Задатак 1: Муње из ведре главе (10 поена)

Transcript

1 ЗАДАЦИ Задатак 1: Муње из ведре главе (10 поена) У овом задатку ћемо разматрати кружење наелектрисања у атмосфери укључуjући муње праћене грмљавином. Jоносфера jе горњи слоj атмосфере коjи jе услед космичког зрачења наелектрисан позитивно. Земљина површина наелектрисана jе негативно и заjедно са jоносфером чини огроман природни кондензатор познатиjи као "атмосферски кондензатор". Непосредно изнад Земљине површине детектовано jе и измерено (по лепом времену) електрично поље jачине E 0 = 100 V m, усмерено ка центру Земље. У свим деловима задатка можете сматрати да jе Земља проводник облика кугле полупречника R = 6400km и да се jоносфера налази на висини од H = 80 km изнад површине Земље (слика 1). Диелектрична пропустљивост ваздуха jе ε 0 = 8, F m. Слика 1: Атмосферски кондензатор (а) Израчунати количину наелектрисања на Земљи. Претпостављаjући да jе ваздух идеалан изолатор израчунати разлику потенциjала између Земље и jоносфере, као и капацитет атмосферског кондензатора. Користећи чињеницу да jе висина jоносфере много мања од полупречника Земље показати да се атмосферски кондензатор може сматрати плочастим кондензаторoм. (1 поен) Ваздух садржи ниску концентрациjу jона, што изазива значаjна одступања електричног поља и проводности у атмосфери од модела коjи сте до сада разматрали. У реалности ваздух ниjе идеалан изолатор већ jе слаб проводник. Проводност атмосфере на висини h дата jе изразом σ(h) = σ 0 e h/, где jе σ 0 = 2, S m проводност ваздуха на површини Земље, a = 5,0km. Позитивно наелектрисане честице одлазе ка Земљиноj површини, а негативно наелектрисане одлазе ка jоносфери. Такво усмерено кретање честица представља електричну струjу коjа празни атмосферски кондензатор. (б) Израчунати електрични отпор атмосфере и капацитет атмосферског кондензатора. Проценити време пражњења атмосферског кондензатора, дефинисано као време за коjе вредност наелектрисања кондензатора опадне на 0,1% почетне вредности. (4 поена) Иако се очекуjе да се атмосферски кондензатор испразни за неколико минута, то се ипак не дешава и то захваљуjући грмљавинским непогодама. Грмљавински облаци, кумулонимбуси, имаjу просечну површинуs = 100km 2 и формираjу се на просечноj висини H 1 = 3,0 km. Доњи делови кумулонимбуса наелектрисани су негативно што индукуjе позитивно наелектрисање на високим обjектима на Земљи (дрво, торањ, зграда), тако да се између облака и Земље ствара хомогено електрично поље супротног смера у односу на електрично поље у атмосферском кондензатору. Због нагомилавања наелектрисања у областима развоjа грмљавинских облака jачина овог електричнoг поља расте и достиже критичну вредност E 1 = 30 kv m. Тада долази до електричног пражњења у атмосфери у облику џиновске варнице - настаjе муња (слика 2), a проводност атмосфере између облака и површине Земље постаjе константа и износи σ 1 = 3, S m. Ово доприноси пуњењу атмосферског кондензатора, коjи се због тога никада не испразни. Страна 1 од 6

2 ЗАДАЦИ Слика 2: Муња (в) Проценити време траjања електричног пражњења муње као и броj муња коjи се дешава сваког дана. (2 поена) У наставку задатка разматраћемо шта се дешава са ваздухом приликом проласка муње. Претпоставићемо да муња пролази кроз цилиндар полупречника r = 11 cm. Претпоставимо да се сва електрична енергиjа током проласка муње претвара у топлотну енергиjу, због чега се ваздух jако загрева. Услед наглог загревања ваздух се експлозивно шири и чуjе се прасак - гром. Гром се дешава у различитим, али блиским временским тренуцима на путу муње, па се зато чуjе континуирани звучни талас, односно грмљавина. Топлотни капацитет ваздуха jе C = 1000 J kgk, а густина ваздуха ρ = 1,0 kg m 3. Брзина звука у ваздуху v зависи од температуре ваздуха T као v = αt, где jе α = 400 m2 Ks 2. (г) До коjе температуре T 1 се загреjе ваздух у цилиндру услед проласка муње, aко jе пре настанка муње температура ваздуха била T 0 = 27 C? (1 поен) (д) Израчунати временски интервал између тренутка када посматрач на Земљи види муњу и тренутка када чуjе гром. Звучни талас грома коjи стигне до посматрача прелази пут l = 4,0km, при чему jе температура ваздуха на месту где се посматрач налази T 0. Температура ваздуха експоненциjално опада удаљаваjући се од муње по закону T(x) = Ae Bx, где jе x растоjање од муње, а A и B позитивне константе. (2 поенa) Страна 2 од 6

