A szöveg csak Firefox böngészőben jelenik meg helyesen. Használja a fenti PDF file-ra mutató link-et a letöltésre. A szakközépiskolások számára kitűzött feladatok
Az I. forduló feladatai
1. Hány perccel változna meg a nap hossza, ha a Föld forgási energiája -kal csökkenne?
2. Az ábra szerinti vízszintes asztalon egy rugóállandójú elhanyagolható tömegű feszítetlen rugóhoz erősített kg tömegű hasáb fekszik. A hasábbal az ábrán látható módon egy tömegű és sebességű golyó tökéletesen rugalmatlanul ütközik, és a továbbiakban a két test összetapadva marad.
Adja meg a létrejövő mozgás első két szélső helyzetének távolságát! (A hasáb és a síkfelület közötti súrlódási együttható , a csúszási és tapadási súrlódási együttható között nem teszünk különbséget.) . 3. Ideális gázt az ábrán -val jelölt állapotból a -vel jelölt állapotba viszünk, az úton. Közben a gáz J hőt vesz fel, és J munkát végez.
a) Mekkora a gáz által felvett hő és a végzett munka, ha az állapotváltozást az úton hajtjuk végre? b) Mekkora lenne az körfolyamat hatásfoka, ha a felvett hő J? 4. Az ábrán látható rendszerben milyen tömegaránynál érvényesül, hogy a két test nem csúszik meg egymáson, ha közöttük a tapadási súrlódási együttható ? (Tételezzük fel, hogy az asztallap és az tömegű test között nincs súrlódás és a csigák, fonalak tömege elhanyagolható, valamint a csigák is súrlódásmentesen foroghatnak.)
A II. forduló feladatai
1. Üvegkádba vizet töltünk. A kád aljától -re kétszer domború levegőlencsét rögzítünk. A lencsében a levegőt két görbületi sugarú, elhanyagolható vastagságú üveg zárja közre. A lencse felülnézetben kör alakú, átmérője . Biztosítjuk, hogy a kád alján, a lencse optikai tengelyén levő pontszerű fényforrás fénye csak a lencsén jusson át a lencse fölötti magasságú vízrétegbe. (A lencsét megfelelő méretű átlátszatlan lemez közepébe illesztettük.)
Mekkora a kialakuló folt átmérője
a) a víz felszínén?
b) a víz felszínétől -re levő ernyőn? (A levegő vízre vonatkoztatott törésmutatója .) 2. Egyensúlyi állapotban levő héliumgázban a molekulák mozgási energiájának legvalószínűbb értéke csak kétharmad része a rendezetlen mozgáshoz tartozó átlagos mozgási energiának. a) Mennyi a hőmérsékletű héliumgázban a molekulák sebességének legvalószinűbb értéke? b) Mennyi egy ilyen sebességű héliummolekula de Broglie hullámhossza? 3. Igen nagy kiterjedésű, elektromosan egyenletesen töltött fémsíkot homogén elektromos mezőbe helyezünk. Ennek hatására a lemez egyik oldalán , a másikon térerősségű homogén elektromos mező alakul ki, ahogy az ábra mutatja .
Határozzuk meg a töltött fémsík egységnyi felületére ható erőt!
4. Függőlegesen lefelé irányuló indukciójú homogén mágneses térben a tér irányára merőleges síkban fekvő sugarú, keresztmetszetű körvezetőben felülről nézve az óramutató járásával egyező irányú erősségű áram folyik. Mennyivel változik meg a kerület, ha az áramot kikapcsoljuk? A vezető rugalmassági modulusa: . (A hőmérsékletet állandó értéken tartjuk.)
A gimnazisták számára kitűzött feladatok és megoldásuk
Az I. forduló feladatai
1. Könnyen gördülő, tömegű kocsin tömegű, sugarú korong fekszik (1. ábra). A korong peremére vékony fonalat csévéltünk. .
