A természettudományos oktatás komplex megújítása a Révai Miklós Gimnáziumban és Kollégiumban Munkafüzet FIZIKA Emeltszintű érettségi Bognár Gergely TÁMOP-3.1.3-11/2-2012-0031
TARTALOMJEGYZÉK Előszó... 3 A laboratórium munka és balesetvédelmi szabályzata... 4 1. Súlymérés... 6 2. A rezgőmozgás kísérleti vizsgálata... 11 3. Egyenletesen gyorsuló mozgás vizsgálata lejtőn... 16 4. Lövedék sebességének mérése ballisztikus ingával... 20 5. Nehézségi gyorsulás mérése... 23 6. A vízszintes hajítás kísérleti vizsgálata... 28 7. Hangsebesség mérése állóhullámokkal... 32 8. Halogén izzó sugárzási teljesítményének mérése... 35 9. Szilárd anyag fajhőjének mérése... 40 10. Halmazállapot változás energetikai vizsgálata... 44 11. Elektrosztatikus tér kísérleti vizsgálata... 48 12. Elektrolit vezetési tulajdonságának vizsgálata... 52 13. Áramforrás paramétereinek vizsgálata... 56 14. Ellenállás mérés Wheatstone-híddal... 59 15. Termisztoros hőmérő készítése, félvezető ellenállásának hőmérsékletfüggése...62 16. Hagyományos és energiatakarékos izzólámpa összehasonlítása... 66 17. A víz törésmutatójának mérése... 69 18. Domború lencse fókusztávolságának mérése... 72 19. A fényelhajlás kísérleti vizsgálata... 76 20. Napelemcella vizsgálata... 79 Fogalomtár... 83 Források... 95
ELŐSZÓ Kedves Érettségiző! Egy, az emeltszintű érettségire felkészítő munkafüzetet tartasz a kezedben. Ha már a kezedbe vetted, és az érettségire készülsz, nem kell meggyőznünk, hogy a fizika szépségéről és fontosságáról. Az emeltszintű érettségi egy új feladatot állít eléd. Nem elegendő a fizikát érteni és szeretni, vizsgahelyzetben számot kell adnod tudásodról is. A feladatgyűjtemény elsősorban ebben próbál segítséget nyújtani. Különös hangsúlyt fektetve a szóbeli rész kísérleteire és méréseire. A munkafüzetben szereplő húsz téma a 2013-as év emeltszintű kísérleteit dolgozza fel. Első lépésben rövid kérdéseken keresztül felidézheted a kísérlet elvégzéséhez szükséges elméleti ismereteket. Ezután a kísérlet részletes leírása következik képekkel és ábrákkal, majd a hozzájuk kapcsolódó kérdések. Végül a korábbi évek írásbeli feladatai, amelyek a kísérletekhez kapcsolódnak, segítenek a felkészülésben. Minden leendő vizsgázónak kívánom, hogy forgassa eredményesen a munkafüzetet, és kiváló érettségi vizsgát tegyen. A szerző 3
A LABORATÓRIUM MUNKA ÉS BALESETVÉDELMI SZABÁLYZATA 1. A laboratóriumban a tanuló csak tanári felügyelet mellett tartózkodhat és dolgozhat. Annak területére csak engedéllyel léphet be és azt csak engedéllyel hagyhatja el. 2. A kabátokat, táskákat és egyéb felszerelési tárgyakat a ruhatári részben (az előtérben) kell elhelyezni, a laboratóriumba csak a munkához szükséges eszközöket szabad bevinni. 3. A laboratóriumi munka során köpeny használata kötelező! Szükség esetén, ha a gyakorlat előírja, védőszemüveget és védőkesztyűt kell viselni. 4. A kísérletek megvalósítása előtt győződjünk meg róla, hogy az alkalmazott eszközök, demonstrációs anyagok nem sérültek, rongálódtake. Hiba esetén értesítsük a laboratórium személyzetét. 5. A kísérleti eszközöket, anyagokat, csak és kizárólag rendeltetésszerűen, kellő körültekintéssel használjuk! 6. A kísérlet megkezdése előtt, a foglalkozást vezető tanár, ismerteti a végrehajtandó feladatot, és a végrehajtás főbb mozzanatait. Továbbá külön felhívja a tanulók figyelmét az esetleges veszélyforrásokra! 7. A balesetek és az anyagi kár megelőzése érdekében a kísérleteket gondosan, a leírtaknak megfelelően hajtsuk végre. 8. Munkánk során a laboratóriumban tartózkodók testi épségét, illetve azok munkájának sikerét ne veszélyeztessük! A kísérleti munka elengedhetetlen feltétele a rend és fegyelem. 9. A sérülések, balesetek elkerülése érdekében a foglalkozást vezető tanár folyamatosan nyomon követi a kísérletek előkészítését és végrehajtásának menetét. Bármilyen gond, probléma esetén, azonnal jelezzünk neki! 10. Az érdemi munka befejeztével gondoskodjuk róla, hogy az eszközöket a kiindulási állapotnak megfelelően tisztán és rendben hagyjuk hátra. A szabálytalanul tárolt eszközök balesetet okozhatnak, illetve károsodhatnak. 11. A laboratóriumból történő távozást megelőzően győződjünk meg róla, hogy a helyiségben tűz-, balesetveszélyes helyzetet nem hagyunk hátra. A laboratórium működési rendjének megfelelően hajtsuk végre az áramtalanítást. 12. Baleset esetén a lehető leggyorsabban mérjük fel a sérülés, illetve sérülések mértékét, kezdjük meg a sérültek ellátását. Amennyiben úgy ítéljük meg, kérjük az iskola egészségügyi személyzetének segítségét, 4
vagy ha a helyzet megkívánja, haladéktalanul hívjunk mentőt. Egyértelmű utasításokkal szabjunk feladatot a tanulók tevékenységét illetően, elkerülve ezzel a további balesetek bekövetkezését, illetve az esetleges anyagi károk gyarapodását. 13. A fizikai kísérletek leggyakoribb veszélyforrása az elektromos áram. Baleset esetén meg kell bizonyosodni arról, hogy a sérült nincs már feszültség alatt. A baleset helyén elsődleges feladat a kapcsolótáblán lévő főkapcsoló lekapcsolása! 14. Az elektromos balesetek elkerülhetők, ha betartjuk és betartatjuk az érintésvédelmi szabályokat! A hallgatói áramkörök minden esetben feszültségmentes állapotban kerüljenek összeállításra, azt követően csak ellenőrzés után, és engedéllyel kössék rá a tápfeszültséget. Üzemzavar esetén kérjük a labor dolgozóinak segítségét. 15. Tűz esetén, vagy tűzveszélyes helyzetben, azonnal értesítsük a labor személyzetét! Határozottan utasítsuk a tanulókat a labor elhagyására! A laboratóriumban elhelyezett tűzoltó készülékeket csak akkor kezdjük el használni, ha jártasnak érezzük magunkat a készülék működtetésében. Tűzoltó készülékkel embert oltani nem szabad! A laboratóriumi fizika eszközökön és berendezéseken található jelzések, ábrák jelentései: Vigyázz! Forró felület! Vigyázz! Alacsony hőmérséklet! Vigyázz! Tűzveszély! Vigyázz! Mérgező anyag! Vigyázz! Radioaktív sugárzás! Vigyázz! Áramütés veszélye! Vigyázz! Lézersugár! 5
