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

Hasonló dokumentumok
1. Feladatok a dinamika tárgyköréből

1. ábra. 24B-19 feladat

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

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

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

1. Feladatok munkavégzés és konzervatív erőterek tárgyköréből. Munkatétel

Felvételi, 2017 július -Alapképzés, fizika vizsga-

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

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

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

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

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

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

Tömegpontok mozgása egyenes mentén, hajítások

1. Feladatok merev testek fizikájának tárgyköréből

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

KÖRMOZGÁS, REZGŐMOZGÁS, FORGÓMOZGÁS

= Φ B(t = t) Φ B (t = 0) t

Felvételi, 2018 szeptember - Alapképzés, fizika vizsga -

Munka, energia Munkatétel, a mechanikai energia megmaradása

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

FIZIKA II. Dr. Rácz Ervin. egyetemi docens

A nagyobb tömegű Peti 1,5 m-re ült a forgástengelytől. Összesen: 9p

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

Rezgés tesztek. 8. Egy rugó által létrehozott harmonikus rezgés esetén melyik állítás nem igaz?

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

Elektrosztatika Mekkora két egyenlő nagyságú töltés taszítja egymást 10 m távolságból 100 N nagyságú erővel? megoldás

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

Gyakorló feladatok Feladatok, merev test dinamikája

MÁGNESES TÉR, INDUKCIÓ

Figyelem! Csak belső és saját használatra! Terjesztése és másolása TILOS!

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

Mechanikai rezgések Ismétlő kérdések és feladatok Kérdések

-2σ. 1. A végtelen kiterjedésű +σ és 2σ felületi töltéssűrűségű síklapok terében az ábrának megfelelően egy dipól helyezkedik el.

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

1. feladat R 1 = 2 W R 2 = 3 W R 3 = 5 W R t1 = 10 W R t2 = 20 W U 1 =200 V U 2 =150 V. Megoldás. R t1 R 3 R 1. R t2 R 2

Hatvani István fizikaverseny Döntő. 1. kategória

PÉLDÁK ERŐTÖRVÉNYEKRE

Rezgőmozgás. A mechanikai rezgések vizsgálata, jellemzői és dinamikai feltétele

2.3 Newton törvények, mozgás lejtőn, pontrendszerek

Gépészmérnöki alapszak Mérnöki fizika ZH NÉV: október 18. Neptun kód:...

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

W = F s A munka származtatott, előjeles skalármennyiség.

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

Fizika 1i, 2018 őszi félév, 4. gyakorlat

Mit nevezünk nehézségi erőnek?

Gépészmérnöki alapszak, Mérnöki fizika 2. ZH, december 05. Feladatok (maximum 3x6 pont=18 pont)

Mérések állítható hajlásszögű lejtőn

Irányításelmélet és technika I.

3.1. ábra ábra

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

71. A lineáris és térfogati hőtágulási tényező közötti összefüggés:

A 2006/2007. tanévi Országos középiskolai Tanulmányi Verseny második fordulójának feladatai és azok megoldásai f i z i k á b ó l. I.

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

1. fejezet. Gyakorlat C-41

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

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

a) Valódi tekercs b) Kondenzátor c) Ohmos ellenállás d) RLC vegyes kapcsolása

Egy mozgástani feladat

Mechanika - Versenyfeladatok

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

Megoldás: A feltöltött R sugarú fémgömb felületén a térerősség és a potenciál pontosan akkora, mintha a teljes töltése a középpontjában lenne:

Vezetők elektrosztatikus térben

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

Komplex természettudomány 3.

Fizika 1 Elektrodinamika beugró/kis kérdések

1. feladat. 2. feladat

Hatvani István fizikaverseny forduló megoldások. 1. kategória

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

A 2008/2009. tanévi FIZIKA Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny első fordulójának. feladatai és megoldásai fizikából. I.

Öveges korcsoport Jedlik Ányos Fizikaverseny 2. (regionális) forduló 8. o március 01.

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

Mechanika. Kinematika

Javítási útmutató Fizika felmérő 2015

Elméleti kérdések 11. osztály érettségire el ı készít ı csoport

EGYSZERŰ GÉPEK. Azok az eszközök, amelyekkel kedvezőbbé lehet tenni az erőhatás nagyságát, irányát, támadáspontjának helyét.

FIZIKA ZÁRÓVIZSGA 2015

Jedlik Ányos Fizikaverseny 3. (országos) forduló 8. o A feladatlap

FIZIKA II. Az áram és a mágneses tér kapcsolata

Rezgőmozgás, lengőmozgás

A mérés célkitűzései: A matematikai inga lengésidejének kísérleti vizsgálata, a nehézségi gyorsulás meghatározása.

