Osztály: Irányítószám:

Apáczai Csere János Tehetségkutató Komplex Természettudományi Verseny 2008–2009. 3. forduló – B- feladat – Megoldás

1

A versenyt lebonyolító iskola címe (bélyegzı)

Versenyzı neve: Iskola neve, címe:

Verseny: (év/hó/nap/óra/perc)

Székhely: Telefon: Kezdete:

Osztály: Irányítószám: Utca, hsz.: E-mail: Befejezése:

A lakás és a benne használt berendezések nagy energiafogyasztók. Hazai viszonyok között a legjelentısebb energia-felhasználó a főtés. Ha egy ház (lakás) helyiségeiben egyedi vagy központi főtéssel kellemes hımérsékletet biztosítunk, és az épületen kívül alacsony a hımérséklet, akkor a hı áramlása lehőléshez vezetne. A főtés tehát a hıveszteség pótlása. A veszteségek csökkentése érdekében az épületek falazatait jó hıszigetelı tulajdonságú anyagokból készítik és különbözı mőszaki megoldásokkal kihasználják a takarékossági lehetıségeket. 1. Egy ház megfelelı hımérsékleten tartását a napsugárzás „felhasználásával” is elısegíthetjük, minden különösebb technikai eszköz igénybevétele nélkül. Tudjuk, hogy a Nap delelési magassága az év folyamán változik. Ennek figyelembevételével fejezd be a képen látható ház „félbehagyott” tetejét! Írd be a napkorongokat jelzı karikákba, hogy melyik ábrázol egy téli (T), és melyik egy nyári (NY) helyzetet! Helyes válasz: 4 pont. Megoldás

A megoldás során a gyerekek a Nap sugarait különbözıképen (párhuzamosan, széttartóan) rajzolhatják meg. (A tetı végpontját a két sugárnyaláb szélsı sugarának metszéspontjába vettük fel, de ez nem követelmény.) Lényeg, hogy a tetı meghosszabbítása a nyáron delelı Nap sugarait kizárja, a télen delelı Nap sugarait pedig beengedje az ablakon a rajz szerint. A helyes rajzra 2 pontot adunk (félmegoldás nincs), 1-1 pontot pedig a napkorongok helyes megjelölésére.

Elért pontszám

2


2. Egy internetes honlapon olvastuk a következıket: Egy nagy vegyi gyár mérnökei egy új falburkoló rendszert fejlesztettek ki. Lényege, hogy mikroszkopikus mérető paraffin-cseppecskét zárnak be egy igen ellenálló mőanyagból készült, ugyancsak kismérető burokba, amit mikrokapszulának neveztek el. A 23-26°C olvadáspontú paraffint tartalmazó mikrokapszulákat aztán „hagyományos” építıanyagokba, például gipszkartonba dolgozzák be, és a kapszulákkal „teli” gipszkartonnal burkolják az épületek falait. A mérnökök szerint ez a burkolat a meleg napokon hőti, a hővös éjszakákon pedig főti az épületet. Vajon igazuk lehet? Helyes válasz: 8 pont. A. Ha azt gondolod, hogy igen, akkor magyarázd el röviden: melyik fizikai jelenségen alapulhat ennek a rendszernek a mőködése? B. Ha azt gondolod, hogy nem, akkor fizika tudásod alapján bizonyítsd be, miért nem lehet igaz a mérnökök állítása! Igen. Ha a felmelegedı fal hımérséklete eléri a paraffin olvadáspontját, a paraffin olvadni kezd, és az olvadáshoz szükséges hıt a környezetétıl vonja el. A fal tehát nem melegszik tovább. A külsı hımérséklet csökkenésével megindulhat a paraffin megszilárdulása (azaz fagyása). A folyamat közben az olvadáskor felvett hıt az anyag „visszaadja” a környezetének. A feladat értékelése során a fizikai jelenség leírását pontozzuk: – az olvadás folyamatának felismerése, megnevezése: 1 p; – az olvadáshı (vagy olvadáshoz szükséges hı): 1 p; – az olvadáshıt a rendszer a környezetébıl veszi fel: 1 p, – az olvadás közben a rendszer hımérséklete állandó (a fal nem melegszik tovább): 1 p. Fagyáskor ugyanígy pontozunk: 4 p.

