Vyhledávání úloh podle oboru

Databáze všech úloh FYKOSu za posledních 32 let jeho existence.

astrofyzika (60)biofyzika (15)chemie (16)elektrické pole (54)elektrický proud (56)gravitační pole (56)hydromechanika (103)jaderná fyzika (31)kmitání (35)kvantová fyzika (21)magnetické pole (27)matematika (73)mechanika hmotného bodu (192)mechanika plynů (75)mechanika tuhého tělesa (165)molekulová fyzika (45)geometrická optika (62)vlnová optika (42)ostatní (125)relativistická fyzika (31)statistická fyzika (21)termodynamika (106)vlnění (38)

(12 bodů)0. Série 31. Ročníku - E. změř si svojí vlnu!

Poštou jsme vám poslali dva provázky a LED diodu. Najděte doma dvě zrcátka a změřte gravitační vlny.

Nápověda: Použijte osciloskop.

(9 bodů)0. Série 31. Ročníku - P. teoretická

Jak všichni dobře víme, na velmi malých rozměrech dobře funguje kvantová teorie pole. Na kosmických škálách se naopak projevuje především obecná teorie relativity. Vymyslete konzistentní teorii, která obě předchozí teorie sjednotí.

(3 body)6. Série 30. Ročníku - 2. upadlo

Z jaké výšky nad povrchem neutronové hvězdy bychom museli „upustit“ předmět, aby dopadl na její povrch v rychlosti $0,\! 1\; c$ (0,1 rychlosti světla). Naše neutronová hvězda má hmotnost 1,5násobek hmotnosti Slunce a průměr $d=10\;\mathrm{km}$. Zanedbejte atmosféru neutronové hvězdy a její rotaci. Zanedbejte relativistické korekce. Srovnejte ale jakého výsledku byste dosáhli, pokud by pád probíhal v homogenním gravitačním poli (které má intenzitu stejnou jako na povrchu planety) s tím, kdy pád probíhá v radiálním gravitačním poli.

Bonus: Uvažujte korekci na speciální teorii relativity v případě pádu v homogenním poli.

Karel přemýšlel, zas a znovu, nad neutronovými hvězdami.

(6 bodů)6. Série 30. Ročníku - 3. relativistický Zenonův paradox

Superman a Flash se rozhodli, že si dají závod. Závod se koná v hlubokém vesmíru, protože na Zemi není dostatečně dlouhá rovná pláž. Flash, protože je pomalejší, startuje s délkovým náskokem $l$ před Supermanem. Flash v jednu chvíli vyběhne s konstantní rychlostí $v_\mathrm{F}$ srovnatelnou s rychlostí světla. Ve chvíli, kdy si Superman všimne, že Flash vyběhl, vyběhne také, a to konstantní rychlostí $v_\mathrm{S}>v_\mathrm{F}$. Za jak dlouho Superman Flashe dožene (z pohledu Supermana)? A za jak dlouho Flashe dožene Superman (z pohledu Flashe)? A byl vůbec závod spravedlivě odstartován, resp. dokázali byste vymyslet spravedlivější způsob (přičemž náskok $l$ má být ponechán)?

Ďiďiďi.

(5 bodů)3. Série 29. Ročníku - P. Lukášova díra

Lukáš posiloval a povedlo se mu vyrobit černou díru o hmotnosti $1\; \mathrm{kg}$. Protože nemá úplně v lásce kvantovou teorii pole na křivém pozadí, tak jeho díra nic nevyzařuje. Lukáš tuto díru upustí a ona začne kmitat uvnitř Země. Zkuste odhadnout, za jak dlouho se hmotnost díry zdvojnásobí. Je nebezpečné si doma pokoutně vyrábět černé díry?

Lukáš chtěl zničit Zemi, ale moc se mu to nepovedlo.

