physics 111 spring 2006 exam # 1

Report 52 Downloads 79 Views
1/9 PHYSICS 1307  FALL  2007 EXAM # 3 Thursday, November 15, 2007 SOLUTIONS  Last  Name:

CQ:

First Name:

NQ:

SMU ID:

Total:

Scientific data

5

P atm =1.013×10

kg m3 −6 0 −1 steel =12×10 C air =1.29

3

 water=1×10

v sound =343 m/ s

N m2

kg m3

CONCEPTUAL QUESTIONS

1. In the figure 3 table­tennis balls are levitated in equilibrium above a vertical column through  which air escapes. In which pipe the air velocity is higher and why?

A. 

B.

By Bernoulli's equation we know that areas of high velocity are also areas of low pressure. Since   the pressure is proportional to the high of the column of air, A has lower pressure than B and   therefore the air in A has higher velocity.  

2/9

2. What is the function a(t) that better describes the motion represented by the graphic below. Tip:  This is the acceleration of a SHM.

Acceleration

1 m/s2

t (s) 0.25

0.50

0.75

1.0

­1 m/s2

The function represented in the graph is   a=amax cos t . We need to determine  a max and   .  Both can be found from information present in the graph. The first one is easy, it is equal   to  1 m/ s2 . The angular frequency is given by  =2 /T where the period is T=1.0 s. Thus   we have  a=1.0 m/ s2 cos2 t  .  ______________________________________________________________________________ 3. Does a car bounce on its springs faster when it is empty or when it is fully loaded ? Explain. The frequency of a SHM is equal to  f =

1 2

 k/m

. Thus the car will bounce faster (with higher  

frequency)  with a smaller mass. This is when it is empty.  ______________________________________________________________________________ 4. If the amplitude of a sound wave is tripled by what factor will the intensity increase? Explain. The intensity is proportional to the energy emitted and the energy is proportional to the amplitude   square. Thus, if the amplitude is tripled, the intensity will be increased by a factor of nine!

3/9 ______________________________________________________________________________ 5. In an old rerun of the classic Star Trek  series it was said that the minimum temperature had  dropped below  −300 0 C . Discuss this affirmation using the knowledge acquired in class. The  zero  of the Kelvin scale is the absolute zero for  any temperature. This zero is equal  to  −273.15 in the Celsius scale. Thus the affirmation given in the show was false, it is impossible   for the temperature of any object to go below this point. 

NUMERICAL QUESTIONS

6. An solid object has a weight of 5.00 N. When the object is submerged in water the apparent  weigh is 3.50 N. The density of the object is _______x 103 kg / m3 A. 1.4

B. 1.0

C.  3.4

D.  2.5

E. 5

The difference between the real weight and the apparent one is equal to the buoyancy force  therefore, W obj −W apparent =water g V obj 5.0 N −3.50 N 3

3

2

≈1.5×10−4 m3=V obj

10 kg /m ×9.8 m/s to find the density we need also the mass which can be found from the real weight. Finally: m 0.5 kg obj = = =3400kg /m3 −4 3 V 1.5×10 m ______________________________________________________________________________ 7. The Ausable River in upstate New York is about 40 m wide. It's 2.2 m deep and flows at 4.5m/s.  Just  before it reaches Lake Champlain, the river enters Ausable Chasm, a deep gorge only 3.7 m  wide. If the flow rate is 6.0 m/s, the depth of the river at this point is _____m A.10

B. 14

C.18

D. 22

E. 26

4/9 We can use the equation of continuity:  A1 v 1=A2 v 2 40m×2.2m 4.5 m/ s=3.7m×h 6.0 m/s then h=18 m.  _______________________________________________________________________________ 8. The air pressure at the center of a category 5 hurricane with a speed at the center of 300 km/h is  about ______kPa A. 97

B. 101

C.110

D. 120

E. 87

We can use Bernoulli's equation in two different points. The first one is at the center of the  hurricane and the second point, far away where the atmosphere is quiet.  Then: 1 P 1 air v12 =P atm 2 1 5 3 2 P1 =1.013×10 Pa− 1.29 kg / m ×300/3.6 2 P1 =96821 Pa

______________________________________________________________________________ 9. The minimum cross­section area required of a vertical steel cable to from which is suspended a  320­kg chandelier is________ cm2   . The ultimate tensile strength of steel is of the order of  500×10 6 N /m2 A. 0.8

B. 0.5

C. 0.1

D. 0.08

E. 0.06

The ultimate tensile strength is the maximum value of tensile stress before having a rupture of the  material. So, F 500×106 N /m2= Amin A min =

320 kg×9.8 m /s 2 6

500×10 N /m

(Check units!)

2

=0.000006272 m2

5/9 An object of mass 5.00 kg moves in simple harmonic motion with amplitude 12 cm on a spring of  negligible mass. Its maximum acceleration is 108  cm / s2 .  10.The constant of the spring is ______ N / m B.  45

A.  50

C.  40

 D.  35

E. 30

2 Remember that the maximum acceleration in a SHM which is given by   a max =A and the  angular frequency is equal to  = k / m . Combining both we obtain:

a max =

A×k m

solving for the spring 's  constant we get  k=

1.08 m /s2 ×5.00 kg 0.12 m

=45 N / m2

11.The energy of the oscillation is ______ 10−1 J ? A. 5.1

C. 3.2

B. 4.0

D. 2.5

E. 2.0

1 E= k A2 2 1 2 E= ×45 N / m×0.12 m =0.324 J 2

12. The angular position of a pendulum is represented by the equation  =0.032cos4.43 t  with    in radians. The length of the pendulum is ____m.

