9ος Διαγωνισμός πειραμάτων φυσικής Ε. Ντελακρουά. Θέματα

Την Πέμπτη 25/4/2024 ολοκληρώθηκε ο 9^ος διαγωνισμός πειραμάτων φυσικής για μαθητές Γ΄ Γυμνασίου που διοργανώνει η Ελληνογαλλική Σχολή Ευγένιος Ντελακρουά σε συνεργασία με το ΕΚΦΕ Χαλανδρίου και τη Διεύθυνση Δευτεροβάθμιας Εκπαίδευσης Β΄ Αθήνας.

Η διεξαγωγή του διαγωνισμού πραγματοποιήθηκε, σε δυο φάσεις:

 1^ηΦΑΣΗ, 17 Απριλίου 2024

«Εξοικείωση με τη θεωρία και τα εργαστηριακά όργανα»

Οι μαθητές των σχολείων που συμμετείχαν, μαζί με τους συνοδούς καθηγητές, επισκέφτηκαν τη βιβλιοθήκη και το αμφιθέατρο φυσικής της Σχολής, για μια σύντομη παρουσίαση και θεωρητική περιγραφή των εννοιών που έχουν διδαχθεί. Ακολούθως, επισκέφτηκαν τα εργαστήρια του σχολείου για απλές ασκήσεις εξοικείωσης με τα όργανα.

2^η ΦΑΣΗ, 25 Απριλίου 2024

«Διαγωνιστικό μέρος»

Οι συμμετέχοντες μαθητές διαγωνίστηκαν σε 3 εργαστηριακές ασκήσεις που περιλάμβαναν: υλοποίηση ηλεκτρικών κυκλωμάτων, μετρήσεις και επεξεργασία, γραφικές παραστάσεις, εξαγωγή συμπερασμάτων και ερωτήσεις εμβάθυνσης.

Την Επιστημονική Επιτροπή αποτελούν:

• κ. Καμπούρης Κωνσταντίνος (Φυσικός MSc-Med, συγγραφέας των βιβλίων Φυσικής Β και Γ Γυμνασίου)
• κ. Λιβανός Αντώνης (Καθηγητής Φυσικής της Ελληνογαλλικής Σχολής Ευγένιος Ντελακρουά)

• κ. Αγριόδημας Χρήστος (Καθηγητής Φυσικής της Ελληνογαλλικής Σχολής Ευγένιος Ντελακρουά)
• κα Τζίμα `Αννα  (Καθηγήτρια Φυσικής της Ελληνογαλλικής Σχολής Ευγένιος Ντελακρουά)

 Συντονιστής του διαγωνισμού Φυσικής :

• κ. Καμπούρης Κωνσταντίνος (Φυσικός MSc-Med, συγγραφέας των βιβλίων Φυσικής Β & Γ Γυμνασίου)

Η ομάδα που είχε την ευθύνη της διενέργειας του διαγωνισμού ήταν οι φυσικοί του Γυμνασίου της Ελληνογαλλικής Σχολής, κ Άννα Τζίμα και Χρήστος Αγριόδημας.

Την επιτροπή εξέτασης πλαισίωσε ο κ. Αντώνης Λιβανός, φυσικός στο Λύκειο της Ελληνογαλλικής Σχολής .

Συμμετείχαν δεκατέσσερα (14) σχολεία

Στον ακόλουθο πίνακα τα σχολεία που διαγωνίστηκαν.

Φετινός νικητής ήταν το πρότυπο γυμνάσιο Αναβρύτων.

 

ΘΕΜΑΤΑ

 

ΘΕΜΑ Α

Χρόνος εξέτασης 40΄

1. Τα πρώτα διακοσμητικά λαμπάκια των χριστουγεννιάτικων δέντρων ήταν λαμπάκια πυρακτώσεως που δούλευαν με τάση 220Volt και κάθε λαμπάκι είχε ισχύ 5Watt. Η σύνδεση των λαμπτήρων αυτών ήταν αυτή της ακόλουθης εικόνας. Κύκλωμα 1

2. Μερικά χρόνια αργότερα αντικαταστάθηκαν με μίνι λαμπτήρες πυρακτώσεως που είχαν χαρακτηριστικά 0,5625W/4.4V και συνδέονταν όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα. Κύκλωμα 2

Στο ακόλουθο σχήμα απεικονίζεται ένας τυπικός λαμπτήρας πυράκτωσης.

