elteapáczaicserejánosgyakorlógimnáziumés kollégium...

23
ELTE Apáczai Csere János Gyakorló Gimnázium és Kollégium – Biológia tagozat Fizika 9. osztály I. rész: Kinematika Készítette: Balázs Ádám Budapest, 2020. január 12.

Upload: others

Post on 23-Nov-2019

2 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: ELTEApáczaiCsereJánosGyakorlóGimnáziumés Kollégium ...balazsadam.web.elte.hu/9fizika/fizika9kinematika.pdf · 4. Feladat. Létezik-e olyan vonatkoztatási rendszer, amiből

ELTE Apáczai Csere János Gyakorló Gimnázium és

Kollégium – Biológia tagozat

Fizika 9. osztály

I. rész: Kinematika

Készítette: Balázs Ádám

Budapest, 2020. január 12.

Page 2: ELTEApáczaiCsereJánosGyakorlóGimnáziumés Kollégium ...balazsadam.web.elte.hu/9fizika/fizika9kinematika.pdf · 4. Feladat. Létezik-e olyan vonatkoztatási rendszer, amiből

2. Tartalomjegyzék

Tartalomjegyzék

I. rész: Kinematika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

8. A kinematika alapfogalmai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

9. A sebesség fogalma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

10. Az átlagsebesség . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

11. Mozgások összetétele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

12. A gyorsulás fogalma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

13. A gyorsuló mozgás grafikonjai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

14. Feladatok gyorsulásra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

15. A szabadon eső test mozgása . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

16. A függőleges hajítások . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

17. A vízszintes hajítás . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

18. Ferde hajítások . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

19. Feladatok hajításra, szabadesésre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

20. Az egyenletes körmozgás . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

21. A centripetális gyorsulás . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

Page 3: ELTEApáczaiCsereJánosGyakorlóGimnáziumés Kollégium ...balazsadam.web.elte.hu/9fizika/fizika9kinematika.pdf · 4. Feladat. Létezik-e olyan vonatkoztatási rendszer, amiből

8. óra. A kinematika alapfogalmai 3.

8. óra A kinematika alapfogalmai

Klasszikus mechanika: A testek mozgásának leírásával, a mozgás törvényeivel fog-lalkozik. A környezetünkben lévő testekre érvényes, nem túl kicsi, nem túl gyors tes-tekre. Atomi méret1 közelében, fénysebességet megközelítve már nem használható.

Kinematika: Mozgástan, a mechanika azon részterülete, amelyik a mozgások pusztamatematikai leírásával foglalkozik. A szó a görög κινηµα (mozgás) szóból származik.

Anyagi pont modell: A testeket kiterjedés nélküli, pontszerű objektumnak tekint-hetjük, ha méretüknél jóval nagyobb távolságokat tesznek meg. Példák: a Föld pont-szerűnek tekinthető, ha a Nap körüli mozgását vizsgáljuk; egy autó pontszerűnek te-kinthető, ha egy több km-es utat tesz meg.

Hely és helyzet: Más néven a lokáció és az orientáció. Azt értjük alattuk, hogy holtalálható meg a test és milyen irányba néz. Mindkét fogalom relatív.

Vonatkoztatási pontok: Kitüntetettpontok, amihez képest megadjuk a tes-tek helyét. A dimenziószámnál mindigeggyel több pont szükséges, hogy ez egyér-telmű legyen2. A vonatkoztatási pontok-hoz koordináta-rendszert rögzítve vonat-koztatási rendszerről beszélünk.

1. ábra. Vajon melyik a másik oldal?

1. Feladat. Adjuk meg egy tárgy helyét két különböző vonatkoztási rendszerből!

2. Feladat. Mikola cső középső beosztása legyen egy vonatkoztatási pont. A buboréktőle 4 cm-re van. Egyértelmű-e a buborék helye és helyzete?

3. Feladat. Adott három pont, melyek egy általános helyzetű háromszöget határoz-nak meg. Adjuk megy egy kiválasztott pont koordinátáit az általuk meghatározottvonatkoztatási rendszerben!

4. Feladat. Létezik-e olyan vonatkoztatási rendszer, amiből nézve a Mikola-csőbenmozgó buborék nyugalomban van?

1Az atomok nagyságrendjébe eső méret az Ångström, az átváltás: 1 Å= 10−10 m2Pl. a síkon meg kell adni, hogy mit tekintünk origónak, és a választott x és y tengely irányába

mutató egységvektorokat kell definiálni 1-1 pont megadásával. Kétdimenzióban ez 3 pont összesen.

Page 4: ELTEApáczaiCsereJánosGyakorlóGimnáziumés Kollégium ...balazsadam.web.elte.hu/9fizika/fizika9kinematika.pdf · 4. Feladat. Létezik-e olyan vonatkoztatási rendszer, amiből

4. 8. óra. A kinematika alapfogalmai

Pálya: Az a geometriai alakzat (görbe),amin a test mozgása során végighalad.

Út: A test által befutott pályaszakaszhossza, mely egy nemnegatív számérték.A megtett út jele: s vagy ∆s

Elmozdulás: A mozgás kezdőpontjábóla végpontjába mutató vektor. Jele: ∆~r

0 1

1

Pálya

s = 1, 2 mElmozdulás

2. ábra. Kinematikai alapfogalmak.

Hely-idő diagram: A test helyét megadjuk az idő függvényében. A test egyszerrekét helyen nem lehet, de minden pillanatban van valahol. Nem is teleportálhat.

t(s)0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

x(m)

−2−10

1

2

3

4

5

t(s)0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

x(m)

−2−10

1

2

3

4

5

3. ábra. Mesélj különböző történeteket a hely-idő grafikonokról!