(5 bodů)6. Série 28. Ročníku - 5. hospodská rvačka

Při svém pobytu v Ankh-Morporku Dvoukvítek navštívil také hospodu. Nebyla by to dobrá hospoda, kdyby se tam nestrhla všeobecná rvačka, při které létají židle, flašky a další věci z jedné strany hospody na druhou. Dvoukvítek musí samozřejmě všechno pořádně zdokumentovat svým fotoaparátem. Teď zrovna fotí kuličku o poloměru $R$, která letí rychlostí $v$ blízkou rychlosti světla $c$. I v takových hospodách platí teorie relativity, ze které vyplývá, že Dvoukvítek by ve své klidové soustavě změřil kontrakci kuličky ve směru pohybu o faktor

$$\\ \sqrt{1- \frac{v^2}{c^2}}$$

Jaký poloměr kuličky ve směru pohybu zaznamená na fotografii se zanedbatelně krátkou expozicí? Fotoaparát zaujímá vůči kuličce obecnou polohu.

Nejen Jakub M. ví, že vše je potřeba řádně zdokumentovat!

(2 body)4. Série 28. Ročníku - 2. rychlá kráska reloaded

Terka si zase jednou vyjela na výlet. Tentokrát se prochází o rovnodennosti v pravé poledne na zemském rovníku. Jakou vzájemnou rychlost by měla vůči Alešovi, pokud by ji Aleš chtěl (bláhově) pozorovat z povrchu Slunce na rovníku v bodě nejbližším jeho objektu zájmu (Terce)? Sklon sluneční osy vůči rovině ekliptiky můžete považovat za zanedbatelně malý.

Karel pozoroval Slunce.

(4 body)3. Série 28. Ročníku - 4. rychlá kráska

Terka se ve svém autě blíží relativistickou rychlostí $v$ k rovinnému zrcadlu. Blíží se kolmo na rovinu zrcadla v kolizním kurzu. Přitom se samozřejmě dívá na sebe, jak se k zrcadlu blíží. Jaká je rychlost, kterou se Terka blíží ke svému neskutečnému obrazu a jakou rychlost ona pozoruje svým zrakem?

Bonus: Zrcadlo není rovinné, ale kulové.

Náhodou napadlo Karla při sledování Dr. Who, když se rozbily hodiny na krbové římse.

(5 bodů)1. Série 27. Ročníku - P. rychlost světa

Jaký by byl svět, ve kterém by byly stejné hodnoty fundamentálních fyzikálních konstant, jenom rychlost světla by byla pouze $c=1000\;\mathrm{km}\cdot \mathrm{hod^{-1}}$? Jaký by byl takový svět pro život na Zemi, život lidí? A bylo by vůbec možné, aby v takovém světě existovali lidé?

Karel zase navrhl neřešitelnou úlohu.

(6 bodů)1. Série 27. Ročníku - S. relativistická

 

  • Kvantovou gravitaci potřebujeme jen při studiu velmi malých vzdáleností, kdy jsou gravitační síla a kvantové efekty rovnocenné. Gravitační sílu charakterizuje gravitační konstanta, kvantovou mechaniku Planckova konstanta a speciální teorii relativity rychlost světla. Najděte hodnoty těchto konstant v tabulkách a zkuste z nich vzájemným násobením a umocňováním získat veličinu s jednotkou délky. Tak získáte délkovou škálu, na které je relevantní gravitace a kvantová mechanika současně.
  • Ukažte, že provedeme-li speciální Lorentzovu transformaci (tj. přejdeme do systém pohybujícímu se vůči původnímu rychlostí $v$ ve směru osy $x^1$)

$$x^0_\mathrm{nov}=\frac{x^0-\frac{v}{c}x^1}{\sqrt{1-\left(\frac{v}{c}\right)^2}}\,,\quad x^1_\mathrm{nov}=\frac{-\frac{v}{c}x^0+ x^1}{\sqrt{1-\left(\frac{v}{c}\right)^2}}\,,\quad x^2_\mathrm{nov}= x^2\,,\quad x^3_\mathrm{nov}= x^3 \, ,$$ potom se hodnota čtyřintervalu nezmění.