Α1. Αναγνωρίστε την σύνδεση των λαμπτήρων και στα δύο κυκλώματα

Κύκλωμα 1 …………………………………………………………………………………..

Κύκλωμα 2 …………………………………………………………………………………..

Μονάδες 2

Α2. Να αναφέρετε ένα πλεονέκτημα από την κάθε διάταξη του κυκλώματος 1 και 2.

Δικαιολογήστε πλήρως την απάντησή σας.

Μονάδες 4

Α3. Να αναφέρετε ένα μειονέκτημα  από την κάθε διάταξη.

Δικαιολογήστε πλήρως την απάντησή σας.

Μονάδες 4

Η παρακάτω εικόνα αποτυπώνει ένα σύγχρονο μίνι λαμπτήρα τύπου “shunt”. 0,5625W / 4.4V.  Εικόνα 3

Οι λαμπτήρες shunt συνδέονται στο κύκλωμα 2

Α4. Όταν ο λαμπτήρας διαρρέεται από ρεύμα, το ρεύμα περνά μόνο από το νήμα πυρακτώσεως και όχι από τη μεταλλική γέφυρα «shunt», (μεταλλικός αγωγός). Εξηγήστε γιατί συμβαίνει αυτό.

Μονάδες 5

 Α5. Παρατηρώντας προσεκτικά την εικόνα 3 εξηγήστε αναλυτικά πως επηρεάζεται η λειτουργία του κυκλώματος 2, αν καταστραφεί το νήμα πυρακτώσεως στο λαμπτήρα “shunt”. Τι θα συμβεί στη φωτοβολία αυτού του λαμπτήρα; Τι θα συμβεί στη φωτοβολία των άλλων  λαμπτήρων του κυκλώματος;

Μονάδες 6

Α6. Αν σκεφτούμε ότι συνδέουμε αυτά τα λαμπάκια τύπου “shunt” σε σειρά (4,4Volt) με την τάση του σπιτιού μας που είναι 220Volt,  να βρείτε το μέγιστο αριθμό λαμπτήρων που μπορεί να περιέχει μια δεσμίδα με τέτοια λαμπάκια.

Μονάδες 4

Α7. Στην αγορά κυκλοφορούν δεσμίδες των 50 λαμπτήρων που είναι συνδεδεμένοι σε σειρά. Θέλουμε να συνδέσουμε 150 λαμπτήρες και να λειτουργούν κανονικά σε τάση V=220V. Να προτείνετε πως πρέπει να συνδεθούν και να κάνετε μια σχηματική αναπαράσταση.

Μονάδες 4

 

Α8. Στον πάγκο σας θα βρείτε δύο απλούς λαμπτήρες πυρακτώσεως παλιού τύπου συνδεδεμένους σε σειρά (ΟΧΙ τύπου shunt), ένα τροφοδοτικό και μία καρφίτσα. Συνδέστε τους λαμπτήρες με το τροφοδοτικό σε τάση 8V. Τι παρατηρείτε και ποια είναι η υπόθεσή σας;

Μονάδες 4

Α9. Αναφέρετε τις κινήσεις που πρέπει να κάνετε έτσι ώστε μόνο με τη χρήση της καρφίτσας, θα επιβεβαιώσετε την υπόθεσή σας του ερωτήματος 8.

ΜΠΟΡΕΙΤΕ ΝΑ ΤΟΠΟΘΕΤΗΣΕΤΕ Ή ΚΑΙ ΝΑ ΤΡΥΠΗΣΕΤΕ ΜΕ ΤΗΝ ΚΑΡΦΙΤΣΑ ΧΩΡΙΣ ΚΙΝΔΥΝΟ ΟΠΟΥΔΗΠΟΤΕ ΤΑ ΚΑΛΩΔΙΑ ΑΛΛΑ ΜΟΝΟ ΚΑΤΩ ΑΠΟ ΤΗΝ ΚΙΤΡΙΝΗ ΤΑΙΝΙΑ.  

Μονάδες 6

Α10. Καλέστε τον υπεύθυνο της επιτροπής και παρουσιάστε πως θα χρησιμοποιήσετε την καρφίτσα έτσι ώστε να επιβεβαιώσετε την υπόθεσή σας.

