Απαντήσεις-Λύσεις

λυμένες ασκήσεις & θέματα φυσικής για μαθητές λυκείου

(α) Σύμφωνα με την Α.Δ.Ε., ισχύει ότι:

Αντικαθιστώντας στην τελευταία σχέση i=I/2, έχουμε:

Με αντικατάσταση παίρνουμε:
q=±40μC

(β) Είναι φανερό ότι η αύξηση της απόστασης των οπλισμών του πυκνωτή προϋποθέτει προσφορά ενέργειας, αφού πρέπει να υπερνικηθεί η έλξη που ασκούν ο ένας οπλισμός στον άλλο. Η ενέργεια αυτή εμφανίζεται στην ολική ενέργεια της ταλάντωσης. Σύμφωνα με την Α.Δ.Ε. έχουμε:

όπου Ι'² είναι η μέγιστη τιμή της έντασης του ρεύματος μετά την αύξηση της απόστασης των οπλισμών του πυκνωτή. 'Ετσι έχουμε τελικά:

Από την τελευταία σχέση συμπεραίνουμε ότι η μέγιστη τιμή της έντασης του ρεύματος αυξάνει.








(α) Ο αρχικός όγκος του αερίου είναι:

Το έμβολο αρχικά ισορροπεί, άρα η πίεση του αερίου είναι ίση με την ατμοσφαιρική πίεση (pαtm=p1), δηλαδή:

Από την καταστατική εξίσωση έχουμε ότι:

(β) Στη διάρκεια της μεταβολής, η πίεση παραμένει σταθερή και ίση με την ατμοσφαιρική πίεση, επομένως το αέριο υφίσταται ισοβαρή θέρμανση και ισχύει ο νόμος του Gay-Lussac:

Το πηλίκο των ενεργών ταχυτήτων στην αρχική και την τελική κατάσταση είναι:

(γ) Η μεταβολή της μέσης κινητικής ενέργειας είναι:





(α) Υποθέτουμε ότι το αέριο βρίσκεται αρχικά στην κατάσταση Α με πίεση p1, όγκο V1 και θερμοκρασία Τ1. Για να υπολογίσουμε τον αριθμό των moles του Η2, χρησιμοποιούμε την καταστατική εξίσωση:
p1V1=n1RT1 ή
n1=p1V1/(RT1) ή
n1=8,2·20/(0,082·300) ή
n1=20/3 mol

(β) Εισάγουμε την ποσότητα Η2 και το αέριο μεταβαίνει στην κατάσταση Β με πίεση p1, όγκο V2=2V1 και θερμοκρασία Τ2=500Κ. Υπολογίζουμε τον αριθμό των moles n2 από την καταστατική:
p2V2=n2RT2 ή
n2=p2V2/(RT2) ή
n2=8,2·40/(0,082·500) ή
n2=8 mol
Στην κατάσταση Α έχουμε n1=20/3 mol και στην κατάσταση Β έχουμε n2=8 mol. 'Αρα η ποσότητα των moles που εισάγουμε είναι:
Δn=n2-n1=8-20/3=4/3 mol
Η ποσότητα 4/3 mol αντιστοιχεί σε μάζα
m=Δn·Mr ή m=4/3·0,002 ή
m=0,008/3 kg


Από τη γραφική παράσταση καταλαβαίνουμε ότι τα αυτοκίνητα κινούνται με αντίθετη φορά, πλησιάζοντας το ένα το άλλο, όπως φαίνεται και στο διπλανό σχήμα. Η κίνηση που εκτελούν είναι ευθύγραμμη ομαλή.

(α) Από τη γραγική παράσταση, και πιο συγκεκριμένα από τις κλίσεις των δύο ευθειών (γωνίες ω και θ αντίστοιχα). Είναι λοιπόν:
υΑ=εφω=(0-50)m/(10s) ή υΑ=-5m/s
και
υΒ=εφθ=[25-(-25)]m/(10s) ή υΒ=5m/s
'Aρα τα δύο αυτοκίνητα κινούνται με ταχύτητες ίσου μέτρου, ίδιας διεύθυνσης και αντίθετης φοράς.

