A 31. Nemzetközi Fizikai Diákolimpia feladatai

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

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

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

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

3.1. ábra ábra

Fizika II. feladatsor főiskolai szintű villamosmérnök szak hallgatóinak. Levelező tagozat

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

FIZIKA ZÁRÓVIZSGA 2015

1. fejezet. Gyakorlat C-41

Fizika 2 - Gyakorló feladatok

= Φ B(t = t) Φ B (t = 0) t

FIZIKA II. Dr. Rácz Ervin. egyetemi docens

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

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

1. ábra. 24B-19 feladat

Az Ampère-Maxwell-féle gerjesztési törvény

Mérés: Millikan olajcsepp-kísérlete

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

Kifejtendő kérdések június 13. Gyakorló feladatok

1. Feladatok a dinamika tárgyköréből

Név:.kódja... Szakja:... címe.. Kérjük, hogy mielőtt elkezdi a feladatok megoldását, válaszoljon az alábbi kérdésekre!

9. évfolyam. Osztályozóvizsga tananyaga FIZIKA

MÁGNESES TÉR, INDUKCIÓ

Pótlap nem használható!

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

Felvételi, 2017 július -Alapképzés, fizika vizsga-

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

Mechanika - Versenyfeladatok

Tömegpontok mozgása egyenes mentén, hajítások

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

2, = 5221 K (7.2)

Theory hungarian (Hungary)

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

KÖRMOZGÁS, REZGŐMOZGÁS, FORGÓMOZGÁS

Elektromágneses hullámok

Röntgensugárzás az orvostudományban. Röntgen kép és Komputer tomográf (CT)

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

Compton-effektus. Zsigmond Anna. jegyzıkönyv. Fizika BSc III.

Modern Fizika Labor. 2. Elemi töltés meghatározása

A mágneses szuszceptibilitás vizsgálata

Speciális relativitás

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

Gyakorlat 34A-25. kapcsolunk. Mekkora a fűtőtest teljesítménye? I o = U o R = 156 V = 1, 56 A (3.1) ezekkel a pillanatnyi értékek:

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

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

Vezetők elektrosztatikus térben

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

Mechanikai rezgések Ismétlő kérdések és feladatok Kérdések

Osztályozó vizsga anyagok. Fizika

Szilárd testek rugalmassága

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

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

Modern fizika vegyes tesztek

Hangfrekvenciás mechanikai rezgések vizsgálata

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

5.1. ábra. Ábra a 36A-2 feladathoz

Név:...EHA kód: tavasz

Hangfrekvenciás mechanikai rezgések vizsgálata

Hatvani István fizikaverseny Döntő. 1. kategória

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

Magfizika tesztek. 1. Melyik részecske nem tartozik a nukleonok közé? a) elektron b) proton c) neutron d) egyik sem

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

Tornyai Sándor Fizikaverseny Megoldások 1

Zaj- és rezgés. Törvényszerűségek

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

11. Egy Y alakú gumikötél egyik ága 20 cm, másik ága 50 cm. A két ág végeit azonos, f = 4 Hz

KÖZÉPSZINTŰ ÍRÁSBELI VIZSGA

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

Fizika minta feladatsor

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

Értékelési útmutató az emelt szint írásbeli feladatsorhoz

ELEKTRONIKAI ALKATRÉSZEK

1. Feladatok munkavégzés és konzervatív erőterek tárgyköréből. Munkatétel

A kvantummechanika kísérleti előzményei A részecske hullám kettősségről

TABLETTÁK ÉS KAPSZULÁK SZÉTESÉSE

2. Hangfrekvenciás mechanikai rezgések vizsgálata jegyzőkönyv. Zsigmond Anna Fizika Bsc II. Mérés dátuma: Leadás dátuma:

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

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

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

Optika gyakorlat 6. Interferencia. I = u 2 = u 1 + u I 2 cos( Φ)

Mit nevezünk nehézségi erőnek?

