Řešení úloh 1. kola 47. ročníku fyzikální olympiády. Kategorie B

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

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 53. ročníku fyzikální olympiády. Kategorie A

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

Necht na hmotný bod působí pouze pružinová síla F 1 = ky, k > 0. Podle druhého Newtonova zákona je pohyb bodu popsán diferenciální rovnicí

FYZIKA II. Petr Praus 9. Přednáška Elektromagnetická indukce (pokračování) Elektromagnetické kmity a střídavé proudy

4. V jednom krychlovém metru (1 m 3 ) plynu je 2, molekul. Ve dvou krychlových milimetrech (2 mm 3 ) plynu je molekul

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 %

Řešení úloh 1. kola 50. ročníku fyzikální olympiády. Kategorie A

9.7. Vybrané aplikace

Příklad 5.3. v 1. u 1 u 2. v 2

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

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

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

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

GE - Vyšší kvalita výuky CZ.1.07/1.5.00/

3. Změřte závislost proudu a výkonu na velikosti kapacity zařazené do sériového RLC obvodu.

U01 = 30 V, U 02 = 15 V R 1 = R 4 = 5 Ω, R 2 = R 3 = 10 Ω

ELEKTRICKÝ PROUD V KOVECH. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Elektřina a magnetismus - 3. ročník

Příklady: 28. Obvody. 16. prosince 2008 FI FSI VUT v Brn 1

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

Rezonanční jevy na LC oscilátoru a závaží na pružině

4. Stanovení teplotního součinitele odporu kovů

15. Elektrický proud v kovech, obvody stejnosměrného elektrického proudu

Domácí úlohy ke kolokviu z předmětu Panorama fyziky II Tomáš Krajča, , Jaro 2008

F MATURITNÍ ZKOUŠKA Z FYZIKY PROFILOVÁ ČÁST 2017/18

MECHANICKÉ KMITÁNÍ. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - 3.A

Přijímací zkouška na navazující magisterské studium 2017 Studijní program: Fyzika Studijní obory: FFUM

III. STRUKTURA A VLASTNOSTI PLYNŮ

5.8 Jak se změní velikost elektrické síly mezi dvěma bodovými náboji v případě, že jejich vzdálenost a) zdvojnásobíme, b) ztrojnásobíme?

PRAKTIKUM II. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Název: Přechodové jevy v RLC obvodu. stud. skup.

PRAKTIKUM II Elektřina a magnetismus

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

Fyzika II, FMMI. 1. Elektrostatické pole

1 Rozdělení mechaniky a její náplň

Téma: Měření voltampérové charakteristiky

Fyzika - Sexta, 2. ročník

KMITÁNÍ PRUŽINY. Pomůcky: Postup: Jaroslav Reichl, LabQuest, sonda siloměr, těleso kmitající na pružině

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

c) vysvětlení jednotlivých veličin ve vztahu pro okamžitou výchylku, jejich jednotky

Harmonický pohyb tělesa na pružině

Laboratorní úloha č. 4 - Kmity II

ELT1 - Přednáška č. 6

Projekt: Inovace oboru Mechatronik pro Zlínský kraj Registrační číslo: CZ.1.07/1.1.08/ Vlnění

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

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

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

Funkce komplexní proměnné a integrální transformace

PRAKTIKUM II Elektřina a magnetismus

ELEKTŘINA A MAGNETIZMUS kontrolní otázky a odpovědi

Obsah. Kmitavý pohyb. 2 Kinematika kmitavého pohybu 2. 4 Dynamika kmitavého pohybu 7. 5 Přeměny energie v mechanickém oscilátoru 9

SBÍRKA ŘEŠENÝCH FYZIKÁLNÍCH ÚLOH

Základy elektrotechniky 2 (21ZEL2) Přednáška 1

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)

Elektrický proud. Opakování 6. ročníku

Okamžitý výkon P. Potenciální energie E p (x, y, z) E = x E = E = y. F y. F x. F z

Mechanické kmitání a vlnění

(test version, not revised) 9. prosince 2009

Registrační číslo projektu: CZ.1.07/1.4.00/

Systém vykonávající tlumené kmity lze popsat obyčejnou lineární diferenciální rovnice 2. řadu s nulovou pravou stranou:

I dt. Elektrický proud je definován jako celkový náboj Q, který projde vodičem za čas t.

