Řešení úloh 1. kola 58. ročníku fyzikální olympiády. Kategorie C Autoři úloh: J. Thomas (1, 2, 5, 6, 7), J. Jírů (3), L.

Podobné dokumenty
Řešení úloh 1. kola 60. ročníku fyzikální olympiády. Kategorie D Autor úloh: J. Jírů. = 30 s.

s 1 = d t 2 t 1 t 2 = 71 m. (2) t 3 = d v t t 3 = t 1t 2 t 2 t 1 = 446 s. (3) s = v a t 3. d = m.

Graf závislosti dráhy s na počtu kyvů n 2 pro h = 0,2 m. Graf závislosti dráhy s na počtu kyvů n 2 pro h = 0,3 m

Řešení úloh 1. kola 47. ročníku fyzikální olympiády. Kategorie C. t 1 = v 1 g = b gt t 2 =2,1s. t + gt ) 2

b) Maximální velikost zrychlení automobilu, nemají-li kola prokluzovat, je a = f g. Automobil se bude rozjíždět po dobu t = v 0 fg = mfgv 0

5 Poměr rychlostí autobusu a chodce je stejný jako poměr drah uražených za 1 hodinu: v 1 = s 1

R2.213 Tíhová síla působící na tělesa je mnohem větší než gravitační síla vzájemného přitahování těles.

PRÁCE, VÝKON, ENERGIE. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - 1. ročník - Mechanika

Mechanická práce a. Výkon a práce počítaná z výkonu Účinnost stroje, Mechanická energie Zákon zachování mechanické energie

Řešení úloh krajského kola 60. ročníku fyzikální olympiády Kategorie A Autoři úloh: J. Thomas (1, 2, 3), V. Vícha (4)

Řešení úloh 1. kola 53. ročníku fyzikální olympiády. Kategorie A

Základem molekulové fyziky je kinetická teorie látek. Vychází ze tří pouček:

MECHANIKA TUHÉHO TĚLESA

Obsah. 2 Moment síly Dvojice sil Rozklad sil 4. 6 Rovnováha 5. 7 Kinetická energie tuhého tělesa 6. 8 Jednoduché stroje 8

Příklad 5.3. v 1. u 1 u 2. v 2

Termodynamika 2. UJOP Hostivař 2014

1) Jakou práci vykonáme při vytahování hřebíku délky 6 cm, působíme-li na něj průměrnou silou 120 N?

BIOMECHANIKA DYNAMIKA NEWTONOVY POHYBOVÉ ZÁKONY, VNITŘNÍ A VNĚJŠÍ SÍLY ČASOVÝ A DRÁHOVÝ ÚČINEK SÍLY

Příklady z hydrostatiky

Vnitřní energie, práce a teplo

Fyzika - Kvinta, 1. ročník

Řešení úloh 1. kola 49. ročníku fyzikální olympiády. Kategorie C

4. Kolmou tlakovou sílu působící v kapalině na libovolně orientovanou plochu S vyjádříme jako

3.5 Tepelné děje s ideálním plynem stálé hmotnosti, izotermický děj

TÍHOVÉ ZRYCHLENÍ TEORETICKÝ ÚVOD. 9, m s.

Zadání programu z předmětu Dynamika I pro posluchače kombinovaného studia v Ostravě a Uherském Brodu vyučuje Ing. Zdeněk Poruba, Ph.D.

Test jednotky, veličiny, práce, energie, tuhé těleso

Digitální učební materiál

(2) 2 b. (2) Řešení. 4. Platí: m = Ep

n je algebraický součet všech složek vnějších sil působící ve směru dráhy včetně

7 Gaussova věta 7 GAUSSOVA VĚTA. Použitím Gaussovy věty odvod te velikost vektorů elektrické indukce a elektrické intenzity pro

6. Mechanika kapalin a plynů

vsinα usinβ = 0 (1) vcosα + ucosβ = v 0 (2) v u = sinβ , poměr drah 2fg v = v 0 sin 2 = 0,058 5 = 5,85 %

Molekulová fyzika a termika. Přehled základních pojmů

IDEÁLNÍ PLYN. Stavová rovnice

4. Práce, výkon, energie a vrhy

3 Mechanická energie Kinetická energie Potenciální energie Zákon zachování mechanické energie... 9

Řešení úloh 1. kola 52. ročníku fyzikální olympiády. Kategorie D., kde t 1 = s v 1

FYZIKA DIDAKTICKÝ TEST

Jméno autora: Mgr. Zdeněk Chalupský Datum vytvoření: Číslo DUM: VY_32_INOVACE_04_FY_A

BIOMECHANIKA. Studijní program, obor: Tělesná výchovy a sport Vyučující: PhDr. Martin Škopek, Ph.D.

