A szöveg csak Firefox böngészőben jelenik meg helyesen. Használja a fenti PDF file-ra mutató link-et a letöltésre. A fizika OKTV-t az előző évek gyakorlatához hasonlóan az elmúlt tanévben is három kategóriában és három fordulóban rendezték meg. Az első (iskolai) és a második (megyei) fordulón elméleti problémákat, a harmadik fordulón pedig mérési feladatokat oldottak meg a versenyzők. A végső sorrendet a második és a harmadik fordulóban elért pontszám összege alapján állapította meg a versenybizottság.
Az alábbiakban ismertetjük a verseny II. fordulójának feladatait és azok megoldását.A III. (kísérleti) fordulóról a FIZIKA Módszertani Lapok 1996. szeptemberi számában olvasható részletes beszámoló.
Az I. kategória (szakközépiskolások) feladatai
1. feladat. Egy tömegű karika csúszásmentesen legördül egy hajlásszögű lejtőn. Az indulás pillanatában a pontra száll egy tömegű bogár. Milyen erővel kell kapaszkodnia a bogárnak fordulat befejezésekor, hogy megtartsa magát a karikán? (, , .)
Megoldás. A bogár szerepe elhanyagolható a karika mozgásában. A karika gyorsulására és szöggyorsulására felírható egyenletek: | | ahol a karika középpontjának gyorsulása. Az egyenletrendszerből adódik, hogy: fordulat, vagyis út megtétele után a középpont sebességének négyzete: A kérdéses időpillanatban a bogár gyorsulásának radiális komponense egy egyenesbe esik a karika középpontjának gyorsulásával és a karika bogár által elfoglalt pontjának (a karikával együtt haladó ‐ de nem forgó ‐ koordináta-rendszerben mért) centripetális gyorsulásával (2. ábra). Ez utóbbi iránya ellentétes a középpont lejtő menti gyorsulásával, tehát a bogárnak ebben a pillanatban az inerciarendszerben középpont irányában (vagyis a lejtő mentén): , a karika érintőjének irányában (vagyis a lejtőre merőlegesen) pedig gyorsulása van. Vegyük fel koordináta-rendszerünket a lejtőhöz rögzítve, azzal párhuzamos és rá merőleges tengelyekkel (3. ábra)! A bogár gyorsulását a nehézségi erővel együtt a kapaszkodással biztosított erő hozza létre, amelynek komponensei és nagyságúak. A bogár mozgásegyenlete és irányokra: | |
(3)-ból (1) és (2) behelyettesítésével: | | Az eredő kapaszkodási erő: N. (Látható, hogy ekkora sebességnél már a sugárirányú gyorsulás dominál.) Az eredő erő iránya a lejtő lapjához viszonyítva: , innen .
2. feladat. Soros -körre feszültséget kapcsolunk. Az áramerősség függvény szerint változik. Az önindukciós együttható mH. a) Határozzuk meg és értékét! b) Határozzuk meg a tekercsen és a kondenzátoron a feszültség‐idő függvényeket!
Megoldás. a) Mivel az áram késik a feszültséghez képest, a kör induktív jellegű. A fáziskésés nagysága . Az impedancia: | | Az ohmikus ellenállás: | | A 4. ábrán látható egyenlő szárú derékszögű háromszögből vagyis . Innen
b) A tekercsen a feszültség maximuma , így a feszültség csúcsértéke a tekercsen: | | Mivel a tekercs feszültsége a kör feszültségéhez képest szöggel siet, a tekercsen eső feszültség időfüggvénye: A kondenzátoron a feszültség maximuma: | | és mivel a kondenzátoron eső feszültség a kapocsfeszültséghez képest szöggel késik, a feszültség időfüggvénye: | |
3. feladat. A természetben található kálium egy része olyan izotóp (jelölése ), amely radioaktív bomlással argonná alakul. A bomlás felezési ideje év, ami azt jelenti, hogy ennyi idő alatt csökken a radioaktív magok száma a kezdeti érték felére, kétszer annyi idő alatt a negyedére, háromszor annyi idő alatt a nyolcadára és így tovább Az Apolló-program keretében egy olyan követ hoztak a Holdról a Földre, amely káliumot tartalmazott, amelynek -a izotóp volt. Miközben a követ egy lezárt kályhában felmelegítették, a kőből argon szabadult ki. A kiszabadult argongáz térfogatát hőmérsékleten, nyomáson -nek találták. Számítsuk ki ennek alapján, hogy minimálisan milyen öreg lehet a Hold, ha feltételezzük, hogy a radioaktív kálium bomlása során keletkező összes argon a kőben maradt, továbbá más módon nem került argon a kőbe!
