A szöveg csak Firefox böngészőben jelenik meg helyesen. Használja a fenti PDF file-ra mutató link-et a letöltésre. 2005. október 14-én délután az ország 16 városában rendezte meg az Eötvös Loránd Fizikai Társulat azévi Eötvös-versenyét. Budapesten 50, Pécsett 12, Debrecenben és Szegeden 7‐7, Miskolcon 6, Kecskeméten 5, Veszprémben és Székesfehérváron 4‐4, Győrött 1 hazai és 3 külföldi, Egerben, Szekszárdon és Szombathelyen 3‐3, Békéscsabán, Nagykanizsán és Sopronban 1‐1 versenyző adott be dolgozatot. Nyíregyházán sajnos egyetlen főiskolai vagy középiskolai diák se jelent meg a verseny színhelyén. Összesen 108 hazai és 4 külföldi versenyző dolgozatát kellett értékelnie a versenybizottságnak (elnök: Radnai Gyula, tagok: Gnädig Péter, Honyek Gyula és Károlyházy Frigyes). Ismertetjük a feladatokat és a feladatok helyes megoldását.
1. Két rögzített, egymástól távolságra levő csigán erős, de nem nyúlékony fonalat vezetünk át, és a végeire egy-egy tömegű testet erősítünk az 1. ábra szerint. (A fonal néhányszor 10 N terhelést bír ki szakadás nélkül. A csigák és a fonal tömege elhanyagolható.) Ha ujjunkkal lehúzzuk a fonal közepét úgy, hogy a két test ‐ méterrel megemelkedjék (1. ábra), majd elengedjük, a fonal elpattan, amikor és között ,,kiegyenesedik''. Ha azonban úgy engedjük el, hogy előbb egy ugyancsak 1 kg tömegű testet erősítünk a fonal közepéhez, akkor a fonal a továbbiakban nem szakad el.
1. ábra Magyarázzuk meg a jelenséget! Mekkora erő feszíti a fonalat abban a pillanatban, amikor kiegyenesedik?
Megoldás. Azt kell észrevenni, hogy amikor a fonal kiegyenesedik, abban a pillanatban a fonalat két oldalról húzó testek már állnak. Rendkívül rövid idő alatt kell megállniuk, lefékeződniük arról a km/h sebességről, amire addigi mozgásuk (szabadesés) során felgyorsultak. (Itt és a továbbiakban .) Ha a fékezést ,,pillanatszerűnek'' gondolnánk, vagyis a fékezés ideje lenne, akkor a testek gyorsulása és a fonalat feszítő erő is minden határon túl nőne, ezért elpattanna a fonal. A valóságban természetesen még a ,,nem nyúlékony'' fonal sem abszolút nyújthatatlan, hanem egy kicsit deformálható. Ehhez az alakváltozáshoz egy kicsiny, de véges idő szükséges, így a testek gyorsulása és ezzel együtt a fonalat feszítő erő ha nem is végtelenné, de nagyon naggyá válik. Mivel a fonal nem bír ki nagy erőt, elszakad. Ábrázoljuk a folyamat három jellemző állapotát! A 2. ábrán a kezdőállapotot tüntettük fel, megjelölve közben a középső test egyensúlyi helyzetét is, amelyen maximális sebességgel átlendül. A 2. ábrán a fonal középső része vízszintes, a középső test azonban még emelkedik fölfelé. A 2. ábra azt a pillanatot mutatja, amikor a középső test éppen megáll. Ekkor ismét állnak a szélső testek is. (Persze elképzelhető, hogy a középső test fel se emelkedik a 2. ábrán látható helyzetig, ezt a lehetőséget majd számítással kell ellenőriznünk.)
