Cím: 1989-90. Beszámoló a fizika OKTV feladatairól
Szerző(k):  Honyek Gyula 
Füzet: 1990/október, 321 - 326. oldal  PDF  |  MathML 
Témakör(ök): OKTV

A szöveg csak Firefox böngészőben jelenik meg helyesen. Használja a fenti PDF file-ra mutató link-et a letöltésre.

Első forduló
 

1. feladat. Egy zárt tartályban összesen 2,2 kg tömegű, héliumból és oxigénből álló gázkeverék van 0C hőmérsékleten. A gázkeverékkel 143500 joule hőt közöltünk és hőmérséklete 50C-kal, nyomása 13740 pascallal növekedett.
 

a) Mennyi mindegyik gáz tömege?
b) Mekkora volt a gázkeverék eredeti nyomása?
c) Mekkora az edény térfogata?
 


A hélium molhője állandó térfogaton 12 300 J/(kmolK), az oxigén molhője állandó térfogaton 20 500 J/(kmolK).
 

Megoldás. a) A héliumból x, az oxigénből y kmol van jelen. Az egyenletek:
4x+32y=2,2,(12300x+20500y)50=143500.
Az egyenletrendszer megoldása:
x=0,15 kmol;(0,6 kg),y=0,05 kmol;(1,6 kg).



b) Gay-Lussac második törvénye szerint:
p273=p+13740323,innenp=0,75105 Pa.

c) Összesen 0,15+0,05=0,2 kmol gázunk van, ennek normáltérfogata 0,222,4=4,48 m3. Boyle‐Mariotte törvénye szerint:
1,0131054,48=0,75105V,innenV=6,05 m3.
 

2. feladat. Egy r=0,5 méter sugarú félhenger vízszintes helyzetben rögzítve van (1. ábra). Széléhez L hosszúságú fonál van erősítve.
 
 

1. ábra
 

Vízszintes helyzetből elengedjük a fonál végén levő testet. Amikor a fonál végén levő test fölfelé halad, akkor egy bizonyos helyzetben a fonál lazává válik. Ebben a pillanatban a fonál szabad részének hossza s=0,96r=0,48 méter. Mennyi a fonál teljes hossza?
 

Megoldás. A meglazulás pillanatáig a fonál szabad része a félhenger érintőjeként helyezkedik el a mozgás során. Könnyű belátni, hogy a meglazulás pillanatában az érintési ponttól a test felé a fonál a 2. ábrán látható módon emelkedik. Az m tömeg helyzetét az α szöggel jellemezhetjük, így a test y mélysége a következő módon fejezhető ki:
y=rcosα-ssinα.
A test sebessége az energiatétel alapján:
v2=2gy=2g(rcosα-ssinα).

 
 

2. ábra
 

A meglazulás pillanatában a kötélerő nulla, ezért az s sugarú körpályán tartáshoz szükséges centripetális erőt egyedül a nehézségi erő fonálmenti komponense szolgáltatja:
mgsinα=mv2s.

A sebességre kapott eredmény felhasználásával:
ssinα=2(rcosα-ssinα),
amiből:
tgα=2r3s=2r30,96r=0,694,mivels=0,96r.
Ebből a keresett szög:
α=34,8=0,607 radián.
A fonál teljes hossza:
L=s+(α+π2)r=3,14r=1,57 m,
vagyis a fonál teljes hossza megegyezik a félkör kerületével.
 

3. feladat. Egy 5 cm2 és egy 10 cm2 alapterületű hengert vékony cső köt össze, amelyet csappal lehet elzárni. A hengerek az asztalon fekszenek. Mindegyik hengerben 20 cm hosszúságban 10 N/cm2 nyomású levegő van. A külső légköri levegő nyomása is 10 N/cm2. A bal oldali dugattyút fonál köti a falhoz (3. ábra). A hőmérséklet állandó marad.
 