Megoldás. 4 g kálium majdnem pontosan 0,1 mol, a benne található 40K mennyisége tehát n(40K)=10-5 mol. Az argon mennyisége a pV=nRT gáztörvény alapján: nAr≈1⋅10-4mol. A kezdeti 40K mennyisége tehát | n(40K)(0)=n(40K)(t)+nAr=10-5mol+10-4mol=1,1⋅10-4mol. | A bomlástörvény alapján: | n(40K)(t)=n(40K)(0)⋅2-tT1/2 | Ebből t=3,46⋅T1/2=4,15⋅109 év adódik. A Hold tehát több mint 4 milliárd éves.
A II. és a III. kategória (valamennyi gimnazista) feladatai
1. feladat. Egy L=3m hosszúságú, M=3kg tömegű, homogén tömegeloszlású merev rudat vízszintes asztalon lévő két egyforma, vékonyfalú hengerre fektetünk. A két henger tengelye egymástól d=2m-re van, továbbá a rúd szélső, ill. a másik végétől számított harmadoló pontja van a hengerek tengelye fölött. A hengerek egyenként m=1kg tömegűek. A rúdra F=12N vízszintes irányú, állandó nagyságú húzóerő hat. Mindkét henger csúszásmentesen gördül. a) Mekkora sebességre gyorsul fel a rúd, miközben a bal oldali vége éppen a bal oldali henger tengelye fölé kerül? b) Mekkora súrlódási erő és legalább mekkora súrlódási együttható szükséges a tiszta gördüléshez a hengerek és a rúd között? c) Legalább mekkora a súrlódási együttható az asztal és a hengerek között?
Megoldás. Tekintsük először a vékonyfalú hengereket! A rúdtól származó S súrlódási erő nyilvánvalóan a rúd haladásának irányába mutat. A talajnál ható Fs súrlódási erőt vegyük fel ugyanebbe az irányba. (Az egyenletrendszer megoldása után Fs-re kapott előjel eldönti a valódi irányát.) A hengerek tömegközéppontjára vonatkozó mozgásegyenlet az erők koordinátáival (egy egyenesbe eső vektorok lévén): S+Fs=mas, ahol as a henger tömegközéppontjának gyorsulása. A forgatónyomaték-tétel szerint: (S-Fs)r=Θsβ. A csúszásmentesség kinematikai kényszerfeltétele: as=rβ. Ezekből az egytenletekből kifejezhetjük a talaj által kifejtett súrlódási erőt: (Felhasználtuk, hogy a vékonyfalú henger tengelyére vonatkozó tehetetlenségi nyomatéka Θs=mr2.) Az asztal és a hengerek között tehát nem hat súrlódási erő. Ezek szerint a hengerek csúszás nélkül gördülnek akár a tökéletesen sima felületen is! Térjünk át most a hengerek és a rúd kapcsolatára! A rúd is csúszásmentesen mozog a hengereken (6. ábra), ezért a hengerek legfelső pontjainak sebessége és gyorsulása azonos a rúdéval. Ha viszont a talajon nincs súrlódás, akkor a rúddal érintkező pontokban ható súrlódási erőnek meg kell egyezni mindkét henger esetében, mert csak úgy lehet mindkettőjük gyorsulása azonos. Ez tehát annak ellenére is úgy van, hogy a rúd mozgása közben a rúd és a henger között ható N1 és N2 (normál irányú) kényszererők állandóan változnak. N1 nagysága Mg/4-ről indul és maximális értéke 3Mg/4 a folyamat végén, míg N2-re mindez fordítva érvényes: 3Mg/4-ről Mg/4-re csökken (miközben mindvégig N1+N2=Mg). Ez természetesen csak úgy teljesülhet, hogy a hengerek és a rúd közötti tapadási súrlódási együttható olyan nagy legyen, hogy a minimális normálerő esetén is biztosítsa az aktuális S súrlódási erőt. A mozgásegyenlet a rúdra: F-2S=Ma. A tömegközéppont mozgásának tétele bármelyik hengerre: as=S/m. A mindkét felületen való csúszásmentes gördülés megköveteli, hogy as=a/2 legyen. Így a/2=S/m, vagyis 2S=ma. Ezt a mozgásegyenletbe helyettesítve: F-ma=Ma, azaz | a=Fm+M=3m/s2illetveS=m2(m+M)F=1,5N. | Így a rúd és hengerek közötti minimális súrlódási együtthatóra adódik. A rúd végsebessége: v=2a(2L/3)=3,46m/s.
