Fyzikální úlohy

Interaktivní a modulární Sbírka a správce řešených fyzikálních úloh pro střední a základní školy. Vše kompletně zdarma

Jak stránka funguje
  • Úlohy můžete vyhledávat podle témat a filtrovat je podle různých dalších kritérií, jako je např. obtížnost či klíčová slova.
  • Obtížnost úloh je vyznačena pomocí barevného obdélníčku: snadné, střední, obtížné.
  • Některé úlohy umožňují zadat a zkontrolovat výsledek přímo zde na stránce.
  • Úlohy můžete přidávat do Výběru.
  • V horním menu můžete Výběr otevřít a úlohy v něm libovolně seřadit. Poté můžete tento seznam úloh zobrazovat různými způsoby, tisknout, nebo poslat odkaz studentům.
  • Adresa stránky, která zobrazuje seznam úloh, je jednoznačná. Můžete si ji uložit a kdykoli se k ní vrátit.
  • Když váš seznam úloh zobrazíte v textovém režimu (stránka view), tak stránku půjde dobře vytisknout (Ctrl+P), nebo si můžete označit text a zkopírovat do Wordu.
  • Pokud máte uživatelský účet, můžete vytvářet a přidávat svoje vlastní úlohy.
Logo Fyzikum

Pokročilé možnosti filtrování

Ve výběru je celkem 20 úloh

Úloh je méně než 20, můžete proto použít i různá další zobrazení tohoto výběru na

Kategorie: / Speciální teorie relativity (STR)

Velikost obrázků:

Východiska STR (Uloha), #483, Marek Scholz (admin), kat. pos:1/9,

a) Vysvětlete pojmy "Inerciální vztažná soustava" a "Neinerciální vztažná soustava".
b) Pokud vás zavřou do vlaku bez oken, který jede dokonale rovnoměrně a přímočaře, jak lze poznat, zda vlak stojí nebo jede, případně jakou rychlostí?
c) Vysvětlete pojem "Galileův princip relativity".
d) Vysvětlete, co si fyzici v 19. století představovali pod pojmem "éter" ve vztahu k elektromagnetickému vlnění.
e) Vysvětlete, co chtěli Michelson a Morley změřit svým experimentem a co zjistili.

Základy STR (Uloha), #482, Marek Scholz (admin), kat. pos:2/9,

a) Vyslovte a vysvětlete dva základní postuláty speciální teorie relativity
b) Pomocí myšlenkového experimentu vysvětlete jev Relativity současnosti a jak vyplývá z postulátů STR, doplňte obrázkem.

obr. skrýt | S | M | L | XL

Relativita současnosti (Uloha), #487, Marek Scholz (admin), kat. pos:2/9,

Ve videu s vysvětlením jevu Relativity současnosti byl uveden následující zjednodušený obrázek. Co je na obrázku zavádějící, neboli co je "špatně"?

obr. skrýt | S | M | L | XL

Čas dopadu fotonu ve vagonu (Uloha), #189, Marek Scholz (admin), kat. pos:3/9,

Vlak jede rychlostí 0,9 c. Výška vagonu budiž 3 m. V určitou chvíli z podlahy vyletí foton, odrazí se od stropu a pak zase bouchne do podlahy. Jak dlouhou dobu mezi vypuštěním a dopadem fotonu naměří
a) člověk uvnitř vlaku
b) člověk na nádraží?

ns ns

Dráha mionu (Uloha), #187, Marek Scholz (admin), kat. pos:3/9,

Nestabilní částice mion vzniká dopadem kosmického záření do vrchních vrstev atmosféry (ve výšce ~ 10 km). Vzniklé miony mohou mít rychlost blízkou rychlosti světla a některé dorazí až na povrch země, kde jsou detekovány. Klidová doba života mionu je 2,2 μs. Pokud by neplatila teorie relativity, tak i kdyby mion letěl přímo rychlostí světla, tak by uletěl dráhu jen s = ct = 660 m a nemohl by dopadnou na povrch země. Pokud však uvažujeme dilataci času, jakou vzdálenost mion uletí než se rozpadne, pokud se vůči zemi pohybuje rychlostí 0,998 c?