 

3. ábra
 

a) Elzárt csap mellett a jobb oldali dugattyút addig húzzuk ki, amíg a jobb oldali hengerben a légoszlop hossza 25 cm lesz. Milyen most a bal oldali hengerben a légoszlop hossza?
b) Ezután kinyitjuk a csapot és elengedjük a jobb oldali dugattyú fonalát. Milyen hosszú ezután a bal oldali hengerben a légoszlop hossza?
 

Megoldás. a) Ha a jobb oldali hengerben a légoszlop hossza 25 cm/20 cm=5/4-szeresére nő, akkor benne a nyomás 4/5-részére csökken, vagyis 4/510=8 N/cm2 értékű lesz. Így a külső és a belső nyomás különbsége 2 N/cm2, tehát a jobb oldali dugattyú fonalát 2 N/cm210 cm2=20 N erővel kell tartanunk. Az egész rendszer akkor van egyensúlyban, ha a bal oldali dugattyú fonalában is 20 N erő lép fel. Ennek oka az, hogy a külső és belső nyomások különbségéből származó erők a dugattyún, illetve a dugattyúval szemben levő falon megegyeznek, tehát a két henger ‐ mint egyetlen merev test ‐ így van egyensúlyban. A bal oldali hengerben a nyomáskülönbség (20 N)/(5 cm2)=4 N/cm2, vagyis ott a nyomás 10-4=6 N/ cm2 értékű, tehát a légoszlop hossza a bal oldalon:
20106=33,33 cm.

b) Ha a jobb oldali dugattyú fonalát elengedjük, akkor az előzőek alapján a külső és a belső nyomások meg fognak egyezni, vagyis az eredeti 100+200=300 cm3-es össztérfogat visszaáll. A feladat megoldása határozatlan, hiszen csak azt köti ki, hogy a két hengerben az össztérfogat 300 cm3 legyen, az egyes hengerekben ezen belül a térfogat tetszőlegesen változhat a csap kinyitása és a fonál elengedésének körülményeitől függően.
Ha először a fonalat engedjük el, és csak később nyitjuk ki a csapot, akkor természetesen a kezdeti állapotba jutunk vissza (ekkor a csap kinyitásának nincs szerepe).
Ha először a csapot nyitjuk ki, miközben a dugattyúkat rögzített helyzetben tartjuk, akkor a kettős henger jobbra elmozdul, hiszen a levegő a nagyobb nyomású helyről átáramlik az alacsonyabb nyomású hengerbe. A folyamat a közös nyomás eléréséig tart. A két oldalon a fonalakban meg kell egyeznie az erőknek, ami a nyomáskülönbség és a felület szorzataként adható meg. Mivel a két hengerben a felület eltérő, a szorzat csak akkor egyezhet meg, ha a nyomáskülönbség nulla, vagyis a rendszerben visszaáll a 10  N/cm2-es nyomás. Könnyű belátni, hogy ekkor a jobb oldali hengerben a légoszlop 1,67 cm hosszú, míg a bal oldalon 56,67 cm hosszú lesz, hiszen így az össztérfogat: 1,6710+56,675=300 cm3, továbbá a két légoszlop teljes hossza 1,67+56,67=33,33+25=58,33 cm változatlan marad. Ekkor viszont a fonál elengedése lesz hatástalan a továbbiakra.
Ha viszont egyszerre engedjük el a fonalat és nyitjuk ki a csapot, akkor a végállapotot a henger és a dugattyú, illetve a henger és az asztal közötti súrlódási viszonyok határozzák meg, amit eddig a feladatban hallgatólagosan elhanyagolhatónak tekintettünk. Így a végállapot a feladat szerint valóban határozatlan.
 

4. Feladat. Egy R=0,2 méter sugarú tömör hengert tengelyének végpontjaiban tű-csapágyak tartanak. A henger palástján levő csavarvonalú pályán súrlódásmentesen lecsúszik egy test, amelynek tömege a henger tömegének ötöde (4. ábra). A csavarvonal menetmagassága h=0,2 méter. g=10m/s2.
 
