A 2007/2008. tanévi Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny második fordulójának feladatai és megoldásai fizikából



Hasonló dokumentumok
Tornyai Sándor Fizikaverseny Megoldások 1

1. Feladatok a dinamika tárgyköréből

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

A 2007/2008. tanévi Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny második fordulójának feladatai és megoldásai fizikából

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

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

2.3 Newton törvények, mozgás lejtőn, pontrendszerek

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

Középszintű érettségi feladatsor Fizika. Első rész

Fizika minta feladatsor

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

Tömegpontok mozgása egyenes mentén, hajítások

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

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

A II. kategória Fizika OKTV mérési feladatainak megoldása

Fizika példák a döntőben

Mechanika - Versenyfeladatok

Mit nevezünk nehézségi erőnek?

1. Feladatok munkavégzés és konzervatív erőterek tárgyköréből. Munkatétel

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

ELÕADÁS ÁTTEKINTÉSE. Környezetgazdálkodás 2. A hidraulika tárgya. Pascal törvénye. A vízoszlop nyomása

4. MECHANIKA-MECHANIZMUSOK ELŐADÁS (kidolgozta: Szüle Veronika, egy. ts.)

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

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

Elméleti kérdések 11. osztály érettségire el ı készít ı csoport

A hidrosztatika alapegyenlete vektoriális alakban: p = ρg (1.0.1) ρgds (1.0.2)

FIZIKA II. Dr. Rácz Ervin. egyetemi docens

Javítási útmutató Fizika felmérő 2015

EGYENES VONALÚ MOZGÁSOK KINEMATIKAI ÉS DINAMIKAI LEÍRÁSA

FIZIKA FELMÉRŐ tanulmányaikat kezdőknek

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

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

JAVÍTÁSI-ÉRTÉKELÉSI ÚTMUTATÓ

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

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

Termodinamika (Hőtan)

Felvételi, 2017 július -Alapképzés, fizika vizsga-

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

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

W = F s A munka származtatott, előjeles skalármennyiség.

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

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

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

VI. A tömeg növekedése.

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

Mechanika. Kinematika

Felvételi, 2018 szeptember - Alapképzés, fizika vizsga -

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

1. Feladatok merev testek fizikájának tárgyköréből

Hatvani István fizikaverseny forduló megoldások. 1. kategória a) A méz sűrűségét a víztartalma és a hőmérséklete befolyásolja.

Newton törvények, lendület, sűrűség

Fizika 1i (keresztfélév) vizsgakérdések kidolgozása

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

Elektromágnesség tesztek

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

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

Belső energia, hőmennyiség, munka Hőtan főtételei

DINAMIKA ALAPJAI. Tömeg és az erő

Gyakorló feladatok vektoralgebrából

Hatvani István Fizikaverseny forduló megoldások. 1. kategória

Komplex természettudomány 3.

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

FIZIKA JAVÍTÁSI-ÉRTÉKELÉSI ÚTMUTATÓ

Munka, energia Munkatétel, a mechanikai energia megmaradása

Egy nyíllövéses feladat

Gázok. 5-7 Kinetikus gázelmélet 5-8 Reális gázok (korlátok) Fókusz: a légzsák (Air-Bag Systems) kémiája

Mérnöki alapok 2. előadás

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

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

Mérés: Millikan olajcsepp-kísérlete

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

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

Hidrosztatika. Folyadékok fizikai tulajdonságai

FIZIKA JAVÍTÁSI-ÉRTÉKELÉSI ÚTMUTATÓ

Mérések állítható hajlásszögű lejtőn

71. A lineáris és térfogati hőtágulási tényező közötti összefüggés:

Gyakorló feladatok Feladatok, merev test dinamikája

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

FIZIKA JAVÍTÁSI-ÉRTÉKELÉSI ÚTMUTATÓ

KÖZÉPSZINTŰ ÍRÁSBELI VIZSGA

MEGOLDÓKULCS AZ EMELT SZINTŰ FIZIKA HELYSZÍNI PRÓBAÉRETTSÉGI FELADATSORHOZ 11. ÉVFOLYAM

Mechanikai rezgések Ismétlő kérdések és feladatok Kérdések

2010/2011. tanév Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny döntő forduló. FIZIKA II. kategória FELADATLAP ÉS MEGOLDÁS

