Cím: A 2001/2002. tanévi fizika OKTV II. fordulójának feladatmegoldásai
Füzet: 2003/április, 235 - 243. 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.

Holics László
 

I. kategória
 

1. feladat. Vízszintes asztalra hosszúságú, m tömegű homogén lécet fektetünk. A léc egyik végéhez a lécre merőleges helyzetű, csigán átvetett fonalat erősítünk, amelyre m1 tömegű nehezéket akasztunk. A csiga tömege és a súrlódás mindenhol elhanyagolható.
 
 

1. ábra
 

a) A léc melyik pontjának nem lesz gyorsulása a nehezék elengedésének pillanatában?
 
 

2. ábra
 

b) Milyen tömegaránynál lesz a léc középpontjának gyorsulása maximális a nehezék elengedésének pillanatában? Mekkora ez a gyorsulás?
((Jurisits József)

 
Megoldás. a) A középpont gyorsulását a-val, a kerületi pont gyorsulását a1-gyel, a szöggyorsulást β-val jelölve a kezdeti pillanatban a következő összefüggések érvényesek:
m1g-K=m1a,K=ma,K2=112m2β,β2=a1-a.
Az egyenletrendszer megoldásából
 
 

3. ábra
 

a=g4+mm1,a1=4a,β=6a.
A középpont túlsó oldalán lévő pontok tangenciális gyorsulása hátrafelé irányul. A középponttól x távolságra lévő pontnak akkor nincs gyorsulása, ha a tangenciális gyorsulás egyenlő nagyságú a középpont gyorsulásával:
xβ=a,ahonnanx=6.

b) A középpont korábban kiszámított gyorsulása mm1 esetén a legnagyobb, nevezetesen
amax=g4.

 
 

4. ábra
 

2. feladat. Egy L oldalú, elhanyagolható vastagságú, nagy, négyzetes szigetelő lemez 100Q töltéssel egyenletesen fel van töltve. Legyen a lemez síkja az xy sík! Egy r sugarú, Q töltéssel egyenletesen töltött vékonyfalú, belül üres szigetelő gömb középpontja a síkkal szemben a (d,0,0) pontban helyezkedik el. Számítsuk ki az elektromos térerősséget a gömb belső pontjaiban és a (d/2,d/2,0) pontban! Legyen L=100d és r=d/5. Az eredményt Q, d és az ε0 dielektromos állandó kifejezéseként adjuk meg!
((Varga Zsuzsa)

 
Megoldás. A lemeztől származó térerősség a Gauss-törvény alapján
Exlemez=510-3Qε0d2,(x>0),Eylemez=0.
A feltöltött gömb által létrehozott elektromos mező a gömb belsejében nulla, rajta kívül pedig olyan, mintha egy Q nagyságú ponttöltés lenne a gömb középpontjában (Gauss-törvény).
a) A gömb belső pontjaiban az eredő térerősség:
Ex=510-3Qε0d2,Ey=0,Ez=0.

 
 

5. ábra
 

b) A gömbön kívül a kérdéses pontban az eredő térerősség:
Ex=Exlemez-Exhéjcos45=-0,107Qε0d2,Ey=Eyhéjsin45=-0,113Qε0d2.
Ez a vektor
E=Ex2+Ey2=0,156Qε0d2
nagyságú, és a negatív x tengellyel 46,6-os szöget zár be.
 
3. feladat. Egy merev, téglalap alakú vezető hurok síkjában a hosszabbik oldallal párhuzamosan nagyon hosszú, 10A erősségű áramot szállító egyenes vezeték helyezkedik el. A téglalap oldalai a=0,2m, b=0,3m, a benne folyó áram erőssége 1A. Az egyenes vezeték a huroktól 0,25m távolságra van. Határozzuk meg a keretre ható eredő erő irányát és nagyságát!
 
 

6. ábra
 

Ez az elrendezés használatos az ún. mágneses lebegtetésű vonat megvalósításánál. Sok-sok függőleges síkú hurok (egy négyszögletes tekercs) van elhelyezve minden kocsiban pontosan a vágány közepén futó kábel felett. A kocsi és a tekercs azonos b hosszúságú. A kocsi egységnyi hosszra eső tömege m kg/m. Ha d=1cm, m=100kg/m és a vágánybeli kábel és a tekercs árama egyaránt 100A, hány menetesnek kell lennie a tekercsnek, ha ad?
((Varga Zsuzsa)

 
Megoldás. A mágneses indukció nagysága az egyenes vezetőtől x távolságban (a rajz síkjába befelé)
B(x)=μ02πIx.
A téglalap alakú vezető hurok egyes darabkáira ható erő az F=I1l×B képlet alapján számítható. A BA és a DC szakaszokon ható erők kiejtik egymást, így
Feredő=FAD-FCB=μ02πII1b(1d-1d+a)=1,06710-6N.  