Název: Měření nabíjecí a vybíjecí křivky kondenzátoru v RC obvodu, určení časové konstanty a její závislosti na odporu

Molekulová fyzika a termika. Přehled základních pojmů

PRAKTIKUM I. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Pracoval: Pavel Ševeček stud. skup.: F/F1X/11 dne:

PŘECHODOVÝ JEV V RC OBVODU

rovnic), Definice y + p(x)y = q(x), Je-li q(x) = 0 na M, nazývá se y + p(x)y =

Řešení úloh krajského kola 54. ročníku fyzikální olympiády Kategorie A Autořiúloh:J.Thomas(1),J.Jírů(2),P.Šedivý(3)aM.Kapoun(4)

V následujícím obvodě určete metodou postupného zjednodušování hodnoty zadaných proudů, napětí a výkonů. Zadáno: U Z = 30 V R 6 = 30 Ω R 3 = 40 Ω R 3

Fyzika 6. ročník. přesahy, vazby, mezipředmětové vztahy průřezová témata. témata / učivo. očekávané výstupy RVP. očekávané výstupy ŠVP

Elektřina a magnetismus úlohy na porozumění

Obvodové prvky a jejich

MĚŘENÍ PLANCKOVY KONSTANTY

Testové otázky za 2 body

Dosazením a úpravou dostaneme. V 0 gh=(v 0 Sh 1)[ gh+ g(h h 1)],

Základy elektrotechniky

Úvod do laserové techniky

1. Změřte závislost indukčnosti cívky na procházejícím proudu pro tyto případy:

UČIVO. Termodynamická teplota. První termodynamický zákon Přenos vnitřní energie

Měření teplotní roztažnosti

Určeno pro posluchače všech bakalářských studijních programů FS

Testovací příklady MEC2

Základní otázky pro teoretickou část zkoušky.

Přehled veličin elektrických obvodů

Vibrace atomů v mřížce, tepelná kapacita pevných látek

I N V E S T I C E D O R O Z V O J E V Z D Ě L Á V Á N Í

Fyzika, maturitní okruhy (profilová část), školní rok 2014/2015 Gymnázium INTEGRA BRNO

Tématické okruhy teoretických zkoušek Part 66 1 Modul 3 Základy elektrotechniky

FYZIKA 2018 Strana 1 (celkem 6)

Kapacita, indukčnost; kapacitor-kondenzátor, induktor-cívka

Účinky elektrického proudu. vzorová úloha (SŠ)

Měření pilového a sinusového průběhu pomocí digitálního osciloskopu

Elektrostatika _Elektrický náboj _Elektroskop _Izolovaný vodič v elektrickém poli... 3 Izolant v elektrickém poli...

STŘÍDAVÝ PROUD POJMY K ZOPAKOVÁNÍ. Testové úlohy varianta A

2. Stanovte hodnoty aperiodizačních odporů pro dané kapacity (0,5; 1,0; 2,0; 5,0 µf). I v tomto případě stanovte velikost indukčnosti L.

pracovní list studenta Kmitání Studium kmitavého pohybu a určení setrvačné hmotnosti tělesa

Mˇeˇren ı vlastn ı indukˇcnosti Ondˇrej ˇ Sika

MĚŘENÍ Laboratorní cvičení z měření. Měření na elektrických strojích - transformátor, část 3-2-3

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

2. Fyzikální kyvadlo (2.2) nebo pro homogenní tělesa. kde r je vzdálenost elementu dm, resp. dv, od osy otáčení, ρ je hustota tělesa, dv je objem

Zakončení viskózním tlumičem. Charakteristická impedance.