2. ábra A kérdés megfogalmazása arra utal, hogy a fonal ki fog egyenesedni, tehát a középső test eljut a 2. ábrán jelzett állapotba. Lesz-e ott sebessége? Ezt érdemes kiszámítanunk. Írjuk fel a munkatételt a 2. helyzettől a 2.-ig jelzett folyamatra! A szélső testek utat süllyednek, a középső utat emelkedik, ezért Felhasználtuk, hogy a 2. helyzetben a szélső testek egy pillanatra megállnak, ezért csak a középső testnek lehet ekkor mozgási energiája. A felírt egyenletből a középső test sebessége: . Tehát valóban emelkedik még a középső test. Meddig emelkedik? Ezt is kiszámíthatjuk, ha a 2. és a 2. állapotot hasonlítjuk össze energetikailag: Ez -ra nézve másodfokú egyenletté alakítható, melynek megoldásai: és . (Az első gyök nyilván a kezdőállapotot adja meg, a 2. állapotnak felel meg.)
3. ábra Hogy válaszolni tudjunk a feladat kérdésére, vizsgáljuk meg tüzetesen a 2. ábrán látható helyzetet! Ebben a pillanatban a fonalat feszítő erő gyorsítja az éppen álló, de felfelé induló szélső testeket. Mekkora ez a gyorsulás? Tegyük fel, hogy a bal oldali csigától a középső testhez vezető fonál idő alatt már egy kicsiny szöggel túllendült a vízszintes helyzeten (3. ábra). Jelöljük a szélső testek sebességét -vel! Ez a sebesség (a fonal nyújthatatlansága miatt) megegyezik a pontban levő középső test sebességének irányú vetületével, vagyis Másrészt a derékszögű háromszögből A fenti két egyenlet összevetéséből vagyis a szélső testek gyorsulására adódik.
Ugyanehhez a képlethez úgy is eljuthatunk, ha felírjuk, hogy a vízszinteshez közeli szakasz hossza időben hogyan változik. Mivel (ahol a 2. ábrán látható állapottól mért idő), Pitagorasz tétele szerint | | Ebből leolvashatjuk, hogy az szakasz hossza gyorsulással növekszik, s a fonal nyújthatatlansága miatt a bal oldali test is ugyanekkora nagyságú, függőlegesen felfelé irányuló gyorsulással kell rendelkezzék.
A fonal által kifejtett erő a szélső testek mozgásegyenletéből kapható meg: azaz | | Így már érthető, miért nem szakad el ebben a helyzetben a ,,néhányszor 10 N terhelést kibíró'' fonal. Érdemes felfigyelni arra, hogy a szélső testek kétszer is emelkednek és kétszer is süllyednek egy-egy periódus során, hiszen a 2. ábrán feltüntetett mindhárom állapotban éppen állnak. Süllyedésük az idő függvényében nagyjából a 4. ábrán vázolt módon történik.
4. ábra
2. Egy átlátszatlan lapon kicsiny lyukak vannak az 5. ábrán látható ,,háromszög-rács'' elrendezésben. A lapot monokromatikus, hullámhosszúságú lézerfénnyel világítjuk meg merőlegesen. A rácsállandó .
5. ábra Ábrázoljuk vázlatosan (a méretek, valamint a vízszintes és a függőleges irányok bejelölésével), hogy milyen elhajlási képet figyelhetünk meg a rácstól 3 m távolságra elhelyezett ernyőn!
Megoldás. Elevenítsük fel azokat az ismereteket, amelyek a síkbeli optikai rácson (párhuzamos, egymástól egyenlő távolságra lévő rések rendszerén) áthaladó monokromatikus fény diffrakciójára vonatkoznak! Világítsuk meg az optikai rácsot a síkjára merőleges, keskeny lézersugárral. A ráccsal párhuzamosan elhelyezett ernyőn ekkor közelítőleg egyenlő távolságra elhelyezkedő fényes foltokat látunk. Jelöljük -vel a rácsállandót, -val a hullámhosszat. Az intenzitás menetét az elhajlási (diffrakciós) szög szinuszának függvényében a 6. ábra mutatja.