 

4. ábra
 

a) Mekkora lesz a test sebessége az indulástól számítva h=0,2 méteres szintkülönbség megtétele után?
b) Mennyi idő alatt éri el a test ezt a sebességet?
 

Megoldás. A lecsúszó test földhöz viszonyított sebességének vízszintes összetevője v1, függőleges összetevője v2. A lecsúszó test tömege m, a henger tömege 5m, a henger tehetetlenségi nyomatéka Θ=2,5mR2=0,1m; a henger szögsebessége ω.
a) Az energiamegmaradás tétele szerint:
0,5m(v12+v22)+0,5ω2Θ=mgh.
Az impulzusnyomaték megmaradása következtében:
mv1R=ωΘ.
A h/(2πR) meredekségű lejtőn a kényszerfeltétel meghatározásakor a henger kerületi sebességét is figyelembe kell venni:
v2v1+Rω=h2πR.
A számadatok behelyettesítése után:
v12+v22+0,1ω2=4;v1=0,5ω;v2=0,16(v1+0,2ω).
Az egyenletrendszer megoldása:
ω=3,32 s-1;v1=1,66 m/s;v2=0,37 m/s.
A lecsúszó test sebessége:
v=v12+v22=1,70 m/s.

b) Egyenletesen gyorsuló mozgás jön létre, tv2/2=h, t=1,08 s.
 

Második forduló
 

1. feladat. Egy 152 cm hosszú, 2 cm2 keresztmetszet-területű csőben a higany 76 cm magasan áll, felette légüres tér van (5. ábra). Mennyi a munkavégzés, amikor a csövet lassan ferde helyzetbe hozzuk úgy, hogy végül 30-os szöget zár be a vízszintessel? Az üvegcső tömege 0,566 kg, a higany sűrűsége 13,6g/cm3, g=10 m/s2.
 

 
 

5. ábra
 

Megoldás. A feladatban kérdezett munkavégzés az általunk végzett munkát jelenti, amit az energia-, illetve munkatétel alapján határozhatunk meg. Figyelembe kell vennünk a higany és az üvegcső helyzeti energia változását, továbbá a külső levegő által végzett tágulási munkát, hiszen a külső légnyomás hatására telik meg teljesen az üvegcső higannyal a 6. ábrán látható módon.
 
 

6. ábra
 

Vegyük észre, hogy a higany súlypontja az üvegcső megdöntése közben nem változik, míg a higany mennyisége végül éppen megkétszereződik, hiszen mire a cső eléri a vízszintessel bezárt 30-os szöget, az üvegcső teljesen megtelik higannyal. A higany tömege: mHg=13,6 g/cm32 cm276 cm=2,067 kg. A higany helyzetienergia-változása:
ΔEHg=mHggh=2,067 kg10 m/s20,38 m=7,86 J.
Az üvegcső helyzetienergia-változása:
ΔEüveg=-müveggh=-0,566100,38=-2,15 J.


A külső levegő munkavégzése
Wlev.=-pΔV=-ϱHgg2hΔV=-15,71 J.
Az általunk végzett munka:
W=+7,86 J-15,71 J-2,15 J=-10 J.

A negatív előjel azt mutatja, hogy a cső magától is eldőlne, a kísérletezőnek vissza kell tartania a csövet döntés közben.
 

2. feladat. Vízszintes talajon mozgó, m=1 kg tömegű testnek v0=2 m/s kezdősebességet adunk. Induláskor a téglatest s=1 méter távolságra volt a faltól. A testhez L=8 cm hosszúságú, D=100 N/m rugóállandójú rugó van erősítve (7. ábra). A súrlódási együttható μ=0,2, g=10 m/s2.
a) Hol fog a téglatest megállni?
b) Mikor fog a téglatest megállni?
 
