методичка. Методические указания и контрольные задания по физике для студентовзаочников специальности

• Название: Методические указания и контрольные задания по физике для студентовзаочников специальности
• Дата: 18.06.2018
• Размер: 1.37 Mb.
• Имя файла: методичка.doc
• Тип: Методические указания; #47281
• страница: 2 из 6

I_z - момент инерции системы тел относительно оси z;

ω - угловая скорость вращения тел системы вокруг оси z.

Кинетическая энергия тела, вращающегося вокруг неподвижной оси z,

, или .

Примеры решения задач

Пример 1. Уравнение движения материальной точки вдоль оси имеет вид х = A + Bt + Ct ³, где A = 5 м, В = 3 м/с, С =1 м/с ³. Найти координату х, скорость υ_х и ускорение а_х точки в момент времени t=2 с.
Дано: Решение.

х = A + Bt + Ct ³ Координату хнайдем, подставив в уравнение

A = 5 м движения числовые значения коэффициентов

В = 3 м/с А, В и С и времени t:

С = 1 м/с ³ х = 5 + 32 + 12 ³ = 15 м .

t=2 с Мгновенная скорость относительно оси х есть

первая производная от координаты по времени:

х = ? υ_х =? а_х =? υ_х = = В+ 3Сt ² .

Ускорение точки найдем, взяв первую производную от скорости по времени:

а_х = = 6 Сt.

В момент времени t=2 с

υ_х = 3 + 3 1 2 ² = 15 м/с ;

а_х =6 1 2 = 12 м/с² .

Ответ: х = 15 м, υ_х = 15 м/с, а_х = 12 м/с²

Пример 2. Тело вращается вокруг неподвижной оси по закону

φ =A + Bt + Ct ², где A = 10 рад, В = 10 рад/с, С = - 3 рад /с ² . Найти полное ускорение точки, находящейся на расстоянии r = 0,2 м от оси вращения, для момента времени t=3 с.


Дано: Решение.

φ =A + Bt + Ct ²

A = 10 рад

В = 10 рад/с

С = - 3 рад /с ²

r = 0,2 м

t=3 с
а =?

Рис. 1

Полное ускорение а точки, движущейся по кривой линии, может быть найдено как геометрическая сумма тангенциального ускорения а _τ , направленного по касательной к траектории, и нормального ускорения а _n , направленного к центру кривизны траектории (рис. 1)

= _τ + _n .

Так как векторы _τ и _n взаимно перпендикулярны, то модуль полного ускорения

. (1 )

Модули тангенциального и нормального ускорения точки вращающегося тела выражаются формулами

а_τ = εr, а_n = ω²r,

где ω - модуль угловой скорости тела;

ε - модуль его углового ускорения.

Подставляя выражения а_τ и а_n в формулу (1), находим

. (2)

Угловую скорость ω найдем, взяв первую производную угла поворота по времени:

.

В момент времени t=3 с модуль угловой скорости

ω = |10+2 (- 3) 3| = - 8 рад/с.

Угловое ускорение найдем, взяв первую производную от угловой скорости по времени:

рад/с².

Подставляя выражения ω, ε и r в формулу (2), получаем

м/с².

Ответ: а = 12,86 м/с²

Пример 3. При выстреле из пружинного пистолета вертикально вверх пуля массой m= 30 г поднялась на высоту h= 4 м. Определить упругость пружины пистолета, если она была сжата на х = 10 см. Массой пружины и силами трения пренебречь.

Дано: Решение.

m= 30 г Рассмотрим систему пружина-пуля. Так как на тела

h= 4 м системы действуют только консервативные силы, то для

х = 10 см решения задачи можно применить закон сохранения

k = ?энергии в механике. Согласно ему полная механическая

энергия Е₁ системы в начальном состоянии (в данном случае перед выстрелом) равна полной энергии Е₂ в конечном состоянии (когда пуля поднялась на высоту h), то есть

Е₁ =Е₂ , или

Т₁ +П₁ = Т₂ +П₂ , (1)

где Т₁ , Т₂ , П₁ и П₂ – кинетические и потенциальные энергии системы в

начальном и конечном состояниях.

Так как кинетические энергии пули в начальном и конечном состояниях равны нулю, то равенство (1) примет вид

П₁ = П₂. (2)

Примем потенциальную энергию пули в поле сил тяготения Земли, когда пуля покоится на сжатой пружине, равной нулю, а высоту подъема

пули будем отсчитывать от торца сжатой пружины. Тогда энергия системы в начальном состоянии будет равна потенциальной энергии сжатой пружины, то есть , а в конечном состоянии – потенциальная энергия пули на высоте h, то есть .

Подставив выражения П₁ и П₂ в формулу (2), найдем

= , откуда

. ( 3)

Проверим, дает ли полученная формула единицу коэффициента упругости k . Для этого в правую часть формулы (3) вместо величин подставим их единицы (единицу какой-либо величины принято обозначать символом этой величины, заключенным в квадратные скобки):

.

Убедившись, что полученная единица является единицей k (1 Н/м), подставим в формулу (3) значения величин и произведем вычисления:

.

Ответ: k = 235,44 Н/м

Пример 4. Через блок в виде сплошного диска, имеющего массу

m= 80 г (рис. 2) перекинута тонкая гибкая нить, к концам которой подвешены грузы с массами m₁= 200 г и m₂= 300 г. Определить ускорение, с которым будут двигаться грузы, если их предоставить самим себе. Трением и массой нити пренебречь.