6. ábra Az ábrán látható intenzitáseloszlást jól alátámasztja az a középiskolában tanult közelítés, amely szerint a rács rései olyan keskenyek, hogy egy-egy résen belül, az onnan kiinduló elemi hullámok azonos fázisban vannak (Huygens‐Fresnel-elv). Ugyanakkor két egymás melletti résből induló elemi hullámok erősítésének feltétele: | |
7. ábra Ha az ernyő távolságra van az optikai rácstól (7. ábra), akkor az első főmaximum távolsága a centrumtól és általában, a -adik főmaximum távolsága (Itt kihasználtuk, hogy miatt , és így .) Térjünk rá a feladatban szereplő háromszögrácsra! Mivel a háromszögrács síkjára merőlegesen érkezik a fény, ezért minden egyes lyukból azonos fázisú elemi hullámok indulnak ki. Ezek a rácsra merőleges irányban tovább haladva biztosan erősítik egymást, útkülönbség nélkül, irányban jelölik ki a keletkező diffrakciós kép centrumát az elég távol lévő ernyőn. Hol lesz ehhez a centrumhoz legközelebb újra egy erősítési hely az ernyőn? Milyen irányban? Válasszuk ki valamelyik kicsiny lyukat. Gondolatban húzzunk ezen a lyukon át egy olyan egyenest, amelyik átmegy valamelyik, hozzá legközelebb eső lyukon. Ez az egyenes még egy sorozat lyukon fog áthaladni, amelyek mind távolságra követik egymást. Most keressünk egy másik lyuksort, amelyen átmenő egyenes párhuzamos az előzővel. Sok ilyen lyuksort találunk, ezek egymástól távolságra helyezkednek el (8. ábra). Figyeljük meg azt az irányt a térben, amely az elképzelt egyenesekre merőleges, de a már kijelölt centrum felé vezető iránnyal akkora szöget zár be, hogy teljesül a összefüggés.
8. ábra Ha az ilyen irányba haladó elemi hullámok eredőjét vizsgáljuk a messze lévő ernyőn, akkor azt látjuk, hogy a kiválasztott egyenesen elhelyezkedő lyukakból jövő elemi hullámok erősítik egymást, mert az ernyőhőz érve már szinte nincs is útkülönbség köztük. De a szomszédos egyenesen fekvő lyuksorból induló elemi hullámokkal is erősíteni fogják egymást, mert köztük az útkülönbség () éppen -val egyenlő, és ugyanez igaz a többi egyenesen fekvő lyukakból induló hullámokra is. Tehát ebben az irányban az összes lyukon átjövő fény erősíteni fogja egymást! Így az ernyőn a centrumhoz legközelebbi (egyik) erősítési helynek a centrumtól való távolsága: Hat ilyen pont lesz az ernyőn, amelyek egy ‐ a centrum körüli ‐ szabályos hatszög csúcsait jelölik ki. Ez azért van így, mert három, egymással 120‐-os szöget bezáró egyenes-sereget (lyuksor-sereget) jelölhetünk ki a háromszögrácson. Azt is észrevehetjük, hogy olyan helyen is lesz az ernyőn erősítés, melynek távolsága a centrumtól hiszen ekkor az egymás melletti lyuksorokból érkező hullámok útkülönbséggel találkoznak az ernyőn. Ezek szerint a rácson felvett mindegyik egyenes-sereg az ernyőn egy pontsorozatot eredményez. Ha a rácson elképzelt lyuksorok pl. vízszintes egyenesek mentén helyezkednek el, akkor az ernyőn keletkező pontsorozat egy függőleges egyenesre illeszkedik. Hatágú ,,csillag'' lesz tehát a kép? Nem egészen, bár ezek a most elképzelt pontok mind megjelennek az ernyőn, de nem csak ezek jelennek meg! Képzeljük el például a háromszögrácson azt az egyenes- (lyuksor)-sereget, amelyet a 9. ábra bal oldalán látunk.