 

7. ábra
 

Megoldás. A téglatest rugója s-L=0,92 m megtétele után éri el a falat. Ekkor sebessége v1=v02-2μg(s-L)=0,566 m/s. Az ehhez szükséges idő:
t1=s-Lv=2(s-L)v0+v1=0,717 s.
Ezután a test még x1 utat tesz meg a fal felé a megállásig: az mv122=μmgx1+D2x12 egyenlet alapján x1=0,04 m. Ezalatt a test olyan rezgést végzett, amelynek körfrekvenciája ω=D/m=10 s-1, amplitúdója A=x1+x0, ahol x0=μmg/D=0,02 m. Ugyanis a súrlódási erő x0 rugómegnyúlás esetén tart egyensúlyt a rugóerővel. Az amplitúdó A=0,04+0,02=0,06 m. Ha az egyensúlyi helyzetből indítanánk ezt a rezgést, akkor a megállásig T/4=(2π/ω)/4=0,157 s telne el. Azonban nem 0-ból, hanem t-ből indul el a negyednél kisebb rezgés, melyet a következő egyenletekből határozhatunk meg:
x0=Asinωt;v1=Aωcosωt.
Így t=0,034 s. Az első megállásig tartó idő: t2=T/4-t=0,123 s.
Visszafelé mozogva a súrlódási erő előjelet vált, az egyensúlyi helyzet eltolódik a rugó nyújtatlan helyzetétől balra x0-lal. Az új amplitúdó: A1=x1-x0=0,02 m. Ez azt jelenti, hogy a test egy félperiódus után megáll, akkor a rugó nyújtatlan, a mozgás befejeződik. Ez az időtartam: t3=T/2=π/10=0,314 s.
a) A test a faltól 8 cm távolságra áll meg, ekkor a rugó nyújtatlan.
b) A teljes mozgási idő: t1+t2+t3=0,717+0,123+0,314=1,154 s.
 

3. feladat. Egy hosszú, R sugarú, szigetelő anyagból készült hengerben r sugarú hengeres furat van. A henger és a furat tengelyei párhuzamosak, a tengelyek távolsága d (8. ábra). A szigetelő anyagnak pozitív elektromos töltése van, amelynek térbeli eloszlása egyenletes és sűrűsége ϱ. A szigetelő anyag relatív dielektromos állandója 1. Mekkora az elektromos térerősség a furat belsejében?
 
 

8. ábra
 

Megoldás. A Gauss-tétel alapján könnyen meghatározhatjuk az egyenletesen töltött henger belsejében az elektromos térerősséget. Tekintsünk ugyanis egy hengerszimmetrikusan elhelyezkedő, h magasságú, x sugarú hengerpalástot a hengerben:
E2xπh=1ε0ϱx2πh;E=ϱ2ε0x,
vagyis a térerősség a sugárral lineárisan nő, iránya éppen sugárirányú. A furatot úgy is elképzelhetjük, mintha a pozitív töltés mellett ugyanolyan sűrűségű negatív töltést is tartalmazna. Így a furatban a térerősség két, egymáshoz képest eltolt henger terének szuperpozíciójaként áll elő a 9. ábrán szemléltetett módon:
Efurat=ϱ2ε0x-ϱ2ε0y=ϱ2ε0(x-y).

 
 

9. ábra
 

Vegyük észre, hogy az x-y vektorkülönbség éppen a két középpontot összekötő d vektorral egyezik meg, tehát a furatban a térerősség mindenhol d irányú, homogén:
Efurat=ϱ2ε0d.

Érdemes megjegyezni, hogy ez nem csak henger esetén igaz, hanem például gömb belsejében levő gömb alakú üregben is hasonló homogén tér alakul ki. Ez annak a következménye, hogy egyenletesen töltött gömb belsejében is a sugárral arányos a térerősség.
 