Gázok. 5-7 Kinetikus gázelmélet 5-8 Reális gázok (limitációk) Fókusz Légzsák (Air-Bag Systems) kémiája

Brósch Zoltán (Debreceni Egyetem Kossuth Lajos Gyakorló Gimnáziuma) Megoldások

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

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

3. Gyakorlat Áramlástani feladatok és megoldásuk

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

KÖZÉPSZINTŰ ÍRÁSBELI VIZSGA

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

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

FIZIKA ZÁRÓVIZSGA 2015

A mechanika alapjai. A pontszerű testek dinamikája

33. Mikola Sándor Országos Tehetségkutató Fizikaverseny I. forduló feladatainak megoldása. Gimnázium 9. évfolyam

Egy részecske mozgási energiája: v 2 3 = k T, ahol T a gáz hőmérséklete Kelvinben 2 2 (k = 1, J/K Boltzmann-állandó) Tehát a gáz hőmérséklete

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

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

Javítási útmutató Fizika felmérő 2018

FIZIKA JAVÍTÁSI-ÉRTÉKELÉSI ÚTMUTATÓ

Átírás:

Oktatási Hiatal A 007/008. tanéi Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny második fordulójának feladatai és megoldásai fizikából II. kategória A dolgozatok elkészítéséez minden segédeszköz asználató. Megoldandó az első két feladat és a 3./A ill. 3./B sorszámú feladatok közül egy szabadon álasztott. Csak 3 feladat megoldására adató pont. Ha alaki 4 feladat megoldását küld be, a 3./A és 3./B feladat közül a több pontot elérő megoldást esszük figyelembe. 1. Hullámasút egy lejtős szelénye függőleges tengelyű parabolaí. Kezdete és ége azonos szinten an, táolságuk egymástól D = 60 m, legmélyebb pontja a szint alatt = 15 m-re an. Mekkora erő nyomja az m = 70 kg tömegű utast az ülésez, a) a pálya legalsó pontjában b) a pálya fél magasságában, a a pálya elején 0 = 10 m/s olt a sebessége? A súrlódás, közegellenállás elanyagolató. A szerelényt egyetlen kocsi alkotja. (Számoljunk g = 10 m/s -tel!) D Megoldás. Adatok: D = 60 m, = 15 m, m = 70 kg, 0 = 10 m/s. K =? A kényszererő kiszámításáoz a pillanatnyi sebesség és a elyi görbületi sugár megatározására an szükség. A sebesség a pálya legalsó pontjában: m m m = g + 0 = 10 15m + 100 = 0 s s. s (Ha a szerelén osszú lenne, tömegközéppontja a görbe pályán magasabban lenne, minta pontszerűnek eető egyetlen kocsiból állna, így a sebessége kisebb lenne a számítottnál.) A görbületi sugár megatározása esetünkben egy parabola csúcsáoz tartozó sugár megatározását jelenti. Tükrözzük parabolánkat a ízszintes síkra, ezzel a műelettel a görbületi sugár nem áltozik meg. A tükrözött parabolát modellezetjük egy megfelelő irányban, megfelelő kezdősebességgel eldobott kő pályájáal. D ρ