3 ЗАДАЦИ Задатак 2: Извађен из нафталина (10 поена) Нафталин jе супстанца коjа се у домаћинствима користи за заштиту одеће одложене у ормар (наjчешће џемпера) од мољаца. На собноj температури нафталин jе у чврстом стању и може да пређе директно у гасно стање (сублимациjа). Паре нафталина су токсичне за мољце и њихове ларве, тако да се они клоне одеће заштићене нафталином. Слика 3: Права кристална решетка нафталина Слика 4: Кубична кристална решетка Нафталин у чврстом стању спада у молекуларне кристале. У тоj врсти материjала, мали молекули су распоређени у чворовима кристалне решетке. Jедан молекул нафталина се састоjи од два споjена бензенова прстена. У овом задатку ћемо, jедноставности ради, сматрати да jе jедан молекул нафталина тачкаста класична честица масе m = 48m p, где jе m p маса мировања jедног протона. Такође ћемо претпоставити да су молекули распоређени у теменима кубичне решетке приказане на слици 4, иако jе права кристална решетка нафталина сложениjа (приказана jе на слици 3). Молекули нафталина у кристалу интерагуjу Ван дер Валсовом интеракциjом, коjа држи кристал на окупу. Потенциjална енергиjа Ван дер Валсове интеракциjе између два молекула дата jе изразом U(r) = U 0 [ 1 2 ( r0 ) 6 1 r 4 ( r0 ) ] 12. r Притом jе r растоjање између молекула, а r 0 и U 0 су константе чиjе су вредности jеднаке r 0 = 0,41nm и U 0 = 0,20eV. У свим деловима овог задатка сматрати да само молекули у наjближим суседним чворовима кристалне решетке међусобно интерагуjу. (а) У овом делу задатка ћемо разматрати силу коjом интерагуjу два молекула нафталина. (а1) Наћи како интензитет силе коjом интерагуjу два молекула нафталина зависи од њиховог међусобног растоjања r. (а2) За коjе вредности r jе ова сила привлачна, а за коjе вредности r jе одбоjна? (а3) Наћи максималан интензитет привлачне силе између два молекула нафталина и за коjе r се он достиже. (а4) Наћи растоjање r m за коjе jе потенциjална енергиjа интеракциjе два молекула нафталина минимална, као и минималну потенциjалну енергиjу U(r m ). (a5) За растоjања r коjа су блиска r m, потенциjална енергиjа се може апроксимирати са U(r) = U(r m ) κ(r r m) 2. Наћи вредност константе κ. (1,5 поен) (б) Наћи густину кристалног нафталина на температури апсолутне нуле. (1 поен) (в) На ненултоj температури молекули нафталина поседуjу и кинетичку енергиjу тако да осцилуjу око равнотежног положаjа. Притом се средње растоjање између два молекула нафталина повећава што се манифестуjе као топлотно ширење материjала. Циљ овог дела задатка jе одређивање коефициjента топлотног ширења нафталина. Страна 3 од 6