Elektrotechnika. Ballagi Áron

Alkalmazás a makrókanónikus sokaságra: A fotongáz

Nehézségi gyorsulás mérése megfordítható ingával

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

Újpesti Bródy Imre Gimnázium és Ál tal án os Isk ola

1. Feladatok merev testek fizikájának tárgyköréből

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

Jegyzőkönyv. mágneses szuszceptibilitás méréséről (7)

ELEKTROMOSSÁG ÉS MÁGNESESSÉG

Bevezetés a modern fizika fejezeteibe. 4. (e) Kvantummechanika. Utolsó módosítás: december 3. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

A II. kategória Fizika OKTV mérési feladatainak megoldása

7. Mágneses szuszceptibilitás mérése

Rezgés, Hullámok. Rezgés, oszcilláció. Harmonikus rezgő mozgás jellemzői

Rezgések és hullámok

Felvételi, 2018 szeptember - Alapképzés, fizika vizsga -

Abszorpciós spektroszkópia

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

Az elektron hullámtermészete. Készítette Kiss László

19. A fényelektromos jelenségek vizsgálata

Átírás:

Elméleti forduló A 31. Nemzetközi Fizikai Diákolimpia feladatai 1 2000. 1. feladat. Néhány (egymástól független) probléma. A) Egy "halálugró" (bungee jumper) leugrik egy hídról. A derekára kötött rugalmas kötél másik vége a hídhoz van erősítve. A hídról lelépve nyugalmi helyzetből kezd zuhanni. A mozgás során az ember nem érinti a vizet. Az ugró ember tömege m, a kötél nyújtatlan hossza L, a kötél direkciós ereje (az az erő amely a kötelet 1 m-rel nyújtja meg) k, a gravitációs állandó g. A feladat során feltételezzük, hogy - az ember tömegpontként kezelhető, - a kötél tömege elhanyagolható m-hez képest, - a kötél a Hooke-törvénynek megfelelően viselkedik - a légellenállás elhanyagolható. Határozd meg a) az ugró ember y elmozdulását, amikor először kerül nyugalmi helyzetbe b) az ugró ember maximális v sebességét az ugrás során, c) azt a t időt, ami addig telik el, amíg az ugró először kerül nyugalmi helyzetbe! B) Egy hőerőgép két egyforma test között működik. A testek hőmérséklete kezdetben T A, ill. T B (T A > T B ), mindkettő tömege m és fajhője c. A testek környezetében a nyomás nem változik, és halmazállapot-változások sem történnek. a) Határozd meg a testek végső T o hőmérsékletét, ha a hőerőgép az elvileg lehetséges maximális munkát végzi el működése során! (Részletes levezetés szükséges.) b) Vezesd le az így nyerhető maximális munkát kifejező képletet! c) Egy konkrét esetben a hőerőgép két víztartállyal működik, térfogatuk 2,50 m 3. Az egyik hőmérséklete 350 K, a másiké 300 K. Számítsd ki a maximálisan nyerhető munkát! A víz fajhője 4,19 10 3 J/(kg K), a víz sűrűsége 1,00 10 3 kg/m 3. C) Tételezzük fel, hogy a Föld keletkezésekor a 238 U és a 235 U izotópok jelen voltak, bomlástermékeik viszont hiányoztak. A 238 U és a 235 U bomlását használjuk fel a Föld T életkorának meghatározásához. a) A 238 U izotóp felezési ideje 4,50 10 9 év. A bomlástermékek felezési ideje ehhez képest olyan rövidnek tekinthető, hogy létezésüket első közelítésben elhanyagolhatjuk. A bomlási sorozat végül a stabil 206 Pb izotópban végződik. Fejezd ki a 238 U izotóp bomlása során keletkező 206 Pb atomok számát (jelöld ezt a számot 206 n-nel), az adott időpontban levő 238 U atomok számával (jelöld ezt a számot 238 N -nel) és a 238 U felezési idejével, az idő függvényében! (Célszerű az időt 10 9 év egységekben mérni.) b) Hasonlóan az előbbi pontban leírtakhoz a 235 U izotóp 0,710 10 9 év felezési idővel rövid felezési idejű bomlástermékeken keresztül stabil 207 Pb izotópot eredményez. Fejezd ki 207 n -t 235 N- nel és a 235 U felezési idejével az idő függvényében! c) Uránércet ólomérccel keverve vizsgáltunk tömegspektrométerrel. A 204 Pb, 206 Pb és 207 Pb izotóp relatív koncentrációjának mérése az adott atomok számának következő arányát eredményezte: 1,00 : 29,6 : 22,6. A 204 Pb izotópot használtuk referenciaként mivel ez az izotóp nem radioaktív. A tiszta ólomérc vizsgálata a következő arányokat eredményezte: 1,00 : 17,9: 15,5. Tudjuk, hogy a 238 N : 235 N arány 137 : 1. Vezess le egy egyenletet, amelynek T az ismeretlene! d) Határozd meg T közelítő értékét! A számolás során feltételezheted, hogy T sokkal nagyobb, mint bármely uránizotóp felezési ideje. e) Láthatjuk, hogy ez a közelítő érték nem sokkal nagyobb, mint a hosszabb felezési idő, de felhasználható egy sokkal pontosabb T érték meghatározására. Ilyen módon (vagy akár más módszerrel) becsüld meg a Föld életkorát 2 %-os pontossággal! 1 Készült a KöMaL felhasználásával.