SÚLYMÉRÉS Ismétlés 1. Fejtsd ki a következő fogalmakat! Erőkar: Forgatónyomaték: Tömegközéppont: Súly: Erőpár: 2. Minden részletre ügyelve fogalmazd meg a törvényeket! Pontszerű test egyensúlyi feltétele: Merev test egyensúlyi feltétele: 3. Sorolj fel legalább öt darab egyszerű gépet, és kettőnek rajz segítségével magyarázd meg a működését! 6
1. kísérlet Rúdon függő test tömegének mérése digitális mérleggel Eszközök: Egy méternél hosszabb rúd mérőszalaggal ellátva, digitális mérleg, a rúdra felakasztható, a mérleg méréshatárát meghaladó ismeretlen tömegű test. A kísérlet leírása: 1. ábra A rudat támasszuk alá egy ékkel és a digitális mérleggel úgy, hogy a két alátámasztás között pontosan egy méter legyen! Akasszuk a súlyt négy különböző helyre, olvassuk le a digitális mérleg által mutatott értékeket és a súly pontos helyét! A mért adatokat jegyezzük fel! Megjegyzések: A súlyt ne akasszuk túl közel a mérleghez, mert könnyen átléphetjük a mérleg méréshatárát! A digitális mérleg kijelzője grammban írja ki az értékeket, ezt számítsuk át erőre! Feladatok: 1. A rendelkezésre álló eszközök segítségével állítsd össze a mérést! 2. Készíts vázlatos rajzot a mérésről, és tüntesd fel az erőket! 7
3. A mért adatok segítségével számítsd ki a test tömegét, és add meg a mérés hibáját! 2. kísérlet Rúdon függő test tömegének mérése rugós erőmérővel Eszközök: Egy méternél hosszabb rúd mérőszalaggal ellátva, rugós erőmérő, a rúdra felakasztható, az erőmérő méréshatárát meghaladó ismeretlen súlyú test. A kísérlet leírása: 2. ábra A rudat támasszuk alá egy ékkel, és függesszük fel az erőmérőre úgy, hogy a két tartópont között pontosan egy méter legyen! Akaszszuk a súlyt négy különböző helyre, olvassuk le a rugós erőmérő által mutatott értékeket, és a súly pontos helyét. A mért adatokat jegyezzük fel! Megjegyzés: A súlyt ne akasszuk túl közel az erőmérőhöz, mert könnyen átléphetjük a méréshatárát, és a rugó megnyúlása miatt a rúd sem lesz vízszintes helyzetben, ami nagyban rontja a mérés pontosságát. 8
Feladatok: 1. A rendelkezésre álló eszközök segítségével állítsd össze a mérést! 2. Készíts vázlatos rajzot a mérésről, és tüntesd fel az erőket! 3. A mért adatok segítségével számítsd ki a test tömegét, és add meg a mérés hibáját! 4. A két mérés közül melyik a pontosabb, és miért? Feladatok a korábbi emeltszintű érettségik teszt feladatai közül. 1. Egy motoros célja felé félútig 80 km/h, majd utána 60 km/h sebességgel haladt. Mekkora volt az átlagsebessége? A. Nagyobb, mint 70 km/h. B. 70 km/h. C. Kisebb, mint 70 km/h. 9
2. Egy lejtő tetejéről elengedett golyó egyenletesen változó mozgást végez, és az első másodperc alatt 1 ceruzahossznyi utat tett meg. Hány ceruzahossznyi utat tenne meg az első 3 másodperc alatt? A. 3 B. 6 C. 9 3. Ugyanazt a G súlyú testet először egy egykarú emelővel, majd egy kétkarú emelővel tartjuk egyensúlyban. Az első esetben F1, a második esetben F2 erőt kell kifejtenünk. A geometriai méreteket a mellékelt ábra mutatja, az emelő tömege elhanyagolható. Milyen kapcsolat van az erők között? A. F1 <F2 B. F1 = F2 C. F1 >F2 3. ábra 4. Két darab nyugalomban lévő, 2 kg tömegű tégla fekszik egymáson. Mekkora erővel nyomja az alsó tégla a felsőt? A. Kb. 40 N erővel, mert együtt 4 kg tömegűek. B. Kb. 20 N erővel, mert a felső 2 kg tömegű. C. 0 N, mert egyensúly van. 5. Hogyan változik a keljfeljancsi tömegközéppontjának helyzete, ha fekvő helyzetből önmagától feláll? A. A tömegközéppont feljebb kerül. B. A tömegközéppont lejjebb kerül. C. A tömegközéppont helyzete változatlan marad. 10
Ismétlés A REZGŐMOZGÁS KÍSÉRLETI VIZSGÁLATA 1. A fizikában mit hívunk rezgésnek? 2. Írj legalább négy példát a rezgésekre! 3. Milyen fizikai mennyiségekkel írható le a rezgőmozgás? 4. Fogalmazd meg a harmonikus rezgőmozgás definícióját, ha tudsz, írj többet is! 5. Írd le a harmonikus rezgőmozgás kitérés-idő, sebesség-idő, gyorsulás-idő függvényeit, és értelmezd a bennük szereplő mennyiségeket! 11
6. Mitől függ egy rugóra akasztott test rezgésideje? Írd le a képletet is, és értelmezd a benne szereplő mennyiségeket! 7. Mi a rezonancia? 8. Írj két-két példát, ahol a rezonancia káros, illetve hasznos! 1. kísérlet A rezgésidő képletének igazolása mérőkísérlettel Eszközök: Rugó, stopperóra és súlysorozat, Bunsen-állvány dióval és a dióba befogható rúddal. A kísérlet leírása: A rezgésidő képletének igazolásához akasszunk különböző tömegű testeket a rugóra, és mérjük meg a periódus időt, legalább négy különböző tömeggel. Végül az eredményeket rögzítsük egy táblázatban! Megjegyzések: Egy rezgésnek a periódusidejét nehéz pontosan megmérni, ezért legalább 10 rezgés idejét mérjük meg, és ebből számoljunk vissza, 4. ábra így pontosabb értéket kapunk. Ügyeljünk arra, hogy a rezgés egy egyenes mentén menjen végbe, és ne térjen ki oldalra! 12
Feladatok: 1. Ábrázoljuk grafikonon a arányt! 2. Értelmezd a grafikon alapján a összefüggést! Mit mond a képlet és a grafikon a arányosságról? 3. Meghatározható-e a grafikonból a rugóállandó, és ha igen, menynyi az értéke? 13
2. kísérlet Ismeretlen test tömegének mérése a rezgésidő segítségével Eszközök Rugó, stopperóra és ismeretlen tömegű test, Bunsen-állvány dióval, és a dióba befogható rúddal. A kísérlet leírása: Akasszuk az ismeretlen tömegű testet a rugóra és mérjük meg a periódusidejét legalább háromszor. Az adatokat gyűjtsük táblázatba! Megjegyzések: Egy rezgésnek a periódusidejét nehéz pontosan megmérni, ezért legalább 10 rezgés idejét mérjük meg, és ebből számoljunk vissza, így pontosabb periódus időt kapunk. Ügyeljünk arra, hogy a rezgés egy egyenes mentén menjen végbe, és ne térjen ki oldalra. Feladatok: 1. Az előző mérés grafikonját felhasználva határozzuk meg a test tömegét, és adjuk meg a mérés hibáját! 14