Út-idő diagram: Megadjuk test által megtett összes utat az idő függvényében. Azeddigi feltételeken túl mindig növekszik, vagy állandó3.

t(s)0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

s(m)

0

1

2

3

4

5

6

t(s)0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

s(m)

0

1

2

3

4

5

6

4. ábra. Mesélj különböző történeteket az út-idő grafikonokról!

8. Házi feladat. Készítsd el egy lift hely-idő és út-idő diagramját!

8. Szorgalmi. Ábrázold Excel vagy hasonló program segítségével a házi feladatot!

3Monoton nő az idő függvényében.

Page 5: ELTEApáczaiCsereJánosGyakorlóGimnáziumés Kollégium ...balazsadam.web.elte.hu/9fizika/fizika9kinematika.pdf · 4. Feladat. Létezik-e olyan vonatkoztatási rendszer, amiből

9. óra. A sebesség fogalma 5.

9. óra A sebesség fogalma

A sebesség nagysága: Fizikailag az egységnyi idő alatt megtett út hossza. Mate-matikailag az út-idő diagramon ábrázolt grafikon meredeksége.

A sebesség iránya: A testre ható erőket egy pillanatra figyelmen kívül hagyjukés megnézzük, hogy melyik irányba mozogna tovább a test. Fizikailag ez a sebességiránya. Matematikailag a pálya érintője jelöli ki ezt az irányt.

A sebesség általában: A test A pontból eljut B-be egy nagyon kicsi ∆t idő alatt.A helyvektor időegység alatti megváltozása a sebesség:

~v =~rA − ~rB

∆t

9. Házi feladat.

9. Szorgalmi.

Page 6: ELTEApáczaiCsereJánosGyakorlóGimnáziumés Kollégium ...balazsadam.web.elte.hu/9fizika/fizika9kinematika.pdf · 4. Feladat. Létezik-e olyan vonatkoztatási rendszer, amiből

6. 10. óra. Az átlagsebesség

10. óra Az átlagsebesség

Az átlagsebesség matematikai kiszámítása:

vátl. =Sösszes

tösszes

Az átlagsebesség szemléletes fizikai tartalma: Annak az egyenletesen mozgótestnek a sebessége lenne vátl., ami ugyanolyan hosszú utat ugyanannyi idő alatt tennemeg, mint a változó sebességű mozgást végző test.

Egyenlő idők esetén: A sebességek számtani közepe.

vátl. =s1 + s2 + s3 + s4

∆t+ ∆t+ ∆t+ ∆t=v1 ·∆t+ v2 ·∆t+ v3 ·∆t+ v4 ·∆t

4 ·∆t=v1 + v2 + v3 + v4

4

Egyenlő utak esetén: A sebességek harmonikus közepe.

vátl. =∆s+ ∆s+ ∆s

t1 + t2 + t3=

3 ·∆s∆s

v1+

∆s

v2+

∆s

v3

=3

1

v1+

1

v2+

1

v3

10. Házi feladat. Egy 200 méter hosszúságú pályán az autó 36 km/h-val megy körbe,majd tesz egy kört 54 km/h-val, majd egy újabbat 64,8 km/h-val. Mekkora az autóátlagsebessége m/s-ban?

10. Szorgalmi. Az átlagsebesség vektor, vagy skalármennyiség?

Page 7: ELTEApáczaiCsereJánosGyakorlóGimnáziumés Kollégium ...balazsadam.web.elte.hu/9fizika/fizika9kinematika.pdf · 4. Feladat. Létezik-e olyan vonatkoztatási rendszer, amiből

11. óra. Mozgások összetétele 7.

11. óra Mozgások összetétele

Galilei-féle relativitási elv: Adott egy K vonatkoztatási rendszer, és a hozzá képestállandó ~v sebességgel mozgó K′ rendszer. Mindkettőben a fizikai törvények azonosak,és az is idő ugyanúgy telik. A két rendszer egyenértékű, egyik sem kitüntetett.

x

y

z K

x′

y′

z′ K′ ~v

Test az álló hajóban Test a mozgó hajóban

5. ábra. Zárkózz be barátod társaságában egy hajó fedélzete alatt egy meglehetősen nagyterembe. Vigyél szúnyogokat, lepkéket és egyéb röpködő állatokat, gondoskodjál egy vizes-edényről, melyből a víz egy szűk nyakú edénybe csöpög. Most mozogjon a hajó tetszés szerintisebességgel: azt fogod tapasztalni - ha a mozgás egyenletes és nem ingadozó - a jelenségekbensemmiféle változás nem következik be (a klasszikus mechanika keretei között).

Galilei-transzformáció: A K rendszerből a K′-be a mennyiségek átszámíthatók.

~v · tx

y

z K

x′

y′

z′ K′ ~v

Épület

~r~r′

6. ábra. Legyen a két rendszer t = t′ = 0 időpillanatban közös origójú. Ekkor egy K-ben állótest pozíciója a két rendszerből nézve más, de létezik kapcsolat az egyes helyvektorok között.

Az átszámítást Galilei-transzformációnak nevezzük és végig feltételezzük, hogy az időmindkét rendszerben ugyanúgy telik.

~r′ = ~r − ~v · t

Page 8: ELTEApáczaiCsereJánosGyakorlóGimnáziumés Kollégium ...balazsadam.web.elte.hu/9fizika/fizika9kinematika.pdf · 4. Feladat. Létezik-e olyan vonatkoztatási rendszer, amiből

8. 11. óra. Mozgások összetétele

5. Feladat. Jancsi 2 ms -mal sétál előre a 20 m

s -mal haladó metróban, Juliska 1 ms -mal

megy hátrafelé. Mekkora sebességük egy peronon álló megfigyelő számára?