Ideální plyn. Stavová rovnice Děje v ideálním plynu Práce plynu, Kruhový děj, Tepelné motory

Řešení úloh regionálního kola 47. ročníku fyzikální olympiády. Kategorie B Autořiúloh:M.Jarešová(1,2,3)M.CvrčekaP.Šedivý(4)

7. MECHANIKA TEKUTIN - statika

Jméno autora: Mgr. Zdeněk Chalupský Datum vytvoření: Číslo DUM: VY_32_INOVACE_04_FY_A

6 DYNAMIKA SOUSTAVY HMOTNÝCH BODŮ

Práce, výkon, energie

Mol. fyz. a termodynamika

Fyzikální učebna vybavená audiovizuální technikou, interaktivní tabule, fyzikální pomůcky

Práce, energie a další mechanické veličiny

III. STRUKTURA A VLASTNOSTI PLYNŮ

Fyzika 1 - rámcové příklady Kinematika a dynamika hmotného bodu, gravitační pole

2.1 Pokyny k uzavřeným úlohám. 2.2 Pokyny k otevřeným úlohám. Testový sešit neotvírejte, počkejte na pokyn!

Hydromechanické procesy Hydrostatika

Vlastnosti kapalin. Povrchová vrstva kapaliny

34_Mechanické vlastnosti kapalin... 2 Pascalův zákon _Tlak - příklady _Hydraulické stroje _PL: Hydraulické stroje - řešení...

Zápočet z fyzikálního semináře 102XFS

Zákony ideálního plynu

PRAKTIKUM... Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Odevzdal dne: Seznam použité literatury 0 1. Celkem max.

Ze vztahu pro mechanickou práci vyjádřete fyzikální rozměr odvozené jednotky J (joule).

Základy fyziky + opakovaná výuka Fyziky I

Název testu: /01 Test na učebně prez. Fyzika LS 10/11

Práce, výkon, energie

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Katedra fyziky, Studentská 2, Liberec

Řešení úloh 1. kola 49. ročníku fyzikální olympiády. Kategorie B

Řešení: Fázový diagram vody

OHYB (Napjatost) M A M + qc a + b + c ) M A = 2M qc a + b + c )

Řešení úloh krajského kola 52. ročníku fyzikální olympiády Kategorie B Autořiúloh:M.Jarešová(1,3),J.Thomas(2),P.Šedivý(4)

Vyřešením pohybových rovnic s těmito počátečními podmínkami dostáváme trajektorii. x = v 0 t cos α (1) y = h + v 0 t sin α 1 2 gt2 (2)

Příklad 1. Jak velká vztlakovásíla bude zhruba působit na ocelové těleso o objemu 1 dm 3 ponořené do vody? /10 N/ p 1 = p 2 F 1 = F 2 S 1 S 2.

Obr. 9.1 Kontakt pohyblivé části s povrchem. Tomuto meznímu stavu za klidu odpovídá maximální síla, která se nezývá adhezní síla,. , = (9.

Návrh a realizace úloh do Fyzikálního praktika z mechaniky a termiky

STRUKTURA A VLASTNOSTI PLYNŮ POJMY K ZOPAKOVÁNÍ. Testové úlohy varianta A

Řešení úloh 1. kola 55. ročníku fyzikální olympiády. Kategorie B

Odpor vzduchu. Jakub Benda a Milan Rojko, Gymnázium Jana Nerudy, Praha

3.1. Newtonovy zákony jsou základní zákony klasické (Newtonovy) mechaniky

Příklady z teoretické mechaniky pro domácí počítání

1.1 Shrnutí základních poznatků

LOGO. Struktura a vlastnosti plynů Ideální plyn

Termodynamické zákony

Měření povrchového napětí

Řešení úloh 1. kola 56. ročníku fyzikální olympiády. Kategorie D

Termomechanika 6. přednáška Doc. Dr. RNDr. Miroslav Holeček

Připravil: Roman Pavlačka, Markéta Sekaninová Dynamika, Newtonovy zákony

BIOMECHANIKA. 9, Energetický aspekt pohybu člověka. (Práce, energie pohybu člověka, práce pohybu člověka, zákon zachování mechanické energie, výkon)