Дано: Решение.

m= 80 г Рассмотрим силы,

m₁= 200 г действующие на каждый

m₂= 300 г груз и на блок в отдель- а =? ности. На каждый груз действуют две силы: сила тяжести и сила

упругости (сила натяжения нити). Направим

ось х вертикально вниз и напишем для

каждого груза уравнение движения (второй

закон Ньютона) в проекциях на эту ось. Для

первого груза Рис. 2

m₁g – T₁ = m₁a ; (1)

для второго груза

m₂g – T₂ = m₂a. (2)

Под действием моментов сил Т^′₁ и Т^′₂ относительно оси z, перпендикулярной плоскости чертежа и направленной за чертеж, блок приобретает угловое ускорение ε. Согласно основному уравнению динамики вращательного движения

Т^′₂ r - Т^′₁r= I_z ε, (3)

где ε = а / r;

I_z = - момент инерции блока (сплошного диска) относительно

оси z.

Согласно третьему закону Ньютона, с учетом невесомости нити,

Т^′₁ =T_1, Т^′₂ = Т₂. Воспользовавшись этим, подставим в уравнение (3) вместо Т^′₁ и Т^′₂ выражения Т₁ и Т₂, получив их предварительно из уравнений (1) и (2):

(m₂ g - m₂ a ) r –(m₁g + m₁a) r = .

После сокращения на r и перегруппировки членов найдем

. (4)

Формула (4) позволяет массы m₁, m₂и m выразить в граммах, как они даны в условии задачи, а ускорение в единицах СИ. После подстановки числовых значений в формулу (4) получим

9,81 =1,82 м/с²

Ответ: а = 1,82 м/с²

Пример 5. Цилиндр, расположенный горизонтально, может вращаться вокруг оси, совпадающей с осью цилиндра. Масса цилиндра m₁=12 кг. На цилиндр намотан шнур, к которому привязана гиря массой m₂ = 1 кг. С каким ускорением a будет опускаться гиря? Какова сила натяжения шнура F во время движения гири?

Дано: Решение.

m₁=12 кг Центр инерции цилиндра не имеет ускорения, так как

m₂ = 1 кг цилиндр только вращается. Уравнение движения цилиндра

a=?; F=? = I ,

где M – вращающий момент, созданный силой натяжения

нити F.

М = FR,

гдеR - радиус цилиндра.

Движение гири описывается вторым законом Ньютона.

m₂ g – F = m₂ a ;

F = m₂ g - m₂ a .

М = (m₂ g- m₂ a) R .

Момент инерции цилиндра , .

(m₂ g - m₂ a) R = ;

a= м/с² ,

F = m₂ g - m₂ a = 1(9,8 – 1,4) = 8,4 Н.

Ответ: a= 1,4 м/с²; F = 8,4 Н

Пример 6. Шар массой 4 кг, двигаясь прямолинейно, сжимает пружину до упора на х= 4 см . Возникшая сила сжатия пружины равна 121 Н. Определить скорость υ движения шара в начале торможения и время торможения t.

Дано: Решение:

m = 4 кг В изолированной системе шар-пружина,

х= 4 10 ^-2 м кинетическая энергия шара переходит в потенциальную

F = 121 Н энергию сжатой пружины

υ = ? t = ? ; .

Коэффициент упругости пружины определим из формулы

F _упр = - kx.

По третьему закону Ньютона

F _упр = - F,

то есть

F= kx, k = F/x.

Тогда

1,1 м/с.

По второму закону Ньютона

dP= Fdt; (mυ) = F t,

где Р = mυ– импульс шара.

mυ₁ – mυ ₂ = F t;t = , υ₂ = 0. Значит

t = 0,036 с

Ответ: υ = 1,1 м/с; t = 0,036 с

Пример 7. Пуля массой 10 г, летящая горизонтально со скоростью υ=400 м/с, попадает в шар массой 4 кг, подвешенный на нити длиной 2 м, и застревает в нем. На какой угол отклонится нить с шаром и застрявшей в нем пулей? Удар пули считать прямым, центральным. Размером шара пренебречь. На какую высоту поднимется шар в результате удара?

Дано: Решение.

m₁ = 10 10 ^{– 3} кг

α

l

υ = 400 м/с

l′

m ₂ = 4 кг

l = 2 м

•

m₁

h

α =? h = ?

m ₂

Рис. 3

При ударе пули шар получит некоторую скорость и поднимется на некоторую высоту h(рис. 3).

По закону сохранения импульса

m ₁υ = (m ₁ + m ₂) u ,

где u– начальная скорость шара после попадания в него пули.

По закону сохранения энергии

, (1)

где h – высота подъема шара.

Из рисунка 3 видно, что h = l - l′, l′ = l cos α , то есть

h = l - l cos α = l (1- cos α ).

Подставим и h в уравнение (1). Получим

.

.

.

α = arc cos 0,9746 ≈ 13 ^о.

h = 2 (1 - 0,9746) = 2 0,0254 = 0,0508 м ≈ 5,1 см.

Ответ: α ≈ 13 ^о; h = 5,1 см

Пример 8. Молот массой 100 кг падает на поковку массой m ₂ , которая вместе с массой наковальни равна 1250 кг. Скорость молота в момент удара 2 м/с. Найти кинетическую энергию Е₁ в момент удара, энергию Е₂, переданную фундаменту, энергию Е, затраченную на деформацию поковки, коэффициент полезного действия удара молота о поковку. Удар считать неупругим.

Дано: Решение.

m₁ = 100 кг Кинетическая энергия молота в момент удара

m ₂ =1250 кг Е₁ = = Дж

υ = 2 м/с По закону сохранения импульса для неупругого

Е₁=? Е₂=? Е=? η=? удара двух тел

m ₁υ ₁ + m ₂υ ₂ = (m ₁ + m ₂) u ,

где υ ₂ = 0 (скорость молота и поковки с наковальней, поковка до удара

была в покое);

u = - молот и поковка двигаются как одно целое в результате

неупругого удара.

