A szöveg csak Firefox böngészőben jelenik meg helyesen. Használja a fenti PDF file-ra mutató link-et a letöltésre. 2013. október 18-án délután 3 órai kezdettel rendezte meg az Eötvös Loránd Fizikai Társulat 65. Eötvös-versenyét. A versenyen részt vehetett bárki, aki 2013-ban fejezte be középiskolai tanulmányait, vagy ebben az évben is középiskolába járt. Az öt óra (300 perc) megoldási idő alatt a versenyzők bármely magukkal hozott írott vagy nyomtatott segédeszközt használhattak a feladatok megoldásához, zsebszámológépen kívül azonban minden más elektronikus segédeszköz használata tilos volt. Idén először az ország határain kívül, az angliai Cambridge-ben is megrendezésre került a verseny, az időeltolódás miatt ott délután 2 órai kezdettel. Itthon a szokásos helyszíneken készültek fel a Társulat munkatársai a versenyzők fogadására, sajnos azonban három városban egyetlen diák sem jelent meg a versenyen. Budapesten 62, a többi helyszínen összesen 49 dolgozatot adtak be, melyeket a feladatokat kitűző Eötvös-versenybizottság bírált el. Tagjai Honyek Gyula, Vankó Péter és Vigh Máté voltak, elnöke pedig Radnai Gyula. Az összesen 111 dolgozat közül 27-et írtak elsőéves, javarészt a BME-re és az ELTE-re járó egyetemi hallgatók. A középiskolás versenyzők közül a legtöbben a budapesti Fazekas (16 fő), a szegedi Radnóti (12 fő) és a budapesti Radnóti (6 fő) gimnáziumból jöttek. Volt öt külföldi, nem magyar állampolgárságú versenyző is. Ismertetjük a feladatokat és azok megoldását.
1. feladat. Két viszonylag hosszú, tömegükben és külső méreteikben megegyező merev test közül az egyik alumíniumból készült, tömör, egyenes henger, a másik rézből készült, egyenletes falvastagságú cső. A testeket kemény, jól tapadó lejtőre helyezzük úgy, hogy tengelyük vízszintes legyen.
1. ábra Milyen magasból kell elengednünk az egyes testeket, hogy 1 m/s haladási sebességgel érjék el a lejtő alját? A lejtőt 1 m/s sebességgel elhagyó testek lassulva gördülnek tovább egy puhább, hosszú, vízszintes felületen. A testek a felület kicsiny benyomódása miatt fékeződnek. Tételezzük fel, hogy a vízszintes felület által a testekre ható eredő erő pillanatnyi támadáspontja a hengerpalástokon mindkét esetben ugyanott helyezkedik el! Az alumíniumhenger a vízszintes felületen 2 m út megtétele után áll meg. Hol áll meg a rézcső? Adatok: az alumínium sűrűsége , a réz sűrűsége . Megoldás. A magasságból elengedett testek gravitációs helyzeti energiája a lejtő alján mozgási energiává alakul: | | ahol a testek tömege, a sugaruk, a tehetetlenségi nyomatékot pedig alakban írtuk fel. Felhasználtuk továbbá, hogy a tiszta gördülés miatt a testek tömegközéppontjának sebessége és a forgásuk szögsebessége között fennáll a kényszerfeltétel. Ebből az indítási magasságra a következő adódik: A tömör alumíniumhenger esetében vagyis cm. A rézcső tömege is, külső sugara is megegyezik az alumíniumhenger adataival. Így kifejezhetjük a rézcső belső sugarát segítségével: | | A rézcső tehetetlenségi nyomatékát alakban írhatjuk fel, ahol a hengeres testek hosszúsága. Kihasználhatjuk, hogy tömegek megegyeznek, ennek alapján a rézcső tehetetlenségi nyomatékra a következőt kapjuk: | | A kapott eredményből leolvasható, hogy tehát A kissé puha felületen a hengeres testekre a nehézségi erő mellett a felület fejt ki erőt, melynek támadáspontja mindkét test esetén ugyanoda esik. A felület által kifejtett kényszererő (ezt szaggatott nyíl jelöli) két összetevőre bontható: a függőleges összetevő nagysága (ezt szokás nyomóerőnek hívni), míg a vízszintes összetevőt jelöljük -sel (ez felel meg a tapadási súrlódási erőnek).