3. Ha a lakások hıveszteségét tudatosan csökkenteni akarjuk, korszerő nyílászárókat és üvegezéseket alkalmazunk. Az üvegek hıáteresztı és fényáteresztı tulajdonságait ma már a megrendelı megválaszthatja. Miért alkalmazunk dupla-tripla üvegezéső ablakokat? Helyes válasz: 2 pont.

A dupla üveg hıátbocsátási jellemzıje kedvezıbb, mint a szimpla üvegé. A két üveg közötti levegı vagy egyéb gáz a szigetelıképességet javítja. 4. A hagyományos szerkezető épületekre gyakran szerelnek fel különbözı energetikai berendezéseket. Jellemezd az alábbi berendezéseket energetikai szempontból! Helyes válaszonként: 2 pont. Maximum: 4 pont.

Külsı ablakredıny: télen a hıveszteséget, nyáron a felmelegedést mérsékeli, a sugárzások bejutását gátolja.

Napkollektor: egy olyan csıvezeték rendszer, amelyben áramló közeget (gyakran vizet) a Nap sugarai segítségével felmelegítjük. A felmelegedés fokozható, ha a csöveket egy kollektordobozban helyezzük el, és az üvegházhatást használjuk ki. A melegvíz fürdési, főtési célokra használható.


3

Általában nem elegendı az energiatakarékossági szándék, annak mőszaki feltételeit is biztosítani kell. Ennek egyik fontos eszköze gyakran a korszerő irányítás alkalmazása. 5. Sok háztartásban használnak elektromos tőzhelyet. A legtöbb tőzhely fızılapjaiban 3 (vagy 3 részre osztott) főtıszál található. Ezek – egy fokozatkapcsoló segítségével – különbözıképpen kapcsolhatók. (A képen láthtó fokozatkapcsoló forgórészének „bütykei” egyszerre több érintkezıt is zárhatnak, a kívánt kapcsolásnak megfelelıen.) A következı kapcsolási rajzok 3 főtıszál egy-egy lehetséges kapcsolását mutatják. Az egyes főtıszálak különbözı ellenállásúak, R1 > R2 > R3. Az áramjárta vezetékeket és az éppen mőködı főtıszálakat pirossal jelöltük. Válaszd ki az egyes kapcsolási rajzokhoz tartozó kapcsolóállásokat! Írd a táblázatba a helyes választ! Helyes válaszonként 2 pont. Maximálisan 8 pont.

1 D

2 B

3 C

4 A

4


6. A háztartási eszközök megfelelı használatával is sokat spórolhatunk. A. A hőtıszekrényeket sokan magas fokozatba kapcsolva használják, pedig a benne tárolt élelmiszereket legfeljebb 6-7 °C-ra célszerő lehőteni. Tegyük fel, hogy beteszünk a hőtıbe 5 kg, 20 °C hımérséklető élelmiszert, és 3 °C-ra hőtjük le. Hány százalékkal több energiát használunk el ahhoz képest, mintha csak 6 °C-ra hőtenénk le? (A példában szereplı élelmiszerek fajhıjét a vízével vehetjük azonosnak.) Helyes válasz: 4 pont. Megoldás: Egy anyag felmelegítése, vagy hőtése során a befektetett (vagy elvont) hımennyiség egyenesen arányos a hımérséklet-változással. Így: ∆T1/ ∆T2 = 17 °C / 14 °C ≈ 1,21 Tehát kb. 21 % a többletfogyasztás. A megoldáshoz el lehet jutni más úton is. A feladatban azért adtunk meg konkrét tömeget és fajhıt, hogy a Q = c·m·∆T egyenletbe behelyettesítve,Q1 és Q2 kiszámításával is megoldható legyen. Bár ez a második megoldási mód több számolást igényel, erre is csak 4 pontot adunk, ha a megoldás egyébként helyes. A víz fajhıjét külön nem közöltük, ezt a fajhı értéket számszerően is tanulni kellett.