4 ЗАДАЦИ (в1) Разматрати два изолована молекула нафталина и сматрати да се они могу кретати само дуж правца коjи их спаjа. Ако jе њихова укупна максимална кинетичка енергиjа (у референтном систему центра масе) jеднака 1 2 k BT, где jе T температура, наћи минимално r 1 и максимално r 2 растоjање између њих током оваквог кретања. (в2) Сматраjући да jе средње растоjање између молекула током оваквог кретања jеднако r s = 1 2 (r 1 +r 2 ), одредити како ово растоjање зависи од температуре. (в3) Добиjени израз упростити сматраjући да jе kbt U 0 1. Помоћ: Можете искористити апроксимациjу(1+x) α 1+αx+ α(α 1) 2 x 2, коjа важи за x 1. (в4) Одредити линеарни коефициjент топлотног ширења нафталина сматраjући да jе средње растоjање између молекула у кристалу нафталина jеднако средњем растоjању израчунатом у делу (в3). (2 поена) (г) У овом делу задатка ћемо размотрити механичке особине материjала на температури апсолутне нуле. (г1) Одредити Jунгов модуо еластичности кристалног нафталина. Помоћ: Посматрати штап од овог материjала чиjи jе jедан краj причвршћен за зид, а на други краj делуjе сила чиjе jе деjство равномерно распоређено по површини кристала (слика 5). Сматрати да се правац деjства силе поклапа са jедном од оса кристала. (г2) Колика сила по jединици површине jе потребна да би се штап од нафталина са слике 5 покидао (механички напон кидања материjала)? (3 поена) Слика 5: Штап од кристалног нафталина (д) Кроз кристал нафталина се простире лонгитудинални механички талас у правцу x осе коjа се поклапа са jедном од оса кристала. Амплитуда таласа jе мала и систем се налази на температури апсолутне нуле. (д1) Нека jе u n помераj молекула n у односу на равнотежни положаj. Написати други Њутнов закон за кретање тог молекула нафталина. У изразу за силу коjа делуjе на молекул задржати само чланове линеарне по помераjима u n, u n 1 и u n+1 (молекули n 1 и n+1 су наjближи суседи молекула n у правцу x осе). (д2) Наћи везу између кружне фреквенце ω таласа и таласног вектора k. Помоћ: Решење тражити у облику u n (t) = Acos(ωt knr 0 +ϕ), где jе t време, а ϕ jе константа. (д3) Колика jе лонгитудинална брзина звука кад k 0? Помоћ: Можете искористити апроксимациjу cosx 1 x2 2, коjа важи кад je x 1. (2,5 поена) Приликом решавања задатка можете користити следеће броjне вредности универзалних физичких константи: маса протона m p = 1, kg, елементарно наелектрисање e = 1, C, Болцманова константа k B = ev/k, као и следећи тригонометриjски идентитет: ) ) cosα+cosβ = 2cos cos. ( α+β 2 ( α β 2 Страна 4 од 6

5 ЗАДАЦИ Задатак 3: Покисли до голе коже (10 поена) Капи кише настаjу кондензациjом водене паре у атмосфери. У овом задатку разматраћемо како се формираjу капи кише, колико времена jе потребно за то, како се оне крећу кроз атмосферу, као и колико велика треба да буде кап да би стигла до површине Земље пре него што испари. У свим деловима задатка сматрати да кап има облик лопте и занемарити утицаj капиларних поjава и силе потиска ваздуха. За типичне капи полупречника 70µm = R 1 R R 2 = 1,0mm сила отпора ваздуха коjа делуjе на кап jе дата изразом F ot = c 1 R 2 v, где jе c 1 = 4,9 kg m2 s. Сматрати да jе убрзање силе Земљине теже константног интензитета g = 9,81m/s 2. Густина воде jе ρ l = 1000kg/m 3. (а) Показати да jе за капи полупречника R 1 R R 2 успостављена брзина падања капи дата изразом v = c 2 R, где jе c 2 константа чиjу нумеричку вредност треба да одредите. (0,5 поена) Полупречник капи кише се може повећавати из два разлога: услед кондензациjе водене паре на површини саме капи и услед судара капи са другом капи при чему настаjе нова већа кап. Сматраћемо наjпре у делу задатка (б) да кондензациjе нема и да се полупречник капи повећава искључиво услед судара са другим капима. Разматраћемо кап чиjи jе полупречник из опсега R 1 R R 2. Претпоставити да су све капи са коjима се она судара знатно мање од ње, да она у потпуности захвати сваку кап са коjом се судари, да су мале капи равномерно распоређене у простору и да jе њихова густина ρ b = 2, kg/m 3. (б) Колико времена jе потребно да разматрана кап нарасте од R 1 = 70µm до R 2 = 1,0mm? (1,5 поен) Слика 6: Кап кише полупречника R и концентрична сфера полупречника r Надаље ћемо у деловима задатка (в), (г), (д) и (ђ) разматрати кап коjа се не судара са другим капима и чиjи се полупречник мења искључиво услед испаравања воде са површине капи или кондензациjе околне водене паре на капи. У деловима задатка (в), (г) и (д) можете сматрати да центар масе капи мируjе. Код кондензациjе, водена пара у површинском слоjу изван капи прелази у течност и постаjе део капи. Процес кондензациjе jе праћен и процесом дифузиjе паре изван капи коjа доводи до прерасподеле густине паре у околини капи. На основу закона дифузиjе, маса водене паре коjа у jединици времена пролази кроз сферу полупречника r концентричну са капи (та сфера jе приказана на слици 6) jе q m (r) = DS dρ v(r), dr где jеd = 2, m 2 s 1 коефициjент дифузиjе водене паре,ρ v њена густина, аs = 4r 2 π површина сфере полупречника r. Претпостављени смер протока честица у претходноj jедначини jе ка спољашњости сфере. Претпоставити да се полупречник капи мења споро тако да jе проток честица водене паре стационаран. (в) Извести израз коjи повезуjе величине q m (r), ρ v (r) и ρ v ( ). (1 поен) На основу закона провођења топлоте, количина топлоте коjа у jединици времена пролази кроз сферу полупречника r концентричну са капи (та сфера jе приказана на слици 6) jе q q = KS dt(r) dr, Страна 5 од 6