Kísérleti forduló
 

A versenyzőknek a Bunsen-féle effúzióméter egyszerűsített modelljével kellett méréseket végezniük. Levegővel és egy ismeretlen gázzal dolgoztak, amelynek relatív molekulatömegét és lehetséges összetételét is meg kellett határozniuk.
 

Végezetül ezúton is szeretnénk adózni Vermes Miklós tanár úr emlékének, aki sok-sok éven át a fizika OKTV II. és III. kategóriája tantárgyi bizottságának elnöke volt. A fenti feladatsor volt az utolsó, amelyet a bizottság az ő irányításával állított össze, a verseny befejezését halála miatt nem érhette meg.
 

A verseny végeredménye
 

I. kategória
 


1. Hortoványi Ottó (Debrecen, Mechwart A. Gépip. Szki., IV. o. t., t: dr. Kopcsa József), Jávorka László (Pécs, Zipernovszky K. Ip. Szki., IV. o. t., t: Kiss Jenő). 3. Husztek Szabolcs (Miskolc, Kandó K. Ip. Szki., IV. o. t., t: Ambrózy Béla. 4. Németh Tibor (Szombathely, Savaria Közl. Szki., t: Gümdischné Gajzágó Mária). 5. Jakó Attila (Budapest, Latinca S. Szki., III. o.t., t: Pataki Anikó).
 

II. kategória
 


1. Boncz András (Zalaegerszeg, Zrínyi M. Gimn., III. o. t., t: Pálovics Róbert). 2. Sándor Balázs (Budapest, Árpád Gimn., IV. o. t., t: Tóth Ibolya). 3. Falus Péter (Budapest, Ságvári E. Gimn., III. o. t., t: dr. Honyek Gyula). 4. Csilling Ákos (Budapest, Fazekas M. Gyak. Gimn., IV. o. t., t: Horváth Gábor). 5. Káli Szabolcs (Budapest, Fazekas M. Gyak. Gimn., IV. o. t., t: Horváth Gábor). 6. Bartsch Tamás (Szeged, Radnóti M. Gimn., IV. o. t., t: Lancsa Jánosné). 7. Czirók András (Miskolc, Földes F. Gimn., III. o. t., t: dr. Zsudel László és Dolák Gabriella). 8. Pusztai Tamás (Kaposvár, Táncsics M. Gimn., IV. o. t., t: Kiss Zoltánné). 9. Szász Róbert (Debrecen, Fazekas M. Gyak. Gimn., IV. o. t., t: Türk Zsuzsanna). 10. Dobler Ervin (Budapest, Fazekas M. Gyak. Gimn., IV. o. t., t: Horváth Gábor).
 

III. kategória
 


1. Juhász Attila (Budapest, Apáczai Cs. J. Gimn., IV. o. t., t: Holics László). 2. Rékasi János (Gyöngyös, Berze Nagy J. Gimn., IV. o. t., t: Kiss Lajos). 3. Bodor András (Budapest, Apáczai Cs. J. Gimn., III. o. t., t: Zsigri Ferenc). 4. Horváth Tibor (Kecskemét, Katona J. Gimn., IV. o. t., t: Kocsisné Domján Edit). 5. Molbnár Ingó (Gyöngyös, Berze Nagy J. Gimn., IV. o. t., t: Kiss Lajos). 6. Zóka Gábor (Nagyatád, Ady E. Gimn., IV. o. t., t: Knapp Ottó). 7. Bak János (Dunaújváros, Münnich F. Gimn., IV. o. t., t: Kobzos Ferenc). 8. Táska László (Budapest, Apáczai Cs. J. Gimn., III. o. t., t: Zsigri Ferenc). 9. Pollner Péter (Budapest, Piarista Gimn., IV. o. t., t: Gyimesi István). 10. Buday Gergely (Gyöngyös, Berze Nagy J. Gimn., IV. o. t., t: Kiss Miklós).