Feladatok a korábbi emeltszintű érettségik számítási példái közül. 1. 2009 máj. Egy csúzli két, egyenként D = 25 N rugóállandójú gumiból készült. Egy fiú a csúzliba egy m=0,02 kg tömegű kavicsot tesz, és megfeszíti a csúzli gumijait. A kavics ekkor a talaj fölött 1,25 m magasan van, a gumik vízszintesek, és eredeti hosszukhoz képest 40 cm-rel vannak megnyújtva. A fiú ezután elengedi a kavicsot, és vízszintesen kilövi. (A légellenállás elhanyagolható, a gumikat tekintsük teljesen párhuzamosnak, a gumi nyújtatlan állapotában a kavics éppen a csúzli két ága között van, a kavics függőleges elmozdulásától eltekinthetünk, amíg a csúzlit el nem hagyja.) A. Mekkora erővel tartja a fiú nyújtva a csúzlit, mielőtt lőne? B. Milyen sebességgel repül ki a kő? C. Milyen messze esik le vízszintes terepen? 2. 2008. nov. Egy felfüggesztett, nyújtatlan rugót egy ráakasztott test 5 cm-rel nyújt meg. A testet 3 cm-rel az egyensúlyi helyzet alá visszük, és ott elengedjük. Mekkora lesz a rezgés periódusideje, a rezgőtest maximális sebessége és maximális gyorsulása? (g = 10 m/s 2 ) 5. ábra 15
EGYENLETESEN GYORSULÓ MOZGÁS VIZSGÁLATA LEJTŐN Ismétlés 1. Mikor lesz egy mozgás egyenes vonalú és egyenletes? 2. Mi a különbség az egyenes vonalú egyenletes és az egyenletesen változó mozgás között? 3. Ismertesd a gyorsulás fogalmát! 4. Mikor és hol élt Galileo Galilei, és milyen felfedezések fűződnek a nevéhez? 5. Rajzold be az ábrába, milyen erők hatnak a lejtőn mozgó testre, ha a súrlódás nem elhanyagolható! 16
6. A berajzolt fenti erőket milyen képlettel számíthatnánk ki? 1. kísérlet Egyenletesen gyorsuló mozgás vizsgálata lejtőn Eszközök: Lejtő, csapágygolyók, mérőszalag, szigetelő szalag, stopper, szögmérő és bak a lejtő alátámasztásához. A kísérlet leírása: 6. ábra Támasszuk a lejtőt a bakra, és az oldalára 10 cm; 40 cm; 90 cm; 160 cm távolságonként helyezzünk el egy jelzést a szigetelő szalaggal! A golyó elindítása után mérjük meg az egyes jelek eléréséhez tartozó időtartamokat! A mérést végezzük el különböző szögekben, majd az adatokat gyűjtsük táblázatba! Megjegyzések: Feladatok Egyszerre csak egy út megtételéhez szükséges időt mérjünk! Minden mérést legalább háromszor végezzünk el a nagyobb pontosság érdekében! A jelzéseket ne a lejtő szélétől mérjük, hanem a golyó indítási helyétől! Kis dőlésszögeket állítsunk be, mert a golyó így lassabban mozog, és az időmérés hibája kisebb lesz. 1. A rendelkezésre álló eszközök segítségével állítsd össze a mérést! 2. A mérési adatok segítségével készítsd el az út-idő grafikont, legalább három különböző dőlésszög mellett! 17
3. Számítsd ki hibával együtt a bejelölt útszakaszokhoz tartozó átlagsebességeket legalább három különböző dőlésszögre! 4. Az átlagsebességeket ábrázold a sebesség-idő grafikonon! 18
5. A grafikonok alapján milyen mozgást végez a golyó? 6. Határozd meg a golyó gyorsulását legalább két dőlésszög mellett! Feladatok a korábbi emeltszintű érettségik számítási példái közül 1. 2011 okt. Álló helyzetből elengedett pontszerű test csúszik le egy 1 m magas, 30 fokos hajlásszögű lejtőn. Ezután egy ismeretlen magasságú, 60 fokos hajlásszögű lejtőn engedjük le a testet. Azt tapasztaljuk, hogy a lecsúszás ideje a két esetben azonos volt. (A súrlódás elhanyagolható.) a) Mekkora a 60 fokos hajlásszögű lejtő hossza? b) Mekkora sebességgel érkezik le a test a lejtők aljára az első és a második esetben? 2. 2010 okt. Egy m = 5 kg tömegű testet húzunk kötéllel, egyenletes sebességgel. A kötél a vízszintessel α = 30º-os szöget zár be, a súrlódási együttható a talaj és a test között μ = 0,1. ( g=10 m/s 2 ) a) Mekkora a kötélben ébredő F erő? b) Mekkora munkát végzünk s = 5 m úton? 19
Ismétlés LÖVEDÉK SEBESSÉGÉNEK MÉRÉSE BALLISZTIKUS INGÁVAL 1. Ismertesd a lendület fogalmát és a lendület megmaradás törvényét! 2. Sorolj fel legalább öt példát a lendület megmaradásra, és kettőt részletesen is fejts ki! 3. Mi a különbség a rugalmas és a rugalmatlan ütközés között? 4. Írj legalább három-három példát rugalmas és rugalmatlan ütközésre! 5. Mitől függ a fonálinga lengésideje? 20
1. kísérlet Tapadókorongos játékpisztoly-lövedék sebességének mérése ballisztikus ingával. Eszközök: Tapadókorong és az azt kilövő pisztoly, hurkapálca, mérőszalag, Bunsen-állvány, két ponton felfüggesztve az állványra akasztott fahasáb, mérőszalag valamint az idő mérésére egy stopper. (A hasáb és a lövedék tömege adott.) A kísérlet leírása: 7. ábra A felakasztott fahasábra hurkapálcát erősítünk, és az állványra akasztjuk. A hurkapálca alá mérőszalagot helyezünk, és a pálcán bejelöljük a szalag kezdetét. Az előkészületek után, viszonylag közelről és vízszintesen kilőjük a tapadó korongot, mire az a hasábra tapad, és lengésbe hozza. Megjegyzés: A lövéséknél igyekezzünk mindig ugyanoda célozni, hogy a rendszer tömegközéppontjának helye ne változzon! Feladatok 1. A rendelkezésre álló eszközök segítségével állítsd össze a mérést! 2. Mérd le legalább háromszor, mennyire tolta hátra a hasábra tapadó hurkapálca a lövedéket, és hibával együtt számold ki a mérések átlagát! 21