(β) Από το διάγραμμα φαίνεται πως το αυτοκίνητο Α διανύει σε χρόνο t=10s διάστημα 50m, όσο ακριβώς και το αυτοκίνητο Β.

(γ) Τα δύο αυτοκίνητα θα συναντηθούν όταν xA=xB (1)
Για το αυτοκίνητο Α ισχύει:
xA=x0Αt ή xA=50-5t (2)
Για το αυτοκίνητο Β ισχύει:
xB=x0Βt ή xB=-25+5t (3)
Aπό τις (1), (2) και (3) έχουμε:
50-5t=-25+5t ή
10t=75 ή
t=7,5s

(α) Για να υπολογίσουμε την αρχική πίεση του υδρογόνου σε κάθε δοχείο, εφαρμόζουμε την καταστατική εξίσωση σε κάθε δοχείο χωριστά.
Για το δοχείο Α ισχύει:
p1V1=n1RT ή
p1=n1RT/V1 ή
p1=200atm
Για το δοχείο Β ισχύει:
p2V2=n2RT ή
p2=n2RT/V2 ή
p2=100atm


(β) Μόλις ανοίξουμε τη στρόφιγγα, το υδοργόνο μετακινείται από το ένα δοχείο στο άλλο, μέχρι να εξισωθεί η πίεση και στα δύο δοχεία. Ο όγκος που καταλαμβάνει το αέριο στην τελική κατάσταση είναι V=V1+V2, η πίεση που ασκεί το αέριο είναι p και η θερμοκρασία είναι Τ=200Κ. Ο αριθμός των moles του αερίου είναι ίδιος στην αρχική και τελική κατάσταση, δηλαδή ισχύει η αρχή διατήρησης της μάζας:
n1+n2=n (1)
Από την καταστατική εξίσωση προκύπτει:
n1=p1V1/RT, n2=p2V2/RT και n=pV/RT
Αντικαθιστώντας στη σχέση (1) έχουμε:
p1V1/RT+p2V2/RT=pV/RT ή
p1V1+p2V2=p(V1+V2) ή
p=(p1V1+p2V2)/(V1+V2) ή
p=120atm

Παρατηρούμε ότι η θέση x=0,05m αντιστοιχεί στη θέση x=+A/2. Αντικαθιστώντας λοιπόν στην εξίσωση της απομάκρυνσης έχουμε:

Από την (1) για k=0 παίρνουμε αρνητική λύση, η οποία απορρίπτεται, ενώ από την (2) για k=0 έχουμε:

Αυτή είναι η πρώτη χρονική στιγμή που το σώμα περνά από τη θέση x=0,05m. Η (1) για k=1 δίνει:

και είναι η δεύτερη φορά που το σώμα περνά από τη θέση x=0,05m.
Δίνεται ότι Δt=2s, άρα:

Τ=3s






Αφού τη χρονική στιγμή t=0 είναι η δυναμική ενέργεια το 25% της ολικής, έχουμε:

Δηλαδή την t=0 το υλικό σημείο βρίσκεται είτε στη θέση x=A/2 είτε στη θέση x=-A/2.
Θέση x=A/2
Για να βρούμε την αρχική φάση έχουμε:

Θέση x=-A/2
Για τη θέση x=-A/2 έχουμε αντίστοιχα:


Επειδή δεν δίνονται στοιχεία για το πρόσημο της ταχύτητας, δε μπορούμε να απορρίψουμε κάποια από τις λύσεις, οπότε σύμφωνα με τα δοσμένα οι δυνατές λύσεις για την αρχική φάση είναι:



(α) Από το διάγραμμα φαίνεται ότι:

Vmax=VΔ=4VA=6L
και
ΤmaxΔ=600Κ
Για την κατάσταση Δ η καταστατική εξίσωση γράφεται:
pΔVΔ=nRTΔ ή
pΔ=nRTΔ/VΔ ή
pΔ=pA=200·10² Ν/m²
που είναι και η μέγιστη πίεση του αερίου.
Για την ελάχιστη πίεση του αερίου, παρατηρούμε άπό το διάγραμμα ότι είναι:
pmin=pB=pΓ=2pA/3=400/3·10² N/m²

(β) Εφόσον η μάζα του αερίου δε μεταβάλλεται, συμπεραίνουμε από τη σχέση d=m/V, πως η μέγιστη πυκνότητα του αερίου επιτυγχάνεται στην κατάσταση όπου ο όγκος του αερίου είναι ελάχιστος, δηλαδή στην κατάσταση Α, όπως φαίνεται και από το διάγραμμα.

