A 2014/2015. tanévi Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny második forduló FIZIKA II. KATEGÓRIA. Javítási-értékelési útmutató



Hasonló dokumentumok
A 2016/2017. tanévi Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny második forduló FIZIKA I. KATEGÓRIA. Javítási-értékelési útmutató

A II. kategória Fizika OKTV mérési feladatainak megoldása

A 2011/2012. tanévi FIZIKA Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny második fordulójának feladatai és megoldásai fizikából I.

A +Q töltés egy L hosszúságú egyenes szakasz mentén oszlik el egyenletesen (ld ábra ábra

1. ábra. 24B-19 feladat

1. Feladatok a dinamika tárgyköréből

Q 1 D Q 2 (D x) 2 (1.1)

Tömegpontok mozgása egyenes mentén, hajítások

A 2014/2015. tanévi Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny második forduló FIZIKA I. KATEGÓRIA. Javítási-értékelési útmutató. Ksin ma.

1. előadás. Gáztörvények. Fizika Biofizika I. 2015/2016. Kapcsolódó irodalom:

A 2014/2015. tanévi Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny első fordulójának feladatai és megoldásai fizikából FIZIKA I.

Kirchhoff 2. törvénye (huroktörvény) szerint az áramkörben levő elektromotoros erők. E i = U j (3.1)

28. Nagy László Fizikaverseny Szalézi Szent Ferenc Gimnázium, Kazincbarcika február 28. március osztály

azonos sikban fekszik. A vezetőhurok ellenállása 2 Ω. Számítsuk ki a hurok teljes 4.1. ábra ábra

A 2010/2011. tanévi FIZIKA Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny első fordulójának. feladatai fizikából. I. kategória

= Φ B(t = t) Φ B (t = 0) t

Mit nevezünk nehézségi erőnek?

Gyakorlat 30B-14. a F L = e E + ( e)v B képlet, a gravitációs erőt a (2.1) G = m e g (2.2)

Trigonometria Megoldások. 1) Igazolja, hogy ha egy háromszög szögeire érvényes az alábbi összefüggés: sin : sin = cos + : cos +, ( ) ( )

Fizika. Fizika. Nyitray Gergely (PhD) PTE PMMIK február 13.

Mágneses mező tesztek. d) Egy mágnesrúd északi pólusához egy másik mágnesrúd déli pólusát közelítjük.

Mechanika - Versenyfeladatok

37. Mikola Sándor Országos Tehetségkutató Fizikaverseny II. forduló március óra A verseny hivatalos támogatói

1. Feladatok munkavégzés és konzervatív erőterek tárgyköréből. Munkatétel

A 2013/2014. tanévi Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny második forduló MATEMATIKA I. KATEGÓRIA (SZAKKÖZÉPISKOLA) Javítási-értékelési útmutató

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK MEGOLDÁSAI EMELT SZINT Trigonometria

a térerősség mindig az üreg falára merőleges, ezért a tér ott nem gömbszimmetrikus.

Oktatási Hivatal FIZIKA. I. kategória. A 2017/2018. tanévi Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny 2. forduló. Javítási-értékelési útmutató

FIZIKA ZÁRÓVIZSGA 2015

MÁGNESES TÉR, INDUKCIÓ

Vezetők elektrosztatikus térben

DINAMIKA ALAPJAI. Tömeg és az erő

A 2009/2010. tanévi Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny második fordulójának feladatai és megoldásai fizikából. II. kategória

A 2015/2016. tanévi Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny első forduló FIZIKA I. KATEGÓRIA. Javítási-értékelési útmutató

Hatvani István fizikaverseny forduló megoldások. 1. kategória. J 0,063 kg kg + m 3

A 2009/2010. tanévi FIZIKA Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny első fordulójának feladatai és megoldásai. II. kategória

Termodinamika (Hőtan)

A 2016/2017. tanévi Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny második forduló FIZIKA II. KATEGÓRIA. Javítási-értékelési útmutató