3. Mérd meg a hasáb lengésidejét a rátapadt lövedékkel együtt! (A pontosság kedvéért 10 db lengés idejét mérd meg, és abból számold vissza a periódus időt!) 4. A mért lengésidő és a maximális kitérés (amplitúdó) ismeretében számítsd ki a lengés maximális sebességét! (Kis kitérések esetén az inga harmonikus rezgőmozgást végez.) 5. A tapadókorong rugalmatlanul ütközött a hasábnak. A maximális sebesség és a tömegek ismeretében számítsd ki a lövedék sebességét! Feladatok a korábbi emeltszintű érettségik számítási példái közül 1. 2009 okt. Egy lejtőt vízszintesen a = 10 m/s 2 gyorsulással mozgatunk. A lejtőn egy m = 2 kg tömegű test a lejtőhöz képest nyugalomban marad, azzal együtt gyorsul. a) Mekkora a lejtő hajlásszöge, ha a lejtő és a test között nincsen súrlódás? Mekkora a nyomóerő, amit a lejtő kifejt a testre? b) Mekkora tapadási együttható esetén lenne a test nyugalomban a lejtőn akkor is, ha a lejtő állna? 22 8. ábra
NEHÉZSÉGI GYORSULÁS MÉRÉSE Ismétlés 1. Mit nevezünk szabadesésének? 2. Mi az a súly? 3. Mit mondhatunk a különböző tömegű, azonos magasságból egyszerre elengedett testek földet érési idejéről? 4. Kinek a nevéhez fűződik a fenti megállapítás? 5. Körülbelül mekkora a Föld felszínén a szabadon eső testek gyorsulása? 6. Milyen tényezők befolyásolhatják a nehézségi gyorsulás értékét? 23
1. kísérlet Nehézségi gyorsulás mérése az Audacity számítógépes program segítségével Eszközök: Csapágygolyók, állvány, rajta érdes felületű kerámia lappal, számítógéphez köthető mikrofon (a beépített is megfelelő), számítógép, mérőszalag. Ingyenesen letölthető Audacity program. A kísérlet leírása: Mérjük meg az állványon elhelyezett golyó magasságát! Kapcsoljuk be az Audacity programot! A golyót a kerámia lapon finoman meglökjük, mire az leesik. A kerámia lapon guruló golyó jellegzetes hangot ad ki, esés közben ez a hang elhallgat, majd a koppanás újból hallatszik. A két hang között eltelt időt a program segítségével megmérhetjük. A méréseket legalább négy különböző magasságban végezzük el! Megjegyzés: A kísérlet ideje alatt csöndben kell maradni, hogy egyéb zajok ne zavarják meg a mérésünket. Feladatok 1. Készíts hangfelvételt a számítógépes program segítségével, és mérd meg az esések időtartamát. Egy magasságból legalább háromszor mérj, és számold ki a mérések hibáját! 2. A mért magasság- és időadatokat, valamint az időtartamok négyzetét foglald táblázatba! magasság (m) idő (s) az idő négyzete t 2 24
3. A táblázat felhasználásával ábrázold a magasságot az idő négyzetének függvényében! 4. Mit állapíthatunk meg a grafikonról? 5. Határozd meg a g értékét, és add meg a mérés hibáját! 2. kísérlet A nehézségi gyorsulás mérése ingával Eszközök: Fonálinga, Bunsen-állvány, mérőszalag, stopper. A kísérlet leírása: A fonálingát kitérítjük, ügyelve arra, hogy a kitérés szöge ne legyen nagyobb 15 0 -nál. Megmérjük az inga periódus idejét. A pontosabb mérés érdekében tíz teljes lengés idejét mérjük, és abból számolunk 25
periódus időt. Végül lemérjük az inga hosszát. A mérést legalább három különböző inga hosszúság mellett ismételjük meg! Megjegyzések: Ügyeljünk rá, hogy a fonál egy síkban lengjen, és ne térjen ki oldalra! Az inga hosszát a golyó tömegközéppontjáig mérjük! Feladatok 1. Mérd meg a fonálinga lengésidejét és hosszát, és az adatokat foglald táblázatba! 9. ábra l (m) T (s) 2. A mért adatokból számítsd ki a g értékét, és add meg a mérés hibáját! 3. Mi lehet a mérési hibák oka? 26
Feladatok a korábbi emeltszintű érettségik számítási példái közül 1. 2012 máj. Egy műhold az egyenlítő fölött körpályán kering a Föld körül. A teljes egyenlítői tartomány fölötti elhaladáshoz 8 órára van szüksége. (A gravitációs állandó ; a Föld tömege és a sugara ) 10. ábra a) Mekkora a műhold keringési ideje, ha egy irányban kering a Föld forgásával? b) Mekkora lenne a műhold keringési ideje, ha ellentétes irányban keringene a Föld forgásával? c) Milyen magasan kering a műhold a Föld felszíne felett az a) esetben? Milyen magasra kellene följuttatni a b) esetben? 2. 2010 okt. Miközben a Föld kering a Nap körül, a Hold kering a Föld körül. (A gravitációs állandó ; a Föld tömege és sugara ; a Hold Föld távolság R HF =38400 km ; Nap Föld távolság R NF =150 10 6 km ; a Nap tömege M N = 2 10 30 Kg ; a Hold tömege M H = 7,4 10 22 kg ) A. Becsülje meg, hogy mekkora utat tesz meg Nap körüli pályáján a Föld, miközben a Hold egyszer megkerüli! B. Rajzolja le hozzávetőlegesen a Hold pályáját a Nap körül! C. Tegyük fel, hogy éppen napfogyatkozás van. Mekkora gravitációs erővel vonzza ekkor a Föld a Holdat, illetve a Nap a Holdat? Melyik a nagyobb? 27
A VÍZSZINTES HAJÍTÁS KÍSÉRLETI VIZSGÁLATA Ismétlés 1. Vízszintesen elhajított és azonos magasságból elengedett testek közül melyik éri el előbb a talajt? 2. Vízszintes hajításánál változik-e a test vízszintes irányú sebessége? 3. Vízszintes hajításnál hogyan változik a test függőleges irányú sebessége? 4. Az ábra egy vízszintesen kilőtt lövedék pályáját mutatja. A 3. másodpercnél bejelöltük a sebesség vektorát. Az ábra alapján szerkeszd meg a mozgás vízszintes és függőleges komponenseit! 11. ábra 5. Határozd meg az előző ábrán kilőtt test kezdeti sebességét! 28
1. kísérlet Vízszintes hajítás vizsgálata ejtőgéppel Eszközök: Ejtőgép és két beleilleszkedő csapágygolyó. A kísérlet leírása: Az ejtőgép segítségével egyszerre tudunk egy-egy golyót vízszintesen kilőni és egy időben függőlegesen elejteni. 12. ábra Feladatok 1. Végezd el a kísérletet, és jegyezd fel a tapasztalataidat! Figyeld meg, hogy a golyók egyszerre koppannak-e a talajon! 2. Készíts ábrát a testek pályájáról! 3. Magyarázd meg a tapasztaltakat! 2. kísérlet Palackon kifolyó vízsugár kísérleti vizsgálata Eszközök: Legalább 2 l-es műanyag palack pontosan a felénél kicsiny lyukkal, egy magas peremű tálca, 10.15 cm magas dobogó, szigetelőszalag, tölcsér, mérőszalag, digitális fényképezőgép állvánnyal és számítógéppel összekötve és hozzá egy nyomtató. 13. ábra 29