1. ábra a) Mekkora gyorsulással mozog a korong és a kocsi, ha a fonalat állandó, vízszintes, erővel húzzuk és a kocsi, valamint a korong között a súrlódás együtthatója ? b) Mekkora a két test mozgási energiája hosszú fonál letekeredése után? c) Mekkora munkát végeztünk eközben? (Holics László)
Megoldás. Először meg kell vizsgálnunk a csúszásmentes mozgás feltételét (2. ábra). A korong középpontjának , a kocsinak a gyorsulása. A korongot a húzóerő és a súrlódási erő összege gyorsítja:
2. ábra A tehetetlenségi nyomatékú korongot az húzóerő és az súrlódási erő nyomatékának különbsége szöggyorsulással forgatja: Sima gördülés esetén a szöggyorsulás: .
A kocsit súrlódási erő gyorsulással gyorsítja balra: A tehetetlenségi nyomaték . A korong középpontjának gyorsulása az egyenletrendszerből: A súrlódási erő: N. A csúszásmentességhez legalább nagyságú súrlódási együttható volna szükséges. Mivel a feladatban a súrlódási együttható csak , a korong megcsúszik. a) Csúszás esetében a korong haladó mozgását gyorsító erő: A korong forgására nézve: . A kocsit balra gyorsító erő: . Az egyenletrendszer megoldása: | |
b) A 2 méteres fonál letekeredése közben a korong megtett fordulatainak száma , minden fordulat radiánt jelent, tehát a korong radiánnyi fordulatot tett meg. A kísérlet időtartama s, a végső szögsebesség . A forgásból származó mozgási energia: A korong haladásából származó mozgási energia: A kocsi mozgási energiája: J.
Az összes mozgási energia: J. c) A korong útja: m, a kötélvég útja m, az erő által végzett munka .
2. Adva van egy negyedkörből álló lejtő, R=1 m, α=80∘, β=30∘ (3. ábra). Egy kis abroncs csúszás nélkül gördül le a bal oldali végről. Milyen x magasságig repül a lejtő elhagyása után?
3. ábra (Vermes Miklós)
Megoldás. Az abroncs tömege m, sugara r. Helyzeti energiájának csökkenése: mgR(cosβ-cosα). Az abroncs középpontja v sebességgel, ω=v/r szögsebességgel hagyja el jobb oldalt a lejtőt. Összes mozgási energiája: | mv22+ω2Θ2=mv22+v2mr22r2=mv2. | Az energiamegmaradás törvénye szerint: A középpont sebessége: v=gR(cosβ-cosα). A sebesség függőleges összetevője Az abroncs ezzel x magasságot ér el. Az energiamegmaradás törvényével: | mgx=m⋅sin2β⋅gR(cosβ-cosα)2. | A keresett magasság az abroncs adataitól függetlenül: | x=sin2β(cosβ-cosα)2⋅R=0,0458m. |
3. Egy zárt tartályban T1 hőmérsékleten, p1 nyomáson kétatomos molekulájú gáz van. A gázt T2 hőmérsékletre melegítjük, ekkor a molekulák 20%-a szétesik atomokra. a) Mekkora most a gáz nyomása? b) Hányszorosára változott a gáz belső energiája? (A molekulák rezgéseitől tekintsünk el!) (Lugosi Erzsébet)
Megoldás. a) Nyomás tekintetében olyan a helyzet, mintha 20 %-kal több gáz volna jelen, ezért: b) Eredetileg az energia: E1=52⋅NkT1.
T2 hőmérsékleten: | E2=52⋅0,8NkT2+32⋅2⋅0,2⋅NkT2=2,6NkT2. | Az energiák aránya:
4. Elektromos mérőműszer feszültségmérési határa 27Ω-os előtétellenállást használva n-szer nagyobb lesz. A műszert 3Ω-os sönttel használva ampermérési határa ugyancsak n-szer lesz nagyobb, a) Mekkora a műszer belső ellenállása? b) Végkitéréskor a műszer lengőtekercse 9⋅10-4 wattot fogyaszt. Mennyi végkitéréskor az áramerősség és a feszültség? (Légrádi Imre) Megoldás. A lengőtekercs ellenállása Rb. a) Az előtétellenállás: Re=(n-1)Rb. A sönt ellenállása: Rs=Rbn-1; Innen ReRs=(n-1)2, azaz 27Ω3Ω=(n-1)2, így n=4, Rb=3Ω ⋅(4-1)= 9 Ω. b) P=U2Rb, így U=RbP=9⋅10-4W⋅9Ω=9⋅10-2V,
A II. forduló feladatai
1. Egy r=0,5 m sugarú, függőleges síkú karikán két átfúrt golyó csúszhat, tömegeik m és 2m (4. ábra). A golyókat fonál köti össze. A golyók egy negyedkör végpontjaiban vannak. A súrlódási együtt ható 0,15. Milyen helyzetben lehetnek a golyók feszített fonál mellett egyensúlyban?