Pohyb tělesa (5. část)

R 2 R 4 R 1 R

DUM č. 12 v sadě. 10. Fy-1 Učební materiály do fyziky pro 2. ročník gymnázia

Kinetická teorie ideálního plynu

VNITŘNÍ ENERGIE. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - 2. ročník - Termika

13 otázek za 1 bod = 13 bodů Jméno a příjmení:

Hydrodynamika. Archimédův zákon Proudění tekutin Obtékání těles

mechanická práce W Studentovo minimum GNB Mechanická práce a energie skalární veličina a) síla rovnoběžná s vektorem posunutí F s

Rychlost, zrychlení, tíhové zrychlení

Obecný Hookeův zákon a rovinná napjatost

ROVNOMĚRNĚ ZRYCHLENÝ POHYB

Mechanika kapalin a plynů

Přehled základních fyzikálních veličin užívaných ve výpočtech v termomechanice. Autor Ing. Jan BRANDA Jazyk Čeština

FYZIKA. Newtonovy zákony. 7. ročník

Laboratorní práce č. 3: Měření součinitele smykového tření

Transkript:

Řešení úloh 1. kola 58. ročníku fyzikální olympiády. Kategorie C Autoři úloh: J. Thomas (1, 2, 5, 6, 7), J. Jírů (3), L. Ledvina (4) 1.a) Na dosažení rychlosti v 0 potřebuje každý automobil dobu t v 0 a 0 8,0 s. Za tuto dobu ujede automobil vzdálenost s v2 0 2a 0 64 m. Druhý automobil se musí začít rozjíždět později tak, aby platilo l 1 l 0 a 0t 2 1, tedy o dobu 2 2 (l1 l t 1 0 ) 5 s po výjezdu 1. vozidla, tedy o t t 1 3, 0 s dříve, než a 0 první automobil dosáhne rychlosti v 0, třetí vozidlo 5 sekund po startu druhého vozidla atd. Graf závislosti rychlosti prvních tří vozidel na čase je na obr. R1. t s 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 v 1 m s 1 0 2 4 6 8 10 12 14 16 16 16 16 16 16 16 16 v 2 m s 1 0 0 0 0 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 16 16 v 3 m s 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 4 6 8 10 Graf závislosti polohy na čase pro první tři vozidla je na obr. R2. t s x 1 m x 2 m x 3 m 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 0 1 4 9 16 25 36 49 64 80 96 112 128 144 160 176-10 -10-10 -10-10 -10-9 -6-1 6 15 26 39 54 70 86-20 -20-20 -20-20 -20-20 -20-20 -20-20 -19-16 -11-4 5

5 bodů b) Vzdálenost mezi čely vozidel kolony můžeme určit buď jako obsah plochy z grafu závislosti rychlosti na čase (přičteme počáteční vzdálenost čel vozidel), nebo odečíst přímo z grafu závislosti dráhy na čase l v 0 t + l 0 90 m. Vzdálenost mezi vozidly pak bude o délku vozidla kratší l d 85 m. 2 body c) Celková délka kolony při jejím pohybu pak bude L (N 1) l +d 1 715 m. 1 bod d) Při brzdění se musí vzdálenost čel automobilů zmenšit z l na l 0. Proto musí druhý automobil začít brzdit o τ l l 0 v 0 5,0 s s později, než první automobil. Na velikosti zrychlení tato doba nezávisí. 2 body GMZ 2.a) Kruhová rychlost družice je v k R Z + h. Družice na oběžné dráze má jak energii kinetickou, tak energii potenciální; na vynesení družice bylo potřeba vykonat práci W E k + E p 1 ( ) 1 2 mv2 k + GM 1 Zm 1 R Z R Z + h 2 m GM Z R Z + h + [ ] [ ] h R + GM Z m GM R Z (R Z + h) Z m Z + 2h 9,8 10 2R Z (R Z + h) 10 J. 5 bodů b) Radiální složka rychlosti pohybující se družice v r h 5 10 t 3 m s 1. Protože je tato složka v porovnání s kruhovou rychlostí zanedbatelně malá, můžeme velikost rychlosti družice na oběžné dráze považovat za stálou. 2 body

