b) Skalaarifunktio tarkoittaa, että kuvauksen maalijoukko on reaaliluvut R (tai laajan matematiikan lukijoille täsmennettynä jokin skalaarikunta). (c) Ajatellaan pystysuoraa kalliojyrkännettä tai eteenpäin kallistunuttu kalliota. Kartalla näitä ei pysty esittämään funktiona, koska jyrkänteen kohdalla yhtä kartan pistettä vastaa monta eri korkeutta. (d) Korkeuden gradienttia ei pysty määrittämään, jos korkeus ei ole esitettävissä funktiona. Joten jyrkimmän ylämäen suuntaa ei pysty aina löytämään, ja kallistunut kallion seinämä on tästä hyvä esimerkki. (e) Kuten juuri havaitsimme, arkipäiväiset asiat, joita kutsutaan funktioiksi, eivät aina edes ole funktoita saati sitten hyvin käyttäytyviä funktioita.

Tavoite: Omaksua ja sisäistää, miten mallissa hyödynnetään raja-arvon käsitettä. Tehtävä 3: Pistevaraus on sellaisenaan hankalasti ymmärrettävä käsite. Perimmiltään tulkitsemisen ongelma on siinä, että kyseessä on raja-arvo, ja että yleensä rajaarvoja on helpompi hahmottaa siihen liittyvien jonojen kuin itse ääriarvon avulla. Joten muodosta jono a) palloista, b) kuutioista, jotka konvergoivat kohti samaa pistevarausta, jonka nettovaraus on q tai siten, että nettovaraus on q = 1C. (a) Jos pallon ymmärtää tilavuuskappaleeksi, R-säteisen pallon tilavuus on V = 4 3 πr3. Merkitään ehdon ρv = q toteuttavaa vakio varaustiheyttä ρ:lla. Tällöin esimerkki pistevarausta q kohti konvergoivasta pallojen jonosta on vaikkapa Q 1 = ρ 4 3 πr3, Q 2 = 2 3 ρ 4 3 π ( R 2 ) 3, Q 3 = 3 3 ρ 4 3 π ( ) 3 R,..., Q n = n 3 ρ 4 3 3 π ( ) 3 R. n Kun n pallon tilavuus lähestyy nollaa ja sen varaustiheys ρn 3 ρ lähestyy ääretöntä. Jos pallon ymmärtää pinnaksi, R-säteisen pallon pinta-ala on A = 4πR 2. Merkitään σa = q toteuttavaa vakio pintavaraustiheyttä σ:lla. Tällöin yksi esimerkki pistevarausta q kohti konvergoivasta pallojen jonosta on Q 1 = σ4πr 2, Q 2 = 2 2 σ4π, Q 3 = 3 2 σ4π 2,..., Q n = n 2 σ4π 3. n Kun n pallon pinta-ala lähestyy nollaa ja sen pintavaraustiheys σn 2 lähestyy ääretöntä. (b) Kuutioiden tapauksessa idea on ihan sama. Jos kuution kahden vastakkaisen pinnan etäisyys on D, tällöin kuution tilavuus on V = D 3. Valitaan vakio varaustiheys ρ siten, että ρv = q toteutuu. Jos kuution tilavuus on V n = (D/n) 3 ja varaustiheydeksi ρ n valitaan ρ n = n 3 ρ, tällöin sellainen jono kuutioista, jonka n:n alkion varaus on ρ n V n suppenee kohti pistevarausta q.

Tehtävä 4: Sähköinen dipoli on samalla tavoin raja-arvo. Dipolin idean hahmottamiseksi aloitetaan siitä, että a) miten tulkitsen sen, että dipolimomentti p on vektori? b) Muodosta kaksi erilaista jonoa, jotka konvergoivat kohti samaa dipolimomenttia p = 1u Cm, jossa u on yksikkövektori. c) Miten tulkitset sen, että useampi jono konvergoi kohti samaa dipolimomentin raja-arvoa? (a) Dipolimomentti on vektori tarkoittaa, että siirtymällä dipolin varaukselta toiselle on merkitystä mallin kannalta. (b) Sanotaan, että n:n alkion varaus on q = n C ja siirtymä vastaavasti u/n m. Tällöin kun valitsemme n = 1, 2, 3,... ja p n = (nq)(u/n) Cm saadaan jono dipoleja, jotka konvergoivat kohti dipolimomenttia p = u Cm. Toinen esimerkki on jono, jonka n:n alkion varaus on q n = n 2 C ja siirtymä u/n 2 m. (c) Intuitiivinen selitys: Kahdella kemian näkökulmasta eri molekyylillä voi olla sama dipolimomentti. Se tarkoittaa, että makroskooppisesti tarkasteltuna kyseiset molekyylit tuottavat sopivasti suunnattuna saman E-kentän. Tämän takia meidän ei tarvitse pitää kirjaa, mistä molekyylistä on kulloinkin kyse, vaan meille riittää että tiedämme dipolimomentit. Formaali selitys: Jos kahdella jonolla on sama raja-arvo, se tarkoittaa, että kummankin jonon dipolien tuottamat sähkökentän voimakkuudet E ovat raja-arvona samat. Toisin sanoen, jos toisesta jonosta otetaan n:s alkio ja toisesta m:s alkio ja tarkastellaan näiden dipolien aiheuttamia E-kenttiä, ne ovat lähellä toisiaan. Mitä suurempi n ja m, sitä pienempi on E-kenttien erotus.