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

Mérnöki alapok 2. előadás

6. MECHANIKA-STATIKA GYAKORLAT (kidolgozta: Triesz Péter, egy. ts.; Tarnai Gábor, mérnöktanár)

Fizika minta feladatsor

Egy általánosabb súrlódásos alapfeladat

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

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

A mechanikai alaptörvények ismerete

Dinamika. A dinamika feladata a test(ek) gyorsulását okozó erők matematikai leírása.

35. Mikola Sándor Országos Tehetségkutató Fizikaverseny I. forduló feladatainak megoldása

FIZIKA II. Az áram és a mágneses tér kapcsolata

Rezgések és hullámok

Az inga mozgásának matematikai modellezése

9. évfolyam. Osztályozóvizsga tananyaga FIZIKA

Elektromágnesség 1.versenyfeladatsor Varga Bonbien, VABPACT.ELTE

3. Az alábbi adatsor egy rugó hosszát ábrázolja a rá ható húzóerő függvényében:

MEGOLDÓKULCS AZ EMELT SZINTŰ FIZIKA HELYSZÍNI PRÓBAÉRETTSÉGI FELADATSORHOZ 11. ÉVFOLYAM

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

2.4. Coulomb-súrlódással (száraz súrlódással) csillapított szabad rezgések

Átírás:

Oktatási Hivatal 9/. tanévi Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny második fordulójának feladatai és megoldásai fizikából II. kategória dolgozatok elkészítéséhez minden segédeszköz használható. Megoldandó az első két feladat és a / és /B sorszámú feladatok közül egy szabadon választott. Csak feladat megoldására adható pont. Ha valaki 4 feladat megoldását adja be, a / és /B feladat közül a több pontot elérő megoldást vesszük figyelembe. Minden feladat teljes megoldása pontot ér. Részletes, egységes pontozás nem adható meg a feladatok természetéből következően, ugyanis egy-egy helyes megoldáshoz több különböző, egyenértékű helyes út vezethet. feladat numerikus végeredményével megközelítően azonos eredményt kihozó megoldó erre a részfeladatra pontot kap, amennyiben elvileg helytelen úton jut el. Fizikailag értelmes gondolatmenet estén a kis numerikus hiba elkövetése miatt (a részfeladat terjedelmétől függően) pont vonható le. o. Egy m kg tömegű, vékony, merev rúd egyik végét α hajlásszögű lejtő lapjához rögzítjük csukló segítségével az ábrán látható módon. rudat vízszintes helyzetből kezdősebesség nélkül elengedjük. lejtő és a rúd közti súrlódási együttható µ,. (Tételezzük fel, hogy a mozgás során a rúd csak a felezőpontjában érintkezik a lejtővel.) Mekkora a csuklóban ébredő erő, abban a helyzetben, amikor a rúd o elfordulása φ 6? Megoldás: mozgás során a testre négy erő hat: - nehézségi erő (mg) - lejtő síkjára merőleges kényszererő (N) - csuklóerő (F) F φ és F r komponensekkel - a rúdra merőleges, sebességgel ellentétes súrlódási erő a TKP-ban (S) lejtő síkjára merőleges irányban: súrlódási erő: munkatétel alapján a forgási energia: N mg cos( α) () S µn ()

l ml l ω mg sin( φ)sin( α) S φ, () ahol l a rúd hossza. fenti egyenletekből ( sin( α)sin( φ) µ cos( α φ) g ω ) l (4) adódik. z ábra a lejtő síkjában ható erőket (erőkomponenseket) mutatja a lejtő síkjára való rálátásból. forgómozgás alapegyenlete a csuklóra felírva: honnan: l, (5) ( mg sin( α)cos( φ) S ) ml β β g l ( sin( α)cos( φ) µ cos( α) ) forgómozgás alapegyenlete a TKP-ra felírva: (6) és (7) alapján radiális mozgásegyenlet: Innen (4) felhasználásával. (6) l F φ ml β. (7) Fφ mg( sin( α)cos( φ) µ cos( α )) (8) 4 l Fr mg sin( α ) sin ( φ) mω.(9) Fr mg( 5sin( α)sin( φ) µ cos( α) φ ) () adódik.