Μονάδες 4

Βίντεο πειραματικής διαδικασίας Α΄ θέματος ( με κλικ στην παρακάτω εικόνα)

Α11. Υποθέστε ότι έχετε μια διάταξη που περιλαμβάνει οκτώ απλούς λαμπτήρες πυρακτώσεως συνδεδεμένους σε σειρά εκ των οποίων ο ένας είναι κατεστραμμένος. Με τη χρήση της καρφίτσας να βρείτε ποιο είναι το ελάχιστο πλήθος δοκιμών (τρυπημάτων), ώστε με βεβαιότητα να βρείτε τον κατεστραμμένο λαμπτήρα. Να εξηγήσετε αναλυτικά την απάντησή σας.

Μονάδες 7

 Συνολική βαθμολογία A θέματος    50

 

ΘΕΜΑ Β

Χρόνος εξέτασης 50΄

Στον πάγκο σας θα βρείτε:

• τροφοδοτικό πολλαπλής τάσης,
• ένα πολύμετρο,
• τέσσερις ωμικούς αντιστάτες εκ των οποίων οι δύο έχουν τιμές αντίστασης R₁= 220Ω και R₂= 390Ω. Οι άλλοι δύο έχουν άγνωστες τιμές αντίστασης Rx και Ry.
• 8 καλώδια.

 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ

 Α ΜΕΡΟΣ

Β1. Συναρμολογήστε το παρακάτω κύκλωμα.

Καλέστε τον υπεύθυνο της επιτροπής για έλεγχο του κυκλώματος.

Μην θέσετε το κύκλωμα σε λειτουργία.

(5 μονάδες)

Β2. Υποδείξτε στο παραπάνω κύκλωμα, δύο διαφορετικές θέσεις, που μπορείτε να τοποθετήσετε ένα αμπερόμετρο, ώστε με δύο μόνο μετρήσεις εντάσεων ρεύματος να μπορείτε να υπολογίσετε το λόγο των αντιστάσεων Rx/Ry. Σχεδιάστε στο κύκλωμα τις θέσεις του αμπερομέτρου που προτείνατε και εξηγήστε αναλυτικά πως θα βρείτε την τιμή του παραπάνω λόγου.

(6 μονάδες)

Β3. Τοποθετήστε το αμπερόμετρο διαδοχικά στις θέσεις που υποδείξατε στο αρχικό κύκλωμα.  

Πριν θέσετε το κύκλωμα σε λειτουργία, καλέστε τον υπεύθυνο της επιτροπής για έλεγχο του κυκλώματος.

Ρυθμίστε την τάση του τροφοδοτικού στην τιμή V_πηγης=10V και το πολύμετρο σε λειτουργία αμπερομέτρου στην ένδειξη 200 mA και λάβετε τις μετρήσεις των εντάσεων των ρευμάτων.

                                                                                                                  

 

 

Μέτρηση 1: ………………………………………………………………………………………….

Μέτρηση 2: ……………………………………………………………………………………………

Λόγος  Rx/Ry:   ………………………………………………………………………………………………

            Μονάδες 5 (2+2+1)

Β ΜΕΡΟΣ

Αποσυνδέουμε την αντίσταση R₂ από το αρχικό κύκλωμα (σχήμα 1) και προκύπτει το παρακάτω κύκλωμα (σχήμα 2).

Β4. Συναρμολογήστε το παρακάτω κύκλωμα. Τοποθετήστε το πολύμετρο ως βολτόμετρο στα άκρα Β και Γ.

Καλέστε τον υπεύθυνο της επιτροπής για έλεγχο του κυκλώματος.

 Μην θέσετε το κύκλωμα σε λειτουργία.

                      (3 μονάδες)

Β5. Να ληφθούν οι μετρήσεις της τάσης στα άκρα των άγνωστων αντιστατών V_ΒΓ(V) για τις τιμές της τάσης V_πηγής(V) του τροφοδοτικού που δίνονται στον παρακάτω πίνακα.

Συμπληρώστε τον παρακάτω πίνακα τιμών:

(4 μονάδες)

Καλέστε τον υπεύθυνο της επιτροπής για έλεγχο των μετρήσεων.