6 ЗАДАЦИ где jе K = 2, Wm 1 K 1 топлотна проводност водене паре, а T(r) jе температура на растоjању r од центра капи. Претпостављени смер протока топлоте у претходноj jедначини jе ка спољашњости сфере. Претпоставити да се полупречник капи мења споро тако да jе проток топлоте стационаран. Специфична топлота испаравања воде jе L = 2, J/kg, моларна маса воде jе M v = 18g/mol, а универзална гасна константа jе jеднака R g = 8,31J mol 1 K 1. На довољно великом растоjању од центра капи температура jе jеднака T = 280K, а релативна влажност на довољно великом растоjању од центра капи jе r H = 101% (Релативна влажност се дефинише као однос притиска водене паре и притиска засићене водене паре на истоj температури). Сматрати да jе водена пара идеалан гас и да jе притисак засићене водене паре у релевантном опсегу температура jеднак p s = [a 1 +a 2 (T T )] T, где jе a 1 = 3,571Pa/K и a 2 = 0,333Pa/K 2. (г) Одредити промену масе капи у jединици времена у тренутку кад jе полупречник капи jеднак R. Напомена: Такмичари коjи не ураде оваj део задатка могу у деловима (д) и (ђ) да сматраjу да jе решење овог дела задатка dm k 6 kg dt = γ(r H 1)R, где jе γ = 1,0 10 m s. (4,5 поена) (д) Колико времена jе потребно да разматрана кап нарасте од R 1 = 70µm до R 2 = 1,0mm? (1 поен) Кап формирана у облаку на висини H = 1,0km изнад Земље пада кроз атмосферу у коjоj jе релативна влажност r H = 70%. Сматрати да jе током падања брзина капи jеднака v = c 2R, а да jе промена масе капи у jединици времена дата истим законом [изведеним у делу (г)] као за кап коjа мируjе. (ђ) Колики треба да буде полупречник капи формиране у облаку да би стигла до површине Земље пре него што испари? (1,5 поен) Задатке припремили: др Ненад Вукмировић и Владимир Вељић, Институт за физику, Рецензенти: др Димитриjе Степаненко и Вељко Jанковић, Институт за физику, Председник Комисиjе за такмичења ученика средњих школа: др Божидар Николић, Физички факултет, Страна 6 од 6