2. ábra A kényszererő függőleges összetevője hatásvonalának és a hengeres test középpontjának a távolsága legyen , a vízszintes felületen megtett utat pedig jelöljük -szel. A testek tömegközéppontjának gyorsulását a dinamika alapegyenlete írja le: Az alumíniumhenger esetén a vízszintes irányú gyorsulást az súrlódási erő okozza: ahol m/s és m. A tiszta gördülés miatt a henger szöggyorsulása . Ezt a szöggyorsulást a forgómozgás alapegyenlete értelmében a testre ható erők (tömegközéppontra vonatkoztatott) forgatónyomatékának eredője hozza létre: Írjuk fel a forgómozgás alapegyenletét az alumíniumhengerre, majd fejezzük ki a távolságot: | | amiből A rézcső esetén a tapadási súrlódási erő más lesz (és természetesen a tehetetlenségi nyomaték is más), de a többi mennyiség ugyanaz marad. Újra fel kell írnunk a haladó mozgásra és a forgásra a dinamikai alapegyenleteket:
amiből A kétféleképpen kifejezett távolság összevetéséből a rézcső útja a vízszintes felületen:
Megjegyzések. 1. Vegyük észre, hogy ahányszor magasabbról indítottuk a rézcsövet, annyiszor messzebb áll meg a vízszintes felületen. Ezt úgy is interpretálhatjuk, hogy a teljes mechanikai energia a kezdeti magassággal arányos, és a mechanikai energia ,,hővé alakulása'' (disszipációja) pedig a vízszintes szakaszon megtett úttal arányos. Azonban ez az energiadisszipáció nem írható fel a súrlódási erő és a megtett út szorzataként, hiszen ha így írnánk fel, akkor mindkét testre ugyanakkora súrlódási erőt kapnánk, ami nyilvánvalóan hamis következtetés lenne. Az energia nem a szokásos csúszási súrlódás formájában disszipálódik (gyakorlatilag tiszta gördülés történik, lényegében tapadó súrlódás lép fel), hanem a testek alatti felület nem tökéletesen rugalmas benyomódása okozza a mechanikai energiaveszteséget. Feltehetjük, hogy mindkét test esetén ugyanolyan széles és ugyanolyan mély a benyomódás, ezért tapasztalhatjuk azt, hogy a disszipáció a nyom hosszával arányos. 2. Érdemes észrevennünk azt is, hogy a felületre merőleges nyomóerő forgatónyomatéka lassítja a testek forgását, míg a súrlódási erő gyorsítja a forgást. A súrlódási erő kicsi, de az erőkarja () nagy (a benyomódás mértéke elhanyagolható a sugárhoz képest), míg a nyomóerő jelentős, de az erőkarja () kicsi. Az alumíniumhenger esetén a súrlódási erő a nyomóerőnek (-nek) hozzávetőlegesen 1/40 része, a rézcsőnél mindössze 1/50 része. A távolság a sugárnak nagyjából 3/80 része, tehát a nyomóerő forgatónyomatéka az alumíniumhenger esetén másfélszer akkora, mint a súrlódási erő nyomatéka (a rézcsőnél ez az arány másfélnél valamivel nagyobb). Ez azt mutatja, hogy a kétféle nyomaték összemérhető. 3. A számításokban a képletek leegyszerűsítése érdekében a gyorsulások és a szöggyorsulások abszolút értékével számoltunk, miközben természetesen nyilvánvaló, hogy a vízszintes felületen a testek gyorsulása is, szöggyorsulása is negatív. 4. Az eredményhirdetésen az első feladat megoldásának ismertetése után a hallgatóság egy valódi kísérletről készült videófelvételen láthatta, hogy egy tömör alumíniumhenger és egy ugyanolyan tömegű, illetve ugyanolyan külső méretű rézcső a példa megoldásának megfelelően nem egyforma úton lassul le vízszintes felületen, ha azonos kezdősebességgel, tisztán gördülve, egyszerre indítjuk őket. A puha felületet egy asztallapra leterített abrosz szolgáltatta, az azonos sebességű, egyidejű indítás egy hosszú vonalzóval történt.