В результате сопротивления фундамента эта скорость быстро гасится, энергия передается фундаменту.

Е₂ = ,
подставим u, получим

Е₂ = =
Е₂ = 14,815 Дж.

На деформацию поковки пошла энергия

Е = Е₁ - Е₂ = 200 – 14,815 = 185,185 Дж.

Коэффициент полезного действия

η = 92,59%

Ответ: Е₁=200 Дж; Е₂ = 14,815 Дж; Е = 185,185 Дж; η = 92,59%

Пример 9. Какая работа А будет совершена силами гравитационного поля при падении на Землю тела массой m = 4 кг

1. 
   с высоты h = 2 000 км;
   
2. 
   из бесконечности ? Радиус Земли R =6,3710 ⁶ м.
   

Дано: Решение.

m = 4 кг Работа совершается переменной силой

h = 2 000 км =210 ⁶ м гравитационного поля

R =6,3710 ⁶ м .

h₁ = ∞ Сила притяжения зависит от расстояния до

А= ?А₁= ? Земли

, тогда

,

где G – гравитационная постоянная;

M – масса Земли.

1. При падении с высоты h работа, совершаемая силами гравитационного поля



Так как g = , то

.

59,7310 ⁶ Дж = 59,73 МДж

2. При падении из бесконечности

.

А ₁ = 49,816,3710 ⁶ = 250,010 ⁶ Дж = 250 МДж

Ответ: А = 59,73 МДж ; А ₁ =250 МДж

Пример 10. Маховик в виде диска радиусом R = 0,2 м и массой

m = 50 кг был раскручен до частоты n ₁= 480 об/мин и предоставлен самому себе. Вследствие трения он остановился. Найти момент М сил трения, если маховик остановился через t= 50 с, сделав N = 200 оборотов.

Дано: Решение.

R = 0,2 м Первый способ.

m = 50 кг Изменение момента импульса вращающегося тела

n ₁= 480 об/мин за промежуток времени равно импульсу момента

t = 50 силы.

N = 200 об I ω ₂ – I ω₁ = M t ,

М = ? где I – момент инерции маховика ;

ω₁ и ω₂ – начальная и конечная угловые скорости. ω₂ = 0.. Mt = - Iω₁ . I= .

, ,

.

Подставляем значения, получаем

M = - 1,005 Нм.

Второй способ.

Работа силы трения равна изменению кинетической энергии диска

.

ω ₂ =0, , A = Mφ,

где φ – угловой путь. φ = 2 π N.

А = 2 π MN , = 2 π MN

M = .

М = Нм

Знак «- » означает, что момент сил трения оказывает тормозящее действие.

Ответ: М = - 1,005 Нм

Пример 11. Шар скатывается с наклонной плоскости высотой h= 100 см. Какую линейную скорость будет иметь центр шара в момент,

когда он скатится с наклонной плоскости и какой путь S он пройдет до остановки, двигаясь горизонтально, если коэффициент сопротивления k=0,3.

Дано: Решение.

h=1 м Потенциальная энергия шара переходит в кинетическую

k=0,3 энергию движения центра масс и кинетическую энергию

S = ? υ = ? вращения шара.

П = Т + Т_вр , .

; ; ;

; ; м/с.

В начале горизонтального пути

.

Е = А – работе по преодолению сил трения. А = F_тр S.

F_тр = kN = kmg ,

где N - сила нормального давления плоскости на шар.

,

м.

Ответ: υ = 3,74 м/с ; S = 0,48 м

Пример 12. Платформа в виде сплошного диска радиусом R =2 м и массой m ₁ = 200 кг вращается около вертикальной оси с частотой

n = 10 мин ^-1. В центре платформы стоит человек массой m ₂ = 60 кг. Какую линейную скорость υ относительно пола помещения будет иметь человек, если он перейдет на край платформы ?

Дано: Решение.

R =2 м Согласно условию задачи, момент внешних сил

m ₁ = 200 кг относительно оси вращения z, совпадающей с

n = 10 мин ^-1 геометрической осью платформы, можно считать

m ₂ = 60 кг равным нулю. При этом условии проекция L _z

υ = ? момента импульса системы платформа-человек

остается постоянной. По закону сохранения момента импульса системы тел

= const , (1)

где I _z – момент инерции платформы с человеком относительно оси z;

– угловая скорость платформы.

Момент инерции системы равен сумме моментов инерции тел, входящих в состав системы, поэтому в начальном состоянии I _z = I ₁ + I ₂, а в конечном состоянии I _z^′ = I ₁^′ + I ₂^′ .

С учетом этого равенство (1) примет вид

(I ₁ + I₂)ω = (I ₁^′ + I ₂^′ )ω^′ , (2)

где I₁ и I ₂ - моменты инерции платформы и человека в начальном

состоянии системы;

I ₁^′ и I₂^′ - моменты инерции платформы и человека в конечном

состоянии системы.

Момент инерции платформы относительно оси z при переходе человека не изменяется.

I₁ = I ₁^′ = .

Момент инерции человека относительно той же оси будет изменяться. Если рассматривать человека как материальную точку, то его момент инерции I ₂ в начальном состоянии (в центре платформы) можно считать равным нулю. В конечном состоянии (на краю платформы) момент инерции человека

I₂^′ = m ₂ R² .

Подставим в формулу (2) выражения моментов инерции, начальной угловой скорости вращения платформы с человеком ( ) и конечной угловой скорости ( ω ^′= υ/R, где υ – скорость человека относительно пола).

.

После сокращения на R² и простых преобразований находим скорость.

=1,31 м/с

Ответ : υ = 1,31 м/с

Пример 13. Частица массой m = 0,01 кг совершает гармонические колебания с периодом Т= 4 с. Полная энергия колеблющейся частицы

Е = 0,1 мДж. Определить амплитуду А колебаний и наибольшее значение силы F_max, действующей на частицу.