Transkript:

Řešení úloh 1. kola 47. ročníku fyzikální olympiády. Kategorie B Autořiúloh:P.Šedivý(1,2,4,6,7)aM.Jarešová(3,5) 1. a) Má-li být vlákno stále napnuto, nesmí být amplituda kmitů větší než prodloužení vláknavrovnovážnépoloze.zdeplatí mg=k l, kde kjetuhostvlákna.je-li vlákno při kmitání koule stále napnuto, platí pro úhlovou frekvenci kmitů Ztoho ω 2 = k m = g l. A= l= g gt2 ω 2= 4p 2 =0,358m. 1bod b) Potenciální energii soustavy v rovnovážné poloze položme rovnou 0. Při dosažení okamžitévýhylky y = A= lpřestanenakoulipůsobitsílavláknaapohyb pokračujejakosvislývrhvzhůru.jehopočátečnírychlost v 0určímezezákona zachování energie: 1 2 kb2 = 1 2 ka2 + 1 2 mv2 0, v0= 2 k m (B2 A 2 )=ω 2 3A 2 =3 g2 ω 2, Koule vystoupí nad rovnovážnou polohu do výšky v g 0= 3. ω y max= A+ v2 0 3g = A+ 2g 2ω 2 = A+ 3 2 A=5 2 A=0,895m avnejvyššípolozebudepodbodemzávěsuvláknavhloubce l 0 3 2 A=0,163m. c) Po uvolnění začne koule konat harmonický kmit popsaný rovnicí y= Bcos(ωt). Okamžitévýchylky y= A dosáhnevčase t 1.Platí A= 2Acos(ωt 1) cos(ωt 1)= 1 2, ωt 2p 1= T t1=2p 3, t1= T 3 =0,40s. Následující vrh trvá po dobu t 2= 2v0 g =2 3 ω = T 3 =0,662s p aponěmproběhnezbytekkmitu,vzhledemksymetriidějeopětzadobu t 1.Celá perioda kmitů je T =2t 1+ t 2= T ( ) 2 3 3 + p =1,462s. 1

d) y cm 100 80 60 parabola 40 20 0-20 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 t s -40 kosinusoida kosinusoida -60-80 T T 2

2. V úloze počítáme s efektivními hodnotami napětí a proudů. Odpor ideálního ampérmetrujenulovýanapětínaněmjenulové.svorkovénapětízdrojejerovnonapětí na kondenzátoru: U= X CI 1= I1 ωc. a) Zapojíme-li do obvodu sériově cívku a kondenzátor, mají napětí na nich opačnou fázi. Platí U= U C U L = X C X L 2I 1= X CI 1 2 1 = ωc ωl 1 ωc. Rovnicemádvěřešení L 1, L 2: 2 ωc 2ωL1= 1 L 1. ωc 1= 2ω 2 =0,5H, C 2ωL 2 2 ωc = 1 ωc L 2= 3 2ω 2 C b) Zmenší-li se po zapojení cívky proud na polovinu, platí. =1,5H. U= U C U L = X C X L 0,5I 1= X CI 1, 1 = ωc ωl 2 ωc. Úlozevyhovujevyhovujepouzekladnéřešení L 3: ωl 3 1 ωc = 2 L 3. ωc 3= ω 2 =3H. C 4body c) Připojíme-li cívku ke kondenzátoru paralelně, mají proudy v obou větvích opačnou fázi. Platí I= I L I C = U U = U = X L X C ωl UωC = UωC 1 ω 2 CL 1 = 1 I1 ω 2 CL 1. Proindukčnost L 1 dostaneme proud I = I 1(2 1) = I 1, proindukčnost L 2 2 dostanemeproud I = I 1 3 1 I = 1 aproindukčnost L3 dostanemeproud 3 1 = I= I 1 3 1 2I 1 3. 3

3. a) Platí zákon zachování hybnosti a zákon zachování energie: Mv 1= Mv 1+ mv 2 1, 2 Mv2 1= 1 2 Mv 2 1 + 1 2 mv 2 2 (v 1, v 1a v 2jsousouřadnicerychlostí.)Řešenímtétosoustavyrovnicdostaneme v 1= M m M+ m v1. Pak E k1= 1 ( ) M m 2 2 M v1 M+ m 2. b) k= E k1 E k1 = ( ) M m 2 = M+ m 1 m M 1+ m M 2. c) Protože M >0am >0, platízřejmě 0 k <1. 1bod k=0,jestliže m M =1.Vtakovémpřípaděsepřisrážcekinetickáenergieúplně předá částici o hmotnosti m. Pokud m M,můžemezlomek m M zanedbatoproti1.pak k 1. Pokud m M,můžeme1zanedbatoprotizlomku m.pakopět k 1.Vobou M případech si částice o hmotnosti M při srážce ponechá téměř celou kinetickou energii. 2body d) Známe-li relativní atomové hmotnosti částic, můžeme poměr k vyjádřit ve tvaru ( ) Ar(C) A 2 k= r(n) =0,714. A r(n)+a r(c) 2body e) Musíplatit k n <0,1, pozlogaritmování n log k < 1. Protože log k <0,musíplatit n > 1 log k =6,8. Musí proběhnout nejméně 7 srážek. 2body 4