Είναι: mαερ=n·M=0,004kg και VA=VΔ/4=1,5L=0,0015m³
'Aρα d=2,66 kg/m³
(γ) Tο διάγραμμα p-T (ποιοτικά) φαίνεται παρακάτω:


Το έμβολο ισορροπεί, άρα η συνισταμένη των δυνάμεων που δέχεται θα είναι μηδέν, δηλ. ΣF=0.

Το έμβολο δέχεται δύναμη F1 από το αέριο που βρίσκεται αριστερά στο δοχείο και δύναμη F2. Αφού το έμβολο ισορροπεί, θα ισχύει:
F1=F2 ή p1·A=p2·A ή p1=p2 (όπου Α το εμβαδόν του εμβόλου)
Δηλαδή η πίεση που ασκεί το αέριο που βρίσκεται στα αριστερά είναι ίση με την πίεση που ασκεί το αέριο που βρίσκεται στα αριστερά.
Σύμφωνα με το συνδυαστικό νόμο θα έχουμε:
p1V1/T1=p2V2/T2 ή V1/T1=V2/T2 (1)
Οι θερμοκρασίες Τ1 και Τ2 είναι:
Τ1=273+27=300Κ και
Τ2=273+127=400Κ
'Αρα η (1) γράφεται:
V1/V2=3/4 ή V1=3V2/4 (2)
Ισχύει επίσης:
V1+V2=V (3)
Από τις (2), (3) προκύπτει:
V1=3L και V2=4L

Στη θέση ισορροπίας τα δύο ελατήρια είναι επιμηκυμένα κατά x1 και x2 αντίστοιχα. Αφού είναι θέση ισορροπίας θα ισχύει: 21

ΣF=0 ή F1+mgημφ=F2 ή k1x1+mgημφ=k2x2 (1)

Στην τυχαία θέση, όπου το σώμα έχει απομακρυνθεί κατά x από τη θέση ισορροπίας του, θα είναι:

ΣF=F2'-F1'-mgημφ ή

ΣF=k2(x2-x)-k1(x1+x)-mgημφ ή

ΣF=k2x2-k2x-k1x1-k1x-mgημφ ή

ΣF=k2x2-k1x1-mgημφ-(k1+k2)x

Λόγω της (1) η τελευταία σχέση γράφεται:

ΣF=-(k1+k2)x

και αποτελεί την αναγκαία και ικανή συνθήκη για να εκτελέσει ένα σώμα απλή αρμονική ταλάντωση, με σταθερά επαναφοράς D=k1+k2.

(α) Εφόσον το έμβολο ισορροπεί, η συνισταμένη των δυνάμεων που ασκούνται πάνω του είναι ίση με μηδέν. Οι δυνάμεις που ασκούνται στο έμβολο είναι η Fαερ, που ασκείται από το αέριο, και η Fατμ, που ασκείται από τον ατμοσφαιρικό αέρα. Αφού το έμβολο ισορροπεί, θα είναι:
ΣF=0 ή Fαερ=Fατμ ή p·A=pατμ·Α ή p=pατμ ή p=1αtm


(β) Επειδή η θέρμανση του αερίου γίνεται πολύ αργά, μπορούμε να θεωρούμε κάθε διαδοχική θέση του εμβόλου ως θέση ισορροπίας. Επομένως η πίεση του αερίου παραμένει σταθερή και ισούται συνεχώς με τη σταθερή εξωτερική πίεση. Δηλαδή η μεταβολή από την αρχική κατάσταση, έστω Α, στην τελική κατάσταση, έστω Β, είναι ισοβαρής θέρμανση.
Στην ισοβαρή μεταβολή ισχύει ο νόμος του Gay-Lussac:
VA/TA=VB/TB ή VB=TB·VA/TA (1)
Οι τιμές των μακροσκοπικών μεγεθών στις δύο καταστάσεις Α και Β φαίνονται παρακάτω:

Αν Α το εμβαδόν του εμβόλου, τότε η (1) γράφεται:
d2·A=400d1A/300 ή d2=40cm

(α) Για την κατάσταση Α ισχύει η καταστατική εξίσωση:

Δηλαδή ΤΑ=200Κ
(β) Η μεταβολή ΑΒ είναι ισοβαρής, επομένως ισχύει ο νόμος του Gay-Lussac:

VB=2,4L
Η μεταβολή ΒΓ είναι ισόχωρη, άρα ισχύει ο νόμος του Charles:

'Ομως ΤΓA, αφού η μεταβολή ΓΑ είναι ισόθερμη, επομένης η σχέση (1) δίνει:

και VΓ=VB=2,4L
(γ) Τα διαγράμματα p-T και V-T φαίνονται παρακάτω:



Αρχικά το σώμα ισορροπεί στη θέση (Ι), όπου ισχύει:
ΣF=0 ή Β=Fελ(1) ή mg=kx1 ή x1=mg/k ή x1=0,1m
Προσφέροντας ενέργεια Ε0 εκτρέπουμε το σώμα από τη Θ.Ι. του και το αφήνουμε να εκτελέσει απλή αρμονκή ταλάντωση. Το ότι η ταχύτητα μηδενίζεται σημαίνει ότι το σώμα βρίσκεται σε ακραία θέση της ταλάντωσης του, όπου η ενέργεια της ταλάντωσης είναι ίση με τη μέγιστη δυναμική ενέργεια (αφού υ=0 και η κινητική ενέργεια θα είναι μηδενική). 'Αρα έχουμε:
Εολ=½·kx1²
'Ομως η ενέργεια αυτή είναι ίση με την ενέργεια Ε0 που αρχικά δαπανήσαμε για να εκτρέψουμε το σώμα από τη Θ.Ι. Επομένως
Ε0=½kx1² ή Ε0=1J


(α) Για να βρούμε την θερμοκρασία του αερίου στην αρχική κατάσταση, εφαρμόζουμε την καταστατική εξίσωση:

pAVA=nRTA ή
ΤΑ=pAVA/(nR) 
Με αντικατάσταση των μεγεθών στην παραπάνω σχέση προκύπτει:
ΤΑ=200  K
(β) Η μεταβολή της ποσότητας του αερίου από την αρχική κατάσταση (έστω Α) στην τελική κατάσταση (έστω Β) είναι ισόθ
ερμη, αφού ισχύει ο νόμος του Boyle pV=σταθερό. 'Αρα έχουμε:
pAVA=pBVB
Ο όγκος στην κατάσταση Β έχει αυξηθεί κατά 6L, οπότε θα είναι
VB=VA+6 ή VB=8L
'Αρα θα είναι:
pB=(pAVA)/VB ή
pB=50atm
(γ) Τα ζητούμενα διαγράμματα φαίνονται παρακάτω:

(α) 'Εστω ότι η χρονική εξίσωση της απομάκρυνσης δίνεται από τη σχέση x=Aημ(ωt+φ0). Τη χρονική στιγμή t=0 είναι:
0,4=0,8ημφ0 ή
½=ημφ0 ή ημ(π/6)=ημφ0
Η παραπάνω τριγωνομετρική εξίσωση έχει λύσεις:
φ0=π/6 rad ή φ0=5π/6 rad
Η ζητούμενη λύση προκύπτει από το πρόσημο της ταχύτητας. Εφόσον υ<0 η ζητούμενη αρχική φάση είναι
φ0=5π/6
(β) Σε χρόνο ίσο με μια περίοδο Τ, το υλικό σημείο διανύει απόσταση 4Α. Για τη συγκεκριμένη ταλάντωση είναι Τ=2π/ω=2π/2π=1sec.
Επομένως ο χρόνος που δίνεται στην εκφώνηση αντιστοιχεί σε 2,5 περιόδους και το υλικό σημείο διανύει διάστημα S=2­·4Α+2Α=10·Α=10·0,8=8m 