Дано: Решение.

m = 0,01 кг Для определения амплитуды колебаний

Т= 4 с воспользуемся выражением полной энергии частицы,

Е = 0,1 мДж совершающей колебания.

А= ? F_max = ? , где .

Отсюда амплитуда

. (1)

Так как частица совершает гармонические колебания, то сила, действующая на нее, является квазиупругой и может быть выражена соотношением F= - kx,

где k – коэффициент квазиупругой силы;

х – смещение колеблющейся точки.

Максимальной сила будет при максимальном смещении х_max , равном амплитуде.

F_max = k А . (2)

Коэффициент kвыразим через период колебаний.

. (3)

Подставив выражения (1) и (3) в (2) и проведя упрощения, получим

F_max = .

Произведем вычисления.

А = м.

F_max = = 222 10 ^{– 3} Н =2,22 мН

Ответ: А = 0,09 м; F_max = 2,22 мН

Пример 14. Определить частоту колебаний ν физического маятника, представляющего собой однородный стержень длиной l = 30 см, совершающий малые колебания относительно оси подвеса, укрепленной на расстоянии х = 10 см от конца стержня. Какова приведенная длина маятника ?

Дано: Решение.

l = 30 10 ^{– 2} м ν = 1/Т.

х = 10 10 ^{– 2} м ,

где а - расстояние от точки подвеса до центра масс

ν - ? l _пр - ? маятника .

м .

По теореме Штейнера

;

;

ν = .

ν = 1,1 с ^-1 .

l _пр = ;

l _пр = 2010 ^{– 2} м = 20 см.

Ответ: ν = 1,1 с ^-1 ; l _пр = 20 см
Пример 15. Материальная точка участвует одновременно в двух взаимно перпендикулярных колебаниях, уравнения которых х= А₁ sinω₁t и y = A₂ cosω₂t , где А₁= 4 см, A₂ = 2 см, ω₁ = ω₂ = ω = 2 с ^{– 1}. Написать

уравнение траектории и построить ее. Показать направление движения точки.

Дано: Решение.

х= А₁ sinω₁t х= А₁ sinω₁t х = 4 sin 2t

y = A₂ cosω₂t y = A₂ cosω₂t y = 2 cos 2t

А₁= 4 см

A₂ = 2 см

ω = 2 с ^{– 1} sin² 2t + cos² 2t = 1

-каноническое уравнение

эллипса.

Траектория движения - эллипс.


Рис. 4
Ответ: траектория движения - эллипс

Задачи для самостоятельного решения

1. Точка движется по окружности радиусом R = 4 м. Закон ее движения выражается уравнением s= A+ Bt², где А= 8 м, В= -2 м/с ². Определить момент времени t, когда нормальное ускорение a_n точки равно 9 м/с². Найти скорость υ, тангенциальное а _τ и полное а ускорения точки в тот же момент времени t.

Ответ: 1,5 с; - 6 м/с; - 4 м/с²; 9,84 м/с²

2. Две материальные точки движутся согласно уравнениям х₁ = A₁t+ B₁t ² + C₁t ³ и х₂ = A₂ t+ B₂ t ² + C₂ t ³, где A₁ = 4 м/с, B₁ = 8 м/с², C₁ = -16 м/с³, A₂ =2 м/с, B₂ = - 4 м/с², C₂ = 1 м/с³. В какой момент времени t ускорения этих точек будут одинаковы? Найти скорости υ₁ и υ₂ точек в этот момент.

Ответ: 0,235 с; 5,1 м/с; 0,286 м/с

3. Шар массой m₁= 10 кг сталкивается с шаром массой m₁= 4 кг. Скорость первого шара υ₁= 4 м/с, второго - υ₂ = 12 м/с. Найти общую скорость u шаров после удара в двух случаях: 1) малый шар нагоняет большой шар, движущийся в том же направлении; 2) шары движутся навстречу друг другу. Удар считать прямым, центральным, неупругим.

Ответ: 6,28 м/с; - 0,572 м/с

4. В лодке массой M= 240 кг стоит человек массой m= 60 кг. Лодка плывет со скоростью υ = 2 м/с. Человек прыгает с лодки в горизонтальном направлении со скоростью u= 4 м/с (относительно лодки). Найти скорость лодки после прыжка человека 1) вперед по движению лодки; 2) в сторону, противоположную движению лодки.

Ответ: 1 м/с; 3 м/с

5. Из пружинного пистолета выстрелили пулькой, масса которой m=5 г. Упругость пружины k=1,25 кН/м. Пружина была сжата на l = 8 см. Определить скорость пульки при вылете ее из пистолета.

Ответ: 40 м/с

6. Шар массой m₁= 200 г, движущийся со скоростью υ₁=10 м/с, сталкивается с неподвижным шаром массой m₂= 800 г. Удар прямой центральный, абсолютно упругий. Определить скорости шаров после столкновения.

Ответ: - 6 м/с; 4 м/с²

7. Шар, двигающийся горизонтально, столкнулся с неподвижным шаром и передал ему 64% своей кинетической энергии. Шары абсолютно упругие, удар прямой, центральный. Во сколько раз масса второго шара больше массы первого? Ответ: в 4 раза

8. Через блок, выполненный в виде колеса, перекинута нить, к концам которой привязаны грузы массами m₁= 100 г и m₂= 300 г. Массу колеса М = 200 г считать равномерно распределенной по ободу, массой спиц пренебречь. Определить ускорение, с которым будут двигаться грузы, и силы натяжения нити по обе стороны блока.