z adatokat behelyettesítve F φ, 9 N, F r 846, N Így F Fr + Fφ 8,69 N adódik a csuklóerőre.. Vízszintes síkban fekvő, egymástól l távolságra lévő párhuzamos vezető sínek egyik végét L önindukciójú tekercs köti össze. síneket merőlegesen összekötő m tömegű fémrudat v sebességgel meglökjük, és magára hagyjuk a B indukciójú függőleges homogén mágneses térben. rúd és a sín közötti súrlódási együttható µ. z ohmos ellenállás elhanyagolható. a) z indítás helyétől mérve maximum milyen messzire jut el a fémrúd? b) mozgása során hányszor vált irányt a fémrúd? datok: B, T, L µh, l, m, m, kg, v m/s, µ,, Megoldás: g m s. huroktörvény szerint a zárt áramkörben a feszültségek előjeles összege nulla ( ) U. Ez azt jelenti, hogy a tekercsben az önindukció miatt keletkező feszültség és a mozgó fémrúdban a mozgási indukció miatt keletkező feszültség azonos nagyságú, de ellentétes körüljárású. I L t B l v Használjuk fel, hogy x v. Így t I x L B l, t t ahonnan L I B l x. Mivel a kezdeti pillanatban az áram nulla adódik, hogy L I B l x.

rúdra alkalmazzuk a dinamika alapegyenletét úgy, hogy a súrlódást még ne vegyük figyelembe: F m a B l x B l m a B I l B l L L x Látható, hogy amennyiben a súrlódást nem vesszük figyelembe, a fémrúdra harmonikus erő hat, amelyet B l L rugóállandó jellemez. mennyiben a súrlódást is figyelembe vesszük, a fémrúd olyan csillapodó rezgőmozgást végez, amely harmonikus szakaszokból áll, de a rezgés egyensúlyi helyzete a mozgás irányától függően változik (lásd alább). a) z indítási hely és az attól legtávolabbi hely között írjuk fel a fémrúdra a munkatételt. W E mozgási µ m g m v másodfokú egyenlet megoldó képlete szerint: ( ), µ mg ± ( µ mg) + mv két megoldás közül a vizsgált problémára csak pozitívnak van értelme: ( µ mg) µ mg + + mv,7 m. z indítás helyétől mérve,7 m messzire jut el a fémrúd. b) fémrúd minden félperiódusban harmonikus rezgőmozgást végez, amelynek egyensúlyi helyzete a mozgás irányától függően a súrlódási erő következtében az x, µ mg ± pontok között változik. ( pozitív előjel a jobbra mozgáshoz tartozik.) z első fordulópont utáni fél periódushoz tartozó, az egyensúlyi helyzettől tekintve mindkét irányú amplitúdó 4

µ mg. következő forduló utáni félperiódushoz tartozó amplitúdót megkapjuk a következő egyenletből: µ mg µ mg µ mg + +. Általánosan a k-adik félperiódushoz tartozó amplitúdó: µ mg ( k ). k test annak a félperiódusnak a második felében áll meg, amelyhez tartozó amplitúdó kisebb a bal-, és jobboldali egyensúlyi helyzetek µ mg távolságánál. Ez a feltétel -ra teljesül. Tehát a mozgás a következő módon fog megvalósulni: z indulás helyétől eltávolodik -t, majd megfordul. Ez az első irányváltás. következő fél periódusban út megtétele után ismét megfordul. Ez a második irányváltás. következő fél periódusban út megtétele következik, majd megfordul a test. Ez a harmadik irányváltás. Ezután az első hosszú út megtétele még zavartalan, de a második hosszú út megtétele már nem zavartalan, hiszen < µ mg állva is marad a µ mg mg, µ tartomány valamely pontjában. Összegezve: fémrúd a csillapodó rezgőmozgása során összesen háromszor vált irányt.. fémrúd megáll, és Megjegyzések:. z a) kérdésre tisztán dinamikailag is meg lehet adni a választ.. b) kérdés energetikailag is megválaszolható: a fordulópont ott van, ahol a mozgási energia. Érdekességek: z egyes amplitúdók értékei: 7, cm, 4, cm, 8, cm,, cm. rúd teljes megtett útja: s + ( + + ) 66,54 cm. rúd helye megálláskor a rúdtól előre,78 cm. Ekkor a körben folyó áram az ohmos ellenállás elhanyagolható, és az L I B l x miatt.78. rúd kezdeti mozgási energiája, J, a súrlódási erő teljes munkája,996 J, a tekercs mágneses terének energiája a benne maradó áram miatt,4 J. (Kerekítési hibák.) 5

/ Egyenletesen töltött, ρ > térfogati töltéssűrűséggel rendelkező R sugarú, hosszú egyenes, merev szigetelő hengerre szigetelő anyagból készült Q < töltésű, m tömegű vékony rugalmas gyűrűt húzunk az ábrán látható módon. Nyújtatlan állapotban a szigetelő gyűrű sugara,99r, rugóállandója, és x megnyúlás esetén x húzóerő ébred benne. hengert szimmetriatengelye körül egyre növekvő szögsebességű forgásba hozzuk igen kis szöggyorsulással. Határozzuk meg azt a szögsebességet melynél a gyűrű elkezd lefelé csúszni, ha a gyűrű és a henger közti tapadási súrlódási együttható µ! Megoldás: henger felülete mentén az elektromos tér a Gauss-törvényből: El R π ρr π l () Innen a henger töltésétől származó elektromos térerőség a henger felületén ρr E. () gumigyűrűben ébredő erő a megnyúlás következtében: F, R π () r z egyensúly feltételének felírásához tekintsünk a gyűrű egy az ábra szerinti ϕ szög alatt látszó darabját. Ennek töltése és tömege ϕ Q Q (4) π ϕ m m (5). π Q töltésre ható befelé mutató erő nagysága F e QE (6). Egyenletes körmozgás dinamikai feltételéből adódik, hogy 6