A kísérlet leírása: A palackon helyezzünk el három jelzést, egyet a negyedénél, egyet a felénél (itt van a lyuk is) és egyet a háromnegyedénél! A tálcát tegyük a lyuk felőli oldalra, és szigetelőszalaggal zárjuk le! A digitális fényképezőgépet állítsuk be úgy, hogy a kísérletet oldalról fotózhassuk! Töltsük fel a palackot vízzel, de ne zárjuk le! Végül távolítsuk el a lyukat lezáró szigetelőszalagot, és készítsünk fényképet, amikor a vízszint eléri a felső jelzést! Megjegyzések: Ne csak egy, hanem több felvételt is készítsünk! A kép optimálisan legyen beállítva, a kísérlet töltse ki a képet, de ne lógjon le róla semmi! Feladatok 1. A rendelkezésre álló eszközök segítségével állítsd össze a mérést! 2. Készíts fényképeket a megadott időpontban, és a három legjobbat nyomtasd ki! 3. A kinyomtatott fotókon szerkesztéssel igazold, hogy a vízsugár pályája egy parabola! 4. A fotók és a mérés adatainak segítségével határozd meg a kiömlő víz sebességét! (A lyuk tálcától számított magasságát mérd meg! A fényképről le tudod olvasni a vízsugár vízszintes elmozdulását. A lyuk képen látható és valóságos magasságából meg tudod határozni a kép nagyítását, ebből pedig a víz valóságos vízszintes elmozdulását.) 5. A palack alsó jelölésének magasságában rajzold be a képen a vízsugár sebességének irányát, és szerkeszd meg a vízszintes és függőleges komponenseket! 30
6. A szerkesztés segítségével számítsd ki a vízsugár sebességének vízszintes komponensét! 7. A vízszintes sebességet vesd össze a 4. feladat eredményével, és magyarázd meg az eltérés okát, ha az jelentős! Feladatok a korábbi emeltszintű érettségik számítási példái közül 1. 2007 okt. Egy vidámparkban a hullámvasút kocsija álló helyzetből indulva legurul egy lejtőn, majd egy függőleges síkban lévő kör alakú pályán száguld végig. A lejtő magassága h = 30 m, a kör sugara R =10 m. (A súrlódás elhanyagolható.) a) Mekkora a kocsi sebessége a körpálya alsó (A), illetve felső (B) pontján? b) Mekkora erővel nyom egy m = 80 kg tömegű utast a kocsi ülése a körpálya alsó (A), illetve felső (B) pontján? 2. 2007 máj. 14. ábra Egy testet 5 N állandó erővel tudunk egyenletesen felfelé húzni egy α = 30 hajlásszögű lejtőn. Ugyanezen a lejtőn lefelé szabadon csúszva a test 5 m/s sebességről 5 m hosszú úton áll meg. Mekkora a test tömege, és mekkora a súrlódási együttható? 31
HANGSEBESSÉG MÉRÉSE ÁLLÓHULLÁMOKKAL Ismétlés 1. A fizikában mit nevezünk hullámnak? 2. Definiáld a hullámhosszt! 3. Mi a különbség a transzverzális és a longitudinális hullám között? 4. Írj példát longitudinális és transzverzális hullámra! 5. Mikor jönnek létre állóhullámok? 1. kísérlet A hangsebesség mérése állóhullámokkal Eszközök: Nagyméretű egyik végén zárt üveg henger és a hengerbe illeszkedő üveg vagy műanyagcső, hangvilla, mérőszalag. A kísérlet leírása: Az üveghengerbe töltsünk vizet, majd tegyük bele a csövet! A cső nyitott vége fölé tartsunk hangvillát, és lassan emeljük ki a csövet a vízből! Az emelés közben bizonyos magasságokban a csőben lévő levegő rezonál, és a hangvilla hangját intenzívebben halljuk. 32 15. ábra
Megjegyzés: A kísérlet csöndet igényel, hogy a hangerőváltozásokat meg tudjuk figyelni. Feladatok 1. Állítsd össze a kísérletet, és figyeld meg a jelenséget! Készíts ábrát, és jegyezd fel a tapasztalatokat! 2. Mérd meg a rezonanciákhoz tartozó magasságokat! Két különböző hangvillával legalább két rezonancia helyet keress meg! 3. A hangvillák frekvenciájának ismeretében az eddig mért adatok felhasználásával mérd meg a hang sebességét, és tüntesd fel a mérés hibáját! 33
Feladatok a korábbi emeltszintű érettségik számítási példái közül 1. 2005 okt. Nagy magasságban kezdősebesség nélkül elejtenek egy 0,4 kg tömegű, gömb alakú testet. A zuhanó test mozgását a sebesség négyzetével arányos közegellenállási erő fékezi. (A közegellenállási erő nagysága F k = Cv 2 alapján számolható ki, ahol C állandó.) Esetünkben a közegellenállási erő nagysága 1 m/s sebességnél 0,008 N. Az elejtett test mozgását vizsgálva megállapítható, hogy 20,7 méter zuhanás után a sebessége 16,8 m/s. a) Mekkora a testre ható közegellenállási erő abban a pillanatban, amikor sebessége 16,8 m/s? b) Mekkora a test gyorsulása abban a pillanatban, amikor sebessége 16,8 m/s? c) Mekkora munkát végez a közegellenállási erő a vizsgált 20,7 méteres szakaszon? d) Határozza meg, hogy mekkora maximális sebességre gyorsulhat fel a test! 2. 2006 feb. Egy eredetileg 300 cm hosszú, középen tengelyezett mérleghinta egyik ülőrésze letörött. A letört rész hossza 40 cm. A hinta tömege ekkor már csak 110 kg. Egy gyerek a letört oldal végére ülve a hintát egyensúlyban tartja. Körülbelül mekkora a gyerek tömege? (A hinta homogén tömegeloszlású hasábnak tekinthető.) 16. ábra 34
HALOGÉN IZZÓ SUGÁRZÁSI TELJESÍTMÉNYÉNEK MÉRÉSE Ismétlés 1. Definiáld a teljesítményt! 2. Hogyan mérhetünk elektromos teljesítményt? 3. Hogyan lehet védeni a szemünket az erős fénysugárzással szemben? 4. A hő egyik helyről a másikra milyen formában terjedhet? 5. Milyen elven működik a digitális hőmérő? 6. Milyen színű anyagok nyelik el legjobban a rájuk eső hőmérsékleti sugárzást? 7. A fentiek alapján miért lenne jóval melegebb a Földön, ha a fehér felületek (jégsapkák) eltűnnének? 35
1. kísérlet Halogén izzó infrasugárzó teljesítményének mérése Eszközök: Foglalatában szabadon álló 100 W-os halogén izzó, állvány, amire az izzót előzőleg felerősítették, mérőszalag, kapcsolóval felszerelt hálózati teljesítménymérő, matt feketére befestett, ismert tömegű és fajhőjű réz golyó zsákfurattal, digitális hőmérő, állvány, amire a digitális hőmérőt felerősítjük, árnyékoló lap és egy stopper. A kísérlet leírása: 17. ábra Mielőtt a kísérletnek hozzákezdenénk, helyezzük el az árnyékoló lapot úgy, hogy a fény ne jusson közvetlenül a szemünkbe! Miután a digitális hőmérő mérőfejét a golyóban elhelyeztük, az egészet tegyük állványra úgy, hogy a golyó 10-15 cm-re legyen a lámpától! Mérjük le a pontos távolságot, és kapcsoljuk be a lámpát, 30 s- enként olvassuk le a golyó hőmérsékletét a 4. perc végéig! Megjegyzés: A lámpa szabad foglalatban helyezkedik el, ezért ne érintsük meg! Feladatok 1. A rendelkezésre álló eszközök segítségével állítsd össze a mérést! 2. Az utasításnak megfelelően 30 s-enként olvasd le a hőmérsékletet, és az adatokat foglald táblázatba! 36