c) Energie družice na oběžné dráze E E k + E p 1 2 mv2 k GM Zm R Z + h GM Zm 2 (R Z + h) se změní o E F s F v k t GM Zm 2 (R Z + h) + GM Z m 2 (R Z + h h) GM [ ] Zm h. 2 (R Z + h) (R Z + h h) [ ] h Pak F E GM Z m v k t (R Z + h) (R Z + h h) GMZ 2t R Z + h m h GMZ 0,009 N. 2t (R Z + h h) R Z + h 3.a) V první fázi se plyn izochoricky ohřívá do okamžiku, kdy tíhová síla pístu je v rovnováze s přírůstkem tlakové síly vzduchu působící na vnitřní plochu pístu. Označíme-li T 1 konečnou teplotu vzduchu tohoto děje, pak platí p a T 0 p a + mg S T 1. Z rovnice plyne ( ) mg T 1 p a S + 1 T 0. (1) V druhé fázi se plyn izobaricky rozpíná, přitom platí T Sh T 1 h ( ) mg Sh 0 h 0 p a S + 1 T 0 955 K. (2) b) Teplo přijaté vzduchem při izochorickém ději je kde Q V 5 2 nr (T 1 T 0 ), n p ash 0 RT 0. (3) Užitím rovnic (1) a (3) dostaneme Q V 5 2 mgh 0. Teplo přijaté vzduchem při izobarickém ději je Q p 7 2 nr (T T 1),

dosazením rovnic (1), (2) a (3) dostaneme Q p 7 2 pash ( ) 0 h R T RT 0 h 1 T 1 7 0 2 pash 0 R h h 0 RT 0 h 0 Celkové dodané teplo je mg + p as T p a S 0 7 2 (h h 0) (mg + p a S). Q Q V + Q p 5 2 mgh 0 + 7 2 (h h 0) (mg + p a S) ( ) 7 mg 2 h h 0 + 7 2 p as (h h 0 ) 1,16 kj. c) Plyn při rozpínání vykoná mechanickou práci W mg(h h 0 ). Účinnost pak je η W Q ( mg ) (h h 0 ) 7 mg 2 h h 0 + 7 2 p as (h h 0 ) 4 body 4.a) Pro tlak uvnitř balonku platí P in,0 4σ R 0 2,0 kpa. 2 (h h 0 ) 7h 2h 0 + 7 p as mg (h h 0) b) Použitím stavové rovnice pro ideální plyn uvnitř balonku dostáváme 0,0380. 1 bod p in,0 4 3 πr3 0 p in 4 3 πr3 p in p in,0 R3 0 R 3. (1) 2 body c) Nyní využijeme znalosti, že povrchového napětí blány způsobuje rozdíl tlaků uvnitř a vně balonku. Pro tlak uvnitř můžeme psát p in p out + 4σ R. (2) 2 body d) Viz obr. R3. e) Protože musí být splněny obě rovnice (1) i (2), jde o průsečíky křivek z úkolu b) a c). R(p out 1 kpa) 42 mm, R(p out 2 kpa) 38 mm, R(p out 3 kpa) 35 mm. 2 body

Obr. R3 5.a) Označme P tepelný výkon vařiče připadající na plochu dna S. Hmotnost vody, S která se vypaří z kotlíku za dobu τ, bude m ρsh. Za tuto dobu bylo vodě dodáno teplo P τ ml v ρshl v. Na plochu dna tedy připadá tepelný výkon P S ρhl v 1,2 10 5 W m 2. τ Hmotnost vody, která spadne do kotlíku za dobu τ 1, je M Nm 0 nsvτ 1 m 0, kde N je počet kapek, které dopadnou do kotlíku za daný čas. Teplo potřebné k ohřátí této vody na bod varu je P 1 S cm 0nv (t v t 0 ) 3,0 10 4 W m 2. Protože P 1 S < P, bude voda vřít i za deště. S 6 bodů b) I za deště se bude voda z kotlíku vypařovat, avšak pomaleji. Hmotnost vypařené vody v čase τ 1 je dána funkčním vztahem M v (τ 1 ) (P P 1) τ 1 l v. Přírůstek hmotnosti vody v kotlíku v závislosti na čase pak bude M (τ 1 ) M (τ 1 ) M v (τ 1 ) nsvτ 1 m 0 (P P 1) τ 1 l v a hladina se bude zvedat o x (τ 1 ) M (τ ( 1) nvm0 ρhl v cm 0 nv (t v t 0 ) τ ρs ρ ρτl v ( nsvm 0 P P ) 1 τ 1 l v ) τ 1 kτ 1,