• Jancsi a metróval azonos irányba halad, ezért a sebességek összeadhatók:

v0 + v1 = 20ms

+ 2ms

= 22ms

• Juliska sebessége a metró sebességével ellentétes, ezért negatív előjelű:

v0 + v2 = 20ms− 1

ms

= 19ms

6. Feladat. Egy versenyautó 140 kmh -val, egy másik 122 km

h -val megy körbe a 4,5 kmhosszú pályán. Mennyi idő, míg az első lekörözi másodikat, ha egyszerre indultak?

• A lassabb számára a gyorsabb sebessége: 140 kmh − 122 km

h = 18 kmh = 5 m

s

• A pálya megtételéhez szükséges idő ekkora sebességgel: t =s

v=

4500 m5 m

s= 900 s

• A gyorsabb autó a lassabbat 900 másodperc, vagyis 15 perc alatt körözi le.

7. Feladat. Dani átúszta a 150 méteres medencét 1,2 ms sebességgel. Ugyanilyen széles,

de 2 ms sebességű folyóban merőlegesen a partra elindul. Mennyivel lejjebb ér partot?

8. Feladat. Dani most egy olyan 150 m szélességű folyóban indul el merőlegesen,melyben a part szélétől lineárisan nő a sebesség 1 m

s -ig. Mennyivel lejjebb ér itt partot?

11. Házi feladat. Egy ember a folyón felfele evez. Egy hídnál elhagyja a csáklyáját,de csak fél óra múlva veszi észre. Ezután visszafordul és felszedi. Milyen gyors a folyósodrása, ha 5 km-rel a híd után éri utol a csáklyát, és végig egyenletesen evezett?

11. Szorgalmi. Hogyan kell összeadni a sebességeket, ha fénysebességgel összemérhetősebességgel mozgó részecskéket vizsgálunk?

Page 9: ELTEApáczaiCsereJánosGyakorlóGimnáziumés Kollégium ...balazsadam.web.elte.hu/9fizika/fizika9kinematika.pdf · 4. Feladat. Létezik-e olyan vonatkoztatási rendszer, amiből

12. óra. A gyorsulás fogalma 9.

12. óra A gyorsulás fogalma

Kísérlet. Hosszú, kis dőlésszögű lejtőre helyezzünk egy acélgolyót és mérjük megmennyi idő alatt tesz meg 50 cm-t! Alkossunk hipotézist, hogy hányszor ennyi ide-ig tart kétszer, háromszor, illetve négyszer ekkora utat megtennie?

Kísérlet. Mérjük meg, hogy 10 cm-es utakat hány másodperc alatt tesz meg. Ábrá-zoljuk a test mozgását út-idő diagramon!

t(s)

s(m)

0 1 2 3 4 50

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

t (s)

v(m

s

)

0 1 2 3 4 50

1

2

3

4

5

6

7

8

7. ábra. A gyorsuló mozgás grafikonjai

• Az út négyzetesen arányos az idővel, tehát: s = k · t2

• A mozgás átlagsebessége: vátl. =s

t=k · t2

t= k · t

• A sebesség nulláról v-ig nő, ez utóbbi az átlagsebesség duplája: v = 2 · vátl.

• A sebesség megváltozásának és a közben eltelt időnek a hányadosát jelöljük a-val.

S =a

2· t2 v = a · t

12. Házi feladat. Egy test gyorsulása 4 m/s2. Hogyan mozog a test az első 5 másod-percben? Ábrázold az s− t, v − t, a− t diagramokat!

12. Szorgalmi. Oldd meg a házi feladatot Excel-ben!

Page 10: ELTEApáczaiCsereJánosGyakorlóGimnáziumés Kollégium ...balazsadam.web.elte.hu/9fizika/fizika9kinematika.pdf · 4. Feladat. Létezik-e olyan vonatkoztatási rendszer, amiből

10. 13. óra. A gyorsuló mozgás grafikonjai

13. óra A gyorsuló mozgás grafikonjai

9. Feladat. Álló helyzetből induló autó 3 s alatt gyorsít 6 mssebességre, amit 3 s-ig

tart, majd 3 s alatt lefékez és megáll. Ábrázoljuk a mozgást grafikonokon!

t (s)

a (m/s2)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1

2

−1

−2

0

8. ábra. A gyorsulás-idő diagram

A gyorsulások az egyes szakaszokon:

• a0 = 0m

s2

• a1 =6− 0

3= 2

(ms2

)• a2 = 0

m

s2

• a3 =0− 6

3= −2

(ms2

)• a4 = 0

m

s2

t (s)

v (m/s)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

1

2

3

4

5

6

7

9. ábra. A sebesség-idő diagram

A sebességek az egyes szakaszokon:

• v0 = 0 ms

• v1 = 2 · t

• v3 = 6 ms

• v3 = −2 · t

• v4 = 0 ms

t (s)

s (m)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

5

10

15

20

25

30

35

14

9

15

21

27

3235 36 36

10. ábra. Az út-idő diagram

A megtett út az egyes szakaszokon:

• s0 = 0m

• s1 =2

2· t2

• s2 = 6 · t

• s3 = 6 · t− 2

2· t2

• s4 = 36m

Page 11: ELTEApáczaiCsereJánosGyakorlóGimnáziumés Kollégium ...balazsadam.web.elte.hu/9fizika/fizika9kinematika.pdf · 4. Feladat. Létezik-e olyan vonatkoztatási rendszer, amiből

13. óra. A gyorsuló mozgás grafikonjai 11.