2. feladat. Egy furcsa optikai rácson a rések nem egyenlő közönként helyezkednek el: a szomszédos rések távolsága felváltva és . Milyen elhajlási kép alakul ki a 2 m távolságra elhelyezett ernyőn, ha a rácsot (annak síkjára merőlegesen) 660 nm hullámhosszúságú lézerfénnyel világítjuk meg? Ábrázoljuk vázlatosan az ernyőn kialakuló intenzitáseloszlást! (A rések szélessége egyforma és sokkal kisebb a távolságuknál.) Megoldás. Először képzeljük el, milyen lenne a diffrakciós kép, ha minden második rést (a másodikat, negyediket stb.) kitakarnánk! Ekkor a távolságra elhelyezkedő rések egy szokásos optikai rácsot alkotnának, az -edik elhajlási maximum ernyőn mérhető helyzetét pedig a
összefüggések alapján számíthatjuk:
3. ábra Ugyanilyen lenne az elhajlási kép, ha a másik réssort (azaz az első, harmadik stb. rést) takarnánk ki. A feladatban kérdezett esetre visszatérve meg kell vizsgálnunk, hogy a () egyenlet által meghatározott irányokban hogyan adódik össze a két, távolsággal eltolt, periódusú réssoron áthaladó fény amplitúdója. Négy esetet kell megvizsgálnunk:
| Ha , akkor a két réssoron áthaladó fény közötti útkülönbség , ami fáziskülönbségnek felel meg. Két, fáziskülönbséggel találkozó, azonos amplitúdójú hullám összegének amplitúdója (rögzített helyen):
Az amplitúdó tehát az egy réssoron átjutó fény amplitúdójának -szerese, azaz az intenzitás az egy réssor esetében mérhető intenzitás kétszerese. |
| Ha , akkor a két réssor közötti fáziskülönbség , tehát ilyen irányokban tökéletes kioltást tapasztalunk. |
| Ha , a fáziskülönbség , így az amplitúdó (az első esethez hasonlóan) az egyetlen réssoron áthaladó fény amplitúdójának -szerese, az intenzitás pedig a kétszerese lesz. |
| Ha , akkor minden sugár erősíti egymást, az amplitúdó tehát egyetlen réssoron áthaladó fény amplitúdójának kétszerese, az intenzitás pedig négyszerese lesz. | Összefoglalva: a 4. ábrán látható intenzitáseloszlás alakul ki, a nagy intenzitású maximumok közötti távolság .
4. ábra Megjegyzések. 1. Optikai ráccsal keltett diffrakciós (elhajlási) kép esetén az ernyőn kialakuló vonalak rendkívül keskenyek, ezek a vonalak meglehetősen ,,élesek''. A közepes vonalszélesség jó közelítésben annyiad része két egymás utáni vonal távolságának, ahány résből áll a rács. Ez pedig legalább száz, de akár sok ezer is lehet. 2. A második feladat megoldásának a bemutatását is kísérleti szemléltetés követte. A feladat szövegének megfelelő optikai rácsot Kis Lajos (Szeged) készítette el a következő módon. A rács (arányosan megnövelt méretű) mintázatát számítógépes rajzolóprogram segítségével egy A/3 méretű lapra nyomtatta, majd a lapot megfelelő távolságból elegendően finom szemcseméretű filmre fényképezte. A lapra nyomtatott vékony, sötét vonalak a filmnegatívon áteresztő résekként jelentek meg. Az eredményhirdetésen a lézerrel megvilágított rács elhajlási képe az elméleti számításokkal megegyező módon, jól láthatóan jelent meg a terem vetítőernyőjén.