  • Vzpomeňte na definici čtyřintervalu a položte $Δx^3 = Δx^2 = 0$. Máme pak $$(\Delta s)^2 = -\(\Delta x^0\)^2+ \(\Delta x^1\)^2\,.$$

V jaké části roviny $(Δx^{0},Δx^1)$ je čtyřinterval $(Δs)^2$ záporný a kde kladný? Jak vypadá křivka definovaná ( $Δs)=0?$

4. Série 24. Ročníku - S. Möbiova transformace a konformní zobrazení

 

  • Dokažte tvrzení d), podle něhož Möbiova transformace zachovává úhly. Jedna z možností je uvědomit si, že v kruhové inverzi existují kružnice, které se zobrazují samy na sebe.
  • Najděte podmínku na koeficienty Möbiovy transformace, aby zobrazovala komplexní kruh na komplexní kruh (|$z|$ = 1) a najděte konkrétní transformaci, která zobrazuje komplexní kruh na horní komplexní polorovinu. Co to fyzikálně znamená?
  • Podle teorie relativity se tělesa pohybující se rychlostí blízkou rychlosti světla zkracují (Lorentzova kontrakce). To ovšem ještě neznamená, že bychom je viděli kratší (například, že bychom místo pohybující se koule viděli pohybující se elipsoid). Využijte představy, který jsme v tomto díle vybudovali, abyste odvodili, že předměty letící rychlostí světla vidíme o kousek pootočené, nikoliv zkrácené (Terellova rotace).

Jakub

6. Série 22. Ročníku - 3. relativistická koule

Při pohybu rychlostí srovnatelnou s rychlostí světla dochází ke kontrakci délek, ale zároveň se nám předmět zdá delší než ve skutečnosti je (zkuste sledovat paprsky světla vyslané z bližšího a vzdálenějšího konce tělesa). Vypočítejte, jestli se u relativistické koule tyto efekty nevyruší.

z Cambridge donesl Dalimil

2. Série 22. Ročníku - 4. do nekonečna a ještě dál

Bohatý vesmírný turista si zaplatil výlet do hlubokého vesmíru. Raketa vyletí ze Země a rovnoměrně zrychluje se zrychlením $a$, což si turista může ověřit například pouštěním míčku. Nudnou cestu si krátí zíráním ze zadního okénka, pozorováním Země. Po nějaké době (Jaké? Aspoň řádový odhad.) se mu začne zdát, že něco není v pořádku – Země se pomalu přestává zmenšovat. Z toho usoudí, že raketa zpomaluje, což neodpovídá tomu, že raketa stále má zrychlení $a$. To ale turistu nenapadne a rozlobeně jde za kapitánem požadovat vysvětlení. Co mu kapitán řekne?

Předpokládáme, že turista vidí celé elektromagnetické spektrum a má železné nervy a pozorování vydrží.

o prázdninách zkoušel Marek Pechal

6. Série 21. Ročníku - S. na přání

Pokuste se o řešení libovolného problému z šesté kapitoly seriálu.

Zadal autor seriálu Marek Pechal.

5. Série 21. Ročníku - 4. sluneční konzerva

Ráma cestuje mezi hvězdami tak, že polovinu času rovnoměrně zrychluje a polovinu času rovnoměrně zpomaluje. Právě se pohybuje kolem Slunce po parabole s vrcholem na orbitě Země. Energii získává ze slunečního záření (žádný reaktor nebo obří baterie jsi na něm neobjevil) a jeho povrch absorbuje 80 % dopadající energie. Nasbírá při průletu sluneční soustavou dostatečnou energii, aby se dostal k Siriu, který je vzdálen 12 světelných let, za 24 let?

Nadhodil Jakub Benda

2. Série 21. Ročníku - 4. nabitá anténa

Dva stejné náboje umístíme na oba konce tuhé nevodivé tyčky. Jaký výkon budeme potřebovat na otáčení tyčky konstantní úhlovou rychlostí kolem osy procházející středem tyčky. Tření zanedbejte.

Úlohu vymyslel Martin Výška.

3. Série 19. Ročníku - 2. nájezd na čočku

Mějme spojku o ohniskové vzdálenosti $f$. Zdroj světla je na ose ve vzdálenosti $a>f$ od čočky, za kterou vzniká jeho obraz. Zdrojem začneme pohybovat určitou rychlostí směrem k čočce. Určete, jak rychle se pohybuje obraz. Rozhodněte, zda tato rychlost může být i nadsvětelná. Bylo by to v rozporu s principy speciální teorie relativity?

Vymyslel Jarda Trnka, když psal studijní text z optiky.

6. Série 18. Ročníku - 2. jak vyrobit černou díru

Pokud stlačíme hvězdu (či jakékoliv jiné těleso) na kouli o poloměru $r_{g}$, zhroutí se nenávratně do černé díry. Tzv. Schwarzschildův poloměr $r_{g}$ si lze v klasické analogii představit jako poloměr tělesa o hmotnosti $M$, z jehož povrchu lze uniknout pouze rychlostí světla (úniková rychlost je $c$).