Ответ: 3,27 м/с²; 1,31 Н; 1,96 Н

9. Двум одинаковым маховикам, находящимся в покое, сообщили одинаковую угловую скорость ω = 63 рад/с и предоставили их самим себе. Под действием сил трения маховик остановился через одну минуту, а второй сделал до полной остановки N = 360 оборотов. У какого маховика тормозящий момент был больше и во сколько раз ?

Ответ: у первого больше в 1,2 раза.

10. Шар скатывается с наклонной плоскости высотой h= 90 см.

Какую линейную скорость будет иметь центр шара в тот момент, когда шар скатится с наклонной плоскости ? Ответ: 3,55 м/с

11. На верхней поверхности горизонтального диска, который может вращаться вокруг вертикальной оси, проложены по окружности радиусом r = 50 см рельсы игрушечной железной дороги. Масса диска М = 10 кг, его радиус R = 60 cм. На рельсы неподвижного диска был поставлен заводской паровозик массой m= 1 кг и выпущен из рук. Он начал двигаться относительно рельсов со скоростью υ = 0,8 м/с. С какой угловой скоростью будет вращаться диск?

Ответ: 0,195 рад/с.

12. Платформа в виде диска вращается по инерции около вертикальной оси с частотой n ₁ = 14 мин ^{– 1}. На краю платформы стоит человек. Когда человек перешел в центр платформы, частота возросла до

n ₂ = 25 мин ^{– 1} . Масса человека m = 70 кг. Определить массу платформы. Момент инерции человека рассчитывать как для материальной точки.

Ответ: 210 кг.

13. Точка совершает гармонические колебания. В некоторый момент времени смещение точки х = 5 см, скорость ее υ = 20 см/с и ускорение

а = -80 см/с ². Найти циклическую частоту и период колебаний, фазу колебаний в рассматриваемый момент времени и амплитуду колебаний.

Ответ: 4 с ^-1; 1,57 с; π/4 ; 7,07 см.

14. Точка совершает гармонические колебания, уравнение которых имеет вид х= А sin ωt, где А=5 см, ω=2 с ^{– 1}.Найти момент времени (ближайший к началу отсчета), в который потенциальная энергия точки

П =10 ^{– 4} Дж, а возрастающая сила F= +510 ^{– 3} Н. Определить также фазу колебаний в этот момент времени.

Ответ: 2,04 с; 4,07 рад.

15. Два гармонических колебания, направленных по одной прямой, имеющих одинаковые амплитуды и периоды, складываются в одно колебание той же амплитуды. Найти разность фаз складываемых колебаний.

Ответ: 120^о или 240^о

16. Точка совершает одновременно два гармонических колебания, происходящих по взаимно перпендикулярным направлениям и

выражаемых уравнениями х= А₁ соs ω₁τ и y = A₂ cos ω₂ (t+τ) , где А₁= 4 см, ω₁ = π с ^{– 1}, A₂ = 8 см, ω₂ = π с ^{– 1}, τ = 1 с. Найти уравнение траектории и начертить ее с соблюдением масштаба. Ответ : 2 х + y = 0.

17. Поперечная волна распространяется вдоль упругого шнура со скоростью υ =15 м/с. Период колебаний точек шнура Т = 1,2 с. Определить разность фаз φ колебаний двух точек , лежащих на луче и отстоящих от источника волн на расстояниях х ₁ = 20 м и х ₂ = 30 м..

Ответ: 200^о.

Контрольная работа 1

Таблица вариантов

Ва-

риантНомера задач

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

110

101

102

103

104

105

106

107

108

109

120

111

112

113

114

115

116

117

118

119

130

121

122

123

124

125

126

127

128

129

140

131

132

133

134

135

136

137

138

139

150

141

142

143

144

145

146

147

148

149

160

151

152

153

154

155

156

157

158

159

170

161

162

163

164

165

166

167

168

169

180

171

172

173

174

175

176

177

178

179

101. Тело брошено вертикально вверх с начальной скоростью

υ_о= 4 м/с. Когда оно достигло верхней точки полета, из того же начального пункта, с той же начальной скоростью υ_о вертикально вверх брошено второе тело. На каком расстоянии h от начального пункта встретятся тела? Сопротивление воздуха не учитывать.

102. Материальная точка движется прямолинейно с ускорением а = 5 см/с ². Определить, на сколько путь, пройденный точкой в n– ю секунду, будет больше пути, пройденного в предыдущую секунду. Принять υ_о = 0.

103. Две автомашины движутся по дорогам, угол между которыми α=60^о. Скорость автомашин υ₁ = 54 км/ч и υ₂ = 72 км/ч . С какой скоростью υ удаляются машины одна от другой?

104. Материальная точка движется прямолинейно с начальной скоростью υ_о=10 м/с и постоянным ускорением а = -5 м/с ². Определить, во сколько раз путь s, пройденный материальной точкой, будет превышать модуль ее перемещения r спустя t = 5 с после начала отсчета времени.

105. Велосипедист ехал из одного пункта в другой. Первую треть пути он проехал со скоростью υ₁ = 18 км/ч. Далее половину оставшегося времени он ехал со скоростью υ₂ = 22 км/ч, после чего до конечного пункта он шел пешком со скоростью υ₃ = 5 км/ч . Определить среднюю скорость велосипедиста.

106. Тело брошено под углом α = 30^о к горизонту со скоростью

υ_о =20 м/с. Каковы будут нормальное a _n и тангенциальное а _τ ускорения тела через время t = 1 с после начала движения ?

107. Материальная точка движется по окружности с постоянной угловой скоростью ω = π/6 рад/с. Во сколько раз путь s, пройденный точкой за время t = 4 с, будет больше модуля ее перемещения r? Принять, что в момент начала отсчета времени радиус-вектор r , задающий положение точки на окружности, относительно исходного положения был повернут на угол φ _о=π/3 рад.