D) Tekintsünk egy Q töltésű, homogén töltéssűrűségű, vákuumban lévő R sugarú gömböt! a) Határozd meg az elektromos térerősséget a gömb középpontjától mért r távolság függvényében r R és r > R esetében! b) Határozd meg a teljes elektromos mező energiáját az adott töltéseloszlás esetén! E) Egy vékony, kör alakú rézgyűrű forog a Föld mágneses terében egy rögzített függőleges tengely körül, amely egyben a gyűrű átmérője is. A Föld mágneses terének indukcióvektora az adott pontban 44,5 mt, az indukcióvektor iránya a vízszintessel 64 -os szöget zár be. Számítsd ki, mennyi idő alatt csökken a gyűrű szögsebessége az eredeti szögsebesség felére! Ez az idő sokkal nagyobb, mint a forgás periódusideje. A réz sűrűsége 8,90 10 3 kg/m 3, fajlagos ellenállása pedig 1,70 10-8 Ωm. Tételezd fel, hogy a súrlódási effektusok elhanyagolhatók, valamint az önindukció jelensége is elhanyagolható (még akkor is, ha ez egyébként számottevőnek bizonyulna)!

2. feladat. Az elektron fajlagos töltésének meghatározása. ernyő a) Egy katódsugárcsövet homogén, B indukciójú mágneses mezőbe helyezünk. A katódsugárcső egy elektronágyúból és egy ernyőből áll. A katódsugárcső elektronsugarának tengelye párhuzamos a B mágneses indukcióvektorral, ahogy azt az ábra szemlélteti. B Az elektronsugár az anódot elhagyva a tengely mentén halad, de attól legfeljebb 5 -os szögben szóródik. Általában egy elmosódott foltot lehet látni az ernyőn, de a elektronágyú B mágneses indukció bizonyos értékeinél egy élesen fókuszált pont jelenik meg. Egy elektron mozgását tanulmányozva, amint β szögben mozog a tengelyhez képest (ahol 0 β 5 ), továbbá megvizsgálva az elektron mozgásának a tengellyel párhuzamos és arra merőleges komponensét, vezess le egy összefüggést az elektron fajlagos töltésére, azaz az e/m hányados meghatározására az alábbi mennyiségek függvényében: - a legkisebb B mágneses indukcióvektor értéke, amely a fókuszáláshoz szükséges, - az elektronágyú V gyorsító feszültsége (vedd figyelembe, hogy V < 2 kv), - az anód és az ernyő közti D távolság. b) Tekintsünk egy másik módszert az e/m, arány meghatározására! Az elrendezést oldalnézetben és felülnézetben az ábrákon, a B mágneses indukcióvektor irányának feltüntetésével. Ebben a homogén B mágneses indukcióvektorú mágneses mezőben két kör alakú, ρ lemezek Φ Φ A tartomány B tartomány elektronágyú sugarú sárgaréz lemez található, amelyek egymástól nagyon kis t távolságra helyezkednek el. t 5 5 o o lemezek B Az