T (C 0 ) t (s) 3. Az adatokat ábrázold a hőmérséklet-idő grafikonon! 37
4. A grafikon és a golyó adatainak ismeretében add meg a golyót ért hősugárzás teljesítményét! 5. A golyót ért sugárzás és a lámpa távolságának ismeretében számítsd ki a lámpa sugárzási teljesítményét! (A sugárzás intenzitása a távolság négyzetével arányos.) 6. Vesd össze a sugárzási teljesítményt a lámpa hálózatból felvett teljesítményével, és magyarázd meg az eltérés okát! 7. Számítsd ki a lámpa sugárzási teljesítményére vonatkoztatott hatásfokot! 38
Feladatok a korábbi emeltszintű érettségik számítási példái közül 1. 2013 máj. A bagoly jól lát a sötétben is, szeme már fényintenzitásra is érzékeny. A bagoly kör alakú pupillája sötétben 8,5 mm átmérőjűre tud kitágulni. Legalább hány 510 nm hullámhosszúságú fotonnak kell másodpercenként a bagoly pupilláján bejutnia a szemébe ahhoz, hogy fényt érzékeljen? 2. 2012 máj. Élelmiszerek tartósítására használhatunk nagy energiájú elektromágneses sugárzást is. Ha például a romlékony nyers hús 2000 gray röntgensugár dózist nyel el, akkor elpusztulnak benne a baktériumok, és (megfelelően lezárva) sokáig eltartható marad. (A hós fajhője ) a) Hány 5 MeV energiájú röntgenfotont kell egy 30 dkg tömegű hússzeletnek elnyelnie ahhoz, hogy elérjük a 2000 gray-es dózist? b) Mennyivel növeli meg a hús hőmérsékletét az elnyelt energia? 39
Ismétlés SZILÁRD ANYAG FAJHŐJÉNEK MÉRÉSE 1. Definiáld a fajhőt! 2. Mi a különbség a fajhő és a hőkapacitás között? 3. Milyen elven működik a hagyományos és a digitális hőmérő? 4. Fogalmazd meg legalább háromféleképpen a termodinamika első főtételét! 5. Fogalmazd meg legalább háromféleképpen a termodinamika második főtételét! 40
6. Hőtágulás szempontjából milyen különleges tulajdonságai vannak a víznek? 1. kísérlet Az alumínium fajhőjének mérése Eszközök: Ismert hőkapacitású kaloriméter keverővel és hozzá tartozó hőmérővel, alumínium darabkák, mérőpohár és digitális mérleg, egy kancsó meleg víz. A kísérlet leírása: Mérjük meg a szobában uralkodó hőmérsékletet, főzőpohár és digitális mérleg segítségével mérjük ki körülbelül 150 g vizet, majd öntsük a kaloriméterbe! A mérlegen mérjük meg a kiadott alumínium darabok tömegét, majd helyezzük ezt is a kaloriméterbe. Néhány percnyi kevergetés után a hőmérsékleti egyensúly beáll, ekkor olvassuk le a kialakult közös hőmérsékletet! Megjegyzések: 18. ábra A kimért alumínium tömege körülbelül a víz tömegének a kétszerese legyen! Mindig várjuk meg a hőmérsékleti egyensúly beálltát, de ne várjunk túl sokáig! Feladatok 1. Végezd el a kísérletet, és rögzítsd az adatokat! 41
2. A mérési eredmények segítségével számítsd ki az alumínium fajhőjét! 3. A mért fajhőt vesd össze a függvénytáblázatban található hivatalos értékkel! 4. Magyarázd meg az eltérések okát! Feladatok a korábbi emeltszintű érettségik számítási példái közül 1. 2010 okt. Egy elhanyagolható hőkapacitású edényben lévő mv= 0,5 kg tömegű 20 C-os vizet60 C-ra melegítettünk fel egy 1 kw teljesítményű elektromos főzőlapon. A melegítés2 percig tartott. Ha a vízben mf = 0,4 kg össztömegű fémdarabkák lettek volna,akkor 20 másodperccel tovább tartott volna a melegítés. (Feltételezhetjük, hogy a melegítés hatásfoka az időtől független állandó és mindkét esetben azonos.) A. Mennyi a merülőforraló hatásfoka? B. Mekkora a vízbe tett fém fajhője? 42
2. 2009 okt. Egy függőleges hengerben A= 20 cm 2 felületű, M = 10 kg tömegű, súrlódásmentesen mozgó dugattyú héliumgázt zár be. A gáz kezdeti hőmérséklete T 0 = 293 K, térfogatav 0 =400 cm 3. A gázt melegíteni kezdjük, eközben a dugattyú lassan Δ x = 10 cm-t emelkedik. A. Mennyi a bezárt gáz tömege? B. Mekkora a bezárt gáz hőmérséklete a melegítés végén? C. Mennyi munkát végzett a bezárt gáz a melegítés során? (P kül = 100kPa, az ábra nem méretarányos) 19. ábra 43
HALMAZÁLLAPOT VÁLTOZÁS ENERGETIKAI VIZSGÁLATA Ismétlés 1. Milyen halmazállapotokat ismersz? 2. Mi a különbség a párolgás és a forrás között? 3. Írj legalább egy példát minden halmazállapot változásra! 4. Mi a különbség az oldódás és az olvadás között? 5. Definiáld az olvadás és a forrás hő fogalmát! 6. Hogyan keletkezik a dér és a zúzmara? 44
1. kísérlet Kristályosodási hő mérése Eszközök: Ismert hőkapacitású kaloriméter keverővel és hőmérővel, szobahőmérsékletű víz mérőhengerben, stopperóra, ismert tömegű túlhűtött sóoldat (pl.: nátriumacetát-trihidrát) A kísérlet leírása: Öntsünk a mérőhengerből a kaloriméterbe ismert mennyiségű vizet! Mérjük meg a közös hőmérsékletet! Helyezzük a sóoldatot tartalmazó tasakot a kaloriméter fölé, és a benne található pöcök megnyomásával indítsuk el a kristályosodási folyamatot, majd helyezzük az edénybe! Ezzel egy időben indítsuk el a stopperórát, és percenként olvassuk le a hőmérsékletet, míg a melegedés tart! 20. ábra Megjegyzés: A víz tömege kb. 6-7 szerese legyen a tasak tömegének. Feladatok 1. Végezd el a mérést, és mért adatokat foglald táblázatba! T (C 0 ) t (min) 45
2. Készítsd el az idő-hőmérséklet grafikont! 3. Határozd meg a maximális hőmérsékletet! 4. A mért és megadott adatok segítségével határozd meg a sóoldat kristályosodási hőjét! Feladatok a korábbi emeltszintű érettségik számítási példái közül 1. 2008 okt. Vízszintes, súrlódásmentesen mozgó, elhanyagolható tömegű dugattyúval elzárt tartályban 40dm 3 térfogatú oxigén van. Az oxigén móltömege 32 g, a hőmérséklet 27 ºC, a külső légnyomás 10 5 Pa. A tartályban lévő gázt lassan, egyenletesen felmelegítettük, melynek során a gázkitágult és 1000 J munkát végzett a környezetén. 46