Ennek mind a gyorsulását, mint a pálya csúcsában felett sebességét ismerjük, teát a görbületi sugarat kiszámítatjuk. A tükrözött parabola mentén repülő ipotetikus kő adataial a ajítás táolsága: 00y ma g ma = 0 =, g a ajítás magassága: 0y y ma = 0y = gy ma. g A gyorsulás a pálya csúcspontjában (a mindenkori = 0 sebességgel kifejeze: aonnan a keresett görbületi sugár: ma g mag ma 0y a =, ρ 1 1 60 m ρ = = = = = = = 30m. a g 0y g 4 gyma g 4 yma 8 15m Ezzel már felíratjuk a ullámasúton utazó személy mozgásegyenletét (a testet pontszerűnek tekintetjük): m 0 s m K mg = m K = m + g = 70kg + 10 =. 1633,3 N ρ ρ 30m s b) A pálya alamely közbenső pontjában ató kényszererőt a pályát ott legjobban elyettesítő kör (az ún. görbületi kör, agy simulókör ) sugarának megatározása kell, ogy megelőzze. Ezt az a) részben felasznált gondolat alapján teetjük meg: a megfelelő szögben és sebességgel elajított kő pályájának félmagasságában atározzuk meg a görbületi sugarat. (Példánkban a parabolapálya speciális adatai miatt, neezetesen, ogy D = 4, az eldobott kő 1 kezdősebességének ízszintes és függőleges 0y a n 1y komponense egyenlő nagyságú, agyis a ajítás szöge α = 45 o 0 g.) A pálya tükrözött D parabolájának keressük meg a görbületi K sugarát a / magasságban. mg cos A modell-pályán aladó kő gyorsulása kizárólag a g neézségi gyorsulás. A mg görbületi sugár a normál gyorsulással és a pillanatnyi sebességgel függ össze, ezeket kell megatároznunk. Az ábrából látszik, ogy a a izsgált elyen a pillanatnyi sebesség ízszintessel bezárt szöge ϕ, akkor (a merőleges szárú szögek miatt) a normál gyorsulás nagysága an = g cos ϕ, és mint tudjuk an = / ρ, aonnan a görbületi sugár: ρ =. Itt a cosϕ a sebesség komponenseiel an kifejezető: cos ϕ = =. + y A görbületi sugár teát

( ) 3 + y + ρ = = = = an gcosϕ g g y + y Meg kell teát atározni a sebesség megfelelő komponenseinek nagyságát! A parabola adataiból a kezdősebesség két komponense: 0 y m m m 0 y g 10 15 m 300 17,3, g = = = s = s = s és m 60 m y ma g s m = ma = = = 17,3. g m y 17,3 s s Mindégig, teát az aktuális elyen is a pillanatnyi sebesség komponensének nagysága megegyezik a kezdősebség komponensének nagyságáal: 1 = 0 =17,3 m/s, a függőleges komponense pedig akkora, mint egy magasságból / magasságra kezdősebesség nélkül szabadon eső test sebessége, agyis: m m 1y = g = g = 10 15 m = 150 m = 1,5. s s A most megatározott adatokkal a keresett görbületi sugár a parabola / magasságában: ( 17,3 + 1,5 ) 1,5 ρ = m = 55,1m. 10 17,3 Így a kényszererő a mozgásegyenlet alapján: m1 K mgcos ϕ =, ρ aol 1 a kocsi sebessége a lejtő adott elyén, és cosϕ amely a fentiek szerint: 17,3 cosϕ = = = = 0,8164. = 35, 7 + 17,3 + 1, 5 y. ( ϕ ) A keresett érték: 1 0 + g K = mgcosϕ+ = mgcosϕ+ = ρ ρ m m 100 + 10 15m m = 70 kg 10 0,8164 + s s = 889,08 N. s 55,1 m Itt 1 természetesen a kocsi sebességét jelenti, amit az energiatételből kapunk. Rögtön a négyzetét felíra:

m m m = 0 + g1 = 0 + g = 0 + g = 100 + 150 = 50. s s s Vegyük észre, ogy sokkal kisebb ez az erő, mint a legalsó pontban, egyrészt azért, mert még kisebb a kocsi sebessége, másrészt, mert a parabolapálya görbülete ott még kicsi (a görbületi sugara nagy. Ha ott síklejtő lenne a pálya, a kényszererő K = mgcosϕ lenne, ami 571,48 N nagyságú).. Egy 100 literes őszigetelt tartály szintén jó őszigetelésű, 50 literes engerez csatlakozik. A engert laprugóal feszesen záró csapóajtó zárja el a tartálytól. A tartályban oigén, a engerben élium an 300 K őmérsékleten, 10 5 Pa nyomáson. A csapóajtó 10 5 Pa túlnyomásra nyílik, és ezután nyita marad. A dugattyút lassan betoljuk addig, míg az ajtó kinyílik. Ekkor röid árakozás után folytatjuk a élium átpréselését a tartályba. a) Mennyi munkát égeztünk a gáz teljes átpréseléséig? b) Mekkora a gáz őmérséklete és nyomása a folyamat égén? 100 l 50 l Megoldás. A élium teljes átpréselése árom lépésből áll: először adiabatikusan összenyomjuk a éliumot egészen addig, amíg a nyomása el nem éri a 3 10 5 Pa értéket (ekkor alakul ki 10 5 Pa túlnyomás), ezt köetően a csapóajtó kinyílik, és a élium összekeeredik az oigénnel, majd a armadik lépésben a keerék gázt adiabatikus folyamatban teljesen átpréseljük a tartályba. A számítások megkezdése előtt érdemes megatároznunk a élium és az oigén anyagmennyiségét: 5 3 p0 V0 10 Pa 0,05 m p0 V 0 n He = = =,005 mol mol, no = 4 mol. R T J 0 8,314 300 K R T0 mol K 1. A élium adiabatikus összenyomására felíratjuk a köetkező egyenletet: κ κ p0 V0 = p1 V1, aol p 0 = 10 5 Pa, V 0 = 50 liter, p 1 = 3 10 5 Pa, illete κ = 5/3, iszen a éliumnak mint egyatomos gáznak a szabadsági fokszáma 3. A számítás elégzése után megkapjuk, ogy a csapóajtó kinyílásakor a élium térfogata V 1 = 5,9 liter. A gázegyenlet alapján kapatjuk meg a élium őmérsékletét ebben az állapotban: p1 V1 T 1 = = 467 K. nhe R (Megjegyezzük, ogy a számértékekben néány ezrelékes eltérések kerekítési okokból előfordulatnak, melyek egy-két százalékos különbségekké is akkumulálódatnak a feladat égeredményében.)

. Az ajtó kinyílását köetően a T 0 = 300 K őmérsékletű oigén és a T 1 = 467 K őmérsékletű élium összekeeredik. Miel a keeredés közben sem őközlés, sem munkaégzés nem történik, a két gáz együttes belső energiájának értéke megmarad, teát a közös őmérsékletre felíratjuk a köetkező egyenletet: 3 5 3 5 RnHeT1 + RnO T 0 = RnHe + RnO T, aol T -el jelöltük a két gáz keeredése után kialakuló közös őmérsékletet. Az adatok 3T 1 + 10T0 beelyettesítése után a közös őmérsékletre T = = 339 K adódik, melynek 13 segítségéel a közös nyomást is ki tudjuk fejezni: J ( n ) 6 mol 8,314 339 K He + no RT mol K 5 p = = = 1,34 10 Pa. 3 V 0 + V1 0,159 m (Megjegyezzük, ogy a feladat a őmérséklet kiszámítása nélkül is megoldató, a a belső f energiát pv alakban asználjuk, aol f a szabadsági fokok száma.) 3. A armadik szakaszban a p = 1,34 10 5 Pa nyomású és V = V 0 +V 1 = 15,9 liter térfogatú keerék gázt adiabatikusan 100 liter térfogatúra nyomjuk össze. A feladat neézségét az adiabata egyenletében szereplő fajőányados megatározása jelenti. Miel a fajőányados felírató ilyen alakban: C V + R κ =, CV így a feladat lényegében a keerék gáz állandó térfogat melletti mólőjének megatározásaként értelmezető. Kiasználjuk, ogy az ideális gázok belső energiája a mólő segítségéel kifejezető: 3 5 E = CV( nhe + no ) T = R n + R n T He O, amiből a keerék állandó térfogat melletti mólőjére 3 5 nhe + no 13 CV = R = R n + n 6 He 13 R + R 19 érték adódik, agyis a keerék fajőányadosa: κ 6 keerék = =. 13 R 13 6 Ezek után már könnyű az adiabatikus folyamatokat leíró egyenletből a égállapotot kiszámítani: O 19 19 13 13 V p3v 3 p =, aol V 3 = V 0 = 100 liter a tartály térfogata. Az egyenlet megoldásaként p 3 = 1,88 10 5 Pa égállapoti nyomást kapunk, amiből a égső őmérséklet megatározató: p3 V3 T3 = = 377 K. ( nhe + no ) R Adiabatikus folyamatok esetén a munkaégzés megegyezik a belső energia megáltozásáal:

3 5 J W = E = nhe + no ( 13 mol) 8,31 ( 77 K) 830 J. R T = mol K Az általunk égzett munkát a teljes munkaégzésből úgy számítatjuk ki, a a külső leegő által égzett munkát (p 0 V 0 = 5000 J) leonjuk a fenti értékből. Teát a mi munkaégzésünk: W mi = 330 J. Megjegyzés: Felteetően többeket megtéesztetett az a gondolat, ogy egy keerékben a parciális gáznyomások egyszerűen összeadódnak, agyis a keerékekben az egyes ideális gázkomponensek egymástól függetlenül fejtik ki nyomásukat, úgy iselkednek, minta a másik komponens ott sem lenne. Keerékek adiabatikus összenyomásakor mégsem leet külön-külön számítani az összenyomást, mert a különböző fajőányadosú gázok más-más őmérsékletet esznek fel külön-külön összenyoma őket, a iszont együtt égezzük az összenyomást, akkor a őmérséklet mindig kiegyenlítődik. A keerék gáz úgy iselkedik, minta a részecskéinek olyan szabadsági foka lenne, ami megfelel a keerékek szabadsági fokainak a mólszámokkal (agy részecskeszámokkal) súlyozott átlagának. Aki ezt felismerte, annak megoldását teljes megoldásként kell értékelni. A parciális nyomásokkal történő ibás számításra iszont nem adató részpontszám még akkor sem, a ebből a megfontolásból a elyes eredményez igen közeli, esetleg azzal teljesen megegyező érték jön ki. 3./A Két sárgaréz fogaskereket kapcsoltunk egymásoz. Az egyik kerék sugara 10 mm, a másik keréké 50 mm, páruzamos, ízszintes tengelyeik sugara 1 mm-es. A tengelyekkel páruzamos, 0,5 T indukciójú omogén mágneses mezőbe elyezzük a szerkezetet, és a nagyobbik fogaskerék tengelyére ékony fonalat cséélünk, amelyre 10 g tömegű kis testet akasztunk. A tengelyeket tartó ízszintes fémrúd ellenállása 0,01 Ω, a többi rész ellenállása elanyagolatóan kicsi. Mekkora állandósult sebességgel fog a kis test mozogni, a a rendszert magára agyjuk?(minden súrlódás elanyagolatóan kicsi.) B Megoldás. A mozgási indukció köetkeztében a forgó korongok közepe és széle között indukált elektromotoros erő keletkezik. Ha az ábra szerinti forgásirány alósul meg, a nagy korongon a pozití töltések a perem felé, a kis korongon a tengely felé áramlanak (pontosabban az elektronok áramlanak ellenkező irányokban). Így a két korong közepe és széle között keletkező feszültség egyirányba esik, azaz nagyságuk összeadódik. Ez a feszültség a tengelyeket összekötő éges ellenálláson jelenik meg, amely megatározza a zárt körben kialakuló áram erősségét (a korongok ellenállása 0). Az indukált feszültségek felírása egyszerűsödik, a kiasznála a speciális számadatainkat a kis korong r sugarát ée alapul, a nagy korong sugarát 5r-nek esszük, és a nagy korong ω szögsebességét ée alapul a kis korong szögsebességét 5ω-al jelöljük. Mint ismeretes, a égpontja körül az indukcióra merőleges síkban ω szögsebességgel forgó pálca (ill. korong) két széle (ill. sugarának két égpontja) között keletkező indukált feszültség