10. Feladat. Egy jármű 2 s alatt 8 ms-ra gyorsít, majd lassít 3 s-on keresztül, hogy

sebessége csak 2 mslegyen és így halad tovább. Készítsük el a mozgás grafikonjait!

t (s)

a (m/s2)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1

2

−10

3

4

−2

11. ábra. A gyorsulás-idő diagram

A gyorsulás az egyes szakaszokon:

• a0 = 0m

s2

• a1 =8− 0

2= 4

(ms2

)• a2 =

2− 8

3= −2

(ms2

)• a3 = 0

m

s2

t (s)

v (m/s)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10012345678

12. ábra. A sebesség-idő diagram

A sebesség az egyes szakaszokon:

• v0 = 0 ms

• v1 = 4 · t

• v2 = −2 · t

• v3 = 2 ms

t (s)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

s (m)

0

5

10

15

20

25

30

2

8

15

20

2325

2729

31

13. ábra. Az út-idő diagram

A megtett út az egyes szakaszokon:

• s0 = 0m

• s1 =4

2· t2

• s2 = 8 · t− 2

2· t2

• s3 = 2 · t

13. Házi feladat. Egy saját példát megoldani és a program segítségével ellenőrzni.

13. Szorgalmi. Excel programot készíteni a második feladathoz.

Page 12: ELTEApáczaiCsereJánosGyakorlóGimnáziumés Kollégium ...balazsadam.web.elte.hu/9fizika/fizika9kinematika.pdf · 4. Feladat. Létezik-e olyan vonatkoztatási rendszer, amiből

12. 14. óra. Feladatok gyorsulásra

14. óra Feladatok gyorsulásra

11. Feladat. Egy teherautó álló helyzetből 10 s alatt éri el az 5 ms -ot. Mekkora a

gyorsulása? Mennyi ideig kellene gyorsulnia, hogy elérje a 36 kmh sebességet?

• A teherautó gyorsulása: a =∆v

∆t=

5− 0

10= 0, 5

( ms2)

• Az elérni kívánt sebesség: 36kmh

= 10ms

• A szükséges idő: t =v

a=

10

0, 5= 20 ( s )

12. Feladat. Egy golyó egy lejtőn 3 ms2 gyorsulással legurul. A lejtő aljára már 6 m

s

sebességgel érkezik. Mekkora a közben megtett útja?

• Ekkora sebesség eléréséhez szükséges idő: t =v

a=

6

3= 2 ( s )

• Álló helyzetből indulva az út: s =a

2· t2 =

3

2· 22 = 6 ( m )

13. Feladat. Egy autó 72 kmh -ról 10 s alatt áll meg teljesen. Egy motor 5 s alatt fékez

le 15 ms -ről. Mekkora a gyorsulásuk fékezéskor? Melyik jármű fékez jobban?

• Az autó sebessége: 72kmh

= 20ms

• Az autó gyorsulása fékezés közben: a =∆v

∆t=

0− 20

10= −2

( ms2

)• A motoros gyorsulása fékezés közben: a =

∆v

∆t=

0− 15

5= −3

( ms2

)14. Feladat. Mekkora a gyorsulás ha 3 m

s -ról 13ms -ra 5 másodperc alatt gyorsítunk?

A gyorsulás nagysága: a =∆v

∆t=

13− 3

5= 2

( ms2)

15. Feladat. Egy autó 72 kmh -ról 54 km

h -ra fékezett, közben gyorsulása -0,5 ms2 volt.

Mennyi ideig fékezett?

• A sebesség fékezés előtt: v1 = 72kmh

= 20ms, utána: v2 = 54

kmh

= 15ms

• A sebességváltozás: ∆v = v2 − v1 = 15ms− 20

ms

= −5ms

• Az autó fékezési ideje: ∆t =∆v

a=−5

−0, 5= 10 s

Page 13: ELTEApáczaiCsereJánosGyakorlóGimnáziumés Kollégium ...balazsadam.web.elte.hu/9fizika/fizika9kinematika.pdf · 4. Feladat. Létezik-e olyan vonatkoztatási rendszer, amiből

14. óra. Feladatok gyorsulásra 13.

16. Feladat. Három autó egymás mellett megy 20 ms -os sebességel. Az első tartja

ezt a tempót, a második gyorsítani kezd 2 ms2 -tel, a harmadik fékezni kezd −2 m

s2 -tel.Mekkora a megtett útja az egyes autóknak 3 másodperc múlva?

• Az első autó sebessége nem változik, ezért útja: s = v · t = 20 · 3 = 60 ( m )

• A második útja: s = v0 · t+a

2· t2 = 20 · 3 +

2

2· 32 = 60 + 9 = 69 ( m )

• A harmadik útja: s = v0 · t+a

2· t2 = 20 · 3− 2

2· 32 = 60− 9 = 51 ( m )

17. Feladat. Az autópályán 2 másodperc a követési távolság. Mekkora utat jelent ezegy 100,8 km

h -val haladó, majd hirtelen lefékező autó számára?

• Az autó sebessége a fékezés előtt: v1 = 100, 8kmh

= 28ms

• Az autó gyorsulása: a =∆v

∆t=

0− 28

2= −14

( ms2

)• A négyzetes úttörvény szerint kiszámítjuk, hogy az autó mennyi utat tenne meg,

ha nem is fékezne és abból levonjuk, amit a fékezés miatt nem tesz meg:

s = v0 · t+a

2· t2 = 28 · 2− 14

2· 22 = 56− 28 = 28 ( m )

• Ha időben visszafelé képzeljük el a fékezést, akkor álló helyzetből indul az autó,gyorsulása 14m

s2ezért a megtett út 2 s alatt:

s =a

2· t2 =

14

2· 22 = 28 ( m )

14. Házi feladat. Egy 36 kmh -val haladó autó elkezd gyorsítani 3 s-on át 2 m

s2 -mal.

a.) Mekkora sebességre gyorsul fel?

b.) Mekkora utat tett meg a gyorsítás közben?

c.) Ábrázold a mozgást s− t, v − t, a− t grafikonon!

d.) Mekkora az átlagsebesség a gyorsítási szakaszon?