(Nagy László)
4. ábra Megoldás. A szerkezet helyzetét a 2m tömeghez vezető sugárnak a vízszintessel bezárt α-szögével határozzuk meg. A súrlódási határszög ε. Tudjuk, hogy tgε=0,15, így ε=8,53∘.
5. ábra A jobbra történő lecsúszás határhelyzetében a 2m nagyságú tömeg helyzetét meghatározó szög α1. A tömegekre a G és 2G súlyerők, az F1 fonálerő, valamint a pálya által kifejtett kényszererők hatnak. A csúszási határhelyzetben ez utóbbiak ε szöggel balrább irányulnak, mint a tömegekhez vezető sugarak (5. ábra). Ekkor a súrlódási erők a 2m tömegű test jobbra való lecsúszását akadályozzák. A vektorok háromszögére felírjuk a szinusztételt: 2GF1=sin(45∘+ε)cos(α1+ε),GF1=sin(45∘-sinε)sin(α1+ε).
Az egyenleteket elosztjuk: | 2=tg(α1+ε)sin(45∘+ε)sin(45∘-ε). | ε értékét behelyettesítve: Így A balra történő lecsúszás határhelyzetében a 2m tömegű testhez vezető sugár vízszintessel bezárt szöge α2 (6. ábra). Most a pálya által kifejtett kényszererők a sugarak irányához képest ε szöggel jobbra irányulnak.
6. ábra A vektorok háromszögére felírjuk a szinusztételt: 2GF2=sin(45∘-ε)cos(α2-ε),GF2=sin(45∘+ε)sin(α2-ε).
Az egyenleteket egymással elosztva és ε értékét behelyettesítve így Tehát az egyensúly feltétele az, hogy α47,39∘ és 78,25∘ között legyen.
2. α=36,87∘ hajlásszögű, M=2kg tömegű lejtő szabadon csúszhat vízszintes síkon (7. ábra). A lejtő magassága h=1m. A lejtő tetejére m1=7kg tömegű testet helyezünk, a h hosszúságú fonál másik végére m2=1kg tömegű testet erősítettünk. A súrlódás elhanyagolható, g=10m/s2. A rendszert magára hagyjuk. Mennyi idő múlva lesz m1 és m2 egymáshoz legközelebb?
7. ábra (Holics László)
Megoldás. Az m1 tömegű test lecsúszik a lejtőn. A két test távolsága akkor a legkisebb, amikor a fonál fele futott le a lejtőn, mert a háromszög alapja akkor a legrövidebb, amikor a másik két oldallal egyenlőszárú háromszöget alkot, (amennyiben a másik két oldal összege adott, jelen esetben h). Az m1 tömegű test lecsúszása közben a lejtő jobbra csúszik. Mindegyik test egyenletesen gyorsuló mozgást végez. A lejtő sebessége a talajhoz képest V. Mindkét test sebessége a lejtőhöz viszonyítva v. A talajhoz képest az m1 tömegű test v1, az m2 tömegű test v2 sebességgel mozog (8. ábra).
8. ábra Az m1 tömegű test sebessége a talajhoz képest v1, ennek vízszintes összetevője vcosα-V. A vízszintes összetevőkre vonatkozóan az impulzusmegmaradás tétele: Ebből Az energiamegmaradás törvényét alkalmazzuk. A lesüllyedő m1 tömegű test súlyának munkavégzése: m1g⋅(h/2)⋅sinα. Ezzel emeli fel az m2 tömegű testet h/2 magasságra és ad az M tömegű lejtőnek MV2/2, az m1 tömegű testnek m1v12/2, az m2 tömegű testnek m2v22/2 mozgási energiát: | m1g⋅h2⋅sinα=m2g⋅h2+MV22+m1v122+m2v222. | Azonban v12=(vcosα-V)2+(vsinα)2, v22=V2+v2. Ezeket, valamint számértékeiket behelyettesítve kapjuk: Felhasználva a V=0,56v összefüggést, v=2,565 m/s. Az m2 tömegű test lejtőhöz viszonyított átlagsebessége 2,565(m/s):2=1,2825(m/s), és ezzel a 0,5 méteres utat 0,5m:1,2825(m/s)=0,38 másodperc alatt teszi meg. Ennyi idő múlva van a két test egymáshoz legközelebb.