9. ábra Ez egy rácsállandójú optikai rácsnak felel meg, ezért az ernyőn a megfelelő erősítési helyek távolságra követik egymást. Most is igaz, hogy minél sűrűbb optikai rácsba rendeződve képzeljük el a lyukakat, annál messzebb kerülnek egymástól a megfelelő erősítési helyek az ernyőn. Meg lehet mutatni, hogy a háromszögrács ,,képe'' az ernyőn ugyancsak szabályos háromszögrács lesz, mert kölcsönösen egyértelműen egymáshoz rendelhető a lyukakra illeszthető egyenessereg és az ernyőn megjelenő, interferencia eredményezte ponthalmaz. (Ennek belátásához legközelebb Varjas Dániel jutott el, aki díjnyertes dolgozatában a különböző módon felvehető elemi cellák területének egyenlőségét használta ki.) Mégis lesz valami eltérés a lyukak alkotta háromszögrács és a diffrakciós pontok alkotta háromszögrács között (a pontok távolságában mutatkozó eltérésen kívül is): az egyik pontrács -os elforgatottja a másiknak. (Most akár -os elforgatottat is mondhatnánk, de egy téglalaprács esetén nagyon jól látszik, hogy -os elforgatásról van szó.) Mindezt a 10. ábra szemlélteti, melynek alsó részén a lyukak rácsa, felül pedig az ernyőn látható elhajlási kép látható, természetesen eltérő méretarányban.
10. ábra A feladatban szereplő háromszögrácsot úgy is előállíthatjuk, hogy három, egyenként állandójú, közönséges optikai rácsot egymásra fektetünk. A feltétel csak annyi, hogy mindegyik rács rései a másik rács réseivel -os szöget zárjanak be. Az így keletkező lyukak ugyan nem kör, hanem hatszög alakúak lesznek, de ha a rések szélessége sokkal kisebb a rácsállandónál, akkor ennek nincs jelentősége. Sőt! Ha elhagyjuk a harmadik rácsot, és csupán két, egymással -os szöget bezáró rács diffrakciós képét vizsgáljuk, ez is ugyanaz lesz, mint az előbbiek. Ebben az esetben ugyanis a lyukak ugyan rombusz alakúak, de ugyanabban a szabályos háromszögrácsban rendeződnek el, tehát jó közelítésben ugyanazt a diffrakciós képet eredményezik. Az eredményhirdetéskor Komlósi István egyetemi hallgató mutatta be ezt a kísérletet.
3. Egy jó minőségű transzformátor szekunder tekercsének menetszáma háromszorosa a primer tekercsének. Ezt a trafót a 11. ábra szerint hálózati váltóáramú feszültségforrásra kapcsoljuk a következő módon: A primer körbe egymással párhuzamosan iktatunk be öt egyforma, a hálózati feszültségre méretezett izzó közül négyet, az ötödiket a szekunder körbe kötjük. Mi történik a kapcsoló zárása után?
11. ábra Mindegyik izzó tűrhetően ég. A primer körbeli négy izzó szépen ég, az ötödik legfeljebb pislákol. A szekunder körbeli izzó egy pillanat alatt kiég, utána a primer körbeli izzók sem világítanak, mivel a primer tekercs fojtótekercsként hat. Melyik a helyes válasz?
Megoldás. Ezt a feladatot is többféleképpen lehet megoldani. Eljuthatunk a helyes válaszhoz okoskodással, analógiák felhasználásával, úgy, ahogy például az előző feladat megoldásának bemutatásakor jártunk el. Most más utat választunk: bemutatjuk a lehető legrövidebb utat, ahogy a megoldást megkaphatjuk. Ismert ‐ szakkönyvekben, példatárakban megtalálható, így az Eötvös-versenyen szabadon felhasználható ‐ a transzformátor helyettesítő kapcsolása, ami a 12. ábrán látható.