14. Szorgalmi. Az Earthrace nevű hajó végsebessége 59,3 km/h. Mekkora kezdőse-bességről tud 5 s alatt felgyorsulni a végsebességre, ha 2 m

s2 gyorsulásra képes?

Page 14: ELTEApáczaiCsereJánosGyakorlóGimnáziumés Kollégium ...balazsadam.web.elte.hu/9fizika/fizika9kinematika.pdf · 4. Feladat. Létezik-e olyan vonatkoztatási rendszer, amiből

14. 15. óra. A szabadon eső test mozgása

15. óra A szabadon eső test mozgása

Szabadesés: Ha egy testre kizárólag a tömegvonzás hat, akkor szabadon1 esik.

Kísérlet. Állandó sebességgel zuhannak-e a szabadon eső testek?

Egy kötélen egymástól egyenlő távolságokra rögzítünk csavarokat, és a kötelet kifeszí-tett állapotban leejtük. A koppanások nem egyenletesek, hanem egyre gyakoribbak,tehát a sebesség zuhanás közben folyamatosan nő.

Kísérlet. A nehezebb testeket jobban gyorsítja a gravitáció?

Nem, mert bármilyen tömegű is a test, ugyanolyan mértékben fog növekedni a sebes-sége. Erről meggyőződhetünk egy üres és egy vízzel teli palack ledobásával.

Kísérlet. Egy tollpihe és egy ágyúgolyó egyszerre esik le?

Nem, de ez nem is szabadesés. A levegő akadályozza a mozgást, így nem csak agravitációs erő érvényesül. Egy sima és egy összegyűrt papírlapnál is ugyanez történik.

Kísérlet. A tollpihe és az ágyúgolyó egyszerre esik le légüres térben?

Igen, a NASA vákuumkamrában elvégezte ezt a kísérletet és egyszerre értek le.

Nehézségi gyorsulás: A Föld közelében lévő testek közelítőleg a Föld középpontjafelé gyorsulnak2, ebben az irányban a gyorsulás értéke kb. g = 10 m

s2 .

Kísérlet. Mérjük meg a nehézségi gyorsulás számértékét!

Leejtünk egy testet h magasságból és mérjük az esési időt. A megtett út:

s =a

2· t2 =⇒ h =

g

2· t2 =⇒ g =

2 · ht2

A nehézségi gyorsulás Magyarországon 9,81 ms2 . A nehéségi gyorsulás értéke földrajzi

szélesség és a magasság függvényében is változik.

1Más test, vagy a közegellenállás nem akadályozza a mozgását.2Nem feltétlenül igaz, hogy ténylegesen ebbe az irányba is mozognak.

Page 15: ELTEApáczaiCsereJánosGyakorlóGimnáziumés Kollégium ...balazsadam.web.elte.hu/9fizika/fizika9kinematika.pdf · 4. Feladat. Létezik-e olyan vonatkoztatási rendszer, amiből

15. óra. A szabadon eső test mozgása 15.

18. Feladat. Hány métert halad lefelé a szabadon eső test az esési idő függvényében?

• A teljes út minden másodpercében a négyzetes úttörvény szerint növekszik.

• 0, 5, 20, 45, 80, 125, ... 5 · n2 (méter)

19. Feladat. Hány métert zuhan a test a szabadesés egyes másodperceiben?

• A megtett útból levonjuk az előző másodpercig megtett útat.

• 0, 5, 15, 25, 45, ... 5 · n2 − 5 · (n− 1)2 (méter)

• Felhasználva az (a+ b)2 = a2 + 2ab+ b2 azonosságot az n.-ik másodperc útja:

Sn. = (2 · n− 1) · 5 (méter)

20. Feladat. Hogyan helyezzük el az ejtőzsinóron a csavarokat, hogy ejtéskor egyen-letesen halljuk a koppanásokat?

Válasszunk ki egy alaptávolságot, pl. 30 cm-t, és ennek páratlan számú többszöröseilegyenek a csavarok közötti távolságok, tehát 90 cm, 150 cm, 210 cm.

21. Feladat. Mekkora sebességgel csapódik be a test 1, 2 ... n s-os zuhanás után?

• n másodperces zuhanás: vn = g · t = 10 ms2 · n s = n · 10 m

s

22. Feladat. Milyen mély az a kút, amelyben 5 s alatt ér le egy kavics?

• A megtett út a kút mélysége: s =g

2· t2 =

10

2· 52 = 125 (m)

23. Feladat. Mennyi idő alatt zuhan le egy vasgolyó egy 80 méter magas épületből?

s =g

2· t2 =⇒ t2 =

2 · sg

=2 · 80

10= 16 =⇒ t = 4 s

Szabadesés a Holdon: Ha egy űrhajós a Holdon elejt egy tollat, a toll hatod akkorgyorsulással esik, mert ott a g a földi érték hatodával egyezik meg.

gH = 1, 62m

s2gH ≈

g

6

15. Házi feladat. A Holdon lévő szikla tetejéről egy 170 cm magas űrhajós ledobfejmagasságból egy követ, ami 3 másodpercig zuhan. Mekkora a szikla magassága?

15. Szorgalmi. Egy test 180 méter magasból leesik. Osszuk fel 3 szakaszra az utat,amit a test egyenlő időközök alatt tett meg.