2. feladat. A régiek úgy gondolták, hogy a Föld egy nagy, lapos korong. Képzeljük el, hogy a Föld valóban nem R sugarú gömb, hanem igen nagy sugarú, H vastagságú lapos korong. Mekkora H vastagság esetén tapasztalnánk a korong felszínén (a szélétől messze), hogy a gravitációs gyorsulás ugyanakkora, mint amekkorának a gömb alakú Föld felszínén tapasztaljuk? (R=6370km. A két ,,Föld''-modellben a sűrűségeket tekintsük állandónak és egymással egyenlőnek.)
Megoldás. Ismeretes, hogy az R sugarú, M tömegű, ϱ sűrűségű Föld felületén a gravitációs gyorsulás a következő alakban adható meg: | g=γMR2=γϱ⋅(4R3π/3)R2=43γϱRπ. | (1) | A feladat megoldásához meg kell határoznunk egy H vastagságú, igen nagy sugarú, ϱm sűrűségű korong fedőlapján a gravitációs gyorsulás nagyságát (távol a korong szélétől). Viszonylag könnyen célt érhetünk, ha kihasználjuk az elektrosztatikus és gravitációs kölcsönhatás erőtörvénye közötti analógiát. Pontszerű, nyugvó elektromos töltésekre ható elektrosztatikus erő, illetve a pontszerű testek között ható gravitációs erőhatás erőtörvényei azonos jellegűek: | F=-γm1m2r3⋅r,illetveF=kq1q2r3⋅r, | ahol k=1/(4πε0). Látható, hogy az m tömegnek (,,gravitációs töltésnek'') a q elektromos töltés, a γ gravitációs állandónak az 1/(4πε0) és a g=F/m gravitációs gyorsulásnak az E=F/q elektromos térerősség felel meg. Ha tehát meghatároztuk egy homogén töltéssűrűségű, nagyon nagy sugarú korong elektromos térerősségét a korongon kívül, a megfelelő mennyiségek helyettesítésével a gravitációs gyorsulást is megkapjuk a hasonló geometriával bíró tömegeloszlás esetén. Az elektromos megfelelőt Gauss tétele alapján határozhatjuk meg: NE=(1/ε0)∑q, ahol az elektromos ,,forráserősség'' a 7. ábrán látható elrendezésben NE=2AE. Ha az elektromos töltéssűrűség ϱq, akkor a zárt mérőfelület által körülölelt összes töltés ∑q=ϱqAH, tehát 2EA=1ε0ϱqAH, ahonnan az elektromos térerősség A gravitációs gyorsulás tehát az egymásnak megfelelő mennyiségek átírásával (2)-ből: Ennek kell a homogénnek tekintett Föld felszínén mérhető gravitációs gyorsulással megegyeznie, amely (1) alapján: | ggömb=gkorong=γ4Rπϱm3=4πγϱmH2, | ahonnan a ,,lapos Föld'' korongjának vastagsága:
3. feladat. Egy m tömegű, q töltésű kicsiny gyöngyöt R sugarú, szigetelő anyagból készült, vízszintes síkú, vékony karikára fűzünk. A körpályán a gyöngy súrlódás nélkül mozoghat és kezdetben nyugalomban van. Ezután olyan (a t tengelyre) hengerszimmetrikus mágneses mezőt hozunk létre, amelyben a mágneses indukció pályasíkra merőleges komponense csak a középponttól mért r távolságtól és a t időtől függ: B(r,t)=E0⋅t/r, ahol E0 adott konstans. (Az r=0 elhanyagolható kiterjedésű környezetében az indukció valamilyen véges érték.) a) Határozzuk meg a gyöngy sebesség‐idő függvényét! b) Hogyan alakul a gyöngy és a pálya között ható nyomóerő sugárirányú komponense az idő függvényében?