9. Trigonometria. I. Nulladik ZH-ban láttuk: 1. Tegye nagyság szerint növekvő sorrendbe az alábbi értékeket! Megoldás:

Hatvani István fizikaverseny Döntő. 1. kategória

Kérdések Fizika112. Mozgás leírása gyorsuló koordinátarendszerben, folyadékok mechanikája, hullámok, termodinamika, elektrosztatika

3.1. ábra ábra

Függvények Megoldások

Concursul Preolimpic de Fizică România - Ungaria - Moldova Ediţia a XVI-a, Zalău Proba experimentală, 3 iunie 2013

Fizikai olimpiász. 52. évfolyam. 2010/2011-es tanév. B kategória

Gépészmérnöki alapszak, Mérnöki fizika ZH, október 10.. CHFMAX. Feladatok (maximum 3x6 pont=18 pont)

1. fejezet. Gyakorlat C-41

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK MEGOLDÁSAI KÖZÉP SZINT Koordináta-geometria

Newton törvények, lendület, sűrűség

9. ábra. A 25B-7 feladathoz

Felvételi, 2017 július -Alapképzés, fizika vizsga-

71. A lineáris és térfogati hőtágulási tényező közötti összefüggés:

Newton törvények, erők

Hidrosztatika. Folyadékok fizikai tulajdonságai

A 2009/2010. tanévi FIZIKA Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny első fordulójának feladatai és megoldásai. I. kategória

0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 Q

Exponenciális és logaritmikus kifejezések Megoldások

Osztályozó, javító vizsga 9. évfolyam gimnázium. Írásbeli vizsgarész ELSŐ RÉSZ

A 2011/2012. tanévi FIZIKA Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny első fordulójának feladatai és megoldásai fizikából. II.

U = 24 V I = 4,8 A. Mind a két mellékágban az ellenállás külön-külön 6 Ω, ezért az áramerősség mindkét mellékágban egyenlő, azaz :...

Szélsőérték feladatok megoldása

Oktatási Hivatal FIZIKA. II. kategória. A 2017/2018. tanévi Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny 1. forduló. Javítási-értékelési útmutató

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK MEGOLDÁSAI KÖZÉP SZINT. Koordináta-geometria

1. feladat Alkalmazzuk a mólhő meghatározását egy gázra. Izoterm és adiabatikus átalakulásokra a következőt kapjuk:

Munka, energia Munkatétel, a mechanikai energia megmaradása

3. Gyakorlat Áramlástani feladatok és megoldásuk

Oktatási Hivatal. 1 pont. A feltételek alapján felírhatók az. összevonás után az. 1 pont

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK MEGOLDÁSAI KÖZÉPSZINT Koordináta-geometria

A 2016/2017. tanévi Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny első fordulójának feladatai és megoldásai fizikából FIZIKA II.

Egyenletek, egyenlőtlenségek VII.

Koordinátageometria Megoldások

Fizika minta feladatsor

Bor Pál Fizikaverseny tanév 8. évfolyam I. forduló Név: Név:... Iskola... Tanárod neve:...

Mechanika Kinematika. - Kinematikára: a testek mozgását tanulmányozza anélkül, hogy figyelembe venné a kiváltó

Bevezető fizika (VBK) zh2 tesztkérdések

Feladatlap X. osztály

Mágneses erőtér. Ahol az áramtól átjárt vezetőre (vagy mágnestűre) erő hat. A villamos forgógépek mutatós műszerek működésének alapja

Folyadékok és gázok mechanikája

Elméleti kérdések 11. osztály érettségire el ı készít ı csoport

FIZIKA II. Dr. Rácz Ervin. egyetemi docens

Modern Fizika Labor. 2. Elemi töltés meghatározása

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK MEGOLDÁSAI KÖZÉPSZINT Függvények

Felső végükön egymásra támaszkodó szarugerendák egyensúlya

Feladatok megoldásokkal a harmadik gyakorlathoz (érintési paraméterek, L Hospital szabály, elaszticitás) y = 1 + 2(x 1). y = 2x 1.