(α) 'Εστω ότι το πρώτο φανάρι βρίσκεται στο σημείο Α και το δεύτερο φανάρι βρίσκεται στο σημείο Β. Τα δύο αυτοκίνητα εκτελούν ευθύγραμμη ομαλή κίνηση και έστω ότι περνούν από το φανάρι Α τη χρονική στιγμή t=0. Το πρώτο αυτοκίνητο περνά από το φανάρι Β τη χρονική στιγμή t1, επομένως το δεύτερο αυτοκίνητο θα περάσει από το φανάρι Β τη χρονική στιγμή t2=t1+10. Για την απόσταση d που διανύουν τα δύο αυτοκίνητα θα ισχύει:
Για το πρώτο:
d=υ1t1 (1)
Για το δεύτερο: 
d=υ2t2 (2)
Εξισώνοντας τις (1) και (2) έχουμε:
υ1t12t2 ή
υ1t12(t1+10) ή
30t1=10(t1+10) ή
t1=5s
Επομένως το δεύτερο αυτοκίνητο χρειάζεται χρόνο t2=5+10=15s για να περάσει από το φανάρι Β.
(β) Από τη σχέση (1) με αντικατάσταση έχουμε:
d=150m
(γ) Τα διαγράμματα ταχύτητας χρόνου φαίνονται στο παρ
ακάτω διάγραμμα:

(α) Κατά τη χρονική στιγμή t=6s το υλικό σημείο διέρχεται από τη Θ.Ι, όπως φαίνεται και από τη γραφική παράσταση, δηλαδή είναι x=0 και επομένως θα είναι και α=0. 'Αρα η πρόταση είναι λανθασμένη

(β) Κατά τη χρονική στιγμή t=3s το υλικό σημείο βρίσκεται στη θέση μέγιστης θετικής απομάκρυνσης, οπότε έχει ταχύτητα υ=0. Τη χρονική στιγμή t=10s το υλικό σημείο κινείται προς τη θέση ισορροπίας του από τη θέση μέγιστης αρνητικής απομάκρυνσης, με αποτέλεσμα να είναι υ>0. 'Αρα η πρόταση είναι σωστή
(γ) Κατά τις χρονικές στιγμές t=6s και t=12s το υλικό σημείο διέρχεται από τη θέση ισορροπίας του, με αποτέλεσμα η ταχύτητα του να παίρνει μέγιστη τιμή. 'Αρα η πρόταση είναι σωστή
(δ) Κατά τις χρονικές στιγμές t=3s και t=9s το υλικό σημείο βρίσκεται στις ακραίες θέσεις, οπότε η επιτάχυνση μεγιστοποιείται. 'Αρα η πρόταση είναι σωστή

(α) 'Εστω ότι τα δύο κινητά θα συναντηθούν στο σημείο Γ τη χρονική στιγμή t, το οποίο απέχει απόσταση x από το σημείο Α. Τα δύο κινητά εκτελούν ευθύγραμμη ομαλή κίνηση.Θεωρούμε θετική φορά κίνησης προς τα δεξιά, όπως φαίνεται στο σχήμα, οπότε για τα δύο κινητά έχουμε:
υΑ=x/t (1) και υΒ=(d-x)/t (2)
Διαιρώντας κατά μέλη τις (1) και (2) έχουμε:
υΑΒ=x/(d-x) ή
x=υΑ·d/(υΑΒ) (3)
Πριν αντικαταστήσουμε τα μεγέθη στη σχέση (3), πρέπει πρώτα να μετατρέψουμε τις ταχύτητες από km/h σε m/s. (δείτε εδώ τον τρόπο). Προκύπτει λοιπόν ότι υΑ=15m/s και υΒ=20m/s.
Από την (3) με αντικατάσταση έχουμε:
x=300m
Δηλαδή τα δύο αυτοκίνητα θα συναντηθούν σε απόσταση 300m από το σημείο Α.
(β) Από τη σχέση (1) για x=300m λύνοντας ως προς χρόνο έχουμε:
t=x/υΑ ή
t=20s
(γ) Οι γραφικές παραστάσεις ταχύτητας-χρόνου και μετατόπισης-χρόνου φαίνονται στα παρακάτω διαγράμματα.



