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

A P. 5639. fizika feladat megoldása

Szerk

P. 5639. A mellékelt kapcsolási rajznak megfelelően összeállított áramkörben a feszültségforrás elektromotoros ereje \(\displaystyle 6~\mathrm{V}\), belső ellenállásának nagysága \(\displaystyle 2~\Omega\). Az ideális tekercs önindukciós együtthatója \(\displaystyle 1{,}5~\mathrm{H}\), az \(\displaystyle R\) ellenállás pedig \(\displaystyle 1000~\Omega\) nagyságú. Kezdetben a kapcsoló zárva van.

a) Mekkora töltés áramlik át az \(\displaystyle R\) ellenálláson a kapcsoló kinyitása után?

b) Mennyi hő fejlődik az \(\displaystyle R\) ellenálláson ezalatt?

(5 pont)

Tornyai Sándor fizikaverseny nyomán, Hódmezővásárhely

I. megoldás. Kezdetben az \(\displaystyle R\) ellenálláson nem folyik áram, mert a kapcsoló zárása után hosszú idővel, állandósult állapotban az ideális tekercs rövidzárként viselkedik (1. ábra).

Ez alapján a tekercsen átfolyó áram:

\(\displaystyle I_0=\frac{U_0}{R_\mathrm{b}}=3~\mathrm{A}. \)

a) A kapcsoló nyitása után (2. ábra) a tekercs árama nem változhat ugrásszerűen, így a \(\displaystyle t=0\) időpillanatban az \(\displaystyle RL\)-körben \(\displaystyle I_0\) áram folyik. Ezután egy ideig a tekercs feszültségforrásként viselkedik, és áramot hajt át az \(\displaystyle R\) ellenálláson:

\(\displaystyle U_\mathrm{i}=-L\frac{\Delta I}{\Delta t}=RI. \)

Rövid idő alatt az ellenálláson \(\displaystyle \Delta q=I\Delta t\) töltés áramlik át, így az előző kifejezés alapján:

\(\displaystyle \Delta q=-\frac{L}{R}\Delta I. \)

A lecsengés teljes idejére mindkét oldalt összegezve:

\(\displaystyle q=\sum\Delta q=-\frac{L}{R}\sum\Delta I=\frac{L}{R}I_0=\frac{LU_0}{RR_\mathrm{b}}=4{,}5~\mathrm{mC}. \)

        
1.~ábra 2.~ábra

b) Az \(\displaystyle R\) ellenálláson annyi hő fejlődik, amekkora a kapcsoló nyitásának pillanatában a tekercsben lévő mágneses tér energiája volt:

\(\displaystyle Q=E_\mathrm{m}=\frac{1}{2}LI_0^2=\frac{1}{2}L\frac{U_0^2}{R_\mathrm{b}^2}=6{,}75~\mathrm{J}. \)

Bélteki Teó (Hódmezővásárhely, Bethlen G. Ref. Gimn., 11. évf.)

II. megoldás. a) Az előző megoldás jelöléseit használva a kapcsoló nyitása után az áram időbeli változását leíró differenciálegyenlet:

\(\displaystyle \frac{\mathrm{d}I(t)}{\mathrm{d}t}=-\frac{R}{L}I(t). \)

Ez ugyanolyan alakú, mint a radioaktív bomlást leíró egyenlet, így a megoldása is ugyanolyan:

\(\displaystyle I(t)=I_0\mathrm{e}^{-\frac{R}{L}t}. \)

Az \(\displaystyle R\) ellenálláson kicsiny \(\displaystyle \mathrm{d}t\) idő alatt \(\displaystyle \mathrm{d}q=I\mathrm{d}t\) töltés áramlik át, így a teljes átáramló töltés:

\(\displaystyle q=\int\limits_0^\infty I\mathrm{d}t=I_0\int\limits_0^\infty\mathrm{e}^{-\frac{R}{L}t}\mathrm{d}t=-I_0\frac{L}{R}\left[\mathrm{e}^{-\frac{R}{L}t}\right]_0^\infty=\frac{L}{R}I_0=4{,}5~\mathrm{mC}. \)

b) Kicsiny idő alatt az \(\displaystyle R\) ellenálláson \(\displaystyle \mathrm{d}Q=R\left[I(t)\right]^2\mathrm{d}t\) hő disszipálódik. A teljes disszipálódó hőt megkaphatjuk ennek integrálásával is:

\(\displaystyle Q=\int\limits_0^\infty R\left[I(t)\right]^2\mathrm{d}t=RI_0^2\int\limits_0^\infty\mathrm{e}^{-\frac{2R}{L}t}\mathrm{d}t=-\frac{1}{2}LI_0^2\left[\mathrm{e}^{-\frac{2R}{L}t}\right]_0^\infty=\frac{1}{2}LI_0^2=6{,}75~\mathrm{J}. \)

Erdélyi Dominik (Budapesti Fazekas M. Gyak. Ált. Isk. és Gimn., 11. évf.)

Megjegyzés. A ,,végtelen'' ideig tartó összegzés furcsának tűnhet, de valójában a lecsengés a \(\displaystyle \tau=\tfrac{L}{R}=1{,}5~\mathrm{ms}\) időállandó tízszerese (tehát 15 ezredmásodperc) alatt lényegében lejátszódik.

22 dolgozat érkezett. Helyes 13 megoldás. Kicsit hiányos (4 pont) 4, hiányos (2–3 pont) 4, hibás 1 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. márciusi száma

A Lap — Legfrissebb szám

A KöMaL 2026. októberi száma

A Lap — Legfrissebb szám

A KöMaL 2026. májusi 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 2025. decemberi száma

A Lap — Legfrissebb szám

A KöMaL 2026. januári száma

A Lap — Legfrissebb szám

A KöMaL 2026. februári száma

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

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