A mechanikai alaptörvények ismerete

Brósch Zoltán (Debreceni Egyetem Kossuth Lajos Gyakorló Gimnáziuma) Megoldások

58. ročník Fyzikálnej olympiády v školskom roku 2016/2017 Okresné kolo kategórie E Texty úloh v maďarskom jazyku

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK MEGOLDÁSAI EMELT SZINT Exponenciális és Logaritmikus kifejezések

Bevezető fizika (VBK) zh1 tesztkérdések Mi az erő mértékegysége? NY) kg m 2 s 1 GY) Js LY) kg m 2 s 2 TY) kg m s 2

MateFIZIKA: Pörgés, forgás, csavarodás (Vektorok és axiálvektorok a fizikában)

Hidrosztatika, Hidrodinamika

Egyenletek, egyenletrendszerek, egyenlőtlenségek Megoldások

Oktatási Hivatal FIZIKA I. KATEGÓRIA. A 2016/2017. tanévi Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny döntő forduló FELADATOK

DÖNTŐ április évfolyam

2.3 Newton törvények, mozgás lejtőn, pontrendszerek

Lendület. Lendület (impulzus): A test tömegének és sebességének szorzata. vektormennyiség: iránya a sebesség vektor iránya.

38. Mikola Sándor Országos Tehetségkutató Fizikaverseny II. forduló március óra A verseny hivatalos támogatói

Mágneses mező jellemzése

FIZIKA KÖZÉPSZINTŰ ÍRÁSBELI VIZSGA JAVÍTÁSI-ÉRTÉKELÉSI ÚTMUTATÓ

Oktatási Hivatal FIZIKA. I. kategória. A 2017/2018. tanévi Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny 1. forduló. Javítási-értékelési útmutató

Átírás:

Oktatási Hivatal A 14/15. tanévi Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny második forduló FIZIKA II. KATEGÓRIA Javítási-értékelési útmutató 1.) A fényképen látható vízszintes, szögletes U-alakú vályúban két 5 cm átmérőjű biliárdgolyó tisztán gördül egymás felé egyforma, 3 m/s sebességgel. A golyók ütközése tökéletesen rugalmas, amit úgy kell érteni, hogy a pillanatszerű ütközéskor a golyók sebességet cserélnek, azonban az ütközés során nem változik meg a golyók szögsebessége. a) Mekkora legyen a vályú szélessége, hogy a golyók másodszor is ütközzenek? b) Mekkora sebességgel ütköznek a golyók másodszor, ha a vályú szélessége 4 cm? A jobb oldali ábra az elrendezés elölnézeti metszetét mutatja: Megoldás: a) A vályú szélessége legyen l, a golyók sugara R =,5 cm. A tiszta gördülés feltétele: Akkor következik be második ütközés, ha az első ütközés után a súrlódás miatt a golyók sebességváltozása v -nál nagyobb lesz. Határesetben vizsgáljuk azt az esetet, amikor a sebességváltozás éppen v. A hátrafelé mozgó golyót az előre mutató súrlódási erő fékezi, és ugyanakkor csökkenti is a szögsebességét. Két egyenletet írhatunk fel: A két egyenlet összevonásából ezt kapjuk: illetve az egyszerűsítések után: amiből A vályúnak tehát l 3,9 cm-nél szélesebbnek kell lennie ahhoz, hogy a második ütközés is létrejöjjön. OKTV 14/15. forduló