kde k 5,1 10 5 m s 1. Doba, za kterou dosáhne hladina původní úroveň, bude τ 2 h 490 s. k 4 body Alternativní řešení části b): Výkon, kterým se voda před deštěm při varu vypařovala, je roven součtu výkonu potřebného k ohřevu dešťové vody na teplotu varu a výkonu potřebného k vypaření části dešťové vody: ( ρshl v nm 0 Svc(t v t 0 ) + nm 0 Sv ρsh ) l v. τ τ 2 Z rovnice plyne τ 2 ρhl v τ nm 0 v [c(t v t 0 ) + l v ] τ ρhl v. 6.a) Těleso na nakloněné rovině se začne pohybovat rovnoměrně, když bude splněna podmínka a g (sinα fcosα) 0 f tgα. Vztah (2) odvodíme z rovnováhy sil a jednoho ze vztahů pro rovnováhu momentů sil, které na soustavu působí: Z rovnováhy sil f 1 N 1 N 2 a z rovnováhy momentů N 2 h + +fn 2 l mg l 2 (vzhledem k ose otáčení procházející kolmo k nákresně bodem B) a N 1 l f 1 N 1 h + mg l (vzhledem k ose 2 otáčení procházející kolmo k nákresně bodem A) úpravou N 2 h + fn 2 l N 1 l f 1 N 1 h, f 1 N 1 h + ff 1 N 1 l N 1 l f 1 N 1 h, 2f 1 h + ff 1 l l f 1 l 2h + fl. A h F t2 N 2 F G l F t1 Obr. R4 N 1 B b) Plastové pravítko na dřevěném a cm b cm 13,0 50,0 0,26 14,5 50,0 0,29 16,5 49,5 0,33 13,5 50,0 0,27 12,0 49,0 0,35 f tg α a b Kovové pravítko na dřevěném a cm b cm 12,0 51,0 0,24 13,0 50,5 0,26 15,0 49,5 0,30 14,5 50,5 0,29 14,5 50,5 0,29 f tg α a b Součinitel tření pro plastové pravítko na dřevěném je f (0,30±0,04) s relativní odchylkou 13,3 %, pro kovové pravítko na dřevěném f (0,28±0,03) s relativní odchylkou 9,1 %. Plastové pravítko na stolní desce opřené o dřevěné pravítko (tabulka vlevo), kovové pravítko na stolní desce opřené o dřevěné pravítko (tabulka vpravo):

l h f cm cm 1 12,0 29,0 0,195 12,7 29,3 0,203 12,9 29,2 0,207 12,5 29,4 0,200 12,6 29,2 0,203 l 2h + fl l h f cm cm 1 14,1 39,0 0,172 14,8 38,8 0,181 14,5 39,0 0,177 14,4 39,1 0,175 14,2 39,0 0,174 l 2h + fl Součinitel tření je pro plastové pravítko na stolní desce opřené o dřevěné pravítko roven f (0,202 ± 0,004) s relativní odchylkou 2,2 %, pro kovové pravítko na stolní desce, opřené o dřevěné pravítko f (0,176±0,003) s relativní odchylkou 1,9 %. 7.a) Hmotnost prázdné lodi označme m. Při plování prázdné lodi platí mg ρgab(c h). (3) Potopí-li se loď tak, že výška horního okraje lodi nad hladinou vody bude h 1 a výška vody uvnitř lodi bude l (obr. R5), pak bude platit Porovnáním vztahů (1) a (2) dostaneme mg + ρgabl ρgab(c h 1 ). (4) c h 1 l c h. Rozdíl úrovní hladin vně a uvnitř lodi je tedy časově stálý a je roven počátečnímu rozdílu c h 1,5 m. b) Je-li stejný rozdíl hladin vně a uvnitř lodi, je i stejný rozdíl tlaků v úrovni otvoru a pak podle Bernoulliho rovnice proudí voda do lodi stále stejnou rychlostí. Platí p 0 + ρg(c h 1 ) (p 0 + ρgl) ρg(c h 1 l) ρg(c h) ρv2 2, kde p 0 je atmosférický tlak, v je rychlost vody v otvoru a ρ je hustota vody. Pro rychlost vody v otvoru pak dostaneme v 2g(c h) 5,4 m s 1. c) Loď se začne potápět, když bude okolní voda v úrovni jejího horního okraje. Voda uvnitř lodi bude mít v té chvíli objem Z toho t V abh πd2 4 v t. 4abh πd 2 2g(c h) 1,03 106 s 285 h 12 dnů.

Obr. R5