Középiskolai Matematikai és Fizikai Lapok
Informatika rovattal
Kiadja a MATFUND Alapítvány
Már regisztráltál?
Új vendég vagy?
Fizika — Mintamegoldás

Az M. 447. mérési feladat megoldása

Szerk

M. 447. Mérjük meg egy laza csavarrugó rugóállandóját különböző, a rugóval összemérhető tömegű nehezékek segítségével

a) statikus módszerrel,

b) dinamikus módszerrel (rezgések tanulmányozásával).

Vessük össze a kétféle módszerrel kapott eredményeket, és próbáljunk magyarázatot adni az esetleges eltérésre!

(6 pont)

Közli: Vigh Máté, Herceghalom

Megoldás. A méréshez egy \(\displaystyle M=(7{,}76\pm 0{,}01)~\mathrm{g}\) tömegű csavarrugót és 5 darab \(\displaystyle m=(10{,}00\pm 0{,}01)~\mathrm{g}\) tömegű nehezéket használtunk. A tömegeket \(\displaystyle \Delta m=\pm 0{,}01~\mathrm{g}\) pontosságú mérleggel mértük, a megnyúlás mérésére vonalzót (\(\displaystyle \Delta y=\pm 0{,}1~\mathrm{cm}\)), a rezgésidő mérésére stopperórát (\(\displaystyle \Delta t=\pm 0{,}2~\mathrm{s}\)) használtunk.

\(\displaystyle N\) \(\displaystyle y\) (cm)
0 15,0
1 18,4
2 21,9
3 25,4
4 28,9


1. táblázat

a) A statikus módszernél a rugó teljes hosszát mérjük a ráakasztott nehezékek számának (\(\displaystyle N\)) függvényében. A rugó teljes hossza

\(\displaystyle y=y_0+\frac{mg}{k}N, \)

ahol \(\displaystyle y_0\) a felfüggesztett, de terheletlen rugó hossza és \(\displaystyle k\) a keresett rugóállandó.

Az 1. táblázat a mért adatokat mutatja.

Az 1. ábrán látható grafikonon \(\displaystyle y\)-t \(\displaystyle N\) függvényében ábrázoltuk, és a mérési pontokra \(\displaystyle y=a_1N+b_1\) alakú egyenest illesztettünk. Az illesztés eredménye:

\(\displaystyle a_1=(3{,}48\pm 0{,}03)~\mathrm{cm},\qquad b_1=(14{,}96\pm 0{,}08)~\mathrm{cm}. \)


1. ábra

A statikus módszerrel mért rugóállandó ebből:

\(\displaystyle k_{\mathrm{s}}=\frac{mg}{a_1}=(2{,}82\pm 0{,}03)~\mathrm{N}/\mathrm{m}. \)

A hibát a meredekség hibája adja: \(\displaystyle \Delta a_1/a_1\approx 1\%\) (míg az \(\displaystyle m\) tömeg és a \(\displaystyle g\) nehézségi gyorsulás relatív hibája csak \(\displaystyle 0{,}1\%\)).

b) A dinamikus módszernél a terhelt rugó rezgésének periódusidejét mérjük a terhelés függvényében. Ebben az esetben azonban a rugó tömegét is figyelembe kell vennünk. (A statikus esetben az csak a terheletlen hosszt módosította, a függvény meredekségét nem változtatta meg.) A rugó különböző részei azonban nem azonos sebességgel mozognak: az egyik vége áll, míg a másik a ráakasztott testekkel együtt \(\displaystyle v\) sebességgel mozog.

Legyen a rugó hossza \(\displaystyle L\), tömege \(\displaystyle M\). A rögzített végétől \(\displaystyle x\) távolságra a rugó kicsiny, \(\displaystyle \Delta x\) hosszúságú és

\(\displaystyle \Delta M=\frac{M}{L}\Delta x \)

tömegű darabja

\(\displaystyle v(x)=\frac{x}{L}v \)

sebességgel fog mozogni. (Feltételezzük, hogy a rugó megnyúlása \(\displaystyle Nm>M\) miatt közel egyenletes.) A kicsiny darab mozgási energiája

\(\displaystyle \Delta E_{\mathrm{m}}=\frac{1}{2}\Delta M(v(x))^2=\frac{1}{2}\frac{M}{L}\left(\frac{xv}{L}\right)^2\Delta x. \)

Ezt összegezve (integrálva) a rugó teljes hosszára a rugó mozgási energiája:

\(\displaystyle E_{\mathrm{m}}=\frac{Mv^2}{2L^3}\int\limits_0^Lx^2~\mathrm{d}x=\frac{1}{2}\frac{M}{3}v^2. \)

Tehát a rugó úgy viselkedik, mint egy \(\displaystyle M_{\mathrm{eff}}=M/3\) tömegű pontszerű test a rugó végén. Ebből az \(\displaystyle Nm\) tömeggel terhelt rugó rezgésének periódusideje:

\(\displaystyle T=2\pi\sqrt{\frac{Nm+M/3}{k}}. \)

Négyzetre emelve:

\(\displaystyle T^2=\frac{4\pi^2m}{k}N+\frac{4\pi^2}{k}M_{\mathrm{eff}}, \)

azaz \(\displaystyle T^2\) \(\displaystyle N\) lineáris függvénye.

Minden esetben 50 periódus idejét mértük, a mért és számított adatokat a 2. táblázat mutatja.