b) A kérdéses sebességet jelöljük -vel, a vályú megadott szélessége legyen, a golyók kezdeti megadott sebessége = 3 m/s. Elegendő egyetlen golyót vizsgálnunk, mert szimmetrikus a mozgás. Az első ütközést követően a tiszta gördülés létrejöttéig a teljes sebességváltozás, így a súrlódási erőlökés: A szögsebesség eközben -ról értékűre változik, de nem vált előjelet! A súrlódási erő forgatónyomatékának időbeli hatása változtatja meg a golyó perdületét: ahol Ha a két fenti egyenletet elosztjuk egymással, akkor a következő összefüggésre jutunk:. amiből a golyók második ütközési sebessége: Megjegyzések: 1. A fenti megoldás is mutatja, hogy a csúszási súrlódás értéke nem befolyásolja az eredményt. Még jobban látszik ez, ha a feladatot perdület-megmaradással oldjuk meg. A vályú fedősíkjának középvonalában lévő bármely pontra nézve a golyó első ütközést követő perdülete nem változik, mert a kétoldali súrlódási erők, illetve nyomóerők forgatónyomaték összege ezekre a pontokra nulla. A perdület pályaperdületből és sajátperdületből tevődik össze, melyek az első ütközés után ellentétes előjelűek. Ha a teljes perdület az első ütközés után nulla, akkor a golyók a csúszás végén megállnak. Ez a visszafordulás határesete: amiből adódik az a) részre adott megoldással összhangban. A b) részt is megoldhatjuk ugyanígy; ilyenkor a fenti különbség pozitív: amiből a fentiekkel megegyező eredményt kapjuk:. Általánosságban megmutatható, hogy a második ütközés ugyanolyan vályúméretek esetén valósul meg akkor is, ha a két golyó nem azonos sebességgel ütközik. Ütközhetnek ellentétes, de akár egyirányú sebességgel is, vagy az egyik golyó állhat az ütközés előtt, ha az akkor bekövetkezik a második ütközés is. feltétel teljesül, 3. Elvileg végtelen sok ütközés jön létre, azonban a valóságban már a második ütközés is olyan kis sebességgel történik, hogy az eddigiekben elhanyagolt veszteségek (közegellenállás, gördülési ellenállás, nem tökéletesen rugalmas ütközés) miatt csak a második ütközés megfigyelése látványos. Lassított felvételen látszik több ütközés is. OKTV 14/15. forduló

.) Hőszigetelő hengerben egy M = kg tömegű, könnyen mozgó dugattyú V = 1 l, T = 3 K hőmérsékletű, p = 1 5 Pa nyomású levegőt zár el. Mind a dugattyú, mind a hőszigetelő henger erős fonállal a mennyezetre van felfüggesztve úgy, hogy a henger alja a talajtól h = 1,5 m-re van. A henger keresztmetszete A = 1 dm területű. Egy adott pillanatban a felfüggesztő fonál elszakad. Maximálisan mekkora lesz ennek következtében a bezárt levegő hőmérséklete? (A talajjal való ütközés abszolút rugalmatlan.) Megoldás: A talajjal való ütközéséig szabadon esik a rendszer, a dugattyú nem mozdul el a hengerhez viszonyítva, a bezárt levegő térfogata nem változik. Az ütközés után a dugattyú az eddig megszerzett sebességével addig süllyed a hengerben, amíg mozgási energiája el nem fogy. A hőszigetelő hengerben adiabatikus állapotváltozás megy végbe. Az erre felírható munkatétel bal oldalán a külső levegő munkája, a nehézségi erő munkája és az összenyomott gáz munkája (ami a belsőenergia megváltozásának mínusz egyszerese) szerepel, jobb oldalán a dugattyú mozgási energiájának megváltozása. Mg f 1 p V V V V pv pv M v. A A folyamat elején a dugattyú mozgási energiája: 1 M v Mgh. Átrendezett egyenletünk: Mg f Mgh p V V V V pv pv. (1) A Két ismeretlenünk van. A megoldáshoz szükséges másik egyenletet az adiabatikus állapotváltozásra felírható összefüggés adja, amiből a nyomást kifejezhetjük: V pv pv p p pv V. () V ()-t (1)-be írva: Mg f 1 Mgh p V V V V pv V pv. A Rendezve: f Mg Mg f 1 Mgh pv 1 V p V pv V. A A Levegőre f = 5, = (f + )/f = 1,4. Innen a numerikus értékek behelyettesítésével elvégezve a műveleteket (mértékegységek nélkül) a következő egyenletet kapjuk:,4 474 1V 511, 44V A bal oldali kifejezést f 1 (V)-vel jelölve néhány próbálgatással közelítve kapjuk a minimális térfogatot. Kezdve az eredeti térfogat felével: f 1 (V) 6.1 3 5.1 3 5,5.1 3 5,55.1 3 5,56.1 3 5,58.1 3 5,585.1 3 5,676.1 3 +61,476 118,1 18,74 9,913 8,174 4,717 3,857 +,59 A feladatnak igen jó közelítéssel megfelel a V = 5,6 literes végső térfogat. () alapján az ehhez tartozó (maximális) nyomás: 5 5 p pv V,91151 Pa,9 1 Pa. OKTV 14/15 3. forduló