108. Материальная точка движется в плоскости ху согласно уравнениям х= А₁ + B₁t+ C₁t² и у= А₂ + B₂t+ C₂t² , где В₁ = 7 м/с, C₁ = -2 м/с² , В₂ = -1 м/с, C₂ = 0,2 м/с². Найти модули скорости и ускорения точки в момент времени t = 4 с.

109. По краю равномерно вращающейся с угловой скоростью ω=1 рад/с платформы идет человек и обходит платформу за время t = 9,9 с. Каково наибольшее ускорение а движения человека относительно Земли? Принять радиус платформы R=2 м.

110. Точка движется по окружности радиусом R=30 см с постоянным угловым ускорением ε. Определить тангенциальное ускорение а _τ точки, если известно, что за время t = 4 с она совершила три оборота и в конце третьего оборота ее нормальное ускорение a _n = 2,7 м/с ².

111. При горизонтальном полете со скоростью υ = 250 м/с снаряд массой m= 10 кг разорвался на две части. Большая часть массой m₁= 7 кг получила скорость u₁ = 400 м/с в направлении полета снаряда. Определить модуль и направление скорости u₂ меньшей части снаряда.

112. С тележки, свободно движущейся по горизонтальному пути со скоростью υ₁ = 3 м/с, в сторону, противоположную движению тележки, прыгает человек, после чего скорость тележки изменилась и стала равной u₁ = 4 м/с. Определить горизонтальную составляющую скорости u_2х человека при прыжке относительно тележки. Масса тележки m₁= 210 кг, масса человека m₂= 70 кг.

113. Орудие, жестко закрепленное на железнодорожной платформе, производит выстрел вдоль полотна железной дороги под углом α = 30^о к линии горизонта. Определить скорость u₂ отката платформы, если снаряд вылетает со скоростью u₁ = 480 м/с. Масса платформы с орудием и снарядами m₂= 18 т, масса снаряда m₁= 60 кг.

114. Человек массой m₁= 70 кг, бегущий со скоростью υ₁ = 6 км/ч, догоняет тележку массой m₂ = 190 кг, движущуюся со скоростью

υ₂ = 3,6 км/ч, и вскакивает на нее . С какой скоростью станет двигаться тележка с человеком? С какой скоростью будет двигаться тележка с человеком, если человек до прыжка бежал навстречу тележке?

115. Конькобежец, стоя на коньках на льду, бросает камень массой

m₁= 2,5 кг под углом α = 30^о к горизонту со скоростью υ = 10 м/с. Какова будет начальная скорость υ_о движения конькобежца, если масса его

m₂= 60 кг? Перемещением конькобежца во время броска пренебречь.

116. На полу стоит тележка в виде длинной доски, снабженной легкими колесами. На одном конце доски стоит человек. Масса его

m₁= 70 кг, масса доски m₂= 20 кг. С какой скоростью (относительно пола) будет двигаться тележка, если человек пойдет вдоль нее со скоростью (относительно доски) υ = 1 м/с? Массой колес и трением пренебречь.

117. Снаряд, летевший со скоростью υ = 400 м/с, в верхней точке траектории разорвался на два осколка. Меньший осколок, масса которого составляет 30% от массы снаряда, полетел в противоположном направлении со скоростью u₁ = 150 м/с. Определить скорость u₂ большего осколка.

118. Две одинаковые лодки массами m= 200 кг каждая (вместе с человеком и грузами, находящимися в лодках) движутся параллельными курсами навстречу друг другу с одинаковыми скоростями υ = 1 м/с. Когда лодки поравнялись, то с первой лодки на вторую и со второй на первую одновременно перебрасывают грузы массами m₁= 30 кг. Определить скорости u₁ и u₂ лодок после перебрасывания грузов.

119. На сколько переместится относительно берега лодка l= 3,5 м и массой m₁= 200 кг, если стоящий на корме человек массой m₂= 80 кг переместится на нос лодки? Считать лодку расположенной перпендикулярно берегу.

120. Лодка длиной l= 3 м и массой m= 120 кг стоит на спокойной воде. На носу и корме находятся два рыбака массами m₁= 60 кг и m₂ = 90 кг. На сколько сдвинется лодка относительно воды, если рыбаки поменяются местами?

121. В деревянный шар массой m₁= 8 кг, подвешенный на нити длиной l= 1,8 м, попадает горизонтально летящая пуля массой m₂= 4 г. С какой скоростью летела пуля, если нить с шаром и застрявшей в нем пулей отклонилась от вертикали на угол α = 3^о ? Размером шара пренебречь. Удар пули считать прямым, центральным.

122. По небольшому куску мягкого железа, лежащему на наковальне массой m₁= 300 кг, ударяет молот массой m₂= 8 кг. Определить к.п.д. η удара, если удар неупругий. Полезной считать энергию, затраченную на деформацию куска железа..

123. Шар массой m₁= 1 кг движется со скоростью υ₁ = 4 м/с и сталкивается с шаром массой m₂= 2 кг , движущимся навстречу ему со скоростью υ₂ = 3 м/с. Каковы скорости u₁ и u₂ шаров после удара? Удар считать абсолютно упругим, прямым, центральным.

124. Шар массой m₁= 3 кг движется со скоростью υ₁ = 2 м/с и сталкивается с покоящимся шаром массой m₂= 5 кг. Какая работа будет совершена при деформации шаров? Удар считать абсолютно неупругим, прямым, центральным.

125. Определить к.п.д. η неупругого удара бойка массой m₁= 0,5 т, падающего на сваю массой m₂= 120 кг. Полезной считать энергию, затраченную на вбивание сваи.