12. ábra Első közelítésben tekintsünk el attól, hogy az izzók ellenállása függ a rajtuk áthaladó áramtól (erre még visszatérünk), és induljunk ki abból, hogy van öt egyforma ellenállásunk. Az eredő a szekunder oldalon , primer oldalon , a párhuzamos kapcsolás miatt. Mivel a szekunder tekercs menetszáma háromszorosa a primer tekercsének, ezért a helyettesítő kapcsolásban ide ellenállás kerül (13. ábra).
13. ábra Egy jó minőségű transzformátor szekunder tekercsének váltóáramú ellenállása sokkal nagyobb, mint az izzó ellenállásának kilenced része, ezért jó közelítésben írhatjuk: valamint és . Ezekből az összefüggésekből következik: | | A primer tagban egy-egy izzóra jutó teljesítmény: durván fele annak a teljesítménynek, amellyel a hálózati feszültségen világítanának. A szekunder körben az izzó teljesítménye: nincs nagyon messze attól a teljesítménytől, amellyel ez az izzó a hálózati feszültségen világítana. Ha most figyelembe vesszük azt a tényt, hogy alacsonyabb feszültségen (tehát alacsonyabb hőmérsékleten) az izzó ellenállása is kisebb, azt mondhatjuk, hogy a primer ágban levő izzók ténylegesen nagyobb teljesítménnyel világítanak, mint amit most kiszámítottunk. Bátran állíthatjuk, hogy mindegyik izzó tűrhetően ég, vagyis az válasz a helyes.
Azok számára, akik járatosak a szinuszos váltóáramú hálózatok komplex számokat felhasználó számításaiban, megmutatjuk a 12. ábrán látható két kapcsolás egyenértékűségét, melyet a megoldásban felhasználtunk. A transzformátor primer és szekunder körére felírhatjuk:
ahol a primer-, a szekunder körben folyó áram komplex alakja, pedig a két tekercs kölcsönös indukciós együtthatója. A második egyenletből -t kifejezve és az első egyenletbe helyettesítve, valamint felhasználva a szoros csatolás esetén érvényes összefüggést, rendezés után kapjuk: | | A helyettesítő kapcsolásban és váltóáramú ellenállások párhuzamos eredőjét kell kiszámítanunk: | | Éppen ez az, amit be akartunk bizonyítani.
A verseny eredménye A verseny ünnepélyes eredményhirdetésére és a díjkiosztásra 2005. november 25-én délután került sor az ELTE Mogyoródi József termében. Bevezetésként a versenybizottság elnöke emlékezett vissza az 50 évvel ezelőtti és a 25 évvel ezelőtti versenyre. Írásvetítőn kivetítette az 50 évvel korábbi feladatokat, valamint az akkori nyertesek egy-egy KöMaL feladatra adott egykori megoldását. A feladatokat Kárteszi Ferenc, illetve Prékopa András tűzte ki (akkor még nem volt fizika rovat a KöMaL-ban). Aki a versenyt megnyerte, Bártfai Pál matematikus, ma a Kürschák-verseny zsűrijének oszlopos tagja. Elfogadta meghívásunkat, személyesen (családosan!) megjelent az eredményhirdetésen, és néhány mondatban felelevenítette emlékeit. Nem csak a versenyről beszélt, hanem a felkészülésről is, Vermes tanár úr szakköréről, melynek oly sokat köszönhetett fizikából. Utána az elnök az 50 évvel ezelőtti második helyezett, az Egyesült Államokban élő Gutai László fizikus levelét olvasta fel. Ő is megemlékezett egykori tanáráról, Varga Zoltánról, aki őt Újpesten tanította. A 25 évvel ezelőtti Eötvös-verseny nyertesek közül Szalontai Zoltán és Umann Gábor jelent meg, mindketten a KöMaL szorgalmas feladatmegoldói voltak, négy éven át