7 РЕШЕЊА Решење задатка 1 (a) Земљa jе идеалан проводник па jе сво негативно наелектрисање Q распоређено по њеноj површини. Примењуjући Гаусову теорему E S = Q ε 0 на сферну областs = 4r 2 π полупречникаr (R r R+H), добиjамо да jе интензитет електричног поља у тоj области E(r) = 1 Q 4πε 0 r. По услову задатка електрично поље на површини 2 Земље jе E(r = R) = E 0, па се за количину наелектрисања на Земљи добиjа Q = 4πε 0 R 2 E 0 = 4, C. Разлика потенциjала између површине Земље и jоносфере jе V 1 = R+H R E(r)dr = Q ( 1 4πε 0 R 1 R+H RH = E 0 R+H = 7, V, а капацитет атмосферског кондензатора C 1 = Q R(R+H) V 1 = 4πε 0 H = 58mF. Користећи услов H R, 4πR jедначине за напон између електрода и капацитет кондензатора своде се на V 1 = E 0 H и C 1 = ε 2 0, коjе су еквивалентне jедначинама за кондензатор са равним плочама површине 4πR 2 на међусобном растоjању H. (б) Електрична отпорност атмосфере jе R = H 1 dh 0 σ(h) 4R 2 π = 4πR 2 σ 0 (e H/ 1) 4πR 2 σ 0 = 48,6Ω. Због проводности атмосфере, кроз њу тече струjа коjа празни атмосферски кондензатор. Густина ове струjе jе константна на свим висинама, што следи из jедначине континуитета j 1 4πR1 2 = j 2 4πR2, 2 одакле следи j 1 j 2 jер jе R 1 R 2. На основу Омовог закона j = σe = const следи да електрично поље експоненциjално опада са висином E(h) = j σ = E 0 e h/, при чему jе искоришћено да jе интензитет eлектричног поља на површини Земље E 0 = j/σ 0. Разлика потенциjала између површине Земље и jоносфере jе V 2 = H 0 E(h)dh = E 0 ( e H/ 1 ) E 0, а капацитет атмосферског кондензатора C 2 = Q R V 2 = 4πε 2 0 = 0,91F. Дакле, кондензатор C 2 се празни преко отпорника R при чему важи U C2 +U R = 0, одакле следи q C 2 + dq dt R = 0. Последња jедначина jе диференциjална jедначина коjа раздваjа променљиве dq q = dt C 2R, одакле након интеграциjе следи lnq = t C +K 2R 1, при чему jе K 1 константа интеграциjе. K 1 се одређуjе из почетног услова q(t = 0) = Q, одакле следи K 1 = lnq, на основу чега je q(t) = Qe t τ 1, где je τ 1 = C 2 R = ε 0 /σ 0 тзв. временска константа. Време потребно да се испразни кондензатор можемо проценити тако што ћемо израчунати време за коjе се количина наелектрисања на кондензатору смањи 1000 пута, па jе t p = τ 1 ln(1000) = 305s. (в) Одговараjућа површина Земље испод облака и доња површина облака чине кондензатор капацитета C 3 = ε 0 S/H 1, а отпорност ваздуха коjим jе испуњен оваj кондензатор jе R 1 = H 1 /(σ 1 S). Дакле, кондензатор C 3 се празни преко отпорника R 1 при чему важи U C +U R1 = 0. Слично као у делу под б) следи lnq = t C 3R 1 +K 2, при чему jе K 2 константа интеграциjе коjа се одређуjе из почетног услова q(t = 0) = q 0, где jе q 0 = U C /C 3 = ε 0 E 1 S количина наелектрисања непосредно пре пражњења. Дакле, K 2 = lnq 0, односно q(t) = q 0 e t τ 2, а τ 2 = C 3 R 1 = ε 0 /σ 1. Време траjања муње представља време коjе jе потребно да се испразни кондензатор, односно време за коjе се количина наелектрисања на кондензатору смањи 1000 пута, па jе t m = τ 2 ln(1000) = 2,0ms. Како се атмосферски кондензатор не празни услед муња, то значи да се за време t p деси n = Q/q 0 муња, односно у току t dan = 24h се деси N 2 = t dan n/t p 4, муња. (г) Електрична енергиjа муње, може се проценити као енергиjа кондензатора коjи чине Земљина површина и доња површина облака, на основу чега jе E = 1 2 q 0U = 1 2 ε 0E 2 1H 1 S. Сва енергиjа E троши се на загревање ваздушног стуба висине H 1 и површине попречног пресека r 2 π, па следи E = ρr 2 πh 1 C(T 1 T 0 ), одакле се добиjа T 1 = T 0 + ε0e2 1 S 2ρr 2 πc = 1, K. (д) Брзина звука jе много мања од брзине светлости, због чега jе време за коjе звук стигне до посматрача много веће од времена за коjе светлост стигне до посматрача. Зато се прво види муња, а затим чуjе гром. КонстантеA и B могу се наћи из услова T(x = 0) = T 1 и T(x = l) = T 0, одакле се добиjа A = T 1 и B = 1 l ln (T 0 T 1 ), на основу ) (T x/l. чега jедначина T(x) = Ae Bx постаjе T(x) = T 0 1 T 1 У задатку jе дата зависност брзине звука у ваздуху од температуре v = αt, одакле следи v = dx dt = ( ) x 2l T αt 0 1 T 1, што представља диференциjалну jедначину ) x 2l T 0 коjа раздваjа променљиве dt = (T 1 1 ( ) αt1 гром t g = 2l T 1 T 0 1 dx. Интеграциjом се добиjа време t g након ког посматрач чуjе αt1 ln( T1 T 0 ) = 5,37s, коjе уjедно представља и временски интервал између тренутка када посматрач на Земљи види муњу и тренутка када чуjе гром. ) H Страна 1 од 5