A. Mekkora a bezárt oxigén tömege? B. Mennyit változott a melegítés során a gáz hőmérséklete, s mekkora a végső hőmérséklet? C. Mekkora volt a hőfelvétel és a belső energia változása? D. Mennyit változott a melegítés során a gáz térfogata, s mekkora a térfogat a folyamat végén? 2. 2007. máj. Egy hőszigetelt edényben 1 kg szilárd anyagot kezdünk melegíteni. Tudjuk, hogy a melegítéshez használt elektromos fűtőszál teljesítménye állandó, valamint hogy az anyag fajhője szilárd fázisban2400 J/kgK. Az alábbi táblázatban található hőmérséklet adatokat olvastuk le a melegítés bizonyos időszakaiban. Ábrázolja a hőmérsékletet az idő függvényében! Mennyi az ismeretlen anyag olvadáspontja, forráspontja, olvadáshője és fajhője folyadék fázisban? 47
ELEKTROSZTATIKUS TÉR KÍSÉRLETI VIZSGÁLATA Ismétlés 1. Ismertesd az elektromos térerősség fogalmát! 2. Mi az a próbatöltés? 3. Hogy szól a töltésmegmaradás törvénye? 4. Mire használjuk a kondenzátorokat? 5. Mik azok az ekvipotenciális felületek? 6. Rajzold fel egy dipólus elektromos terét! 48
1. kísérlet Ekvipotenciális vonalak mérése elektromos térben. Eszközök: Feszültségmérő, kb. 10 V-os egyenfeszültség forrás, milliméterpapír, átlátszó kis kád, vezetékek és elektródák. A kísérlet leírása: Az ábrán látható kísérleti összeállításban a kis tálba vizet töltünk, és elhelyezzük a két elektródát. Az elektródákra kapcsoljuk a feszültségforrást. Végül a feszültségmérő egyik vezetékét az egyik elektródára kötjük, míg a másikat a kezünkben szabadon mozgatunk, és leolvassuk a különböző feszültség értékeket. 21. ábra Megjegyzések: A kádba ne töltsünk túl sok vizet, maximum 1-1,5 cm-t. A feszültségmérő védelmének érdekében nagyobb méréshatárral kezdjük el a kísérletet, amit később csökkenthetünk! Feladatok 1. A rendelkezésre álló eszközök segítségével állítsd össze a mérést! 2. Véletlenszerűen a kád néhány pontjában mérd meg a feszültséget! 49
3. Keress olyan görbéket (ekvipotenciális vonalakat), amelyek mentén a feszültség állandó, és ezeket rajzold le! 4. Az előző ábra alapján készíts vázlatos rajzot a tér erővonal szerkezetéről! 50
Feladatok a korábbi emeltszintű érettségik számítási példái közül 1. 2007 okt. Az ábrán látható áramkörben egy elhanyagolható belső ellenállású telep található, melynek elektromotoros ereje U = 10 V. Az ellenállások értéke R = 10 Ω. Mekkora az A és B pontok közti feszültség? 2. 2009 okt. 22. ábra Egy síkkondenzátor lemezeinek távolsága d = 1 cm, a lemezek köztifeszültség U = 1 V. A pozitív töltésű lemezbe fúrt lyukon át egy elektront lövünk be a kondenzátorlemezek közti térbe, azokra merőleges kezdősebességgel. A. Mekkora az elektron kezdősebessége a pozitív töltésű lemeznél, ha éppen eléri a negatív töltésű kondenzátorlemezt? B. Mennyi ideig tart az út az egyik lemeztől a másikig? 23. ábra 51
ELEKTROLIT VEZETÉSI TULAJDONSÁGÁNAK VIZSGÁLATA Ismétlés 1. Definiáld az elektromos áram fogalmát! 2. Hogy szól az Ohm-törvény? 3. Mi kell ahhoz, hogy egy folyadék vezesse az elektromos áramot? 4. Rajzolj le egy egyszerű galvánelem és vázlatosan ismertesd a működését! 52
1. kísérlet - Elektrolit elektromos ellenállásának vizsgálata Eszközök: Változtatható feszültségű váltó áram forrás, 1 db feszültségmérő és 1 db árammérő, két darab réz elektróda szigetelő lemezek közé helyezve, felül banándugós csatlakozóval, alul foglalatban kis égővel, állvány, ami az elektródákat tartja, mérőszalag és vízzel teli edény. A kísérlet leírása: Az ábra alapján összeállított kísérleti eszköz feszültségforrását kapcsoljuk be, és mérjük meg az izzó ellenállását! (Ezt a feszültség és áramerősség mérésével határozhatjuk meg.) Fokozatosan merítsük az elektródákat a vízbe, és legalább négy különböző magasságban mérjük az áramerősséget és feszültséget! 24. ábra Megjegyzések: Az elektródákat bekapcsolt állapotban ne érintsük meg, rövidzárlatot okozhat, és kellemetlen is. A műszerek méréshatárát először állítsuk magasabbra, és fokozatosan csökkentsük a készülékek védelmében! Ne használjunk egyenfeszültséget, mert az bonthatja a vizet! Feladatok 1. Mérd meg az izzó ellenállását! 2. Az elektródákat a vízbe merítve mit mondhatunk a lámpa fényerejéről? 3. Mi lehet a magyarázata a fényerősség változásnak? 53
4. Az elektródákat fokozatosan a vízbe merítve mérd meg az áramerősséget, és feszültséget, majd az adatokat foglald táblázatba! l (cm) I (A) U (V) 5. A táblázat adatai alapján készítsd el az áramerősség-mélység grafikont! 6. Hogyan változik a víz ellenállása az elektródák vízbemerülésének függvényében? 7. Az Ohm-törvény alapján határozd meg a víz fajlagos ellenállását! 54
Feladatok a korábbi emeltszintű érettségik számítási példái közül 1. 2011 okt. Hány elektron halad át egy másodperc alatt a 40 Ω ellenállású fémes vezető egy kiszemelt keresztmetszetén, ha a vezető végeire 1,6 V feszültséget kapcsolunk? 2. 2006 máj. Egy 20 Ω -os ellenállást és egy 10 Ω -os ellenállást kapcsolunk sorosan egy egyenáramú feszültségforrásra. Mekkora ellenállást kell párhuzamosan kapcsolni a 20 Ω -os ellenállással, hogy a 10 Ω os ellenállásra eső teljesítmény megduplázódjon? (A feszültségforrás ellenállása elhanyagolható.) 25. ábra 55
ÁRAMFORRÁS PARAMÉTEREINEK VIZSGÁLATA Ismétlés 1. Mit neveznünk kapocsfeszültségnek? 2. Mi az elektromotoros erő? 3. Hogyan mérhetjük meg az elektromotoros erőt? 4. Mi a belső ellenállás? 5. Írd fel a teljes áramköre vonatkozó Ohm-törvényt! 1. kísérlet Az áramforrás paramétereinek vizsgálata Eszközök: Egy 4,5 V-os telep, tolóellenállás, röpzsinórok, banándugó, kapcsoló, feszültség és árammérő műszer. A kísérlet leírása: Miután a felsorolt elemekből öszszeállítottuk az ábrán látható kapcsolási rajzot, a változtatható ellenállás legalább négy különböző helyzete mellett leolvassuk a műszerek adatait. 26. ábra 56