Uvažujte $c=3\times10^8$ m/s.

m

Zestárnutí v kosmické lodi (Uloha), #188, Marek Scholz (admin), kat. pos:3/9,

Helmut Nebechodič byl vyslán kosmickou lodí do dalekého vesmíru a letí rychlostí 0,8 c. K naši nejbližší hvězdné soustavě Alfa Centauri je vzdálenost 4,2 světelných roků.
a) Jak dlouho bude cesta trvat z hlediska pozemského pozorovatele?
b) O kolik zestárne Helmut?
c) Jak si Helmut vysvětlí, že za tuto dobu doletěl k Alfa Centauri?
(Předpokládejme, že nás zajímá úsek cesty, kde není žádné zrychlení, tedy můžeme aplikovat speciální teorii relativity)

roků roků

Průběh funkce gamma (Uloha), #195, Marek Scholz (admin), kat. pos:3/9,

Mějme funkci $\gamma(v) = 1/\sqrt{1-v^2/c^2}$, kde $c$ je konstanta a $v$ je proměnná. Vyšetřete definiční obor, obor hodnot, minimum, maximum, ... a načrtněte průběh funkce. Pokud by vás mátly veličiny $v$ a $c$, tak nejdříve vyšetřete funkci $\gamma(x) = 1/\sqrt{1-x^2}$.

Vyjádření z gamma (Uloha), #481, Marek Scholz (admin), kat. pos:3/9,

Mějme výraz $\gamma = 1/\sqrt{1-x^2}$. Vyjádřete z něj $x$.

Délka segmentu z pohledu protonu (Uloha), #191, Marek Scholz (admin), kat. pos:4/9,

Proton prolétá urychlovačem rychlostí, která je pouze o 2% menší než rychlost světla. Jeden segment trubice urychlovače má v soustavě spojené se zemí délku 10 m a výšku 1 m. Jaké rozměry segmentu by naměřil major Zeman sedící obkročmo na protonu?
a) Výšku segmentu
b) Délku segmentu

m m

Zkrácení Airbusu (Uloha), #192, Marek Scholz (admin), kat. pos:4/9,

Jakou rychlostí by musel letět Airbus A320, aby se z pohledu ze Země zkrátil na polovinu? Vyjádřete v procentech rychlosti světla.

%

Paradox dvojčat (Uloha), #484, Marek Scholz (admin), kat. pos:4/9,

Alice a Bob jsou manželé, oba narození náhodou ve stejný den, takže jsou stejně staří. Jednoho dne Alice vyletí doručit balíček na Alfa Centauri ve vzdálenosti 4,2 ly rychlostí 0,9 c. Jen tam balíček vyhodí z okna a hned se vrací na Zemi. Z pohledu Boba letící Alici plyne čas pomaleji, takže se těší, že až se Alice po několika letech vrátí, tak bude Alice mladší než on, protože ji uplynulo méně času. Alice uvažuje podobně: Z jejího pohledu se pohybuje Bob velkou rychlostí směrem od ní a z jejího pohledu mu plyne čas pomaleji, takže zase ona se těší, že až se vrátí, tak Bob bude výrazně mladší než ona. Až se skutečně setkají, kdo bude biologicky starší? Je někde ve výše sepsané úvaze chyba?

Letící trojúhelník (Uloha), #196, Marek Scholz (admin), kat. pos:4/9,

Zaklínač vyříznul z ostrého plechu rovnoramenný trojúhelník s vrcholovým úhlem 30°. Jakou rychlostí by ho musel vrhnout nejostřejší špičkou napřed, aby se trojúhelník nehybně stojící Jenefer jevil jako rovnostranný?

obr. skrýt | S | M | L | XL

c

Relativistické skládání rychlostí (Uloha), #193, Marek Scholz (admin), kat. pos:5/9,

Představme si situaci, že po kolejích vede vagon rychlostí $u$ = 60 km/h a já běžím po střeše vagonu rychlostí $v$ = 20 km/h (vůči střeše). Pak moje rychlosti pohybu vůči zemi bude $v' = u + v$ = 80 km/h. Co když by ale vagon jel rychlostí třeba 0,8 c a já jsem po střeše běžel rychlostí 0,6 c? Pak by součet dal 1,4 c, což je větší než rychlost světla a to je podle speciální teorie relativity nemožné. Jak se tedy správně mají sčítat rychlosti? Podle teorie relativity je správný vztah
$v' = (u+v)/(1 + uv/c^2)$.
a) Určete rychlost běžce vůči zemi pro hodnoty 0,8 c a 0,6 c.
b) Určete rychlost běžce vůči zemi, pokud se vagon i běžec pohybují rychlostí c.
c) Uvažujme obecnou rychlost běžce v. Zjednodušte vztah pro v' pro případ, že vagon jede rychlostí c.
d) Aproximujte vztah pro v' v případě, že $u,v \ll c$.