8 РЕШЕЊА Решење задатка 2 (а1) Размотримо молекуле 1 и 2 коjи интерагуjу (слика 1). Проjекциjа силе[ коjом молекул 1 делуjе на молекул 2 на правац коjи их спаjа jеднака jе F(r) = du 3U0 dr, одакле jе F(r) = r ( ) r 0 6 ( r + r0 ) 12 r ], па jе интензитет тражене силе jеднак F(r). (а2) Из претходног дела задатка се види да jе сила привлачна за r > r 0 (jер jе тад F(r) < 0), а одбоjна за r < r 0. [ (r0 ) 6 ( (а3) Кад jе сила привлачна, њен интензитет jе jеднак F(r) = 3U0 r r r0 ) ] 12 r. Налажењем извода d F(r) dr = [ 3U 0r 6 0 r 13 ( r 0 ) ] 6 8 r 7 13, закључуjемо да jе функциjа F(r) растућа за r < 6 7 r 0, а опадаjућа за r > r 0. Зато [ 13 ( jе интензитет привлачне силе максималан за r = 6 7 r 0 = 0,45nm и jеднак jе F(r) max = 3U0 )7 7 6 r 0 13 ( 7 13 Одатле jе F(r) max = 0,33 ev nm = 5, N. (а4) Потенциjална енергиjа jе минимална за r m = r 0 = 0,41nm и тада jе jеднака U(r m ) = 1 4 U 0 = 0,050eV. (а5) Константа κ се налази из κ = d2 U dr 2 r=rm, одакле се добиjа κ = 18U0 = 21 ev r0 2 nm = 3,4 N 2 m. )13 6 ]. Слика 1: уз решење дела задатка (а) (б) На температури апсолутне нуле систем jе у минимуму потенциjалне енергиjе, па jе растоjање између суседних молекула тада jеднако r 0. У jедноj ћелиjи кубичне решетке запремине r0 3 се у средњем налази jедан молекул масе m = 48 m p, па jе густина нафталина jеднака ρ = 48mp = 1,2 g r0 3 cm. 3 (в1) У положаjима r 1,2 у коjима растоjање између молекула наjвише одступа од равнотежног брзина молекула (у систему центра масе) jе jеднака нули. Из закона одржања енергиjе примењеног на равнотежни положаj и положаjе r 1,2 следи U(r m )+ 1 2 k BT = U(r 1,2 ). Решавањем претходне jедначине као квадратне jедначине по променљивоj ( r 0 r ) 6 добиjамо r1,2 = r 0 (1± (в2) r s = 1 2 2k BT ( ) 1 ) 6 1 ] 6 2k [r 0 1 BT 2k U 0 +r 0 (1+ BT U 0. ) 1 6 U 0 (в3) Коришћењем дате апроксимациjе се добиjа r s = r 0 (1+ 7 k BT 36 U 0 ). (в4) Из резултата дела (в3) следи да jе линеарни коефициjент топлотног ширења jеднак α = 7 k B 36 U0 = 8, K 1. (г1) На издвоjени део штапа D са слике 2 делуjе с jедне стране спољашња сила F, а с друге стране резултуjућа сила интеракциjе између молекула у последњоj равни коjа jе обухваћена делом D и молекула из суседне равни коjа ниjе обухваћена делом D. Та сила jе по интензитету jеднака Nκu, где jе N броj молекула унутар површине попречног пресека штапа S, a u промена растоjања између суседних молекула под деjством силе. Из jеднакости интензитета ових сила следи F = Nκu, па имаjући у виду да jе S = Nr0, 2 следи F S = u κ r 0 r 0. Пошто jе u r 0 релативно истезање штапа, из последње jеднакости директно очитавамо да jе Jунгов модуо еластичности jеднак E y = κ r 0 = 18U0, одакле jе E r0 3 y = 8,4GPa. (г2) До кидања штапа ће доћи када [ jе механички напон већи од оног коjи одговара сили одређеноj у делу (а3). ( Тако jе σ k = F(r) max = 3U0 )7 7 6 r0 2 r ( ] ) = 0,31GPa.. Страна 2 од 5