l U = B, aol B az indukció nagysága, l a pálca (ill. sugár) ossza, a égpont sebessége. Ez utóbbi a szögsebességgel kifejeze = rω. Ezt felasznála a két tengely között fellépő feszültség nagysága: 5r r r 5 5 U = B rω + B r ω = B ω( 5 + 5 ) = 15 Br ω. Om törénye szerint (miután a korongok ellenállása elanyagolató) a kialakuló áram erőssége: U 15Br ω I = =. R R Amikor a neezék már állandósult sebességgel süllyed, a munkatétel szerint a rajta égzett összes munka összege 0. Ez nyílán a pillanatnyi teljesítményekre is onatkozik, teát (a minden súrlódástól eltekintetünk) a neézségi erő (pozití) mecanikai teljesítménye és az elektromos mező (negatí) teljesítménye összesen 0, agyis mg UI = 0. Innen 4 U 5B r ω mg= UI = =. R R A szögsebességet a tengely kerületi sebességéel (a neezék süllyedési sebességéel) kifejeze egyszerűsítetünk, iszen ω = /r 0 : 4 5Br mg=, Rr0 aol r 0 a tengely sugara. Egyszerűsítés és átrendezés után a keresett sebességre a köetkező adódik: 4 5Br mgrr0 mm mg = = 1,8. 4 Rr 5B r s 0 Dinamikai megoldás: Az energetikai megoldásban ismertetett módon kiszámítjuk az indukált áramot: 15Br ω I =, R aol r a kis fogaskerék sugara, R pedig a tartórúd ellenállása, ω pedig a nagy korong szögsebessége. Állandósult szögsebesség esetén mindkét korongra (külön-külön) a forgatónyomatékok összege nulla. A kis és a nagy korong egymásra alamekkora F és F erő-ellenerő párral at, aogy ez az ábrán látszik:

F F A nagy korongra at az F erő, a kicsire pedig a F erő. A Lorentz-erő mindkét korongra felfelé at, és mindkét korong mozgását fékezi, mert a két fogaskerék (korong) egymással szemben forog. A kis korongra a forgatónyomaték egyensúly így írató fel: FLorentz r ( BIr) r Fr = =, amiből a két korong kölcsönatását leíró F erőt így fejezetjük ki: FLorentz BIr F = =. A nagy korongra az F erő, a Lorentz-erő és a tengelyt terelő m tömegű test fejt ki forgatónyomatékot: 4 [ BI( 5r) ] 5r 5BIr 5BIr 15Br ω 5B r ω mgr0 = F 5 r + = + = 15BIr = 15B r = R, R aol az utolsó előtti tagba beelyettesítettük az áramerősség korábbi kifejezését. A neezék sebességét úgy kapatjuk meg, a az ω szögsebességet kifejezzük az egyenlet-sorozat első és utolsó tagjának segítségéel, és a szögsebességet megszorozzuk a tengely r 0 sugaráal: mgrr0 mm = 1,8 4. 5B r s Ezzel pontosan ugyanazt az eredményt kaptuk, mint amit az energetikai számítás alapján. 3./B Egy foton szabadon álló, nyugó elektronnal ütközik (szóródik rajta), majd az eredeti irányáoz képest 90 o -kal eltérüle alad toább. Mekkora a beérkező foton energiája, a a szórt foton frekenciája éppen fele a beérkezőnek? Mekkora sebességgel mozog az ütközés után a meglökött elektron? (Segítség: A feladatot relatiisztikus tárgyalásmódban kell megoldani, amelyben a meglökött elektron teljes energiája E = p c + m c 4, aol p az elektron impulzusa (lendülete), m a (nyugalmi) tömege és c a fénysebesség.) Megoldás. Az energia és az impulzus megmaradásának tételét kell felírnunk. A beérkező foton energiája és a nyugó elektron energiája megegyezik a szóródó foton energiájáal (ami éppen fele a beérkezőnek, teát a ullámossza pontosan megkétszereződik) és a meglökött elektron teljes energiájáal: f 4 f + mc = + p c + m c, aol p az elektron impulzusa (lendülete), m a (nyugalmi) tömege és c a fénysebesség. A beérkező foton aladási iránya legyen az irány, a szóródó foton iránya pedig az y irány. A lendület-megmaradást írjuk fel a két egymásra merőleges összeteőre (lásd az ábrát): p = m = f/c és p y = m y = f/c.