Page 16: ELTEApáczaiCsereJánosGyakorlóGimnáziumés Kollégium ...balazsadam.web.elte.hu/9fizika/fizika9kinematika.pdf · 4. Feladat. Létezik-e olyan vonatkoztatási rendszer, amiből

16. 16. óra. A függőleges hajítások

16. óra A függőleges hajítások

Függőleges hajítás lefelé: Egy testet v0 kezdősebességgel ledobunk, és az szabadonesik lefelé. A megtett út és az elért sebesség a következő:

s = v0 · t+g

2· t2 v = v0 + g · tg

2

24. Feladat. Egy követ 4 mssebességgel ledobtunk ami így 5 s-ig zuhant. Mekkora a

kő megtett megtett útja és a becsapódási sebessége?

• Az út: s = v0 · t+g

2· t2 = 4 · 5 +

10

2· 52 = 20 + 125 = 145 (m)

• A sebesség: v = v0 + g · t = 4 + 10 · 5 = 54m

s

Függőleges hajítás felfelé Egy testet feldobunk v0 kezdősebességgel, közben sza-badon esik lefelé. Az emelkedési magasság és a sebesség a következő:

h = v0 · t−g

2· t2 v = v0 − g · t

g

2

25. Feladat. Hol van a 4 ms-mal feldobott kő 5 s elteltével és mekkora a sebessége?

• Az út: s = v0 · t−g

2· t2 = 4 · 5− 10

2· 52 = 20− 125 = −105 (m)

• A sebesség: v = v0 − g · t = 4− 10 · 5 = −46m

s

• A negatív út azt jelenti, hogy a test a kiindulási magasság alatt van, pl. egy mélykútba zuhant. A negatív sebesség, mert a fellövéssel ellentétes irányú a sebesség.

Emelkedési idő: A v0 kezdősebességgel feldobott test pillanatnyi sebessége pályájá-nak tetőpontján nulla. Ennek alapján a te emelkedési idő kiszámítható:

v = v0 − g · te = 0 =⇒ v0 = g · te =⇒ te =v0g

Maximális emelkedés: Az emelkedési időt a hely összefüggésébe behelyettesíthetve:

hmax =v20

2 · g

Page 17: ELTEApáczaiCsereJánosGyakorlóGimnáziumés Kollégium ...balazsadam.web.elte.hu/9fizika/fizika9kinematika.pdf · 4. Feladat. Létezik-e olyan vonatkoztatási rendszer, amiből

16. óra. A függőleges hajítások 17.

A zuhanás ideje: A felső pontról kezdősebesség nélküli szabadesés történik:

h =g

2· t2z =⇒ v20

2 · g=g

2· t2z =⇒ v20

g2= t2z =⇒ tz =

v0g

Az emelkedési idő és a zuhanási idő is azonos ha ugyanoda jut vissza a test:

tteljes = te + tz =v0g

+v0g

=2 · v0g

=⇒ tteljes,Föld ≈v05

26. Feladat. Egy pisztolyból kilövünk egy golyót felfelé, 100 ms-os torkolati sebesség-

gel. Milyen magasra jut a lövedék és mennyi idő alatt? Mit hanyagoltunk el?

• Az emelkedés időtartama: t =v0g

=100

10= 10 (s)

• A lövedék ilyen magasra jut fel: hmax =v20

2 · g=

1002

2 · 10= 500 (m)

• Vegyük észre, hogy 500 méter magasra jutott összesen 10 másodperc alatt, tehátátlagsebessége 50 m/s, ami a torkolati sebesség fele.

• Nem vettük figyelembe a levegő ellenállását, ami fékezi a lövedéket.

27. Feladat. Egy v0 = 10 ms-mal felfelé hajított test mennyi idő elteltével zuhan vissza

a kezünkbe és mekkora a becsapódási sebessége?

• A levegőben töltött idő a kezdősebesség számértékének ötöde, tehát 2 s.

• Ezt az időt a sebességre vonatkozó összefüggésbe beírhatjuk:

v = v0 − g · t = 10− 10 · 2 = −10m

s

• Tehát a test sebességének abszolút értéke ugyanakkora, mint mikor kilőtték, csakaz iránya nem felfelé, hanem már lefelé mutat.

16. Házi feladat. Fellőttünk egy kavicsot 40 ms-mal, ami 10 másodpercig volt a leve-

gőben és egy mély kútba zuhant. Mekkora a kavics teljes megtett útja?

16. Szorgalmi. Készíts Excel vagy GeoGebra programot, mely egy változtatható kez-dősebességű test hajítását szimulálja!

Page 18: ELTEApáczaiCsereJánosGyakorlóGimnáziumés Kollégium ...balazsadam.web.elte.hu/9fizika/fizika9kinematika.pdf · 4. Feladat. Létezik-e olyan vonatkoztatási rendszer, amiből

18. 17. óra. A vízszintes hajítás

17. óra A vízszintes hajítás

Kísérlet. A szabadon eső, vagy az oldalra eldobott test ér hamarabb földet?

Az ún. Lőwy-féle ejtőgéppel leejtünk és vízszintesen elhajítunk acélgolyókat. A kétgolyó egyszerre esik le.

A mozgások függetlenségének elve: A testek adott irányban megtett útjára nincshatással egy erre merőleges irányban történő mozgása.