 ΤΕΛΟΣ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗΣ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑΣ

B6. Να κάνετε τη γραφική παράσταση V_πηγής=f(V_ΒΓ) σε  βαθμολογημένους άξονες.

(7 μονάδες)

Β7. Από το παραπάνω διάγραμμα και την τιμή του λόγου Rx/Ry  που υπολογίσατε στο ερώτημα Β3, υπολογίστε τις άγνωστες  τιμές των αντιστάσεων  R_χ και R_y. Περιγράψτε αναλυτικά τη διαδικασία.

 (10  μονάδες)

Συνολική βαθμολογία Β θέματος               40

 

ΘΕΜΑ Γ

Χρόνος εξέτασης 50΄

ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΟ ΣΗΜΕΙΩΜΑ

Σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα για τη λειτουργία του είναι απαραίτητο να υπάρχει μια διάταξη που να προμηθεύει το κύκλωμα με ενέργεια. Οι διατάξεις αυτές είναι γνωστές ως πηγές ηλεκτρικής ενέργειας. Η πιο γνωστή πηγή ηλεκτρικής ενέργειας είναι η μπαταρία η οποία διαμέσου μιας ηλεκτροχημικής διαδικασίας μετατρέπει την χημική ενέργεια σε ηλεκτρική.

Η μπαταρία είναι μία από τις σημαντικότερες εφευρέσεις του 18^ου αιώνα (Volta, 1800). Τα τελευταία χρόνια η τεχνολογία της μπαταρίας βρίσκεται στην πρώτη γραμμή της έρευνας λόγω της τεράστιας αύξησης και της μεγάλης ποικιλίας των φορητών συσκευών.

ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΟΙΝΗΣ ΜΠΑΤΑΡΙΑΣ

Κάθε ηλεκτρικό στοιχείο που διαρρέεται από ρεύμα παρουσιάζει μία αντίσταση, δηλαδή δυσκολία στην κίνηση του ρεύματος που το διαρρέει. Μια απλή μπαταρία παρέχει ενέργεια στο κύκλωμα, αλλά όταν διαρρέεται από ρεύμα ένα μέρος της ενέργειας αυτής το δαπανά αναπόφευκτα. Αυτό οφείλεται σε μία αντίσταση που παρουσιάζει η ίδια, την οποία ονομάζουμε εσωτερική αντίσταση r. Συνεπώς η τάση λειτουργίας V₀ που αναγράφει η μπαταρία, είναι η μέγιστη τάση που θα μπορούσε να δώσει στο κύκλωμα αν δεν είχε εσωτερική αντίσταση,

όπου σε αυτή την περίπτωση λέμε ότι η μπαταρία είναι ιδανική ή είναι η τάση στα άκρα της μπαταρίας όταν αυτή δεν διαρρέεται από ρεύμα.

Από τα παραπάνω προκύπτει ότι η μπαταρία παρέχει σε ένα κλειστό κύκλωμα τάση V_ΓΔ μικρότερη από την τάση V₀ που είναι αναγραφόμενη  πάνω της. Η τάση τελικά που παρέχει στο κύκλωμα εξαρτάται από τις ανάγκες του κυκλώματος με το οποίο συνδέεται και δεν είναι σταθερή. Παρόλα αυτά σε κάθε κύκλωμα η μπαταρία παρουσιάζει την ίδια εσωτερική αντίσταση. Την εσωτερική αντίσταση της μπαταρίας μπορούμε να την φανταστούμε σαν έναν αντιστάτη αντίστασης r, συνδεδεμένο σε σειρά με την μπαταρία όπως φαίνεται στο παραπάνω σχήμα 1.

Γ1. Σύμφωνα με αυτά που αναφέρθηκαν για τη λειτουργία της μπαταρίας, στο παρακάτω κύκλωμα, σχήμα 2 ποια από τις επόμενες σχέσεις εκφράζει την τάση V_ΓΔ στα άκρα της μπαταρίας στην περίπτωση που:

α) ο διακόπτης δ είναι ανοικτός

                       και

 β) ο διακόπτης δ είναι κλειστός.

i) V_ΓΔ=V₀

ii) V_ΓΔ=Ι_ολr

iii) V_ΓΔ=V₀ – I_oλ·r

iv) V_ΓΔ=V₀ + I_oλr

Επιλέξτε την σωστή απάντηση δικαιολογώντας την επιλογή σας.