Az összenyomott levegő maximális hőmérséklete a gáztörvényből: pv pv pv T T 47 K. T T p V Megjegyzés: Az (1) egyenletet elosztva p V -lal, és abban felhasználva a () egyenletet, átírható a f V Mg V V V V p V A V V 1 h 1 1 alakba. A jobb oldal a dimenziótlan V x V változó függvénye. A számértékeket behelyettesítve a megoldandó dimenziótlan egyenlet: f Mg V f x x 1 h 1 x 1 x. pv A x tartományba kell esnie, mivel x = : zéró térfogatúra nyomódott A keresett gyöknek az,1 össze a gáz, x = 1: semennyire sem nyomódott össze a gáz. A felírt alakból látszik, hogy Mgh lim f x, lim f x, x x1 pv azaz f (x) az intervallum két szélén ellentétes előjelű, így lesz gyök a [,1] intervallum belsejében. A numerikus értékeket beírva (g = 1 m/s -et véve) a megoldandó egyenlet most,5 f x 3, 95 1.x.,4 x A számközfelező módszerrel vagy egyéb módon megoldva az egyenletet a gyök: x =,46797. Így V V x 5, 6757 l 5,6 l. Az adiabatikus változásra érvényes TV T V egyenletből 1 1 T T x Egyezésben a fentiekkel, a végső nyomás pedig 1 46, 79 K 47 K. p p x 5 5,9115 1 Pa,9 1 Pa. OKTV 14/15 4. forduló

3.) Függőleges helyzetű, henger alakú mágnesrúd inhomogén mágneses mezőt hoz létre. A mágneses indukció nagysága a mágnesrúd alatt a tengelyen a rúd végétől mért h távolsággal lineárisan változik: B h B (1 a h ), ahol B és a konstansok. A mágnesrúd szimmetriatengelyén, a rúd alatt bizonyos távolságban elhelyezünk egy kicsiny, vékony, vezető anyagból készült gyűrűt, amelyben I erősségű áram folyik. A gyűrű síkja merőleges a mágnesrúd tengelyére, átmérője d, tömege m. Mekkora lehet a gyűrűben folyó áram erőssége, hogy a gyűrű függőleges gyorsulása közelítőleg nulla legyen, azaz lebegjen? 1. megoldás: Az indukció csökkenése az indukcióvonalak ritkulását jelenti, vagyis azok kifelé görbülnek. Az inhomogén mezőtől származó erőnek van egy radiális komponense (a függőleges irányú B miatt), amely feszíti a gyűrűt, de lesz egy függőleges erő is, ami a B vízszintes komponense miatt lép föl. Ez a függőleges irányú Lorentz-erő tart egyensúlyt a nehézségi erővel és okozza a gyűrű lebegését. A mágneses indukcióvektor B v vízszintes komponensét a mágneses tér forrásmentességének segítségével lehet megadni. Eszerint a mágneses indukció fluxusa zárt felületre nulla (azaz nincs mágneses töltés). Írjuk föl a fluxust h távolságra a mágnesrúd alatt egy d átmérőjű, h magasságú lapos kicsiny hengerre, amelynek szimmetriatengelye egybeesik a mágnes és gyűrű szimmetriatengelyével, és h << d. A fluxus a fedőlapra: d d 1 = B(h) = B (1 ah), 4 4 mivel az erővonalak a henger belseje felé haladnak. A fluxus az alaplapra d d = B(h + h) = B (1 ah ah). 4 4 A paláston átmenő fluxus p = B v d h Vegyük figyelembe, hogy a teljes fluxus nulla, azaz 1 + + p =, amiből a d B v = B. 4 A köráramra ható függőleges irányú mágneses erő nagysága F = B v I d A lebegés feltétele, hogy F = mg, amiből 4mg mg I = =, B ad B aa ahol A= d 4 a gyűrű területe.. megoldás Az indukció csökkenése az indukcióvonalak ritkulását jelenti, vagyis azok kifele görbülnek. Az inhomogén mezőtől származó erőnek van egy radiális komponense (a függőleges irányú B miatt), amely feszíti a gyűrűt, de lesz egy függőleges erő is, ami a B vízszintes komponense miatt lép föl. Ez a függőleges irányú Lorentz-erő tart egyensúlyt a nehézségi erővel és okozza a gyűrű lebegését. OKTV 14/15 5. forduló