Az N menetes tekercset tartalmazó vonat lebeg a sínen, ha (kihasználva, hogy ad)
mgb=NFeredőNμ0II1b2πd.
Ebből a megadott számadatokkal N500 menet adódik.
 

II. kategória
 

1. feladat. Három azonos tömegű és méretű (mA=mB=mC=m) lapos korong nyugszik vízszintes sima lapon. A B és C korong vékony, =1m hosszú fonállal van összekötve. A fonál kezdetben laza, de egyenes, iránya 45-os szöget zár be az A és B korongok közepét összekötő egyenessel. Az A korongot v=2m/s sebességgel meglökjük úgy, hogy a B koronggal centrálisan ütközzön. Az ütközések abszolút rugalmasak és pillanatszerűek.
 
 

7. ábra
 

Az A és B korongok ütközésétől számítva mennyi idő múlva lesz a B és C korongok középpontját összekötő egyenes párhuzamos az A korong pályájával? Milyen távol lesz ekkor az A korongtól a B és C korong? (Tekintsük a korongokat pontszerűeknek!)
((Holics László)

 
 

8. ábra
 

Megoldás. A folyamatban két rugalmas ütközés megy végbe. Az első ütközés során (tömegük egyenlősége miatt) az A és B korongok ,,sebességet cserélnek'', az A korong megáll, B pedig v sebességgel megindul.
 
 

9. ábra
 

Vizsgáljuk a B és C korongból álló rendszer további mozgását! A második rugalmas ütközés akkor következik be, amikor a fonál hirtelen megfeszül, és megrántja a végeihez kötött két korongot; egyenlő F nagyságú, de ellentétes irányú erőlökést adva nekik. Ez az erőlökés a fonálra merőleges sebességkomponenseket nem tudja megváltoztatni (tehát a 8. ábrán látható jelölésekkel azok nagysága v2=v/2 és nulla marad), a fonállal párhuzamos sebességkomponensek pedig (mivel a korongok tömege megegyezik) kicserélődnek (9. ábra). A második ütközés után tehát mindkét test sebességének nagysága ugyanakkora:
uB=uC=v22,
de a sebességük iránya egymásra merőleges. Válasszunk egy olyan koordináta-rendszert, amelynek y tengelye a v-vel (az A korong pályájával) párhuzamos, ebben a második ütközésben részt vevő testek sebessége az ütközés után:
uBy=-uBx=v/2,
illetve
uCy=uCx=v/2,
tehát mindkét test az y tengellyel 45-os szöget bezáró irányban mozog.
A második ütközés (a fonál által kifejtett erőlökés) után a fonál azonnal meglazul, és mindkét korong erőmentesen, egyenes vonalú egyenletes mozgást végez. A két korongot összekötő egyenes akkor lesz párhuzamos az y tengellyel (az A korong korábbi sebességével), amikor B is és C is megteszi v/2 sebességgel az 2/4 nagyságú ,,x irányú'' távolságot. Ez a pillanat az A-val való ütközés után
t=v22=0,35s  
múlva következik be. Ekkor mind az A, mind pedig a B korong /2=0,5m távolságban lesz az A korongtól, egymástól mért távolságuk pedig 2/2=0,71m.
 
2. feladat. Két párhuzamos, egymástól L távolságra futó vízszintes fémsín egyik végét C kapacitású, kezdetben töltetlen kondenzátorral zárjuk le. A sínpár időben állandó, függőleges irányú, B indukciójú homogén mágneses mezőben van. A sínpárra merőlegesen egy R ellenállású, m tömegű vezető rudat fektetünk, amit v0 sebességgel meglökünk. Mekkora sebességre lassul le a rúd, ha a sín elegendően hosszú, és a mágneses tér is kellően kiterjedt? (A sín elektromos ellenállása, a súrlódás és az önindukciós hatások elhanyagolhatók.)
((Szegedi Ervin)

 
 