α)……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

β)…………………………………………………………………………………………………………………………………………….……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….……………………………………………………………………………………………………………….……………………………………………………………………………………………………………….……………………………………………………………………………………………………………….

(8  μονάδες)

ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ

 Στον πάγκο σας θα βρείτε:

• Μία μπαταρία τύπου ΑΑ
• Έναν μαχαιρωτό διακόπτη
• Ένα σύρμα τοποθετημένο σε βαθμολογημένο ξύλινο χάρακα το οποίο θα αποτελέσει έναν αντιστάτη μεταβλητής αντίστασης με άκρα Α και Β.
• δύο πολύμετρα, το ένα ως αμπερόμετρο και το άλλο ως βολτόμετρο.
• 4 καλώδια τύπου μπανάνα και 2 καλώδια που έχουν στα άκρα τους κροκοδειλάκια που μετακινούνται κατά μήκος του σύρματος στον ξύλινο χάρακα.

Γ2.

Υλοποιήστε το παρακάτω κύκλωμα συνδέοντας τη μεταβλητή αντίσταση Α και Β.

• Το αμπερόμετρο ρυθμίστε το σε ένδειξη του επιλογέα 10Α.
• Τα κροκοδειλάκια πρέπει να συνδεθεί ώστε να μετακινούνται κατά μήκος του σύρματος στο χάρακα.

Καλέστε τον υπεύθυνο τις επιτροπής για έλεγχο πριν θέσετε το κύκλωμα σε λειτουργία.             

(6  μονάδες)

                        ηλεκτρικό κύκλωμα Γ΄ θέματος

Γ3. Για τις αναγραφόμενες τιμές του μήκους της αντίστασης x, συμπληρώστε τις τιμές των τάσεων και των εντάσεων που λείπουν (Πίνακας 1).

Προσοχή:

• Ξεκινήστε τις μετρήσεις από το μήκος των 20cm εκατοστών όπως παρουσιάζεται στον πίνακα 1.
• Για τα αντίστοιχα μήκη μπορείτε να τοποθετήσετε τα κροκοδειλάκια σε οποιαδήποτε δύο τυχαία σημεία του σύρματος για να μην θερμαίνεται το σύρμα. Σε κάθε νέα μέτρηση θα ανοίγετε με το διακόπτη το κύκλωμα και θα το κλείνετε μόνο για τη λήψη της μέτρησης.

Καλέστε τον υπεύθυνο τις επιτροπής για έλεγχο των μετρήσεων.

(8  μονάδες)

ΤΕΛΟΣ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗΣ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑΣ

Γ4. Να κάνετε τη γραφική παράστασή V =f(Ι) σε βαθμολογημένους άξονες στο μιλιμετρέ χαρτί για τις τιμές του πίνακα 1.

(10 μονάδες)

Γ5. Από τις πειραματικές τιμές που έχετε, επιλέξτε ελεύθερα όσα ζευγάρια τιμών απαιτούνται και υπολογίστε την εσωτερική αντίσταση r  της μπαταρίας.

Εξηγήστε αναλυτικά τη σκέψη σας.

(10 μονάδες)

Γ6. Βρείτε γραφικά  τις τιμές τάσης και της έντασης του ρεύματος  που η γραφική σας παράσταση τέμνει τους δύο άξονες. Οι τιμές αυτές:

Α) εξαρτώνται από το κύκλωμα με το οποίο συνδέεται η μπαταρία.

Β) είναι σταθερές και ανεξάρτητες από το κύκλωμα με το οποίο συνδέεται η μπαταρία.

Επιλέξτε τη σωστή πρόταση και δικαιολογείστε την επιλογή σας.

(10 μονάδες)

 Γ7. Αν η μπαταρία ήταν ιδανική σχεδιάστε ποιοτικά το αντίστοιχο γράφημα τάσης – έντασης; Εξηγήστε αναλυτικά.

(8 μονάδες)

Συνολική βαθμολογία Γ΄ θέματος         60

Εκφωνήσεις θεμάτων

Α ΘΕΜΑ

Β ΘΕΜΑ

Γ ΘΕΜΑ