jelent meg fényképük a legjobb megoldók között. Ezeket a képeket egymás mellé vetítve láthatták most a megjelentek. Ezek után került sor a feladatok fent leírt megoldásának ismertetésére. Mindegyik feladathoz kapcsolódott kísérlet is: az elsőt Honyek Gyula, a másodikat és a harmadikat Gnädig Péter mutatta be. Következtek az ünnepélyes eredményhirdetés legizgalmasabb pillanatai: az elnök Patkós András akadémikust, az Eötvös Loránd Fizikai Társulat elnökét kérte fel a díjak és az oklevelek átadására. I. díjat, a vele járó Eötvös-verseny érmet és 20 ezer forintos jutalmat kapta Varjas Dániel, a BME mérnök-fizikus hallgatója, aki a dunaújvárosi Széchenyi István Gimnáziumban érettségizett mint Kispál István tanítványa. Varjas Dániel tavaly is első díjat kapott az Eötvös-versenyen, így hát ő az első az országban, aki két Eötvös-verseny éremmel is rendelkezik. Nehéz volt megmondani, hogy ő, vagy Kispál tanár úr hatódott-e meg jobban, amikor kiderült, hogy Dani nyert a versenyen. A versenybizottság döntése értelmében hárman kaptak II. díjat és vele 14 ezer forint jutalmat, ketten III. díjat és vele 12 ezer forint jutalmat, valamint hat versenyzőt részesített a zsűri dicséretben: II. díjasok: Halász Gábor, az ELTE Radnóti Miklós Gyakorló Gimnáziumának 12. osztályos tanulója, Honyek Gyula tanítványa; Kómár Péter, az ELTE fizikus hallgatója, aki a Fazekas Mihály Fővárosi Gyakorló Gimnáziumban érettségizett mint Dvorák Cecília tanítványa és Szolnoki Lénárd, a Debreceni Református Kollégium Dóczy Gimnáziumának 10. osztályos tanulója, Tófalusi Péter tanítványa. III. díjasok: Kónya Gábor, a Fazekas Mihály Fővárosi Gyakorló Gimnázium 11. osztályos tanulója, Horváth Gábor tanítványa és Széchenyi Gábor, a szolnoki Verseghy Ferenc Gimnázium 12. osztályos tanulója, Pécsi István tanítványa. Dicséretet kapott Farkas Ádám László, a miskolci Földes Ferenc Gimnázium 11. osztályos tanulója, Zámborszky Ferenc tanítványa; Ferenczy Máté, a BME mérnök-fizikus hallgatója, aki a Fazekas Mihály Fővárosi Gyakorló Gimnáziumban érettségizett mint Dvorák Cecília tanítványa; Németh Balázs, a székesfehérvári Tóparti Gimnázium 11. osztályos tanulója, Tóthné Rohovszky Katalin tanítványa; Pálinkás András, az ELTE fizikus hallgatója, aki a budapesti Piarista Gimnáziumban érettségizett mint Futó Béla tanítványa; Paulin Roland, a Fazekas Mihály Fővárosi Gyakorló Gimnázium 12. osztályos tanulója, Horváth Gábor tanítványa és Végh Sándor, a Debreceni Egyetem Kossuth Lajos Gimnáziumának 12. osztályos tanulója, Kirsch Éva és tanítványa. A nyertes versenyzők tanárai, akik szintén meghívót kaptak az ünnepélyes díjkiosztásra, a Typotex Kiadó által erre a célra felajánlott könyvek közül válogathattak. Végül Patkós András akadémikus elevenítette fel az Eötvös-versennyel kapcsolatos régebbi és legújabb emlékeit, benyomásait (lásd a hátsó belső borítón középen jobbra). Utána közös fényképezkedés következett, melyen az 50 és a 25 évvel ezelőtti nyertes fogta közre az idei első díjast, s egy jó hangulatú baráti beszélgetésben folytatódott az egymást eddig java részt csak hírből ismerő meghívottak társalgása. A Ramasoft Rt. jóvoltából üdítő és finom szendvicsek is jutottak a végig ott maradóknak. |