4. a) Při průchodu proudu o okamžité hodnotě i působí na tyčinku vodorovným směrem magnetickásílaovelikosti F= Bil.Zavelmikrátkoudobu tudělítyčinceimpuls ovelikosti p=f t=bli t=bl Q, kde Qjenáboj,kterýzadobu tprošeltyčinkou.celkovýnáboj,kterýběhem vybíjení kondenzátoru projde tyčinkou, je Q = CU. Celkový impuls, který magnetická síla udělí tyčince, je tedy p=mv= BlQ=BlCU. Tyčinkazískápočátečnírychlost v= p m = BlCU.Úhel α,okterýsevychýlí m závěsy z rovnovážné polohy, určíme užitím zákona zachování energie: 1 2 mv2 = mgl 1(1 cos α) 1 cos α=2sin 2 α 2 = v2 = B2 C 2 U 2 l 2 2gl 1 2gl 1m 2. Pak α=2arcsin BCUl 2m, gl 1 Prodanéhodnoty α=2arcsin0,1030=11,8. b) Výchylka závěsů závisí na velikosti náboje, který prošel tyčinkou, zařízení tedy může sloužit jako měřič náboje. Promalévýchylky,cožjeipřípadúlohya),můžemepsát arcsin BCUl 2m BCUl gl 1 2m. gl 1 Pak α BCUl m = Bl gl 1 m Q, Q= m gl 1 α=aα. gl 1 Bl Prošlý náboj je přímo úměrný výchylce závěsu. V našem případě má konstanta úměrnosti hodnotu A= m gl 1 =0,485C rad Bl 1. Při známé kapacitě C kondenzátoru může zařízení sloužit jako voltmetr pro měření napětí zdroje, ze kterého jsme nabili kondenzátor. Přitom můžeme použít srovnávacímetodu.prodvěrůznánapětíaodpovídajícívýchylkyplatí U 1: U 2= α 1: α 2. Známe-li naopak napětí zdroje U, můžeme z výchylek porovnat kapacity dvou různýchkondenzátorů: C 1: C 2= α 1: α 2. 4body 5

5.a) Vyjdemezobr. R1. Nacívkupůsobí tíhovásíla F G,sílavlákna F areakce podložky, která má normálovou složku F natečnousložku F t(smykovétření). ε Platí F n= F G. Řešenímsoustavypohybových rovnic r a F F t= ma=mrε, (1) R Fr+ F tr=j 0ε (2) F G dostaneme ε= F(R+r) F n J 0+ mr 2, (3) F t J0 mrr F t= F J 0+ mr 2. (4) Obr. R1 Třecísílamůžemaximálnědosáhnoutvelikosti F tmax= mgf. Pak F F max= F tmax J0+ mr2 J 0 mrr = mgf(j0+ mr2 ) =246N, J 0 mrr b) VyjdemezobrR2,úlohupakřešíme stejně jako a), pouze rovnice (2) se změní na F tr Fr=J 0ε. (2 ) Řešením upravené soustavy rovnic dostaneme F max= mgf(j0+ mr2 ) J 0+ mrr ε= ε= mgf(r+r) J 0 mrr =144rad s 2. =27N, mgf(r r) J 0+ mrr =7rad s 2. 5bodů R ε r a F G F n 5bodů F F t Obr. R2 6