Fat man (Uloha), #201, Marek Scholz (admin), kat. pos:6/9,

"Fat man" byla jaderná puma svržená na konci druhé světové války na japonské město Nagasaki s příšerným ničivým účinkem. Na wikipedii se dočteme, že obsahoval 6,2 kg štěpného plutonia a uvolnil energii ekvivalentní 21 kilotun TNT, neboli 88 terajoulů energie. Určete, kolikanásobně větší ničivý účinek by měla puma založená na anihilaci vody o objemu špičky prstu (1 cm3) s antivodou.

-krát

Anihilace pozitronu (Uloha), #197, Marek Scholz (admin), kat. pos:6/9,

Pozitronová emisní tomografie je významná diagnostická technika např. při rakovině. Beta+ radioaktivní zářič v místě nádoru produkuje pozitrony, které téměř okamžitě anihilují s nějakým elektronem. Při anihilaci vzniknou 2 fotony. Hmota se přemění na čistou energii záření.
Jakou vlnovou délku mají tyto vzniklé fotony?
Výsledek uveďte v pikometrech, počítejte s klidovou hmotnosti elektronu $9,11\times10^{-31}$ kg.
Pro výpočet vlnové délky fotonu můžete použít vztah $E_f = hc/\lambda$, kde $h$ je Planckova konstanta (najděte si).

pm

Temelín na antihmotu (Uloha), #198, Marek Scholz (admin), kat. pos:6/9,

Elektrický výkon jaderné elektrárny Temelín je 2 GWe. Představte si, že by místo štěpení uranu používali k ohřevu vody pro turbínu proces anihilace hmoty s antihmotou. Jakou hmotnost antihmoty by “spálili” za jeden rok? Předpokládejte tepelnou účinnost 35%.

kg

Relativita v urychlovači (Uloha), #199, Marek Scholz (admin), kat. pos:6/9,

Urychlovač LHC (Large Hadron Collider) sestává z tunelu ve tvaru kružnice o obvodu 27 km a urychluje protony na energii 6,5 TeV (celková energie). Klidová hmotnost protonu je 938,3 MeV/c2.
a) Jaký gamma faktor mají tyto protony?
b) Je tomu odpovídající rychlost větší nebo menší než 0,999 c?
c) Kolikrát větší bude relativistická hmotnost protonu než klidová?
d) Jak dlouho trvá oběhnutí protonu tunelem pro pozorovatele v laboratoři?
e) Jak dlouho trvá jeden oběh z pohledu majora Zemana sedícího obkročmo na protonu?

-krát $\jed{\mu s}$ ns

Hmotnostní úbytek při štěpení (Uloha), #200, Marek Scholz (admin), kat. pos:6/9,

Při štěpení jednoho jádra uranu 235 vznikají fragmenty jako např baryum, krypton a neutrony, přičemž se uvolní vazebná energie o velikosti zhruba 200 MeV a přemění se v kinetickou energii štěpných produktů. Z 1 kg rozštěpených jader se tak uvolní asi 82 TJ energie. Tyto štěpné produkty svou kinetickou energii předávají okolí, čímž se kinetická energie mění v tepelnou. O kolik procent původní hmotnosti přijde jaderné palivo při procesu štěpení? (Předpokládáme zde, že žádná hmota neunikla pryč)

Uveďte s přesností na dvě platné číslice.

%

Doplňující otázky STR (Uloha), #485, Marek Scholz (admin), kat. pos:7/9,

a) Jaká je klidová hmotnost fotonu?
b) Jakou klidovou hmotnost má neutrino, záhadná částice, která velice snadno proniká hmotou?
c) Jaká veličina je vyjádřena jednotkou MeV/c2?

Vztah hybnost-energie (Uloha), #486, Marek Scholz (admin), kat. pos:7/9,

Jedním z klíčových vztahů teorie relativity je vztah mezi celkovou energií a hybností:
$E^2 = p^2c^2 + m_0^2c^4$.
a) Vyjádřete hybnost fotonu na základě jeho celkové energie.
b) Dále uvažte, že energie fotonu je také dána vztahem E = hf, tedy násobek Planckovy konstanty a frekvence. Na základě něj vyjádřete hybnost fotonu pomocí jeho vlnové délky.