elrendezés felülnézete. A felső lemez pozitív töltésű, ha V > 0 B ρ s A lemezek közötti elektromos feszültség V. A lemezek egymással párhuzamosak és koaxiálisak, a tengelyük a mágneses indukcióvektorra merőleges. A kör alakú lemezeket egy ρ + s sugarú henger veszi körül, melynek belső felületét fényérzékeny borítja. (Más szavakkal: a s távolságra van a lemezek szélétől.) Az egész elrendezés vákuumban van, t sokkal kisebb, mint s, illetve ρ. A lemezek középpontjai közé egy pontszerű β-részecske forrást helyezünk, amely minden irányba egyenletesen, egy bizonyos sebességtartományban bocsát ki részecskéket. Ugyanazt a et használjuk a következő három esetben: először B = 0 és V = 0, másodszor B = B o és V = V o harmadszor B = -B o és V = -V o, ahol B o és V o pozitív állandók. Vedd figyelembe, hogy a felső lemez pozitív töltésű, amikor V > 0 (negatív töltésű, amikor V < 0). A mágneses indukcióvektor irányát az előző két ábra mutatja B > 0 esetben (ellentétes irányú, amikor B < 0).

Ebben a részben feltételezheted, hogy a lemezek közötti távolság elhanyagolhatóan kicsi. A en, ahogy azt az ábra szemlélteti, két tartományt (A és B) különböztetünk meg. A besugárzása és előhívása után a következő ábrán vázolt minta látható. Φ = 0 o Φ = 90 o Φ = 180 o y Φ Döntsd el, hogy az ábra melyik tartományt, A-t vagy B-t ábrázolja! Indoklásodban mutasd meg, hogy milyen irányú erők hatnak az elektronra! c) Az ábrán látható minták közötti y távolság mikroszkópos mérésének adatait és a nekik megfelelő F értékeket az alábbi táblázat tartalmazza, ahol F a mágneses indukcióvektor iránya, valamint a lemezek középpontját és a adott pontját összekötő egyenesek által bezárt szög. szög (fokban) Φ 90 60 50 40 30 23 távolság (mm-ben) y 17,4 12,7 9,7 6,4 3,3 nyom vége A rendszer paramétereinek numerikus értékei a következők: B o = 6,91 mt, V o = 580 V, t = 0,80 mm, s = 41,0 mm. További adatok: a fény vákuumbeli sebessége: 3,00 10 8 m/s, az elektron nyugalmi tömege 9,11 10-31 kg. Határozd meg a β-részecskék legnagyobb megfigyelt mozgási energiáját ev egységben! d) Felhasználva a (c) rész eredményét, egy megfelelő grafikon segítségével határozd meg numerikusan az elektron töltésének és a nyugalmi tömegének hányadosát! (Jelezd algebrai formában az ábrázolt mennyiségeket a grafikon mindkét tengelyén!) Vedd figyelembe, hogy a kapott eredmény - a megfigyelést befolyásoló szisztematikus hiba következtében - nem feltétlenül egyezik a közismert értékkel.