9 РЕШЕЊА Слика 2: уз решење дела задатка (г1) (д1) У делу (а5) jе показано да jе за мале помераjе молекула из равнотежног положаjа потенциjална енергиjа њихове интеракциjе jеднака потенциjалноj енергиjи линеарног хармониjског осцилатора. Зато jе тада систем еквивалентан систему у коме су свака два молекула коjи су наjближи суседи повезана опругом константе еластичности κ и дужине у неистегнутом стању r 0. Jедначина кретања молекула n je тада m d2 u n dt 2 = κ(u n+1 u n ) κ(u n u n 1 ). (д2) Претпостављаjући решење у облику u n = Acos(ωt knr 0 +ϕ), заменом у претходну jедначину следи maω 2 cos(ωt knr 0 +ϕ) = κa[cos(ωt k(n+1)r 0 +ϕ)+cos(ωt k(n 1)r 0 +ϕ) 2cos(ωt knr 0 +ϕ)]. Коришћењем идентитета cos(ωt k(n+1)r 0 +ϕ)+cos(ωt k(n 1)r 0 +ϕ) = 2cos(ωt knr 0 +ϕ)cos(kr 0 ) добиjамо ω 2 = 2κ m (1 cos(kr 0)). (д3) Користећи апроксимациjу cos(kr 0 ) = k2 r0 2 следи ω = kr κ 0 m, одакле jе лонгитудинална брзина звука v L = r 0 κ m = 18U 0 m, односно v L = 2, m s. Страна 3 од 5

10 РЕШЕЊА Решење задатка 3 (а) Кад дође до успостављања коначне брзине, сила отпора jе у равнотежи са силом теже, одакле jе F ot = m k g, где jе m k = 4 3 ρ lr 3 π маса капљице, а F ot = c 1 R 2 v. Из ових jедначина следи v = c 2 R, где jе c 2 = 4πρ lg 3c 1 = 8, s 1. (б) За време dt капљица захвати све капљице коjе се налазе унутар запремине dv = R 2 πvdt, па jе промена масе капљице за то време dm k = ρ b R 2 πvdt. Даље jе и dm k = ρ l 4R 2 πdr и v = c 2 R. Из претходне три jедначине се добиjа dr R = c2ρ b 4ρ l dt. Након интеграциjе последње jедначине следи t = 4ρ l c 2ρ b ln R2 R 1 = 10,6min. (в) С обзиром да jе систем у стационарном стању, на основу закона одржања масе следи q m (r) = const. На основу закона дифузиjе jе q m = D 4r 2 π dρv(r) dr, одакле jе dρ v (r) = dr q m r 2 4πD. Интеграциjом последње jедначине од неког r до r = следи ρ v ( ) ρ v (r) = qm 4πDr, што jе тражена релациjа. (г) Применом решења претходног дела задатка за r = R следи q m (R) = 4πDR[ρ v ( ) ρ v (R)]. (1) У стационарном стању важи и q q (r) = const. = q q (R), одакле се из закона провођења топлоте q q = K 4r 2 π dt(r) dr, односно dt(r) = dr q q r 2 4πK интеграциjом од r = R до r = добиjа q q (R) = 4πKR[T T(R)]. (2) Ако jе dm маса паре коjа се кондензуjе за време dt, количина топлоте коjа се притом ослободи jе Ldm, одакле следи q q (R) = L dm dt, па jе q q (R) = Lq m (R). (3) Релативна влажност jе r H = p v p s (T ), (4) где jеp v притисак водене паре на великом растоjању од капљице. Из jедначине стања идеалног гаса примењене у тачки простора на довољно великом растоjању од капљице jе p v = ρ v( )R g T M v. (5) На површини капљице вода и пара су у равнотежи, па jе притисак водене паре jеднак притиску засићене паре и задовољава jедначину идеалног гаса p s [T(R)] = ρ v(r)r g T(R) M v. (6) Из зависности притиска засићене паре од температуре дате у тексту задатка, следи и Из jедначина (1)-(8) се добиjа где jе p s [T(R)] T(R) p s (T ) = a 1 T (7) = a 1 +a 2 [T(R) T ]. (8) q m = ar, (9) a = 4πKM va 1 D(r H 1) LR K g L +Da = 8, kg 2 Mv m s. (10) R g Промена масе капљице у jединици времена jе коначно dm k dt = q m = ar. Страна 4 од 5