'Εστω ότι αρχικά η ποσότητα του αερίου βρίσκεται στην κατάσταση Α και μεταβαίνει στην κατάσταση Β, με σταθερή πίεση. Αυτό σημαίνει ότι η μεταβολή ΑΒ είναι ισοβαρής και ισχύει ο νόμος Gay-Lussac:

Επειδή ο όγκος διπλασιάζεται VΒ=2VΑ, θα έχουμε:
 
Κατόπιν το αέριο μεταβαίνει από την κατάσταση Β στην κατάσταση Γ  με σταθερό όγκο (ισόχωρη μεταβολή), άρα ισχύει ο νόμος του Charles:
'Ομως στην κατάσταση Γ  είναι pΓ=pΒ/2, άρα προκύπτει:
Από τις παραπάνω σχέσεις (2) και (4) προκύπτει:
ΤΑΓ
δηλαδή σωστή απάντηση είναι η (δ)




(α) Από το διάγραμμα παρατηρούμε ότι τη χρονική στιγμή t=0 η αρχική φάση είναι φ0=π/2 rad. Για την εύρεση της γωνιακής ταχύτητας, γνωρίζουμε ότι φ=ωt ή ω=φ/t. 'Αρα για να βρούμε τη γωνιακή ταχύτητα υπολογίζουμε την εφαπτομένη της γωνίας θ. Είναι
εφθ=Δφ/Δt=(3π/2-π/2)/(1-0)=π rad/s
(β) Η χρονική εξίσωση της απομάκρυνσης είναι της μορφής x=Aημ(ωt+φ0). Με αντικατάσταση των μεγεθών έχουμε:
x=0,2ημ(πt+π/2)

΄Εστω ότι τα δύο κινητά ξεκινούν τη χρονική στιγμή t=0 από την ίδια θέση, όπως φαίνεται στην εικόνα. Η κίνηση που εκτελούν τα κινητά είναι ευθύγραμμη ομαλή, επομένως θα ισχύουν οι σχέσεις
υΑ=σταθ.=12m/s (1)
υΒ=σταθ.=15m/s (2)
xAΑt (3)
xBΒt (4)
Επειδή το κινητό Β έχει μεγαλύτερη ταχύτητα από το Α, θα διανύει μεγαλύτερη απόσταση στον ίδιο χρόνο. Κάποια χρονική στιγμή t, τα δύο κινητά θα απέχουν απόσταση d=600m, όπως φαίνεται και στο σχήμα. Θα ισχύει τότε:
x2-x1=d
Αντικαθιστώντας από τις (3), (4) προκύπτει:
υΒt-υΑt=d ή
15t-12t=600 ή
t=200s

Για να συγκρίνουμε τις δύο ταχύτητες θα πρέπει αρχικά να βρίσκονται στο ίδιο σύστημα μονάδων (να έχουν ίδια μονάδα μέτρησης). Εδώ θα μετατρέψουμε την ταχύτητα μέτρου 1m/s σε km/h. Για το σκοπό αυτό πρέπει να λάβουμε υπόψιν ότι:

και
Με βάση τα παραπάνω, η ταχύτητα μέτρου 1m/s είναι σε km/h:


(α)
'Οπως και σε προηγούμενη ανάρτηση, θέλουμε να βρούμε τον ελάχιστο χρόνο μετάβασης του υλικού σημείου από τη μία θέση στην άλλη.
(i) Γνωρίζουμε ότι:

Από τη σχέση

Ακόμη ισχύει
και

οπότε φ12, δηλαδή οι γωνίες είναι κατακορυφήν. 'Αρα θ=π rad και από τη σχέση (1) προκύπτει:

(ii) Ισχύει:
Αλλά φ=φ12=2φ1 και από τη (2) έχουμε:

Από το τρίγωνο ΟΒΓ παίρνουμε:

Επομένως, από την (3) προκύπτει: