Egyszerű gépek

Arkhimédész azt írta rokonának és barátjának, Hieron királynak, hogy bármely megadott súlyt vagy terhet megadott erővel meg lehet mozdítani, sőt bizonyítékának erejétől megittasulva állítólag nagy merészen kijelentette, ha volna másik föld, amelyen megvethetné a

lábát, ezt a földet ki tudná forgatni a sarkaiból... Tételének igazolásául egy csigasor segítségével minden erőfeszítés nélkül maga felé húzott egy teherrel megrakott hajót.

(Plutarkhosz: Párhuzamos életrajzok)

Dolgozatában ismertesse az egyszerű gépek működésének elvét! Mutassa be az álló- és mozgócsiga, az egy- és kétkarú emelő, valamit a lejtő és csavar működését! Készítsen rajzokat! Említsen gyakorlati példát a fenti egyszerű gépek alkalmazására! Fogalmazza meg általánosságban az erő és a munka kölcsönös viszonyát az egyszerű gépek esetében!

3. Modell és valóság – ideális gázok

Készítsünk egy listát mindazon helyzetekről, melyben hővel találkozunk, és jegyezzük fel az összes kísérő körülményeket. Majd készítsünk azon helyzetekről egy táblázatot, melyben a test hideg, vagyis a hő hiányzik. Itt is jegyezzük fel az összes kísérő körülményeket… Ezután vizsgáljuk meg, hogy melyik az a kísérőkörülmény, mely megvan mindazon esetekben, amikor

a hő jelen van, és hiányzik mindazon esetekben, amidőn a testek hidegek. Ilyen módon kapcsolatot találhatunk a hő és a szóban forgó jelenség között, és ezt a jelenséget a hő okának vagy a hő mibenlétének nevezhetjük.

Francis Bacon módszere a hő mibenlétének megállapítására

Simonyi Károly: A fizika kultúrtörténete

Ismertesse az ideális gázok részecskemodelljét. Értelmezze a nyomás és a hőmérséklet fogalmát a részecskemodell segítségével! Magyarázza meg a Boyle–Mariotte-törvényt és a Gay–Lussac-törvényeket az ideális gáz részecskemodelljének segítségével!

1. Szilárd és folyékony anyagok hőtágulása 

A hőmérséklet ingadozása a természetben és a technikai környezetben is mindennapos dolog.

Az anyagok hőmérsékletváltozás miatti méretváltozása általában igen kicsiny, legtöbbször

1 % alatti hatás, de mégis számos olyan eset van, amelyben ezt a látszólag elhanyagolható

hatást nem szabad figyelmen kívül hagyni.

Ismertesse a szilárd és folyékony anyagok hőtágulását leíró törvényeket! Mutassa be

három példa elemzésével, hogy a gyakorlati életben hogyan veszik figyelembe a

hőtágulás jelenségét! Elemezze, hogy milyen értelemben nevezhetjük rendellenesnek a

víz hőtágulását!

Változó mágneses mező által létrehozott elektromos mező:

Az időben változó mágneses tér maga körül örvényes elektromos mezőt hoz létre. Vagyis az így létrejött elektromos mező erővonalai önmagukba záródnak. Az elektromos mező irányát a „balkéz-szabály” adja meg: ha a hüvelykujjunk a fluxusváltozás irányába mutat, akkor begörbített ujjaink a keletkező elektromos tér térerősség vonalainak görbületét mutatják.

Változó mágneses fluxust körbevevő tekercsben indukálódó feszültség:

Az indukált feszültség (Ui) egyenes arányos a tekercs menetszámával (N) és a mágneses indukció fluxus változásának gyorsaságával ():

[Szöveges megfogalmazás nélkül a pontok java részét elveszítjük! Magyarázatunkat érdemes ábrával színesíteni!]

Lenz törvény:

A indukált áram iránya mindig olyan, hogy mágneses tere akadályozza az őt létrehozó hatást.

Ideális terheletlen transzformátor:

Az ideális transzformátorban két közös vasmagon elhelyezkedő tekercs található. A közös vasmag teremti meg a két tekercs közötti mágneses csatolást. Az egyik tekercsre (primer tekercs) váltakozó feszültséget kapcsolunk. Ennek hatására a közös vasmagban váltakozó mágneses tér ébred. A változó mágneses fluxus hatására a másik tekercsben (szekunder tekercs) feszültség indukálódik.

[Érdemes ábrával illusztrálni a transzformátor szerkezetét!]

A közös vasmag belsejében a fluxus változás azonos a két tekercsre nézve. A pillanatnyi feszültség a primer tekercsben (Up,pill) és a szekunder tekercsben (Usz,pill) egyeneses arányos a menetszámmal (primer - Np, szekunder - Nsz):

Ezekből következik, hogy az effektív primer feszültség (Up) és szekunder feszültség (Usz) aránya megegyezik a menetszámok arányával:

[A törvényt szövegesen is meg kell fogalmazni!]

Mint ígértem, itt a következő esszé téma:

Nyugalmi elektromágneses indukció, a transzformátor

Napjainkban, egy átlagos lakásban közel egy tucat olyan elektromos berendezés van, amelynek fontos részegysége a transzformátor. A transzformátorok számtalan alkalmazása közül kiemelkedik a villamos energia továbbításában betöltött szerep. A transzformátor nagymértékű tökéletesítése és a gazdaságos energiaátvitelre való felhasználása Bláthy Ottó, Déri Miksa, Zipernovszky Károly és a budapesti Ganz-gyár érdeme. Ismertesse a transzformátor működését megalapozó fizikai törvényeket és az eszköz működését!

Ismertesse a változó mágneses mező által létrehozott elektromos mezőre vonatkozó legfontosabb törvényszerűségeket (mező szerkezete, irányítottsága)! Jellemezze a változó mágneses fluxust körbevevő tekercsben indukálódó feszültség nagyságát (elektromotoros erőt)! Ismertesse a Lenz-törvényt! Mutassa be az ideális terheletlen transzformátor szerkezeti elemeit, működési elvét és a két oldal feszültségei közötti kapcsolatot!

A korábban meghirdetett esszé témára itt egy lehetséges megoldás, hiszen az esszét mindenki a saját stílusában készíti el.

Newton első törvénye (tehetetlenség törvénye)*: Minden test egyenes vonalú, egyenletes mozgást végez, vagy nyugalomban van, amíg egy másik test vagy mező ennek megváltoztatására nem kényszeríti.

Newton második törvénye: A testre ható erő megegyezik a test időegységre eső lendületváltozásával:   

Ha a tömeg állandó, akkor:  

Newton harmadik törvénye: Ha az egyik test erőt fejt ki a másikra, akkor a másik is erőt fejt ki az elsőre. A kölcsönhatásban az erők egyforma nagyságúak, azonos hatásvonalúak, ellentétes irányúak.

Arisztotelész a testek alapállapotának a nyugalmat tekintette. Úgy indokolt, hogy a testek mozgatásához (még az egyenletes mozgatásához is) erőkifejtésre van szükség, ha az erő megszűnik a mozgás is előbb-utóbb megszűnik.

Newton ezt a gondolatot módosította, alapállapotnak a nyugalmat vagy az egyenes vonalú egyenletes mozgást nevezte. Úgy indokolt, hogy az egyenletes mozgatáshoz szükséges erő a súrlódás és közegellenállás legyőzéséhez szükséges, így egy mozgásban lévő tárgy egy súrlódásmentes felületen örökre mozgásban maradna erőhatás nélkül is. Newton úgy gondolta, hogy az erő nem a mozgatáshoz szükséges, hanem a mozgásállapot megváltoztatásához. Az eredő erő nagysága a tárgy gyorsulásával egyenes arányos, nem a sebességével. A tárgyakat nagyobb erővel azért tudjuk gyorsabban húzni, mert nagyobb súrlódási és közegellenállási erőt tudunk vele legyőzni.

Newton elvetette a korábbi kétféle mozgás elvét. A tárgyak mozgását, mozgásállapotváltozását a környezet hatásával indokolta, ahol a környezet lehet egy tárgy vagy egy mező. A tárgyak esését nem „nehéz természetükkel”, hanem a Föld által kifejtett gravitációs erővel magyarázta. (Arisztotelész állítását, miszerint a nehezebb tárgyak gyorsabban esnek, Galilei már korábban cáfolta a lejtőn végzett kísérletek alapján.)

*Bár a fent megfogalmazott verzió a "hivatalosan elfogadott", sajnos nem helyes. Meg is mutatom, miért.

Tételezzük fel, hogy Newton első törvénye a tehetetlenség törvénye (minden test egyenesvonalú ....). Mindig igaz ez a törvény? Könnyen beláthajuk, hogy nem, hiszen egy kanyarodó villamoson úgy borulhat fel egy bőrönd, hogy rá se test se mező nincs hatással. Tehát a tehetetlenség törvénye korlátozott érvényben igaz, és így a törvénynek illenék megadni az érvényesség körét. Erre azt szokás mondani, hogy a tehetetlenség törvénye inerciarendszerben igaz. Ha az ember megkérdezi, hogy jó, jó, de mi az az inerciarendszer, akkor erre azt szokás válaszolni, olyan vonatkoztatási rendszer, amelyben igaz a tehetetlenség törvénye. Érezzük, ahogy a kör bezárult? Ezt hívják körbeforgó definíciónak.

Logikailag helyesen így néz ki:

Adott a tehetetlenség törvénye. Ez nem mindenhol igaz (pl.: a Földön sem, bár a hiba gyakran elhanyagolható). Nevezzük inerciarendszernek azt a vonatkoztatási rendszert, ahol igaz! Newton első törvénye: ilyen rendszer (inerciarendszer) létezik.

(ettől függetlenül az érettségire mindenkinek a fönti verziót ajánlom)

A fenti két grafikonon két különálló transzverzális hullámot láthatunk. Az alsó grafikonon láthatjuk, mi történik, amikor a két hullám találkozik. Az egyes hullámok hullámhosszát és amplitúdóját variálhatjuk. A hullámok haladását a t csúszka mozgatásával hozhatjzk létre. Érdemes megvizsgálni, hogy mi történik, amikor azonos hullámhosszú azonos amplitúdójú hullámok találkoznak illetve, amikor ellentétes amplítúdóval találkoznak! Jó kísérletezést!