Na základě znalosti hmotnosti hvězdy $M$ určete Schwarzschildův poloměr $r_{g}$ a kritickou hustotu hvězdy $ρ$, při které se přemění v černou díru. Příklad řešte obecně a poté konkrétně pro Zemi, Slunce a jádro galaxie o hmotnosti 100 miliard Sluncí.

Jarda

6. Série 18. Ročníku - E. chyťte foton

Změřte rychlost světla ve vakuu. Provést to můžete libovolným způsobem, použijte třeba i mikrovlnnou troubu.

Co jiného dát jako experiment do roku fyziky.

6. Série 18. Ročníku - P. výlet na Stonehenge

figure

Představte si, že v raketě prolétáváte nad Stonehenge. Ten je tvořen kameny ve tvaru kvádrů rozmístěných do vrcholů pravidelného dvanáctiúhelníku (viz obrázek 2) o poloměru $200$. Letíte nad osou $x$ ve výšce $z=50$ a díváte se vodorovným směrem. Když jste v bodě o souřadnicích ($-200$, $0$), resp. ($0$, $0$), uvidíte svět přesně tak, jak je zobrazen na obrázku 6, přičemž oba máte shodné oči (tzn. např. stejný zorný úhel). Z obrázků přibližně určete poměr rychlosti rakety a rychlosti světla.

Matouš.

4. Série 18. Ročníku - 3. limuzína v garáži

Jeden z vítězů Superstar narazil na problém. Jeho nová limuzína je příliš dlouhá na to, aby se vešla do jeho staré garáže. Jeho kamarád, který studuje fyziku, si však věděl rady. Jelikož dobře zná práci Alberta Einsteina, uvědomil si, že pokud se limuzína rozjede dostatečně rychle, zkrátí se její délka z pohledu stojícího pozorovatele natolik, že se již do garáže vejde.

Na začátku a na konci garáže jsou umístěny padací dveře, které se spustí ve chvíli, kdy celá limuzína bude uvnitř. Z pohledu superstar v limuzíně se však naopak v důsledku kontrakce délek zkrátí garáž a vůz se do ní určitě nevejde. Rozhodněte, zda je možné tímto způsobem limuzínu do této garáže zaparkovat.

Podle úlohy z přednášky z STR.

1. Série 17. Ročníku - S. elektromagnetické pole

 

  • V prostoru je homogenní magnetické a elektrické pole (homogenní pole má svou veličinu všude stejnou co do velikosti i směru). Je dána velikost

$E$ i $B$ a tyto vektory jsou na sebe kolmé. Jak se musí pohybovat elektron, aby na něj nepůsobila žádná síla? Jak je to v případě, že $E$ a $B$ svírají úhel $60^{\circ}$?

  • Jak bylo řečeno v seriálu, nezmění se při přemístění jednoho z nábojů síla působící na druhý náboj hned. Pokuste se na základě tohoto faktu vysvětlit, proč má elektromagnetické pole hybnost.

Úlohy vymyslel autor seriálu Honza Houštěk.

5. Série 13. Ročníku - 4. letící tyč

Mějme v rovině dvě na sebe kolmé přímky $a$ a $b$. V přímce $a$ letí tyč délky $l=5\cdot 10^{7}\,\jd{m}$ rychlostí $v=6\cdot 10^{6}\;\mathrm{m}\cdot \mathrm{s}^{-1}$ (tyč je s přímkou rovnoběžná a její střed na ní neustále leží). Vaším úkolem je určit, jaký bude průběh „viděné“ (viz dále) délky tyče v závislosti na její vzdálenosti od průsečíku přímek. Tyč pozorujeme z přímky $b$ v takové vzdálenosti od průsečíku, která je zanedbatelná vůči vzdálenosti tyče od průsečíku.

„Viděná“ délka tyče: k přímce $a$ přiložíme pravítko a letící tyč vyfotografujeme. „Viděnou“ délkou tyče pak rozumíme rozdíl hodnot krajních bodů tyče odečtených z pravítka z fotografie.