Megoldás. a) Határozzuk meg a körpálya által körülvett fluxust az idő függvényében! Mivel az indukció a sugár mentén változik, olyan kis tartományokra osztjuk a körterületet, amelyeken belül a mágneses mező homogénnek vehető (9. ábra). Jelöljünk ki ezért egy r sugarú, Δr≪r szélességű körgyűrűt, amelynek fluxusa: ΔΦ= =B(r,t)⋅2rπ⋅Δr. A feladat követelménye szerint ΔΦ=E0rt⋅2rπ⋅Δr. Összegezzük az elemi fluxust: | Φ(t)=∑ΔΦ=2πE0t∑iΔri=2πE0tR, | azaz Φ(t)=2πE0Rt. A hengerszimmetria miatt a kialakuló indukált elektromos mező is hengerszimmetrikus, és így térerőssége a gyöngy helyén: | E(R)=12πRΔΦΔt=12πR⋅2πRE0ΔtΔt=E0. | A gyöngyre érintő irányban állandó nagyságú elektromos erő hat, tehát sebessége az idő függvényében: v(t)=E0qm⋅t.
b) Sugár irányban alkalmazva a mozgásegyenletet: qvB+N=mv2/R, ahol N a pálya által kifejtett kényszererő. Ennek nagysága v(t) fentebb kiszámított kifejezésének felhasználásával: | N=qvB-mv2R=q⋅E0qmt⋅E0tR-mRE02q2t2m2=0. | A gyöngyszem és a karika között tehát nem hat erő az ilyen szerkezetű mágneses mezőben. Mivel a pálya nem fejt ki sugárirányú nyomóerőt, akár ott sem kell lennie! Ez a betatron részecskegyorsító elve.
A fizika I. kategória végeredménye
1. Guti Lajos (Budapest, Puskás Tivadar Távközlési Technikum, III. o.t.), tanára: Beregszászi Zoltán; 2. Prókai Tibor (Szeged, Déri Miksa Ip. Szki., IV. o.t.), tanára: Horváth László; 3. Vörös Sándor (Paks, Energetikai Szakképzési Int., III. o.t.), tanára: Árokszállási Tibor;
4. Simon Kornél (Miskolc, Andrássy Gy. Műsz. Szki., IV. o.t.), tanára: Dobos Zsolt; 5. Erdei Zoltán (Bp., Bolyai J. Műsz. Szki., IV. o.t.), tanára: Jakab Emese; 6. Molnár Zsolt (Paks, Energetikai Szakképzési Int., IV. o.t.), tanára: Csajági Sándor; 7. Kiss Béla (Vác, Boronkay Gy. Műsz. Szki., IV. o.t.), tanára: Arany Tóth László; 8. Pap Gábor (Bp., Trefort Á. Műsz. Szki., III. o.t.), tanára: Pecsenye Sándor; 9. Dányádi Attila (Kaposvár, Eötvös L. Műsz. Szki., III. o.t.), tanára: Sárdi Zoltán; 10. Pribelszki János (Bp., Puskás T. Távk. Techn., IV. o.t.), tanára: Nagy Józsefné; 11. Mészáros Balázs (Paks, Energetikai Szakképzési Int., IV. o.t.); 12. Sebestyén Balázs (Bp., Újpesti Műsz. Szki., IV. o.t.); 13. Brezniczky János (Eger, Gép- és Műszerip. Szki., III. o.t.); 14. Mikó Péter (Debrecen, Gábor D. Műszaki Középisk., IV. o.t.); 15. Szabadi Péter (Paks, Energetikai Szakképzési Int., IV. o.t.); 16. Jurácz László (Vác, Boronkay Gy. Műsz. Szki., IV. o.t.).