3. feladat. indukciójú, homogén, erős mágneses térben egy hosszúságú, könnyű, vékony, hajlékony vezetőhuzal végpontjait az egymástól távolságra lévő és pontokban rögzítettük. A huzalon erősségű egyenáramot vezetünk át. Milyen alakot vesz fel a vezeték, ha a mágneses indukcióvektor merőleges a szakaszra? párhuzamos a szakasszal?
Mekkora erővel húzza a vezeték a rögzítési pontokat az egyes esetekben? Megoldás. A vezetőhuzal a mágneses térerősségre merőleges síkban fog elhelyezkedni. Mivel a mágneses tér által a vezető darabkáira kifejtett erő mindenhol merőleges a huzalra, ezért a vezeték minden pontjában ugyanakkora erő ébred. A vezeték görbületi sugarú darabkájában nagyságú erő ébred. Ez könnyen belátható a vezeték kis darabkájára ható erők vizsgálatával (5. ábra).
5. ábra Az erőegyensúly: Geometriából: A kis szögek miatt , ebből valóban az eredményre jutunk. Az eddigiekből következik, hogy a huzal körív alakot vesz fel. (Elvben a többmenetes ,,körtekercs'' alak is egyensúlyi helyzet, ez azonban labilis, így nem is alakítható ki, ahogy egy ceruzát sem lehet a hegyére állítani.) A körívre a következő geometriai összefüggéseknek kell teljesülniük (6. ábra):
ezekből a transzcendens egyenletre jutunk, melynek numerikus megoldása . Ezt visszaírva a fenti egyenletekbe a kör sugarára , a vezetéket feszítő erőre pedig értéket kapunk.
6. ábra Ebben az esetben a vezetőhuzal darabkáira nem hat a mágneses térerősséggel párhuzamos irányú erő, ezért a vezetéket feszítő erő -irányú komponense állandó. A mágneses mező által a vezető darabkáira kifejtett erő mindenhol merőleges a huzalra, ezért a vezeték minden pontjában ugyanakkora erő ébred. E két tényből következik, hogy a vezetéket feszítő erő mágneses térerősségre merőleges komponense állandó kell legyen, azaz a mágneses térerősség irányából nézve a vezetékre egy kört fogunk látni, a huzal alakja pedig egyenletes menetemelkedésű, a mágneses térerősséggel párhuzamos tengelyű, egymenetes csavarvonal lesz (lásd a 7. ábrát). (Elvben a többmenetes csavarvonal alak is egyensúlyi helyzet, ez azonban könnyen beláthatóan labilis.)
7. ábra A csavarvonal menetemelkedésének szögét (azaz a csavarvonal adott pontbeli érintője és az ugyanezen ponton átmenő, a -térre merőleges sík által bezárt szöget) egyszerű geometriával számíthatjuk ki: A csavarvonalra illeszkedő, képzeletbeli hengerpalást sugara: Most térjünk rá az erő kiszámítására! A csavarvonal tengelyének irányából nézve azt látjuk, hogy az sugarú, teljes körnek látszó vezetéket a mágneses Lorentz-erő próbálja szétfeszíteni, ezt ellensúlyozza a vezetékben ébredő erőnek a mágneses térerősségre merőleges nagyságú komponense: . Felhasználva kifejezését megkapjuk a vezetéket feszítő erőt: Látszik, hogy a huzalban ébredő erő független a és pontok távolságától ().