A meglökött elektron lendületének összeteőire a köetkező módon íratjuk fel a Pitagorasztételt: amiből f f p = +, c c 5 p c = f. 4 Ha ezt beelyettesítjük az energia fenti kifejezésébe, akkor röid számolás után a f = mc = 8,19 10-14 J = 511 kev égeredményt kapjuk. A beérkező foton energiája teát megegyezik az elektron nyugalmi energiájáal. f c f c f py = my= c p f p = m = c = m A meglökött elektron sebességét az impulzusából számítatjuk ki. A összefüggésből ez adódik: 5f 5mc p = = = 3,05 10 - kgm/s. c A relatiisztikus impulzust így íratjuk fel: m p =, 1 c amiből az elektron sebességét kiszámítatjuk: pc = =,3 10 8 m/s. mc + p p c = 5 4 f Megjegyzés (1): A feladat úgy is megoldató, a alaki ráismer arra, ogy ez a Compton-szórás, és asználja a szóródó foton ullámossz nöekedésének ismert képletét ( λ = λc ( 1 cosϕ). A 90 -ban szóródó foton ullámossz nöekedése éppen a jól ismert Compton-ullámossz (λ C = /mc). Miel a foton energiája feleződött, ullámossza pedig megduplázódott, ezért a beérkező fotonnak is Compton-ullámosszúságúnak kellett lennie, agyis az energiája mc olt. Megjegyzés (): Ha alaki nem-relatiisztikusan számol, akkor az elektron sebességére,68 10 8 m/s értéket 4 kap, és a beérkező foton energiájára: mc -et, melyek nagyságrendileg jó értékek, de mégis 5 ibásak. A megoldónak a közel fénysebességből ki kellene köetkeztetnie, ogy relatiisztikusan kell számolni.

Pontozási jaaslat (fizika OKTV 007/008. II. kategória, második forduló): 1. feladat (maimális pontszám: 0 pont) a) A sebesség kiszámítása a legalsó pontban pont A görbületi sugár elyes megatározása (bármilyen módszerrel) 4 pont A nyomóerő kiszámítása pont b) A sebesség kiszámítása a pálya félmagasságában pont A görbületi sugár elyes megatározása (bármilyen módszerrel) 6 pont A nyomóerő kiszámítása 4 pont. feladat (maimális pontszám: 0 pont) A engerben léő élium adiabatikus összenyomásának kiszámítása Az oigén és a élium keeredésének elyes megatározása A keerék fajőányadosának megatározása A keerék adiabatikus összenyomásának kiszámítása 3 pont 4 pont 6 pont 3 pont A munkaégzés kiszámítása 4 pont (A külső leegő munkaégzésének figyelmen kíül agyása -1 pont leonása legyen.) 3./A feladat (maimális pontszám: 0 pont) Az indukált feszültség megatározása 8 pont (A két fogaskerékben indukálódó részfeszültségek elytelen előjelű összeadása 4 pont) Az indukált áram megatározása A kis test állandósult mozgását leíró egyenlet elyes felírása (Két elileg különböző felírás is leetséges: a munkatétel alapján aogy a mintamegoldásban találató agy két ellentétes irányú forgatónyomaték egyensúlyából is kiszámítató az állandósult sebesség.) Az állandósult sebesség kiszámítása pont 8 pont pont 3./B feladat (maimális pontszám: 0 pont) Az energia-megmaradás törényének felírása Az impulzus-megmaradás törényének felírása A beérkező foton energiájának kiszámítása A meglökött elektron sebességének kiszámítása 5 pont 5 pont 5 pont 5 pont