A fizika II. kategória végeredménye
1. Tóth Gábor Zsolt (Budapest, Árpád Gimn., IV. o.t.), tanára: Vankó Péter; 2. Várkonyi Péter (Fazekas M. Főv. Gyak. Gimn., III. o.t.), tanára: Horváth Gábor; 3. Böde Csaba (Nagykanizsa, Batthyány Lajos Gimn., IV. o.t.), tanára: Soós Sándor;
4. Kovács Baldvin (Fazekas M. Főv. Gyak. Gimn., IV. o.t.), tanára: Horváth Gábor; 5. Vörös Zoltán (Tiszavasvári, Váci M. Gimn., IV. o.t.), tanárai: Víg Csaba, dr. Szegedi Ervin; 6. Perényi Márton (Fazekas M. Főv. Gyak. Gimn., IV. o.t.), tanára: Horváth Gábor; 7. Hegyi Barnabás (Zalaegerszeg, Zrínyi M. Gimn., IV. o.t.), tanára: Orbán Edit; 8. Tóth Péter (Miskolc, Földes F. Gimn., IV. o.t.), tanára: Zámborszky Ferenc; 9. Bárász Mihály (Fazekas M. Főv. Gyak. Gimn., IV. o.t.), tanára: Horváth Gábor; 10. Elek Péter (Budapest, Árpád Gimn., IV. o.t.), tanára: Vankó Péter; 11. Király Csaba (Fazekas M. Főv. Gyak. Gimn., IV. o.t.); 12. Braun Gábor (Bp., Szent István Gimn., IV. o.t.); 13. Göller Ákos (Fazekas M. Főv. Gyak. Gimn., IV. o.t.); 14. Frenkel Péter (Fazekas M. Főv. Gyak. Gimn., III. o.t.); 15. Burcsi Péter (Pápa, Türr I. Gimn., IV. o.t.); 16. Gyukics Mihály (Szolnok, Varga K. Gimn., IV. o.t.); 17. Péli Gergely (Fazekas M. Főv. Gyak. Gimn., IV. o.t.); 18. Wagner Róbert (Pannonhalma, Bencés Gimn., IV. o.t.); 19. Koncz Imre (Fazekas M. Főv. Gyak. Gimn., III. o.t.); 20. Laczkó Gábor (Pécs, Janus Pannonius Gimn., IV. o.t.); 21. Hegedűs Márton (Fazekas M. Főv. Gyak. Gimn., IV. o.t.); 22. Várszegi Zsolt (Zalaegerszeg, Ságvári E. Gimn., III. o.t.); 23. Varró Gergely (Fazekas M. Főv. Gyak. Gimn., III. o.t.); 24. Mátrai Tamás (Fazekas M. Főv. Gyak. Gimn., III. o.t.).
A fizika III. kategória végeredménye
1. Lovas Rezső (Debrecen, KLTE Gyak. Gimn., IV. o.t.), tanárai: Dudics Pál, dr. Kirsch Éva, dr. Szegedi Ervin; 2. Lestyán Zsolt (Kecskemét, Katona József Gimn., IV. o.t.), tanára: dr. Szablics Bálint; 3. Várnagy Gábor (Budapest, ELTE Apáczai Csere János Gyak. Gimn., IV. o.t.), tanára: Flórik György;
4. Véber Miklós (Veszprém, Lovassy L. Gimn., IV. o.t.), tanára: Schultz Zoltán; 5. Pongrácz Gergely (Mosonmagyaróvár, Kossuth L. Gimn., IV. o.t.), tanárai: Horváth László, Sipőcz István; 6. Fabó Márton (Bp., Berzsenyi D. Gimn., III. o.t.), tanára: Gyenes Gábor; 7. Holcsek Balázs (Veszprém, Lovassy L. Gimn., IV. o.t.), tanára: Király László; 8. Kurucz Zoltán (Szolnok, Varga K. Gimn., IV. o.t.), tanára: Vincze Gábor; 9. Fábián Zoltán (Kecskemét, Katona József Gimn., IV. o.t.), tanára: dr. Szablics Bálint; 10. Agod Attila (Debrecen, Tóth Á. Gimn., IV. o.t.), tanára: Kovács Miklós; 11. Volk János (Bp., ELTE Radnóti M. Gyak. Gimn., IV. o.t.); 12. Gubás Lóránd (Miskolc, Földes F. Gimn., III. o.t.); 13. Gombkötő Ákos (Bp., ELTE Radnóti M. Gyak. Gimn., IV. o.t.); 14. Rácz Attila (Debrecen, KLTE Gyak. Gimn., IV. o.t.); 15. Payrits Szabolcs (Sopron, Széchenyi I. Gimn., IV. o.t.); 16. Szabó Gábor (Veszprém, Lovassy L. Gimn., IV. o.t.); 17. Pályi Balázs (Szeged, JATE Ságvári E. Gyak. Gimn., IV. o.t.); 18. Nős Bálint (Pécs, Széchenyi I. Gimn., IV. o.t.); 19. Vágvölgyi Attila (Bp., ELTE Radnóti M. Gyak. Gimn., IV. o.t.); 20. Bartal Balázs (Pécs, JPTE Babits M. Gyak. Gimn., IV. o.t.).
* |