3. feladat. Gravitációs hullámok és a gravitáció hatása a fényre. A) Ez a rész csillagászati események által kiváltott gravitációs hullámok detektálásának nehézségeivel foglalkozik. Gondold meg, hogy egy távoli szupernóva-robbanás a Föld felszínén mindössze 10-19 N/kg nagyságrendű ingadozásokat okozhat a gravitációs térerősségben! Egy gravitációs hullám detektor modellje két darab, 1 m hosszú, egymásra merőleges fémrúdból áll. Mindkét rúd egyik vége optikailag simára van csiszolva, a másik vége pedig mereven rögzített. Az egyik rúd állítható, és a helyzete úgy van beállítva, hogy a fotocella által mért jel minimális legyen. A rudaknak piezoelektromos eszköz segítségével egy rövid, éles longitudinális impulzust adunk. féligáteresztő tükrök lézer rudak fotocella rúdállító csavar Ennek eredményeképp a rudak szabad végei Δx t kitéréssel rezegni kezdenek, ahol Δx t = a e -μt cos(ωt + φ), és a, μ, ω, és φ állandók. a) A mozgás amplitúdója 50 s alatt 20 %-kal csökken. Határozd meg μ értékét! b) A longitudinális hullámok sebessége: v = E /. Határozd meg ω legkisebb értékét, ha a rudak alumíniumból készültek! Az alumínium sűrűsége ρ = 2700 kg/m 3, Young modulusa E = 7,1 10 10 Pa. c) A rudakat nem lehet teljesen egyforma hosszúra készíteni, ezért a fotocella által mért jel 0,005 Hz frekvenciával lebeg. Mekkora a rudak hosszának különbsége? d) A g gravitációs térerősség Δg megváltozásának hatására az hosszúságú rúd hossza értékkel változik meg. A gravitációs térerősség változásának iránya az egyik rúddal párhuzamos. Vezess le értékére egy algebrai kifejezést a rúd hosszának és anyagi állandóinak függvényében! e) A lézer fénye monokromatikus, hullámhossza 656 nm. Az interferenciacsíkok legkisebb eltolódása, amit detektálni lehet, a lézer hullámhosszának 10-4 -szerese. Legalább mekkora legyen, ha azt akarjuk, hogy egy ilyen rendszer képes legyen detektálni g értékének 10-19 N/kg nagyságrendű változásait? B) Ez a rész azzal foglalkozik, hogyan befolyásolja a gravitációs mező a fény terjedését az űrben. a) A Nap (tömege M, sugara R) felszínéről kilépő fotonok vöröseltolódást szenvednek. Newton gravitációs elméletének segítségével bizonyítsd be, hogy a foton frekvenciája a Naptól végtelen messze (1 - GM/Rc 2 )-szeresére csökken (vöröseltolódás)! A foton nyugalmi tömegének az energiájával ekvivalens tömeget tekintsd! b) A foton frekvenciájának csökkenése a periódusidejének növekedésének felel meg ez pedig - a fotont standard órának használva - az idő dilatációjával egyenértékű. (Meg lehet mutatni, hogy az idődilatáció mindig együtt jár a hosszúság egységének ugyanilyen mértékű kontrakciójával.)

A továbbiakban megpróbáljuk tanulmányozni ennek a jelenségnek a hatását a Nap közelében elhaladó fénysugárra. Először definiáljuk n r effektív törésmutatót a Nap középpontjától r távolságra. Legyen n r = c c' ahol c a fénysebesség egy olyan koordináta-rendszerben, ahol a Nap gravitációs hatása már elhanyagolható, és c a fénysebesség egy a Nap középpontjától r távolságra lévő koordinátarendszerben. Mutasd meg, hogy ha GM/Rc 2 kicsi, akkor n r a következő képlettel közelíthető: GM n 1 r 2 rc ahol a egy általad meghatározandó állandó. c) Ennek az n r - t megadó kifejezésének a segítségével számold ki (radiánban) egy olyan fénysugárnak az eltérülését, amely épp érinti a Nap szélét! Adatok: A gravitációs állandó G = 6,67 10-11 Nm 2 /kg 2, a Nap tömege M = 1,99 10 30 kg, a Nap sugara R = 6,95 10 8 m, a fénysebesség c = 3,00 10 8 m/s. dx 2 Szükséged lehet a következő integrálra:. ( x 2 a 2 ) 3/ 2 a 2