A. 1.5

C. 0.50

B. 1.0

D. 0.25

E. 0.15

Here we need to identify the angular frequency of a simple pendulum. This frequency is given by  = g / L where g is gravity and L is the length of the pendulum. The frequency can  also be  determined by the coefficient that multiplies the time t in the equation that describes the motion.  Therefore: 4.43Hz= so L=0.50 m



9.8m /s L

2

6/9 ______________________________________________________________________________ 13.  At a distance of 2.0 m from a localized source you measure the intensity level of 75 dB. The  distance   to   perceive   half   the   intensity   is     ______m.     Assume   isotropic   emission   and   a  homogeneous medium.  

A. 5.4

B. 4.0

D. 2.8

C. 3.2

E. 1.0

Using the fact that intensity is proportional to the inverse of the distance to the source we have the  following relation : I1 I2

=

r12 r2

2

thus if  I 2 =2 I 1 we can solve for  r 2 to obtain: r 2 = 2 r 1≈2.8 m . ______________________________________________________________________________ 14. A driver travels northbound on a highway at a speed of 25.0 m/s. A police car, traveling  southbound at a speed of 40.0 m/s approaches with its siren producing a sound at a frequency of  2500 Hz. The frequency that the driver observes as the police car  approaches is _______Hz   A. 3036

B.2830 

C.2682

D.2624   

E.2076     

This is a typical case of moving source and moving observer in the Doppler effect case.  From the picture it is clear that the observer is moving towards the source and the source likewise  is moving towards the observer . Thus:

25 m/s

f '= f N

v sound v observer v sound −V source

f ' =2500 Hz 40 m/s

343 m/s25 m /s

343m/ s−40 m/s f ' =3036Hz

7/9 15.The force exerted on your eardrum due to the water when you are swimming at the bottom of a  pool that is 5.0 m deep is ____N. The eardrum has an area of approximately  1 cm2 and do not  neglect the internal pressure inside the middle ear. 

A. 15

B. 10

D. 5

C. 7.5

E. 2.5

The pressure at the bottom of the pool is given by: P=P atmwater g h=1.101×10 5 Pa10 3 kg/ m3 ×9.8 m/s 2×5 m=1.5×10 5 Pa

Since the internal pressure inside the middle ear is about the atmospheric pressure , the net force is  given by the product of the gauge pressure times the area of the eardrum. So 5 −4 2   F=Pgauge ×A=0.5×10 Pa×1×10 m =5 N _______________________________________________________________________________ 16. At  0 0 C , the hole in a steel washer is 9.52 mm in diameter. The temperature that must it be  heated in order to fit over a 9.55­mm­diameter bolt is _____ 0 C A. 300

B. 283

D. 263 

C. 273

E. 253

We just need to use the equation for linear thermal expansion:  L=L 0  steel T 9.55mm −9.52mm =9.52 mm×12×10 C 0 262.6 C = T −6

−01

× T

______________________________________________________________________________ 17. A transverse wave is propagating on a string. The wave frequency is 44 Hz. The string is under  21 N of tension and has a mass per unit of length of 15 g/m. The wavelength of the wave is  _____m.  A. 0.85

B. 0.50

C. 0.10

D.0.05 

E. 0.01

Using the equation for the velocity on a string  v= F T / m/ L = 21 N /0.015 kg/m=37.4 m/ s and 



the relation between velocity, frequency and wavelength :   v= f  is straightforward to obtain  =

37.4 m / s =0.85 m 44 Hz

_______________________________________________________________________________

8/9 18. As you can observe in the figure below a hydraulic lift supports a truck with a mass of 3200­ kg. The force F that must be applied to the smaller piston to support the truck is _________N.  Assume circular pistons.  2

1

F2 A. 490 B. 520 C. 560 D. 600 E. 650

120 cm 

          

15 cm

This problem is easily solved using Pascal's principle that states that: “points in a fluid that are at  the same depth experience the same pressure.”  Thus right below each piston we have: P1 =P 2 F1 A1

=

3200 kg×9.8 m / s 2

F2 A2

2

=

F2 2

0.60m 0.075m  490 N=F 2

_______________________________________________________________________________ 19. Two sound waves have measured intensities of 100  W / m2 and 200  W /m2 . The intensity  of the two sounds combined is ____dB A.  300

B. 250

D.145

C. 212

The intensity in decibels is equal to  10 log 

100200 10−12

=144.77 dB

E. 122

9/9 20. A figure of a sinusoidal wave whose velocity is 300 m/s is shown below. The wavelength of  the wave is _____m.

 y (meters)

A. 300 B. 275 C. 225 D. 150 E. 100

1m

   t(sec) 0.50

0.25

0.75

­1m

Given that  v= /T and the period T is 0.50 s we have  =300 m/ s×0.5 s=150 m ______________________________________________________________________________ 21. The normal body temperature is  98.6 0 F . The value of this temperature on the Celsius scale  is  _____ 0 C A. 

T  0 F =

B. 37

38

C. 36

D. 35

E. 34 

90 C 32 5

9 0 0 98.6 F = T  C 32 5 0 37 C

_______________________________________________________________________________ Write your answers here: 6.C

7.C

8.A

9.E

10.B

11.C

12.C

13.D

14.A

15.D

16.D

17.A

18.A

19.D

20.D

21.B