Megjegyzések: A tolóellenállást ne használjuk szélső helyzetben! A műszerek védelme érdekében a legnagyobb méréshatárral kezdjük a mérést, és ha szükséges fokozatosan csökkentjük azt. Feladatok 1. A rendelkezésre álló eszközök segítségével állítsd össze a mérést, és készíts kapcsolási rajzot! 2. A tolóellenállás négy különböző helyzete mellett olvasd le, és jegyezd fel a műszerek adatait. 3. Készítsd el a mérés feszültség-áramerősség grafikonját! 57
4. A grafikon segítségével határozd meg az áramforrás jellemző adatait! Feladatok a korábbi emeltszintű érettségik számítási példái közül 1. 2013 máj. Egy 1 ohmos ellenállást 4 voltos egyenfeszültségre kapcsolunk. Szeretnénk az ellenálláson átfolyó áram erősségét megmérni, de csak egy 1 amperes méréshatárú,0,01 Ω ellenállású árammérő műszerünk van. Ezért az ábra szerint beiktatunk az áramkörbe egy, a műszerrel párhuzamosan kötött ellenállást (sönt), a mivel a méréshatárt 5-szörösére növeljük. (A feszültségforrásnak nincs belső ellenállása.) 27. ábra A. Mekkora lehet a kapcsolásban a söntön átfolyó áram maximális értéke? Mekkora a sönt ellenállása? B. Számítsuk ki, hogy mennyivel változtatja meg az 1 Ω-os ellenálláson átfolyó áram erősségét a mérőműszer és a sönt beiktatása ahhoz az állapothoz képest, amikor csak az ellenállás van a telepre kapcsolva! Hány ezrelék pontatlanságot okoz a műszer és a sönt beiktatása az áramkörbe? 2. 2005 okt. Az ábra szerinti áramkörben a telep elektromotoros ereje 25 V, belső ellenállása 2 Ω. Az ellenállások nagysága: R1 = 40 Ω, R2 = 60 Ω, R3 = 24 Ω. A. Mekkora a főágban folyó áram áramerőssége? B. Határozza meg a telep kapocsfeszültségét! 28. ábra 58
ELLENÁLLÁS MÉRÉS WHEATSTONE-HÍDDAL Ismétlés 1. Hogyan kell bekötni az áramerősség mérőt az áramkörbe? 2. Hogyan kell bekötni a feszültségmérőt az áramkörbe? 3. Fogalmazd meg a csomóponti törvényt! 4. Fogalmazd meg a hurok-törvényt! 5. Mit nevezünk effektív értéknek? 6. Mekkora a hálózati áramforrás effektív értéke és frekvenciája? 1. kísérlet Zseblámpaizzó ellenállásának mérése Eszközök: Röpzsinórok, kapcsoló, zseblámpaizzó foglalatban (3,5 V, 0,2 A), három darab ismert értékű ellenállás, 1,5 V-os elem, árammérő műszer, 1 m hosszú ellenállás huzal (kb. 11 Ω/m) két végén kialakított csatlakozóval és centiméter skálával. 59
A kísérlet leírása: Az ellenállásmérés egyik közkedvelt módja a Wheatstone-híd, vagy más néven feszültségosztó. Ha két-két ellenállást párhuzamosan kötünk, és azok aránya megegyezik akkor az ellenállások által közrezárt pontok között nem fog áram folyni, ezt egy ampermérővel ellenőrizhetjük. Az ábrán látható mérési eljárásban a 29. ábra felső két ellenállást nem ismerjük, de a vezetékek hosszából tudjuk az arányukat. A kísérleti összeállítással ezen az elven mérjük az ellenállást. Megjegyzések: Az ampermérő méréshatárát kezdetben a legnagyobbra állítjuk, ha később szükséges csökkentjük, ezzel igyekszünk a műszert védeni. Az ampermérő vezetékét ne toljuk szélső helyzetbe! Feladatok 1. A rendelkezésre álló eszközök segítségével állítsd össze a mérést, és készíts vázlatos kapcsolási rajzot! (Az Rx ellenállás legyen a zsebizzó, míg az Rs az egyik ismert ellenállás!) 2. Mindegyik ismert ellenállás mellett keresd meg azokat a helyzeteket, amikor az ampermérőn nem folyik áram, és olvasd le a huzal két szakaszának arányát, jegyezd fel a mért adatokat! 60
3. Mindhárom mérés eredményeiből számítsd ki az izzó ellenállásának értékét! 4. Magyarázd meg az eltérések okát! Feladatok a korábbi emeltszintű érettségik számítási példái közül 1. 2012 máj. Egy d = 0,05 m szélességű térrészben E = 2 10 4 V/m térerősségű homogén elektromos tér van. A térbe az erővonalakkal párhuzamosan, irányukkal ellentétesen v=10 6 m/s sebességű protont lövünk be. A. Mekkora sebességgel lép ki a proton a térből? B. Milyen széles tér fékezné le teljesen a protont? C. Hogyan módosulnak az eredményeink, ha proton helyett alfarészecskét használunk? 30. ábra 2. 2012 okt. Az alumínium gyártásakor a timföldolvadék elektrolízise során a három vegyértékű alumínium a katódon válik ki. Mennyi alumínium keletkezik 1 óra alatt, ha az áramerősség 50000 A? Az elektrolízishez használt feszültség 4 V. Mekkora az 1 kg alumínium előállításához felhasznált energia? 61
TERMISZTOROS HŐMÉRŐ KÉSZÍTÉSE, FÉLVEZETŐ Ismétlés ELLENÁLLÁSÁNAK HŐMÉRSÉKLETFÜGGÉSE 1. Hogyan változik a fémek ellenállása a hőmérséklet növekedésével? 2. Mi a különbség a szigetelő, vezető és félvezető anyagok között? 3. Írj példákat félvezető anyagokra! 4. Mi a különbség a p és az n típusú félvezetők között? 5. Mely elektronikai eszközökben találunk félvezetőket? 1. kísérlet Termisztor ellenállásának hőmérsékletfüggése Eszközök: Termisztor a kivezetésére forrasztott banándugókkal, közönséges hőmérő, univerzális ellenállás mérő, termoszban meleg víz, egy kancsó csapvíz valamint egy kisebb tál. 62
A kísérlet leírása: Öntsünk meleg vizet a tálunkba, a hagyományos hőmérővel mérjük meg a hőmérsékletét, majd helyezzük bele a termisztort, és a kivezetéseit kössük az ellenállás mérőhöz! Hideg víz adagolásával lépésenként csökkentsük a hőmérsékletet, mindig várjuk meg a termikus egyensúly beálltát, és olvassuk le a mért értékeket legalább 5-6 különböző hőmérsékleten! Feladatok 31. ábra 1. Végezd el a kísérletet, és a mért adatokat foglald táblázatba! T (C 0 ) R (Ω) 2. A táblázat adatai segítségével ábrázold a termisztor ellenállását a hőmérséklet függvényében! 63