3. A bal oldali szárban a higany felett légüres tér, a jobb oldali szárban a higany felett 0,3m hosszú légoszlop van (9. ábra). A csapot kinyitjuk. A feltóduló higany az elzárt légoszlopot 0,1m-es hosszúságúra nyomja össze. Mekkora volt a csap kinyitása előtt a higanyszintek h különbsége? Mekkora az elzárt levegő belső energiájának megváltozása a felemelkedésig?
9. ábra A kezdeti hőmérséklet 0∘C, a külső légnyomás 105 Pa, a levegő sűrűsége normál állapotban 1,3kg/m3, állandó térfogat melletti fajhője 700J/kg⋅K, fajhőhányadosa κ=1,4, g=10m/s2. A higany sűrűsége ϱ=13600kg/m3. A cső keresztmetszet-területe 2cm2. Az üveg és higany hőfelvételétől, hővezetésétől tekintsünk el!
(Nagy László)
Megoldás. Kezdeti állapotban az elzárt levegő nyomása (10. ábra): p1=ϱgh=1,36⋅105(Pa/m)⋅h.
10. ábra Amikor az elzárt levegő térfogata a legkisebb lesz, akkor a nyomása p2. Az adiabatikus változás törvénye szerint: | p2=p1⋅(0,3m0,1m)1,4=1,36⋅105(Pa/m)⋅h⋅4,656=6,33⋅105(Pa/m)⋅h. |
A gáz hőmérsékletét ekkor a gáztörvénnyel számítjuk: | p1V1T1=p2V2T2,T2=T1⋅p2V2p1V1=424K. | A levegő hőmérsékletének emelkedése: 424-273=151K. A bezárt levegő normáltérfogata V0=p1V1/p0=8,16⋅(10-5m2)⋅h, tömege (1,3kg/m3)⋅8,16⋅(10-5m2)⋅h=1,06⋅(10-4kg/m)⋅h. A bezárt levegő belső energiájának növekedése: ΔE=(700J/kg K)⋅1,06⋅(10-4kg/m)⋅h⋅(151K)=(11,2J/m)⋅h.
Mivel adiabatikus változásról van szó, a levegő belső energiájának növekedését a külső légköri levegő nyomásának és a leeső higanynak a munkavégzése okozta. A külső légköri levegő p0 nyomás mellett (2⋅10-4m2)⋅(0,3-0,1)m=4⋅10-5 m3 térfogatváltozást okozott, ezért munkavégzése (105J/m3)⋅(4⋅10-5m3)=4J. A leeső higany munkavégzését a következőképp számíthatjuk: A vonalkázással jelölt 0,2m hosszú higanyoszlop változatlan magasságban maradt. A h-0,2 m hosszú higanyoszlop minden részecskéje 0,2 métert esett, ezért a munkavégzés: | (2⋅10-4m2)⋅(h-0,2m)⋅(13600kg/m3)⋅g⋅(0,2m)=(5,44J/m)⋅h-1,088J. | A belső energia növekedését egyenlővé tesszük a munkavégzések összegével: | (11,2J/m)⋅h=4J+(5,44J/m)⋅h-1,088J; | innen a keresett eredeti magasság: h=0,51 m. A levegő belső energiájának növekedése: (11,2J/m)⋅(0,51m)=5,71J. A feladatban szereplő végállapot nem jelent egyensúlyt, a bezárt csőben levő higany valamelyest visszaesik.
III., kísérleti forduló
A versenyzőknek az volt a feladatuk, hogy egy négyszögjelet adó generátor adatainak a kapcsolásban szereplő ellenállásoktól való függését megvizsgálják.