B. Felesleges többletfogyasztást okoz az is, ha gyakran nyitogatjuk a fagyasztó ajtaját. A többletfogyasztás azonban nem egyenletesen nı: annál nagyobb, minél többszöri nyitás után mérjük. Például: a 4. „kinyitás” után kevesebb energia fogy a visszahőtéshez, mint mondjuk a 25. után (ha a körülmények egyébként azonosak). Miért? Helyes válasz: 4 pont. A levegınek mindig van páratartalma. A fagyasztóba betóduló meleg levegı lehől, miközben páratartalma kifagy (túltelítetté válik). Így a fagyasztó oldalán egyre vastagabb jégréteg képzıdik. A jég rossz hıvezetı (jó hıszigetelı) tehát egyre több energia kell ugyanolyan mértékő visszahőtéshez. A kulcsszavakat aláhúztuk. Természetesen más megfogalmazást is elfogadunk, ha az a fizikai tartalomnak megfelel. Az egyszeri jégképzıdést kísérı más hıváltozásokat a jég csekély tömege miatt nem említettük.

C. Egy 230 V feszültségre készült, 1000 W-os elektromos készüléket 4 m hosszú hosszabbítóval csatlakoztatunk a dugaszoló aljzathoz. A hosszabbítót olyan vezetékbıl készítették, amelyik méterenként 0,5 Ω ellenállású. Hány százalékos teljesítményt ad a készülék? Maximális pontszám: 17 pont. Megoldás: I. rész Maximálisan: 6 pont. P = U·I (1 p) Ohm törvénye alapján: I=U/R, ezt behelyettesítve: (1 p) P= U2/R. (1 p) Innen R= U2/P (1 p) behelyettesítve: R= 2302V2 / 1000 VA (1 p) R≈ 52,9 Ω (1 p) Az eredményt csak a helyes mértékegységgel együtt fogadjuk el. Természetesen elfogadjuk azt is, ha a tanulómás módon, például az Ohm-törvény kétszeri alkalmazásával számítja ki a fogyasztó ellenállását, ha az eredmény egyébként helyes.

Apáczai Csere János Tehetségkutató Komplex Természettudományi Verseny 2008–2009. 3. forduló – B- feladat – Megoldás II. rész Maximálisan: 8 pont. A vezeték ellenállása Rv = 8·0,5 Ω = 4 Ω

5

(1 p)

A vezeték a fogyasztóval sorosan van kapcsolva Az egész áramkör eredı ellenállása tehát: Re = R + Rv (1 p) Behelyettesítve: Re = 56,9 Ω (1 p) A körben folyó áram erıssége: I=U/R Behelyettesítve: I=230 V/56,9 Ω = 4,04 A (2 p) A fogyasztóra esı feszültség az áramkörben: U’=I·R (1 p) U’=4,04 A · 52,9 Ω (1p) U’=213,72 V (1 p) Természetesen elfogadjuk azt is, ha a tanuló más módon, például aránypárral számítja ki a fogyasztóra esı feszültséget,, ha az eredmény egyébként helyes. III.rész Maximálisan: 3 pont. A fogyasztó teljesítménye az áramkörben: P’ = U’·I Behelyettesítve: P’= 213,72 V · 4,04 A P’= 863,43 W Ez: 863,43 W/1000 W ≈ 0,86 rész vagy 86 %.

(1p) (1 p) (1 p)

Osztály: Irányítószám:

Recommend Documents