Vízszintes hajítás Egy testet v0 kezdősebességgel vízszintesen elindítunk, mely en-nek hatására x irányban egyenes vonalú egyenletes mozgást végezne. Közben szabadonesne y irányban. A tengelyek mentén megtett utak:

x = v0 · tg

2y = −g

2· t2

28. Feladat. Milyen alakú pályákon mozognak a vízszintesen elhajított testek?

x [m]

y [m]

0 5 100

−5

−10

−15

−20

14. ábra. A vízszintes hajítás

Függőleges irányban egyszerű szabadesés amozgás, az y irányban történő elmozdulásminden test esetén azonos.

t 0 s 1 s 2 s 3 sy 0m -5m -20m -45m

A vízszintes irányú elmozdulások 2 ms, 4

ms, valamint 6 m

s-os kezdősebességű testek

esetén a következők:

t 0 s 1 s 2 s 3 ss2 0m 2m 4m 6ms4 0m 4m 8m 10ms6 0m 6m 12m 18m

A vízszintes irányban elhajított testek fél-parabola alakú pályán haladnak, a mozgá-sok függetlenségének elve szerint.

Page 19: ELTEApáczaiCsereJánosGyakorlóGimnáziumés Kollégium ...balazsadam.web.elte.hu/9fizika/fizika9kinematika.pdf · 4. Feladat. Létezik-e olyan vonatkoztatási rendszer, amiből

17. óra. A vízszintes hajítás 19.

29. Feladat. Egy féltéglát 45 m magas toronyból oldalra 4 ms-mal dobtunk el. Mekkora

távolságra repült el?

• A test szabadon esik le a toronyból, ezért felírható négyzetes úttörvény:

s =g

2· t2 =⇒ t2 =

2 · sg

=2 · 45

10= 9 =⇒ t = 3 (s)

• A 3 s zuhanás közben oldalra is mozog 4 ms -mal, a toronytól 12 méterre jut.

30. Feladat. János szeretné megmérni, hogy milyen sebességgel képes eldobni egytárgyat. Kidob egy követ vízszintesen egy 20 méter magas kilátóból, majd a kilátótól18 méterre találja meg a földön. Mekkora volt a dobás kezdősebessége?

• A kő szabadon esik, ezért a négyzetes úttörvényből kifejezhető az idő:

y =g

2· t2 =⇒ t2 =

2 · yg

=2 · 20

10= 4 =⇒ t = 2 (s)

• Mivel oldalra is 2 másodpercig ment és 18 méter utat tett meg, így a sebesség:

v0 =x

t=

18

2= 9

m

s

31. Feladat. Neo átugrik egy 15 méter magas toronyházról egy 10 méter magasra. Akét ház távolsága 6 méter. Mekkora sebességgel ugrott?

6 m

10 m

15 m

15. ábra. Neo ugrása a toronyházról

• Az ugrás nagysága: y = 5 (m)

• Az ugrás ideje a négyzetes úttör-vényből határozható meg:

t2 =2 · yg

=2 · 510

= 1 =⇒ t = 1 (s)

• Hat métert 1 másodperc alatt teszmeg, ezért a sebessége:

v0 =x

t=

6

1= 6

m

s

17. Házi feladat. Milyen magas az a torony, amelyből az oldalra 500 ms-mal kilőtt

lövedéket a toronytól 2 km-re találták meg?

17. Szorgalmi. Ábrázoljuk grafikonokon Neo mozgását! Mindkét tengelyhez különgrafikonokat készíts!

Page 20: ELTEApáczaiCsereJánosGyakorlóGimnáziumés Kollégium ...balazsadam.web.elte.hu/9fizika/fizika9kinematika.pdf · 4. Feladat. Létezik-e olyan vonatkoztatási rendszer, amiből

20. 18. óra. Ferde hajítások

18. óra Ferde hajítások

Az α szögben ferdén eldobott test mozgása: A kezdősebesség v0, ezt vy függő-leges és vx vízszintes komponensre bontjuk. Függőlegesen felfelé hajítás, vízszintesenegyenes vonalú egyenletes mozgás. Az emelkedési magasság és az emelkedési idő:

hem =v2y

2 · gtem =

vyg

Mivel a teljes levegőben töltött idő az emelkedési idő duplája, így a hajítás távolsága:

x = vx · 2 · tem =2 · vx · vy

g

x

hemv0

α

16. ábra. A ferdén elhajított test mozgása felbontható egy vízszintes egyenes vonalúegyenletes mozgásra és egy függőleges irányú felfelé történő hajításra.

32. Feladat. Vízszintes talajról 60 fokban kilövünk egy testet 15 m/s sebességgel.Milyen magasra emelkedik, milyen messzire jut és menny ideig mozog?

33. Feladat. Vízszintes talajról 45 fokban kilövünk 0,1 kg tömegű testet 20 m/s se-bességgel. Milyen magasra emelkedik, milyen messzire jut és menny ideig mozog?

18. Házi feladat. Egy szabadságharc korabeli ágyú a 7,2 kg-os lövedéket 220 m/ssebességgel lőtte ki 30 fokos szögben. Milyen távolságra lő az ágyú és mennyi idő alattér földet a lövedék?

18. Szorgalmi. Vízszintes talajról 60 fokban kilövünk 0,2 kg tömegű testet 15 m/ssebességgel. Milyen magasra emelkedik 1 másodperc alatt és milyen távol van a kilövéshelyétől? Mekkora ekkor a test sebessége?

Page 21: ELTEApáczaiCsereJánosGyakorlóGimnáziumés Kollégium ...balazsadam.web.elte.hu/9fizika/fizika9kinematika.pdf · 4. Feladat. Létezik-e olyan vonatkoztatási rendszer, amiből

19. óra. Feladatok hajításra, szabadesésre 21.

19. óra Feladatok hajításra, szabadesésre

34. Feladat. Ha az 58 méter magas Pisai ferde toronyból ledobunk egy ágyúgolyót, ak-kor 3,4 másodperc alatt ér le. Mekkora a nehézségi gyorsulás értéke a kísérlet alapján?Mik a mérés hibái? Vajon Galilei mért a toronyban?

35. Feladat. A teljes emelkedési magasság hányad részét teszi meg a függőlegesenfölfelé hajított test, mire a sebessége a kezdősebesség felére csökken?

36. Feladat. A föld felszíne felett 45 m magasságban vízszintes irányban 20 m/s-maleldobunk egy kavicsot. Mennyi idő alatt és mekkora sebességgel ér földet?

37. Feladat. Mekkora sebességgel kell vízszintes irányban eldobni egy testet egy 180méter magas toronyból, hogy az a toronytól 60 méterre repüljön?

38. Feladat. Vízszintes talajról 60 fokban kilövünk egy testet, amely 5 m magasraemelkedik. Milyen messzire jut és menny ideig mozog?

39. Feladat. Vízszintes talajról 30 fokban kilövünk egy testet, amely 3 s múlva érföldet. Milyen magasra emelkedik és milyen messzire jut?

19. Házi feladat. Készíts út-idő, sebesség-idő, gyorsulás-idő grafikont az egyik tet-szőleges órai feladathoz!

19. Szorgalmi. Vízszintes talajról 48 fokban kilövünk 0,1 kg tömegű testet 20 m/ssebességgel. Milyen magasra emelkedik a test és milyen távol zuhan le?

Page 22: ELTEApáczaiCsereJánosGyakorlóGimnáziumés Kollégium ...balazsadam.web.elte.hu/9fizika/fizika9kinematika.pdf · 4. Feladat. Létezik-e olyan vonatkoztatási rendszer, amiből

22. 20. óra. Az egyenletes körmozgás

20. óra Az egyenletes körmozgás

Radián: Egységsugarú körön egységnyi hosszúságú ívhez tartozó középponti szög.

40. Feladat. Váltsuk át az alábbi fokban megadott szögeket radiánba!

a) 360° =

b) 180° =

c) 45° =

d) 1° =

e) π =

f)5

6π =

g)3

5π =

h) 1 =

Körmozgás: Tömegpont vagy kiterjedt test egy pontja körív alakú pályán mozog.

Kísérlet. Lemezjátszóra helyezzünk egy papírlapot és csepegtessünk rá színezett vizet!

Egyenletes körmozgás: A test egyenlő idők alatt egyenlő ívhosszakat tesz meg.

Periódusidő: A teljes kör megtételéhez szükséges idő. Jele: [T ] = s

Fordulatszám: Egységnyi idő alatti fordulatok száma. Jele: [f ] =1

sf =

1

T

Szögsebesség: A szögelfordulás és a közben eltelt idő hányadosa.

ω =∆ϕ

∆t=

T[ω] =

1

s

Kerületi sebesség: A köríven megtett út és a közben eltelt idő hányadosa.

vk =∆i

∆t=

2 · r · πT

= 2 · r · π · f = ω · r [vk] =m

s

41. Feladat. A London Eye óriáskerék átmérője 120 méter és fél óra alatt megy teszmeg egy kört. Mennyi a kerületi sebessége és a szögsebessége és frekvenciája?

42. Feladat. A Föld 150 millió km-re van a Naptól és 365,25 nap alatt kerüli meg.Mennyi a Föld kerületi sebessége?

20. Házi feladat. Egy 20 m átmérőjű körhinta 20 másodperc alatt tesz meg egy kört.Mennyi a fordulatszám, a szögsebesség és a kerületi sebesség?

20. Szorgalmi. Egy nagymutató hossza 10 cm, a kismutató hossza 5 cm. Mennyi aszögsebességük, kerületi sebességük és fordulatszámuk aránya?

Page 23: ELTEApáczaiCsereJánosGyakorlóGimnáziumés Kollégium ...balazsadam.web.elte.hu/9fizika/fizika9kinematika.pdf · 4. Feladat. Létezik-e olyan vonatkoztatási rendszer, amiből

21. óra. A centripetális gyorsulás 23.

21. óra A centripetális gyorsulás

Centripetális gyorsulás: A sebességvektor iránya változik a mozgás során, ezért azegyenletes körmozgásnak van gyorsulása. Az ~acp a körpálya középpontjába mutat.

| ~acp| = acp =v2kr

= r · ω2 = vk · ω

43. Feladat. A diákok testnevelés órán egy 10 méter sugarú pályán futnak és 5 má-sodperc alatt teszik meg a kör negyedét. Hány km

ha sebességük?

44. Feladat. Egy lemezjátszó fordulatszáma 33 1min

. Mekkora a szögsebessége? Mek-kora a lemez szélének kerületi sebessége, ha átmérője 30 cm?

45. Feladat. Egy 30 cm sugarú ventilátor 3000 fordulatot tesz meg percenként. Hatá-rozzuk meg a fordulatszámot, a periódusidőt, a szögsebességet, a legnagyobb kerületisebességet és a centripetális gyorsulást!

46. Feladat. Egy repülőgép halad egy 3 km sugarú körpályán, és a műszerek jelzéseiszerint az eredő gyorsulása 30 m

s2. Hány km

hsebességgel halad a repülőgép? Mekkora a

szögsebessége? Kb. hány perc alatt tenne meg egy teljes kört?

21. Házi feladat. A nemzetközi űrállomás 405 km magasságban kering és 92 percalatt kerüli meg a Földet. Mennyi a kerületi sebessége és a centripetális gyorsulása?

21. Szorgalmi. Mekkora a kanyar sugara, ha az autó 90 km/h sebességgel veszi be,és a centripetális gyorsulása 3,123 m/s2