Az 1985. évi tanulmányi verseny eredménye
A szakközépiskolai tanulók eredménye
1. díj: Mészáros László (Miskolc, Bláthy O. Villamosip. Szki., IV. o. t., tanára: Tepliczky István)
2. díj: Miró József (Bp., Corvin M. Híradástechn Szki., III. o. t., tanára: Gőghné Béres Katalin)
3. díj: Borsi Ferenc (Debrecen, Mechwart A. Gépip. Szki., III. o. t., tanára: Dr. Kopcsa József)
További helyezettek: 4. Tóth Péter (Debrecen, Erdey-Grúz T. Vegyip. Szki., III. o. t., t.: Nyeste Elek), 5. Boros Zoltán (Zalaegerszeg, Dimitrov Építőip. Szki., IV. o. t., t.: Vas Gyuláné), 6. Pócz Zoltán (Jászberény, Erősáramú Szki., IV. o. t., t.: Bakki Árpád), 7. Farkas István (Bp., Petrik L. Vegyip. Szki., IV. o. t., t.: Kiss Jolán és Finta András), 8. Szép Attila (Debrecen, Mechwart A. Gépip. Szki., IV. o. t., t.: Dr. Kopcsa József), 9. Mudra István (Debrecen, Erdey-Grúz T. Vegyip. Szki., III. o. t., t.: Nyeste Elek), 10. Kettinger Zoltán (Székesfehérvár, Ságvári E. Szki., IV. o. t., t.: Feczkó János), 11. Baráth János (Bp., Petrik L. Vegyip. Szki., IV. o. t., t.: Kiss Jolán).
A III. osztályos gimnáziumi tanulók eredménye
1. díj: Jakovácz Antal (Bp., Apáczai Csere J. Gyak. Gimn., tanára: Kelemen László)
2. díj: Leisztinger Tamás (Bp., Apáczai Csere J. Gyak. Gimn., tanára: Kelemen László)
3. díj: Csegezy Zsolt (Pannonhalma, Bencés Gimn., tanára: Hirka Antal)
A további helyezettek: 4. Aczél Ákos (Bp., II. Rákóczi F. Gimn., t.: Marcsek Gábor), 5. Horváth Róbert (Veszprém, Lovassy L. Gimn., t.: Horváth Péter), 6. Porgányi Gergely (Bp., Apáczai Csere J. Gyak. Gimn., t.: Holics László), 7. Bősze Tibor (Bp., Fazekas M. Gyak. Gimn., t.: Horváth Gábor), 8. Kiss Miklós (Zalaegerszeg, Zrínyi M. Gimn. t.: Németh László), 9. Kovács Róbert (Kecskemét, Katona J. Gimn., t.: Németh Ágnes), 10. Lajos Gábor (Eger, Gárdonyi G. Gimn., t.: Ardó Jánosné és Leitner Györgyné) Elsőfokú dicséretet 7, másodfokú dicséretet 9 tanuló kapott.
A IV. osztályos gimnáziumi tanulók eredménye
1. díj: Limbek Csaba (Bp., Fazekas M. Gyak. Gimn., tanára: Tóth László)
2. díj: Grőbler Tamás (Bp., Berzsenyi D. Gimn., tanára: Hubert Györgyné)
3. díj: Hargitai Zsolt (Sopron, Széchenyi I. Gimn., tanára: Légrádi Imre)
A további helyezettek: 4. Keszthelyi Róbert (Bp., Fazekas M. Gyak. Gimn., t.: Tóth László), 5. Szalaí Tamás (Székesfehérvár, Teleki B. Gimn., t.: Bakó Béláné és Mihályi Gyula), 6. Benyó Zoltán (Bp., Fazekas M. Gyak. Gimn., t.: Tóth László), 7. Szakáll István (Bp., Apáczai Csere J. Gyak: Gimn., t.: Valovics István), 8. Fecsó Péter (Bp., Berzsenyi D. Gimn., t.: Hubert Györgyné), 9. Wildwerger Zoltán (Bp., Kaffka M. Gimn., t.: Jäger Csaba), 10. Zsenits Balázs (Bp., Apáczai Csere J. Gyak. Gimn., t.: Flórik György) Elsőfokú dicséretet 4, másodfokú dicséretet 23 tanuló kapott.
Vermes Miklós
|