126. Шар массой m₁= 4 кг движется со скоростью υ₁ = 5 м/с и сталкивается с шаром массой m₂= 6 кг , который движется ему навстречу со скоростью υ₂ = 2 м/с. Определить скорости u₁ и u₂ шаров после удара. Удар считать абсолютно упругим, прямым, центральным.

127. Из ствола автоматического пистолета вылетела пуля массой

m₁= 10 г со скоростью υ = 300 м/с. Затвор пистолета массой m₂= 200г прижимается к стволу пружиной, упругость которой k=25 кН/м. На какое расстояние отойдет затвор после выстрела? Считать, что пистолет жестко закреплен.

128. Шар массой m₁= 5 кг движется со скоростью υ₁ = 1 м/с и сталкивается с покоящимся шаром массой m₂= 2 кг. Определить скорости u₁ и u₂ шаров после удара. Удар считать абсолютно упругим, прямым, центральным.

129. Из орудия, не имеющего противооткатного устройства, производилась стрельба в горизонтальном направлении. Когда орудие было неподвижно закреплено, снаряд вылетел со скоростью υ₁ = 600 м/с, а когда орудию дали возможность свободно откатываться назад, снаряд вылетел со скоростью υ₂ = 580 м/с. С какой скоростью откатилось при этом орудие?

130. Шар массой m₁= 2 кг сталкивается с покоящимся шаром большей массы и при этом теряет 40% кинетической энергии. Определить массуm₂ большего шара. Удар считать абсолютно упругим, прямым, центральным.

131.Определить работу растяжения двух соединенных последовательно пружин упругостями k₁ = 400 Н/м и k₂ = 250 Н/м, если первая пружина при этом растянулась на l=2 см.

132. Из шахты глубиной h= 600 м поднимают клеть массой

m₁= 3,0 т на канате, каждый метр которого имеет массу m= 1,5 кг . Какая работа А совершается при поднятии клети на поверхность Земли? Каков коэффициент полезного действия η подъемного устройства?

133. Пружина упругостью k= 500 Н/м сжата силой F = 100 Н. Определить работу А внешней силы, дополнительно сжимающей пружину еще на l= 2 см.

134. Две пружины упругостями k₁ = 0,5 кН/м и k₂ = 1 кН/м скреплены параллельно. Определить потенциальную энергию П данной системы при абсолютной деформации l= 4 см..

135. Какую нужно совершить работу А, чтобы пружину упругостью k=800 Н/м , сжатую на х= 6 см , дополнительно сжать на х = 8 см.?

136. Если на верхний конец вертикально расположенной спиральной пружины положить груз, то пружина сожмется на l= 3 см. На сколько сожмет пружину тот же груз, упавший на конец пружины с высоты h=8см?

137. Из пружинного пистолета с пружиной упругостью k= 150 Н/м был произведен выстрел пулей массой m= 8 г. Определить скорость υ пули при вылете ее из пистолета, если пружина была сжата на х = 4 см.

138. Налетев на пружинный буфер, вагон массой m= 16 т, двигавшийся со скоростью υ = 0,6 м/с, остановился, сжав пружину на

l= 8 см. Найти общую упругость k пружин буфера.

139. Цепь длиной l= 2 м лежит на столе, одним концом свисая со стола. Если длина свешивающейся части превышает ⅓l, то цепь соскальзывает со стола. Определить скорость υ цепи в момент отрыва ее от стола.

140. Какая работа А должна быть совершена при поднятии с земли материалов для постройки цилиндрической дымоходной трубы высотой h= 40 м , наружным диаметром D=3,0 м и внутренним диаметром d=2,0 м? Плотность материала ρпринять равной 2,810³ кг/м³.

141. Шарик массой m= 60 г, привязанный к концу нити длиной

l₁=1,2 м, вращается с частотой n₁ = 2 с ^{– 1}, опираясь на горизонтальную плоскость. Нить укорачивается, приближая шарик к оси до расстояния l₂=0,6 м. С какой частотой n₂ будет при этом вращаться шарик? Какую работу А совершает внешняя сила, укорачивая нить? Трением шарика о плоскость пренебречь.

142. По касательной к шкиву маховика в виде диска диаметром D=90 см и массой m= 40 кг приложена сила F=1,5 кН. Определить угловое ускорение ε и частоту вращения n маховика через время t=10 с после начала действия силы, если радиус r шкива равен 15 см. Силой трения пренебречь.

143. На обод маховика диаметромD=60 см намотан шнур, к концу которого привязан груз массой m= 4 кг. Определить момент инерции I маховика, если он, вращаясь равноускоренно под действием силы тяжести груза, за время t= 3 с приобрел угловую скорость ω = 10 рад/с.

144. Нить с привязанными к ее концам грузами массами m₁= 50 г и m₂= 60 г перекинута через блок диаметром D= 4 см. Определить момент инерции Iблока, если под действием силы тяжести грузов он получил угловое ускорение ε = 1,5 рад/с². Трением и проскальзыванием нити по блоку пренебречь.

145. Стержень вращается вокруг оси, проходящей через его середину,

согласно уравнению φ = At+ Bt³, где A = 2 рад/с, B = 0,2 рад/с³. Определить вращающий момент М, действующий на стержень через время t=2 с после начала вращения, если момент инерции стержня I = 0,036 кгм².

146. По горизонтальной плоскости катится диск со скоростью υ=8 м/с. Определить коэффициент сопротивления, если диск, будучи предоставленным самому себе, остановился, пройдя путь s = 18 м.

147. Определить момент силы М, который необходимо приложить к блоку, вращающемуся с частотой n = 18 с ^{– 1}, чтобы он остановился в течение времени t = 10 с. Диаметр блока D=30 см. Массу блока m= 6 кг считать равномерно распределенной по ободу.