[!ht]

\(\displaystyle N\) \(\displaystyle 50T\) (s) \(\displaystyle T\) (s) \(\displaystyle T^2\) (\(\displaystyle \mathrm{s}^2\))
1 21,2 0,424 0,180
2 28,2 0,564 0,318
3 34,1 0,682 0,465
4 38,8 0,766 0,587
5 43,1 0,862 0,743

2. táblázat


2. ábra

A 2. ábrán látható grafikonon \(\displaystyle T^2\)-et ábrázoljuk \(\displaystyle N\) függvényében, és a mérési pontokra \(\displaystyle T^2=a_2N+b_2\) alakú egyenest illesztettünk. Az illesztés eredménye:

\(\displaystyle a_2=(0{,}141\pm 0{,}002)~\mathrm{s}^2,\qquad b_2=(0{,}039\pm 0{,}004)~\mathrm{s}^2. \)

A hibaszámításnál \(\displaystyle \Delta T=\Delta t/50\), és \(\displaystyle T^2\) relatív hibája pedig \(\displaystyle T\) relatív hibájának kétszerese. Ebből a dinamikus módszerrel mért rugóállandóra

\(\displaystyle k_{\mathrm{d}}=\frac{4\pi^2m}{a_2}=(2{,}80\pm 0{,}03)~\mathrm{N/m}, \)

a rugó effektív tömegére pedig

\(\displaystyle M_{\mathrm{eff}}=\frac{mb_2}{a_2}=(2{,}7\pm 0{,}3)~\mathrm{g} \)

adódik. A hibaszámításnál \(\displaystyle m\) hibája ismét elhanyagolható az illesztési paraméterek hibája mellett, így \(\displaystyle k_{\mathrm{d}}\) relatív hibája megegyezik \(\displaystyle a_2\) relatív hibájával, \(\displaystyle M_{\mathrm{eff}}\) relatív hibája pedig \(\displaystyle a_2\) és \(\displaystyle b_2\) relatív hibájának összege.

Összehasonlítás és diszkusszió.

A két különböző módszerrel kapott rugóállandó hibahatáron belül megegyezik:

\(\displaystyle k_{\mathrm{s}}=(2{,}82\pm 0{,}03)~\mathrm{N}/\mathrm{m},\qquad k_{\mathrm{d}}=(2{,}80\pm 0{,}03)~\mathrm{N}/\mathrm{m}. \)

A rugó mért effektív tömege hibahatáron belül megegyezik a számított értékkel:

\(\displaystyle M_{\mathrm{eff}}=\frac{mb_2}{a_2}=(2{,}7\pm 0{,}3)~\mathrm{g},\qquad \frac{M}{3}=(2{,}59\pm 0{,}01)~\mathrm{g}. \)

A két eredmény mutatja, hogy a rugó effektív tömegét helyesen vettük figyelembe.

Erdélyi Dominik (Budapesti Fazekas M. Gyak. Ált. Isk. és Gimn., 12. évf.)

13 dolgozat érkezett. Helyes 3 megoldás. Kicsit hiányos (5 pont) 5, hiányos (2–4 pont) 5 dolgozat.

Matfund — Támogatás

Kérjük, támogassa adója 1%-ával a KöMaL-t!

A KöMaL kiadásának, a versenyek teljes lebonyolításának, díjazásának és a díjkiosztóval egybekötött Ifjúsági Ankétok szervezésének költségeit 2007 óta a MATFUND Középiskolai Matematikai és Fizikai Alapítvány fizeti.

Kérjük, személyi jövedelemadója 1%-ának felajánlásával álljon a több, mint 125 éve alapított Középiskolai Matematikai és Fizikai Lapok mellé!

Felhívás — KöMaL Ankét

KöMaL Ifjúsági Ankét és Díjátadó 2026

Időpont: 2026. október 29-30.

Helyszín: Bornemisza Péter Gimnázium (1107 Budapest, Száva u. 1.)

Regisztráció: diákoknak (gmail-es címmel) és felnőtteknek és nem gmail-es címmel diákoknak

Program a teljes cikkben.

A Lap — Legfrissebb szám

A KöMaL 2026. októberi száma

A Lap — Legfrissebb szám

A KöMaL 2025. decemberi száma

A Lap — Legfrissebb szám

A KöMaL 2026. szeptemberi száma

A Lap — Legfrissebb szám

A KöMaL 2026. áprilisi száma

A Lap — Legfrissebb szám

A KöMaL 2026. februári száma

A Lap — Legfrissebb szám

A KöMaL 2026. májusi száma

A Lap — Legfrissebb szám

A KöMaL 2026. márciusi száma

A Lap — Legfrissebb szám

A KöMaL 2026. januári száma

Fizika — Mintamegoldás

A P. 5711. fizika feladat megoldása

P. 5715. Egy \(\displaystyle \ell\) hosszúságú fonálinga nehezéke nyugalmi állapotban majdnem a vízszintes talajig ér. Az ingát vízszintes helyzetéig kitérítjük, majd elengedjük. Amikor az inga fonala valamekkora \(\displaystyle \alpha\) szöget zár be a függőlegessel, a fonalat hirtelen elégetjük. Mekkora \(\displaystyle \alpha\) szög esetén repül a nehezék az egyensúlyi helyzetétől legmesszebbre, és mekkora ez a távolság? (A légellenállást hanyagoljuk el.)

Közli: Gnädig Péter, Vácduka

Fizika — Mintamegoldás

A P. 5711. fizika feladat megoldása

P. 5711. Öt egyforma \(\displaystyle C\) kapacitású kondenzátor és egy \(\displaystyle U\) belső feszültségű ideális telep felhasználásával az ábrán látható egyszerű áramkört hozzuk létre.

a) Mekkora töltés halmozódik fel a középső kondenzátor fegyverzetein?

b) Hogyan változik ez az érték, ha az egyik kondenzátort \(\displaystyle nC\) kapacitású kondenzátorra cseréljük?

Közli: Németh Róbert, Budapest