Megjegyzés. A verseny eredményhirdetésén a 3. feladatban szereplő kísérleti elrendezés is bemutatásra került. A kísérlet megvalósítása egyszerű körülmények között nehéz, több gyakorlati nehézségbe is ütközik. A feladat szövegében homogén, erős mágneses tér szerepel. Ezt a két feltételt nem könnyű egyszerre teljesíteni. Aránylag nagy térrészben homogén és erős mágneses teret csak nagyon nagy (és drága) eszközökkel lehet előállítani. A kísérleti bemutatón a tér előállítására Helmholtz-tekercset használtunk, melynek tere a tekercsek közti tér közepén elég jó közelítéssel homogén ‐ viszont nem túl erős. (A Föld mágneses terénél azért egy-két nagyságrenddel nagyobb.) A feladat szövegében szereplő vezeték könnyű, vékony és hajlékony. A szövegben a ,,könnyű'' azt jelenti, hogy a vezeték súlya elhanyagolható a mágneses tér által kifejtett erőhöz képest. (Az ,,erős mágneses tér'' pedig arra utal, hogy a vezeték saját mágneses terének hatását is elhanyagolhatjuk.) A feltételek teljesítéséhez nagyon vékony vezetéket kellett használnunk: egy kb. 0,1 mm vastag vörösréz huzalt, amely olyan vékony, hogy alig látszik. A huzal vastagsága viszont korlátozza a vezetéken átfolyó áram nagyságát is, pedig a nem túl erős mágneses tér mellett minél nagyobb áramra van szükség a jelenség bemutatásához. Az áramerősséggel elmentünk a határokig: a vezeték (miután leégett róla a szigetelő lakk) vörösen izzott ‐ és így az elsötétített teremben láthatóvá is vált. A bemutatón először egy, a feladathoz lazábban kapcsolódó kísérletet mutattunk be: egy kisnyomású héliummal töltött csőben figyeltük meg az elektronok mozgását. Az izzókatódból kilépő, felgyorsított elektronok a Helmholtz-tekercsben kör-, illetve csavarvonal alakú pályán mozognak, és pályájuk a gerjesztett héliumatomok zöld fényének köszönhetően látható. Ezután vizsgáltuk a vezeték alakját. Még egy ilyen vékony vezeték is aránylag merev (tehát a hajlékonyságot se könnyű biztosítani), de a feladat részének megfelelő elrendezésben az áram bekapcsolásakor jól láthatóan kör alakban kifeszült, az áramirány változtatásakor pedig a körív -kal átfordult. A vezeték végeinek -os elforgatásakor (a feladat részének megfelelő elrendezésben) jól megfigyelhetően kialakult a csavarvonal forma. (A feladatban kérdezett kicsiny erők mérésére ebben az egyszerű demonstrációban természetesen nem volt lehetőség.)
Az ünnepélyes eredményhirdetésre és díjkiosztásra 2013. november 15-én délután került sor az ELTE Konferenciatermében. Meghívást kaptak az 50 és a 25 évvel ezelőtti Eötvös-verseny nyertesei is. 50 évvel ezelőtt Tichy Géza nyerte meg a versenyt, Abos Imre lett a második, Major János a harmadik. Mindhárman itt voltak ‐ Tichy Géza az ELTE-ről, Abos Imre a BME-ről, Major János Stuttgartból jött el. 25 évvel ezelőtt már nemcsak érettségizettek indulhattak az Eötvös-versenyen, s az első tíz helyezett felvételi nélkül kerülhetett be az egyetemre. Ennek megfelelően a résztvevők és a díjazottak száma is nagyobb volt. A két akkori első díjas közül Fucskár Attila eljött, Hauer Tamás levelet küldött mostani munkahelyéről, a CERN-ből. Volt tanárával, Tarnócziné Gedeon Melittával együtt jelent meg a második díjas Demeter Gábor, és eljött a harmadik díjas Keleti Tamás is, aki ma az ELTE Analízis Tanszékének vezetője. Felesége és két kisgyereke kísérte el Somfai Ellákot, aki akkor dicséretet kapott dolgozatára. A versenybizottság elnöke megemlékezett Radó Tiborról, aki 100 éve, 1913-ban, és Hlucsil Károlyról, aki 1911-ben