148. Блок, имеющий форму диска массой m= 0,4 кг, вращается под действием силы натяжения нити, к концам которой подвешены грузы массами m₁= 0,3 кг и m₂= 0,7 кг. Определить силы натяжения Т₁ и Т₂ нити по обе стороны блока.

149. К краю стола прикреплен блок. Через блок перекинута невесомая и нерастяжимая нить, к концам которой прикреплены грузы. Один груз движется по поверхности стола, а другой – вдоль вертикали вниз. Определить коэффициент f трения между поверхностями груза и стола, если массы каждого груза и масса блока одинаковы и грузы движутся с ускорением а = 5,6 м/с² . Проскальзыванием нити по блоку и силой трения, действующей на блок, пренебречь.

150. К концам легкой и нерастяжимой нити, перекинутой через блок,

подвешены грузы массами m₁= 0,2 кг и m₂= 0,3 кг. Во сколько раз отличаются силы, действующие на нить по обе стороны от блока, если масса блока m= 0,4 кг, а его ось движется вертикально вверх с ускорением а=2 м/с². Силами трения и проскальзыванием нити по блоку пренебречь.

151. На скамье Жуковского сидит человек и держит на вытянутых руках гири массой m= 5 кг каждая. Расстояние от каждой гири до оси скамьи l= 70 см. Скамья вращается с частотой n = 2 с ^{– 1}. Как изменится частота вращения скамьи и какую работу А произведет человек, если он сожмет руки так, что расстояние от каждой гири до оси уменьшится до l₂= 30 см. Момент инерции человека и скамьи (вместе) относительно оси

I =2,5 кгм ².

152. На скамье Жуковского стоит человек и держит в руках стержень вертикально по оси скамьи. Скамья с человеком вращается с угловой скоростью ω₁ = 4 рад/с. С какой угловой скоростью ω₂ будет вращаться скамья с человеком, если повернуть стержень так, чтобы он занял горизонтальное положение? Суммарный момент инерции человека и скамьи I =3 кг м ². Длина стержня l= 2 м , масса m= 6 кг. Считать, что центр масс стержня с человеком находится на оси платформы.

153. Платформа в виде диска диаметром D= 3 м и массой m= 200 кг может вращаться вокруг вертикальной оси. С какой угловой скоростью ω₁

будет вращаться эта платформа, если по ее краю пойдет человек массой

m₂ = 70 кг со скоростью υ = 2 м/с относительно платформы?

154. Платформа, имеющая форму диска, может вращаться около вертикальной оси. На краю платформы стоит человек. На какой угол φ повернется платформа, если человек пойдет вдоль края платформы и, обойдя ее, вернется в исходную (на платформе) точку? Масса платформы m₁= 280 кг, масса человека m ₂= 80 кг.

155. На скамье Жуковского стоит человек и держит в руке за ось велосипедное колесо, вращающееся вокруг своей оси с угловой скоростью ω₁ = 25 рад/с. Ось колеса расположена вертикально и совпадает с осью скамьи Жуковского. С какой скоростью ω₂ станет вращаться скамья, если повернуть колесо вокруг горизонтальной оси на угол α = 90^о? Момент инерции человека и скамьи I равен 2,5 кгм ², момент инерции колеса I_о =0,5 кгм ².

156. Однородный стержень длиной l= 1,0 м может свободно вращаться вокруг горизонтальной оси, проходящей через один из его концов. В другой конец абсолютно неупруго ударяет пуля массой m= 15 г, летящая перпендикулярно стержню и его оси. Определить массу М стержня, если в результате попадания пули он отклонится на угол α = 30^о.

Принять скорость пули υ = 360 м/с.

157. На краю платформы в виде диска, вращающейся по инерции вокруг вертикальной оси с частотой n₁ = 8 мин ^{– 1}, стоит человек массой m ₁ = 70 кг. Когда человек перешел в центр платформы, она стала вращаться с частотой n ₂ = 12 мин ^{– 1}. Определить массу m ₂ платформы. Момент инерции человека рассчитывать как для материальной точки.

158. На краю неподвижной скамьи Жуковскогодиаметром D=0,8 м и массой m ₁ = 6 кг стоит человек массой m ₂ = 60 кг. С какой угловой скоростью ω начнет вращаться скамья, если человек поймает летящий на него мяч массой m = 0,5 кг? Траектория мяча горизонтальна и проходит на расстоянии r = 0,4 м от оси скамьи. Скорость мяча υ = 6 м/с.

159. Горизонтальная платформа массой m ₁ = 180 кг вращается вокруг вертикальной оси, проходящей через центр платформы, с частотой n = 10 мин ^{– 1}.Человек массой m ₂ = 70 кг стоит при этом на краю платформы. С какой угловой скоростью ω начнет вращаться платформа, если человек перейдет от края платформы к ее центру? Считать платформу круглым, однородным диском, а человека - материальной точкой.

160. Однородный стержень длиной l= 1,0 м и массой M= 0,9 кг подвешен на горизонтальной оси, проходящей через верхний конец стержня. В точку, отстоящую от оси на ⅔l, абсолютно упруго ударяет пуля массой m= 20 г, летящая перпендикулярно стержню и его оси. После удара стержень отклонился на угол α = 30^о. Определить скорость пули.

161. Определить напряженность G гравитационного поля на высоте h= 1000 км над поверхностью Земли. Считать известными ускорение gсвободного падения у поверхности Земли и ее радиус R.

162. Какая работа А будет совершена силами гравитационного поля при падении на Землю тела массой m= 3 кг: 1) с высоты h= 1 000 км ; 2) из бесконечности ?

163. Из бесконечности на поверхность Земли падает метеорит массой m = 30 кг Определить работу А, которая при этом будет совершена силами гравитационного поля Земли. Ускорение gсвободного падения у поверхности Земли и ее радиус R считать известными.