A B vonalak kicsit hajlanak kifelé, így a tengellyel bezárt szög kicsiny. A mágneses indukcióvektor vízszintes összetevője B v = B sin. Meg kell határozni az szöget. Tekintsünk h távolságra egy kicsiny r sugarú körfelületet, amely merőleges a tengelyre, középpontja a tengelyen van, és amelyen bizonyos meghatározott számú erővonal halad át. Mivel az erővonalak kifelé görbülnek, ugyanennyi erővonal h+h távolságban egy r+r sugarú körön halad át, azaz az r sugarú körön és az r+r sugarú körön áthaladó fluxus ugyanakkora: r h B(h)r = B(h+h)(r+r). Beírva a mágneses indukció távolságfüggését kapjuk, hogy (1 ah)r = (1 ah ah)[r +rr+(r) ] Hanyagoljuk el a másodrendűen kicsiny tagokat: (r), hr, így kapjuk, hogy r ar =. h (1 ah) Az ábra szerint ez éppen tg. A mágneses indukció vektor vízszintes komponense a r B v = B sin B tg = B. A köráramra ható függőleges irányú mágneses erő nagysága A lebegés feltétele, hogy F = mg, amiből ahol A = r a gyűrű területe. F = B v I r I = mg, B aa r+r 3. megoldás (nem középiskolai): Inhomogén mágneses mezőben egy µ mágneses momentumra ható erő F = grad (µ B). Egy köráram mágneses momentumának nagysága µ = I A, és iránya merőleges a köráram síkjára, azaz a feladat szerint a rúd tengelyével párhuzamos. A tengelyen a mágneses momentum és B iránya párhuzamos. Az erő függőleges, mert a gradiensnek csak a tengely irányú komponense nem nulla: db F = µ =IAB a dh (előjelekkel nem foglalkozva). Ez az erő tart egyensúlyt az mg nehézségi erővel, így I = mg. B aa OKTV 14/15 6. forduló

Értékelési útmutató 1. feladat A vályú szélességének meghatározása A második ütközés sebességének meghatározása 1 pont 8 pont Összesen: pont. feladat Annak észrevétele, hogy a folyamat első fázisában súlytalanság állapotban van a rendszer pont A munkatétel helyes felírása 5 pont Az adiabatikus állapotegyenlet helyes alkalmazása 5 pont A transzcendens egyenlet helyes felírása 4 pont A numerikus megoldás 4 pont Összesen: pont 3. feladat Annak fölismerése, hogy a függőleges irányú erő, amely a gyűrű lebegését okozza, B vízszintes komponensétől származik A mágneses indukció vízszintes komponensének meghatározása A függőleges irányú Lorentz-erő meghatározása Az áram meghatározása 5 pont 1 pont 3 pont pont Összesen: pont A megoldásban vázoltaktól eltérő számításokra, amelyek elvileg helyesek és helyes végeredményre vezetnek az alkérdésekre adható teljes pontszám jár. OKTV 14/15 7. forduló