sin ϕ + (7). Fr Fe N mω R Felhasználva a kis szögre érvényes közelítést: ϕ ϕ sin.(8) () (8) egyenletekből ρ Q mω N +,π R ϕ (9) 4π π adódik. függőleges irányú megcsúszás feltétele: µ N m g () (8) (9) egyenletekből a keresett szögsebességre ρ Q,4π g ω + m m µ R adódik. 7

/B Két azonos méretű, felületű, függőleges síkú, rögzített, párhuzamos fémlemez egymáshoz közel helyezkedik el. bal oldali () jelű lemez elektromos töltése Q, a () jelű lemezé ( < < Q). második lemeztől jobbra egy ugyanekkora méretű, m tömegű, () jelű lemezt hosszú fonálon függesztünk fel d távolságra a két rögzített lemezzel párhuzamosan, és ennek a lemeznek Q töltést adunk. Elengedés után a () jelű lemez gyakorlatilag vízszintesen, szabadon mozog, és tökéletesen rugalmasan ütközik a rögzített középső lemezzel. z ütközés ideje elegendő arra, hogy egyensúlyi töltéseloszlás alakuljon ki a két ütköző lemezen. Határozzuk meg a () jelű lemez sebességét, amikor az ütközés után újra d távolságra kerül a középső lemeztől! ( számítás során hanyagoljuk el a széleffektusokat, vagyis tekintsük úgy, hogy az elektromos mező mindenhol vízszintes vagy nulla.) Megoldás: () és a () lemez között a térerősséget a Gauss-tétel és a szuperpozíció alkalmazásával kaphatjuk meg: Q E, ahol az indexben lévő nyíl a térerősség irányát mutatja. () lemez külső felületén + töltés, a belső felületén Q töltés helyezkedik el. () lemeztől jobbra a térerősség: E. () lemezre ható erő: F 8 ( ) E E Q Q Q Q. Megjegyezzük, hogy ugyanezt az eredményt úgy is megkaphatjuk, ha az () és () jelű lemezek által keltett teret számítjuk ki: E Q +,

ami a () jelű lemezen lévő Q töltésre hat, és ami természetszerűleg ugyanakkora ( ) Q Q F QE+ erőt eredményez. Ennek az állandó erőnek az ütközésig történő munkavégzése: ( ) Q Q d W F d. z ütközéskor a () jelű lemezen csak a külső felületén lévő + töltés marad meg, mert a () és () lemezek egymással érintkező oldalain lévő, azonos nagyságú, ellentétes előjelű töltések kioltják egymást. Ennek megfelelően a () jelű lemezen Q + töltés lesz, ami a () lemez bal oldali felületén helyezkedik el, vagyis a () és () lemezek között a térerősség az ütközést követően mindvégig nulla lesz. nulla térerősség abból is következik, hogy ütközéskor az érintkező felületek a fém belsejének számítanak. z ütközés után megint kétféleképpen számíthatjuk ki a () jelű lemezre ható erőt, de most a megoldás elején alkalmazott módszer az egyszerűbb: F E 8. Ha az () és () lemezeken lévő töltések terét adjuk össze, és ennek hatását számítjuk ki a () lemezen maradt + töltésre, akkor is természetesen ugyanezt az eredményt kapjuk. visszapattanáskor végzett munka: W d F d. 8 () jelű lemez mozgási energiáját a két munkavégzés összege adja meg: mv W + W d Q Q amiből a () jelű lemez kérdéses sebessége: Megjegyzés: ( ) d v Q. m d + 4 Q, 9

feladatot úgy is megoldhatjuk, ha a rendszer elektrosztatikus energia változását egyenlővé tesszük a () lemez mozgási energiájával, hiszen a kezdeti és a végállapot között csak annyi a különbség, hogy a () és () lemezek közötti elektromos mező megszűnik, a () lemez mozgási energiára tesz szert, egyébként minden más változatlan marad: d Q d Q d E mv, amiből már látszik, hogy a lemez végsebességére az előzővel megegyező eredményt kapunk, tehát megnyugodhatunk a megoldásunk helyességét illetően.