6. Příklad zpracování praktické úlohy zachycují následující tabulky a grafy. Byly použity diody(výrobce Kingbright): 1. L-53SRC-F(červená, λ m=640nm), 2. L-53SYC-E*G(žlutá, λ m=590nm), 3. L-53SGC*G(zelená, λ m=567nm), 4. L-53MBCK(modrá, λ m=466nm). Hodnotyvlnovýchdélek λ mudávanévýrobcemsouhlasilyshodnotaminaměřenými pomocí optické mřížky v úkolu c). Hodnoty získané měřením v zapojení podle obr. 5 byly zpracovány programem EXCEL. Celkový vzhled voltampérových charakteristik jezřejmýzgrafůnaobr.r8.znichjezřejmé,žeprovoznínapětídiodsrostoucí vlnovoudélkou λ mklesá největšíjeudiodymodré,nejmenšíučervené. " #! Obr. R8 Ověření exponenciálního průběhu charakteristiky pro I < 1 ma a lineárního průběhu pro I > 5 ma provedeme regresní analýzou příslušných částí charakteristik. Z ní také získámehodnotyveličin A, Barprojednotlivédiody.Naobr.R9jetoprovedeno prodioduč.1. 7

Exponenciální průběh charakteristiky pro proudy do 1 ma můžeme ověřit vložením exponenciálního trendu podle obr. R9a. Z rovnice trendu přímo čteme hodnoty veličin AaB.Nebovyjdemezlinearizovanéhovztahuln I=ln A+BUapoužijemelineární regresi(obr.r9b). 1 Lineární průběh charakteristiky pro proudy nad 5 ma ověříme lineární regresí podle obr. R9c. V rovnici regresní přímky y = ax + b odpovídá proměnná y číselné hodnotě proudu a proměnná x číselné hodnotě napětí. Z toho plyne {r}= x y =1 a. Diferenciální odpor diody r odpovídá ohmickému odporu oblastí P a N v diodě. 0 # &' &' 3 # # &' Obr. R9 a b c Výsledky získané regresní analýzou charakteristik diod jsou v následující tabulce. Zde jsou také uvedeny hodnoty provozních napětí diod a energie fotonů světla o vlnové délce λ m E= hf m= hc λ m přepočítané na ev. U většiny diod jsou téměř stejné jako elektrická práce W = = U pe spojenásprůchodemelektronudiodoupřiprovoznímnapětí U p.umodré diodyjetatopráceasiopolovinuvětší. λ Barva m h c λ 1 m U p A B r nm ev V A V 1 Ω červená 640 1,94 1,80 3,26 10 20 23,4 7,3 žlutá 590 2,10 1,98 6,41 10 22 23,4 5,7 zelená 567 2,19 2,12 2,65 10 25 27,3 12,1 modrá 466 2,66 4,03 1,27 10 13 6,82 30,0 1 Veličina Audávánasycenýprouddiodouzapojenouvzávěrnémsměru.Proveličinu B plynezteoriepřechodupnvztah B= e,kde ejeelementárnínáboj, kjeboltzmannova mkt konstanta, T je teplota přechodu a m je rekombinační koeficient, který se většinou pohybuje mezi1a2,umodrédiodyjevětší. 8

7. Nejprve určíme hmotnost M vodní páry, která ze 1 sekundu vznikne shořením vodíku ve spalovací komoře. Hoření je popsáno rovnicí 2H 2+O 2=2H 2O. Ze dvou molekul vodíku a jedné molekuly kyslíku vzniknou dvě molekuly vodní páry. Proto M m = Mr(H2O) = 18,015 M r(h 2) 2,016 =8,94, M=8,94m =450kg.. 2body Přivýstupuztryskymávodnípáraohmotnosti Mobjem V,kterýurčímezestavové rovnice: pv T = M M m R V = MRT pm m = 8,94mRT pm m, kde M m=18,015 10 3 kg mol 1 jemolárníhmotnostvody.tentoobjemječíselně roven objemovému průtoku Q V = V τ = Sv, kde τ=1sjeuvažovanádobaavjerychlostvytékajícívodnípáry.ztoho v= V τs =8,94mRT =3900m s pτsm 1. m 4body Jestliževodnípářeohmotnosti Mudělímezadobu τrychlost v,vzniknereakčnísíla F r= Mv τ = 8,94mv τ Celková tahová síla motoru je rovna součtu reakční síly a statické tlakové síly: F= Mv τ + ps= 8,942 m 2 RT pτ 2 SM m + ps=1,73 10 6 N+5 10 4 N=1,8 10 6 N.. 4body 9