lett I. díjas ezen a versenyen. Ezután kivetítette az 1963. és az 1988. évi feladatokat, valamint az akkori nyertesek közül a KöMaL-ban is eredményesen szereplő diákok egykori fényképeit. Felkérésére mindannyian szóltak néhány szót emlékeikről, azóta befutott pályájukról. Ezután következett a 2013. évi feladatok ismertetése. A megoldásokat azok mutatták be, akik kitalálták ezeket a feladatokat. Honyek Gyula az 1. feladathoz kapcsolódó kísérletről videót is vetített. A 2. feladathoz kapcsolódó kísérletet Vigh Máté mutatta be egy olyan optikai ráccsal, amely erre az alkalomra készült. A 3. feladat megoldását is Vigh Máté ismertette, a hozzá kapcsolódó kísérletet azonban már Vankó Péter állította össze és mutatta be. Ezután Radnai Gyula felkérte Zawadowski Alfréd akadémikust, az Eötvös Loránd Fizikai Társulat elnökét a 2013. évi Eötvös-verseny díjainak átadására. Az első díjat mindhárom feladat hibátlan megoldásáért Szabó Attila nyerte, aki jelenleg Cambridge-ben természettudomány szakos egyetemi hallgató. Pécsett érettségizett a Leőwey Klára Gimnáziumban, tanára Simon Péter, szakkörvezetője Kotek László volt. Ők vették át az első díjat Attila helyett, akivel viszont sikerült Skype-on egyidejűleg kapcsolatba lépnünk, és akit így kivetítve láthattak és tapsolhattak meg a többiek. Második díjat nyert egyenlő helyezésben Fehér Zsombor, a Budapesti Fazekas Mihály Általános Iskola és Gimnázium 11. évf. tanulója, Horváth Gábor tanítványa, valamint Kovács Áron Dániel, az Eötvös Loránd Tudományegyetem fizika szakos hallgatója, aki ugyancsak a Fazekas Gimnáziumban érettségizett mint Horváth Gábor és Csefkó Zoltán tanítványa. Harmadik díjat nyert egyenlő helyezésben Horicsányi Attila, az egri Dobó István Gimnázium 12. évf. tanulója, Hóbor Sándor tanítványa, Janzer Barnabás, a Budapesti Fazekas Mihály Általános Iskola és Gimnázium 11. évf. tanulója, Horváth Gábor tanítványa, valamint Takátsy János, a budapesti Városmajori Gimnázium 12. évf. tanulója, Ábrám László tanítványa. Dicséretet kapott Holczer András, a pécsi Janus Pannonius Gimnázium 11. évf. tanulója, tanára a gimnáziumban Dombi Anna, szakkörvezetője Kotek László, valamint Öreg Botond, a Budapesti Fazekas Mihály Általános Iskola és Gimnázium 11. évf. tanulója, akinek Horváth Gábor és Szokolai Tibor voltak a tanárai. A MOL támogatásával az első díjjal 30 ezer, a második díjjal 20 ezer, a harmadik díjjal 15 ezer forint pénzjutalom járt, míg a dicséretesek Simonyi Károly A fizika kultúrtörténete c. művének legújabb kiadását kapták meg. A díjazottak megjelent tanárai és a megjelent 50, illetve 25 évvel ezelőtti nyertesek egy-egy értékes könyvet választhattak maguknak az ELFT, a MATFUND Alapítvány, a Nemzeti Tankönyvkiadó, a Typotex Kiadó és az Akkord Kiadó kiállított könyvei közül. Befejezésül a Versenybizottság leköszönő elnöke értékelte az idei versenyt és felsorolta mindazokat az intézményeket, vállalatokat és magánszemélyeket, amelyek, illetve akik anyagi segítségével sikerült a Társulatnak az elmúlt 25 évben lebonyolítania a versenyt. Zawadowski Alfréd megköszönte Radnai Gyulának a Versenybizottságban több mint 40 éve, elnökként pedig 25 éve végzett munkáját, és átnyújtott egy oklevelet, mely tanúsítja, hogy elnyerte ,,az Eötvös-verseny Versenybizottságának örökös tiszteletbeli elnöke'' címet. Az ünnepélyes díjkiosztást jó hangulatú állófogadás zárta a Ramasoft Zrt. jóvoltából. http://fizipedia.bme.hu/images/a/a7/Helmholtz2.jpghttp://fizipedia.bme.hu/images/9/90/Eperm5.jpg |