11 РЕШЕЊА (д) Пошто jе dm k dt = q m и dm k = ρ l 4R 2 πdr, следи d(r 2 ) = a dt. (11) 2πρ l Интеграциjом од 0 до t се добиjа t = 2πρ ( ) l a R 2 2 R1 2 = 8,75 дана (Такмичари коjи нису урадили део (г) ће добити броjну вредност од 7,23 дана). (ђ) Из jедначина v = c 2 R, dh dt = v и jедначине (11) следи R 2 dr = a 4πρ l c 2 dh, где jе a = 4πKMva1 D(1 r H) LR g K Mv L +Da2 Rg Интеграциjом последње jедначине се добиjа R(h) 3 = R(H) 3 3a 4πρ l c 2 (H h). Да би капљица стигла на Земљу потребно jе да буде R(h = 0) > 0, одакле jе R(H) > 3 3a H 4πρ l c 2 = 0,19mm (Такмичари коjи нису урадили део (г) ће добити броjну вредност од 0,20mm).. Задатке припремили: др Ненад Вукмировић и Владимир Вељић, Институт за физику, Рецензенти: др Димитриjе Степаненко и Вељко Jанковић, Институт за физику, Председник Комисиjе за такмичења ученика средњих школа: др Божидар Николић, Физички факултет, Страна 5 од 5

12 /2016. ј, ј ј а аа (20 а): ђва јаа ј ај,,. =,, (, W/m 2 )., ђ 0 1.,.. ( 1/m),. (LED Light Emitting Diode), LED,. LED. Њ p-n. LED,, ђ. LED ( ), LED. (photodiode PD)., ђ,. Ј. ђ LED. : 1), 2) ђ, 3) ђ

13 / : 1. 2., 3. ђ, 4., 5. LED za, 6., 7.,., DCV V, ( ). 8.,, : -, 6 3 mm, 5 ЦЦ 8 mm - (), 6 3 mm -, 3 4 mm. 2.. ђ ђ ђ, Y. LED ђ, ђ Y ( 1).. 2. LED. LED ђ

14 /2016. : LED. : (1) LED,.. (2) ђ ( Y-) LED. LED x=10 cm., LED 3.5 V..... (3). LED. (4), LED (5) ђ, = kω. (6) ђ.,. (7),. (. )., ( ђ ). (8). 1. (4 ) LED,,. LED LED -,., LED 3.5 V (2+5 ) ). LED =10 cm., LED 3.5 V

15 /2016. ). 3 ЦЦ. LED =10 cm., LED 3.5 V (7+2 ) ).. LED =10 cm., LED 3.5 V.. ( ),.... ), ABABAB...=(AB) n,,. ()..., a. =, (-, -, -). : а а, а аав ва ав, : а в ј Са, ј : а,,! - 4 4

16 10. Ј Њ 2015/2016. ј, ј ј Решење 1. LED ( ),. ( u ) LED ( is ) ђ : = uk isk (1) (cm) u (mv) is (mv) (μa) (μa -1/2 ) LED.,, + (2), LED. ђ,. = = [0.5] + (3) (3) = [0.5] (4) Ц, (4),. ђ. [2] + [1]

17 10. Ј Њ 2015/ ) : = e (5),,. 1 ђ,. Д1] (mm) u (mv) is (mv) (μa) Д1]. ), ђ = (6),,. (,, ), ђ, ( 2), = (7) А, (7) = (8) (2),, (3), ђ, = = [1] (9) - 2 6

18 10. Ј Њ 2015/2016. А,, (. = ), 0 = (10) ( ): ln 0 = ln [0.5] (11) (11). u (mv) is (mv) (μa) / ln / Д1.5]. : [1], A ђ, B ђ, : =. (12), (11) = ln, = e /. [1] (13) - 3 6

19 Ј Њ 2015/2016. ),,,. (5) (9), = e (14) 0 = e (15) : ln 0 = ln = [ ln ] [1] (16) ln. : u (mv) is (mv) (μa) / ln / Д1.5] : Д1], 2),.. (16) = ln, 2, =., : - 4 6

20 10. Ј Њ 2015/2016. =. Д0.5] (17) : u (mv) is (mv) (μa) / ln / Д1.5] : Д1] 2),.. (17).. [0.5] ) А = e (18), В, А, = e (19) АВ = e + (20) ђ АВ (20), : = e + [1] (21) - 5 6

21 10. Ј Њ 2015/ : u (mv) is (mv) (μa) / ln / , (21), ln 0 =.. - : u (mv) is (mv) (μa) / ln / (21), ln 0 =.. - : u (mv) is (mv) (μa) / ln / (21), ln 0 =.. (21).[3x0.33=1] - 6 6