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. januári száma

A Lap — Legfrissebb szám

A KöMaL 2026. szeptemberi száma

A Lap — Legfrissebb szám

A KöMaL 2026. májusi száma

A Lap — Legfrissebb szám

A KöMaL 2026. októberi száma

A Lap — Legfrissebb szám

A KöMaL 2026. márciusi száma

A Lap — Legfrissebb szám

A KöMaL 2026. februári száma

A Lap — Legfrissebb szám

A KöMaL 2026. áprilisi száma

A Lap — Legfrissebb szám

A KöMaL 2025. decemberi száma

Fizika — Mintamegoldás

Az M. 449. mérési feladat megoldása

M. 449. Készítsünk torziós ingát egy befőttesüvegből úgy, hogy az üveget függőleges helyzetében két párhuzamos cérnával felfüggesztjük. (A cérnaszálak hossza legyen 1 méter, távolságuk pedig egyezzen meg az üveg szájának átmérőjével. A csavaros tető segítségével rögzíthetőek.)

Mérjük meg a torziós inga lengésidejét az üvegbe töltött kristálycukor mennyiségének függvényében!

(6 pont)

Közli: Szabó Endre, Vágfüzes (Szlovákia)

Fizika — Mintamegoldás

A G. 921. fizika gyakorlat megoldása

G. 921. Gyerekek egy \(\displaystyle 10^\circ\)-os hajlásszögű hegyoldalon szánkóznak. A hegy alján a lejtő vízszintes felületben folytatódik. A jeges hóréteg mindenütt egyforma, így a súrlódási együttható értéke a lejtőn és a vízszintes felületen megegyezik. A szánkó kezdősebesség nélkül indul el a lejtő tetejéről, majd a lejtő aljára érve tovább csúszik a vízszintes szakaszon, ahol végül megáll. A szánkó harmad annyi idő alatt csúszott le a lejtőn, mint amennyi ideig mozgott a vízszintes szakaszon.

a) Hányszor hosszabb utat tett meg a szánkó a vízszintes szakaszon, mint a lejtőn?

b) Határozzuk meg a csúszási súrlódási együttható értékét!

c) A lecsúszás után az egyik gyerek visszahúzza a kiindulási pontra a szánkót. Hányszor több munkát végez a lejtőn, mint a vízszintes részen történő húzás közben? (A gyerek mindig a talajjal párhuzamos erőt fejt ki, és egyenletesen mozog.)

Tarján Imre fizikaverseny, Szolnok