2. Série 11. Ročníku - S. relace neurčitosti

 

  • Před objevem neutronu existovala hypotéza, že jádro s atomovým číslem $Z$ a hmotnostním $A$ se skládá z $A$ protonů a $A-Z$ elektronů. Odhadněte řádově, jakou kinetickou energii by měl elektron, jehož neurčitost polohy by byla srovnatelná s velikostí jádra helia. Jaké důsledky má tento odhad pro zmíněnou hypotézu? Pokud se částice pohybuje rychlostí srovnatelnou s rychlostí světla, nelze již použít klasický vztah pro kinetickou energii $E_{k}=p^{2}⁄2\;\mathrm{m}$, a místo něj je třeba vzít relativistický vzorec:

$$E_{k}=\sqrt{(p^{2}c^{2}+m_{0}^{2}c^{4}} - m_{0}c^{2}\,,$$

kde $m_{0}$ je klidová hmotnost částice.

  • Uvažujme výše popsaný dvojštěrbinový experiment s elektrony. Vzdálenost štěrbin je $b=0,3\;\mathrm{mm}$ a vzdálenost stínítka od přepážky $l=1\;\mathrm{m}$. Zjistěte, jakou rychlost musí mít elektrony, aby vzdálenost dvou sousedních interferenčních minim na stínítku, které může být sestaveno například z fotočlánků, byla $d=0,2\;\mathrm{mm}$.
  • Představte si, že místo dvou štěrbin uděláme do přepážky pouze jednu. Po průchodu touto štěrbinou se fotony odchylují od původního směru, takže na stínítku uvidíme místo ostrého obrazu štěrbiny rozmazanou světlou skvrnu. Vysvětlete tento jev na základě relací neurčitosti.

Literatura: Arthur Beiser, Úvod do moderní fyziky, Academia, Praha 1978

2. Série 10. Ročníku - P. dvojčata ve vesmíru

figure

Michal a Karel jsou dvojčata. V zájmu vyššího vědeckého poznání je posadíme každého do jiné kosmické lodi v týž čas $t = 0$ a vystřelíme ze Země $Z$ rychlostmi $\textbf{u}$ a $\textbf{v}$ vstříc hvězdným dálavám. Abychom jim život co nejvíce znepříjemnili, jejich rychlosti svírají úhel $φ$, jak je to vidět na obr. 5. Po čas hvězdného putovaní se jejich rychlosti nemění. V čase $t_{0}$ se Michal, který se zrovna nachází v bodě $M$, rozhodne vyslat zprávu – radiový signál svému sourozenci. Pod jakým úhlem $γ$ vůči svému směru pohybu musí zaměřit signál, aby Karel zprávu obdržel?

Vliv ostatních těles na dráhu lodi a paprsku zanedbejte. Diskutujte též případ, kdy vesmírné lodě nejsou vypuštěny ve stejný čas, ale Michal se vydá do vesmíru o dobu $T$ dříve. Jak se změní výpočet budou-li velikosti rychlosti $\textbf{u}$ a $\textbf{v}$ blízké rychlosti světla $c$?

5. Série 7. Ročníku - S. prostoročas

 

  • Nechť v bodě P dojde k jaderné explozi, při které vznikne mimo jiné množství nestabilních částic, jejichž maximální doba života je 10^{−6} s. Zakreslete do prostoročasového diagramu (jednou osou bude čas a druhou vzdálenost od bodu P) oblast světobodů, kde může dojít k registraci této částice. Jaká křivka ohraničuje tuto oblast?
  • Tato úloha je zase více matematická. Ukázalo se, že délky pohybujících se tyčí jsou v diagramech zakresleny v jiném měřítku, než jaké odpovídá osám klidové soustavy (a v jakém jsme zvyklí měřit). Geometrie je zde tedy poněkud jiná než v běžné Eukleidovské rovině. Budeme v prostoročasové rovině považovat za pravý úhel mezi dvěma úsečkami rovnoběžnými s osami téže vztažné soustavy. Zkuste najít vztah pro převod úhlů mezi osami dvou různých vztažných soustav, tak jak je měříme běžným způsobem v klidové soustavě (kde určují rychlosti) a jak by to plynulo z goniometrických fcí pro poměr stran pravoúhlého trojúhleníka (podle uvedené definice pravého úhlu).