10. ábra
 

Megoldás. A rúd indítását követően a mozgási indukció jelensége miatt feszültség indukálódik, indukált áram folyik, és a kondenzátor elkezd feltöltődni. A pillanatnyi áramerősséget az indukált feszültség és a kondenzátor feszültsége határozza meg:
Ri(t)=BLv(t)-Q(t)C.
A mágneses térben mozgó, áramjárta rúdra fékező mágneses erő hat, ezért a rúd sebessége csökken. Ez a sebességcsökkenés mindaddig tart, amíg áram folyik, azaz amíg az indukált feszültség és a kondenzátor feszültsége ,,ki nem oltja'' egymást:
BLvmin=QmaxC.(1)
A dinamika alaptörvénye alapján
mΔvΔt=-BiL,
ahonnan iΔt=ΔQ felhasználásával
mΔv=-BLΔQ.
Ha az indulástól a sebesség állandósulásáig elemi részekre osztjuk a mozgást, és a fenti összefüggést minden részre felírjuk, majd azokat összegezzük
m(vmin-v0)=-BLΔQmax
adódik. Ebből (1) felhasználásával
vmin=mm+(BL)2Cv0.

 
3. feladat. Egy A=1dm2 alapterületű, függőlegesen álló hengerben lévő levegőt elhanyagolható tömegű, súrlódásmentesen mozgó dugattyú zár el a külső levegőtől. A levegőoszlop magassága h=5dm. A dugattyúra óvatosan egy m=14kg tömegű nehezéket helyezünk, majd elengedjük azt. A dugattyú és a nehezék kis amplitúdójú, jó közelítéssel harmonikus rezgőmozgásba kezd. Határozzuk meg a rezgés amplitúdóját, frekvenciáját és a dugattyú maximális sebességét!
 
 

11. ábra
 

(A henger fala hőszigetelőnek tekinthető. A külső légnyomás pk=100kPa. Szükség esetén használjuk a következő közelítést: (1±x)n1±nx, ha x nullához közeli érték.)
((Szegedi Ervin)

 
Megoldás. Ha a dugattyú‐teher rendszer a kiindulási helyzetből x távolsággal elmozdul lefelé, akkor a rá ható eredő erő
F(x)=mg-(p-pk)A,(1)
ahol p a levegő megnövekedett nyomása. Mivel az állapotváltozás adiabatikus, és a bezárt gáz térfogata a levegőoszlop magasságával arányos:
pkhκ=p(h-x)κ,
azaz
p=pk(hh-x)κpk(1+κxh).(2)
(1) és (2) összevetésével a dugattyú‐teher rendszerre ható eredő erő
F(x)=mg-κApkhx.
Ezt a kifejezést F(x)=-D(x-x0) alakban is írhatjuk, ahol
D=κApkh=2800Nmésx0=mghκApk=5cm.  

Ez az erőtörvény ‐ a függőleges rugóra akasztott test példájához hasonlóan ‐ x0 egyensúlyi helyzet körüli harmonikus rezgőmozgást ír le. Mivel a test a rezgés szélső helyzetéből indult, a rezgés amplitúdója is x0, tehát 5 cm. A rezgés frekvenciája
f=12πDm=2,25Hz,  
a dugattyú maximális sebessége pedig
vmax=x02πf=0,71ms.

 

III. kategória
 

Az 1. és 3. feladat megegyezik a II. kategória megfelelő feladatával.
 
2. feladat. Egy R=10cm sugarú, hosszú henger belsejében egy vele párhuzamos tengelyű, R/2 sugarú kisebb henger helyezkedik el, ami belülről érinti a nagyobb hengert. A kisebb hengerben nincs mágneses mező, a nagyobb henger maradék részében időben egyenletesen változó, homogén eloszlású mágneses mező van. Az indukció változási gyorsasága ΔB/Δt=80V/m2. A mágneses indukció párhuzamos a henger tengelyével.
 
 

12. ábra
 

Határozzuk meg az indukált elektromos mező térerősségét a kisebb henger belsejében!
((Szegedi Ervin)

 
Megoldás. Ha a nagyobb hengert teljesen kitöltené a változó mágneses mező, akkor a belsejében a tengelyétől r távolságban (rR) az indukált elektromos mező a szimmetria miatt ,,érintőleges'', és nagyságát az indukciótörvény határozza meg:
2rπE=ΔBΔtr2π,azazE=r2ΔBΔt.

Képzeljük el, hogy a feladatban szereplő mágneses mező úgy jön létre, hogy két, időben változó mágneses mező szuperponálódik:
(i)egy egyenletesen változó, homogén B(t) tér, ami a nagy hengert teljesen kitölti, és
(ii)egy -B(t)-vel jellemezhető mező, ami csak a kis henger belsejében van.

 
 

13. ábra
 

A kis henger valamely P belső pontja legyen a nagy henger O1 középpontjától r távolságra, a kis henger O2 középpontjától s távolságra, és a megfelelő vektorokat jelöljük r-rel, illetve s-sel (lásd a 13. ábrát). Ekkor P-ben az indukált E elektromos mező két indukált térerősségből szuperponálható: E=E1+E2, ahol
E1=12ΔBΔtrB(t)  változása miatt,E2=12ΔBΔts   -B(t)  változása miatt.

Mivel E1r és E2s, az O2PO1 és a PAB háromszögeknek van egy közös szöge (α). Másrészt
ABAP=E1E2=rs=O1PO2P
miatt a két háromszögben az egyenlő szöget közrefogó oldalak aránya is egyenlő, tehát a két háromszög hasonló. Ezért
BPAB=EE1=O1O2O1P=R2r,vagyisE=E1R2r=R4ΔBΔt=2,0Vm.
Másrészt E merőleges az O1O2 egyenesre, vagyis E-nek nemcsak a nagysága, de az iránya is független a P pont helyzetétől, tehát a kisebb hengerben az indukált elektromos mező homogén.
 

A verseny végeredménye
I. kategória
 

1. Sipos Barnabás (Budapest, Trefort Ágoston Kéttannyelvű Szki., 12. évf.),
tanára: Fülöp László;
2. Szarvas Tamás (Budapest, Puskás Tivadar Távközlési Techn., 12. évf.),
tanára: Beregszászi Zoltán;
3. Mendli Bálint (Budapest, Puskás Tivadar Távközlési Techn., 12. évf.),
tanára: Beregszászi Zoltán;


4. Juhász Gábor (Vác, Boronkay György Műszaki Szki., 12. évf.); 5. Drahos Tamás (Miskolc, Bláthy Ottó Villamosipari Szki., 11. évf.); 6. Pszota Zsolt (Vác, Boronkay György Műszaki Szki., 12. évf.); 7. Cserháti Sándor (Győr, Pattantyús Géza Ipari Szki., 12. évf.); 8. Simon Tamás (Budapest, Puskás Tivadar Távközlési Techn., 11. évf.); 9. Varga Gábor (Budapest, Alternatív Közgazdasági Gimn., 12. évf.); 10. Koltay Szabolcs (Budapest, Puskás Tivadar Távközlési Techn., 12. évf.).
 

II. kategória
 

1. Siroki László (Debrecen, Fazekas Mihály Gimn., 12. évf.),
tanára: Simon Gyula;
2. Nagy Márton (Budapest, Piarista Gimn., 12. évf.),
tanárai: Futó Béla;
3. Vehovszky Balázs (Budapest, Piarista Gimn., 11. évf.),
tanára: Futó Béla;


4. Balogh László (Fazekas Mihály Főv. Gyak. Gimn., 11. évf.); 5. Nagy Zoltán Lóránt (Fazekas Mihály Főv. Gyak. Gimn., 11. évf.); 6. Pápai Tivadar (Barcs, Dráva Völgye Középisk., 12. évf.); 7. Tóth Sándor (Csongrád, Batsányi János. Gimn., 11. évf.); 8. Dolgos Gergely (Budapest, Árpád Gimn., 12. évf.),; 9. Rácz Éva (Fazekas Mihály Főv. Gyak. Gimn., 11. évf.); 10. Kiss Demeter (Fazekas Mihály Főv. Gyak. Gimn., 11. évf.).
 

III. kategória
 

1. Pallos Péter (Fazekas Mihály Főv. Gyak. Gimn., 12. évf.),
tanára: Horváth Gábor;
2. Nagy Szabolcs (ELTE Trefort Ágoston Gyak. Gimn., 12. évf.),
tanára: Chikán Éva;
3. Béky Bence (Fazekas Mihály Főv. Gyak. Gimn., 12. évf.),
tanára: Horváth Gábor;


4. Sparing Dániel (ELTE Radnóti Miklós Gyak. Gimn., 11. évf.); 5. Szekeres Balázs (Szolnok, Verseghy Ferenc Gimn., 11. évf.); 6. Szilva Attila (Miskolc, Földes Ferenc Gimn., 12. évf.); 7. Antal Ágnes (ELTE Apáczai Csere János Gyak. Gimn., 12. évf.); 8. Fejős Gergely (ELTE Radnóti Miklós Gyak. Gimn., 11. évf.); 9. Harangi Viktor (Fazekas Mihály Főv. Gyak. Gimn., 12. évf.); 10. Szalai Bence (Lovassy László Gimn., 12. évf.).