4. Série 7. Ročníku - S. zase paradoxy

 

  • Po objasnění problému rytířů pro vás nebude obtížné vysvětlit následující paradox. Tyč délky $d$, která se pohybuje vysokou rychlostí (ve směru své délky) vodorovně těsně nad zemí, prolétá nad ústím kanálu, jehož klidová délka je taktéž $d$. V klidu by tyč do kanálu přesně zapadla, za pohybu se ale situace komplikuje. Z hlediska kanálu (klidová soustava) se tyč zkracuje, takže by měla hladce propadnout (tyč letí tak nízko, že nemůže kanál jednoduše přeletět a přitom jsou všechny její body stále ve stejné výšce), naopak pro tyč se zkrátil kanál a tedy nepřichází v úvahu, že by se do něj vešla. Jak to tedy dopadne?
  • Opusťme již pozorování jen v jednom směru a podívejte se kolem sebe. Přeneste se do automobilu jedoucího značnou (tedy relativistickou) rychlostí dlouhou ulicí. Uvážíte-li relativistické efekty a konečnou rychlost šíření světla, jak se změní podoba ulice, okolních domů i silnice v dálce?

3. Série 7. Ročníku - S. současnost a paradox

 

  • Pro události v oblastech 1 a 3, resp. 2 a 4 existuje vztažný systém, v němž jsou soumístné resp. současné události s událostí P. Časová, resp. prostorová souřadnice daných bodů v těchto systémech se pak nazývá vlastní čas, resp. vlastní vzdálenost. Určete, kolik činí tento čas, resp. vzdálenost pro bod o klidových souřadnicích $x$ a $ct$. Mají nějaké význačné postavení vzhledem k hodnotám v jiných soustavách souřadnic?
  • Jedním z populárních paradoxů je příběh o dvou rytířích, kteří řeší svůj spor tak, že s absolutně tuhými dřevci stejné klidové délky vyjedou přímo proti sobě. Podle pohledu každého z nich je soupeřovo kopí relativisticky zkráceno a má tedy nad ním výhodu prvního úderu. Ovšem zjevně vítězství jednoho z nich nezávisí na vztažném systému. Rozřešte problém zakreslením situace v prostoročasovém diagramu s vyznačením poloh hrotů kopí a těl rytířů v klíčových okamžicích (klidovou soustavu volte spojenou jak se zemí, tak s jedním s rytířů).

2. Série 7. Ročníku - S. transformujeme

  • Zjistěte, jaký výraz složený ze souřadnic $x$ a $t$ daného bodu se při změně vztažného systému nemění (je invariantní vúči Lorentzově transformaci).
  • Víme, jak se ve vztažném systému dle diagramu určuje rychlost daného bodu. Pohybuje-li se vůči jedné soustavě daný bod rychlostí $u$, jakou rychlostí se pohybuje vzhledem k jiné soustavě, jejíž rychlost vůči první jest $v?$ Pokuste se odvodit spíše pomocí geometrických vztahů v diagramech než podle Lorentzových transformací.

1. Série 7. Ročníku - S. relativita

figure

  • Navrhněte postup (správný dle postulátů i a ii) synchronizace hodin.
  • Všechny inerciální vztažné systémy jsou rovnocenné.
  • Rychlost světla je ve všech soustavách stejná.
  • Určete převod mezi souřadnicemi bodu O na diagramech 1 a 2, tj vztahy mezi d$x$ a d$x'$, resp. d$t$ a d$t'$, při dané rychlosti v (úseky d$x'$ a d$t'$ jsou rovnoběžné s osami $x'$ a $t'$, tlustá čára odpovídá rychlosti světla $c)$.

5. Série 2. Ročníku - 2. dvě fotografie

figure

Fotky rakety

Fotograf v některém přístím století vyfotografoval raketu (pro jednoduchost tvaru krychle), a to jednou letící rychlostí blízkou rychlosti světla a jednou stojící, ale natočenou o úhel $φ=48,5°$ (obrázek). S údivem zjistil, že obě černobílé fotografie jsou totožné. Pomozte mu vysvětlit tento jev a spočtěte rychlost letící rakety.

Tato stránka využívá cookies pro analýzu provozu. Používáním stránky souhlasíte s ukládáním těchto cookies na vašem počítači.Více informací

Partneři

Pořadatel

Mediální partner

Partner


Created with <love/> by ©FYKOS – webmaster@fykos.cz