ГДЗ по алгебре. Расчетно-графическое Задание N1_2019A. Расчетнографические задания по общей физике. 1
![]()
|
3. Законы сохранения 3.1. Легендарный железнодорожный транспортер ТМ-1-180 с орудием обеспечивал снаряду массой 97,5 кг начальную скорость 920 м/с. Масса транспортера 160 тонн (Амирханов Л.И. Морские пушки на железной дороге. СПб: Иванов и Лещинский, 1994. –64 с.). Из орудия производят выстрел вдоль железнодорожного пути. Определить на какое расстояние ![]() ![]() 3.2. Во время осады Севастополя в 1942 году фашисты применили для подавления батареи 305-мм орудий свою самую большую пушку Дора К(Е). Масса бетонобойного снаряда была 7100 кг, начальная скорость – 720 м/с, а масса всего орудия, установленного на железнодорожные рельсы, составляла 1350 тонн. Огонь мог вестись только параллельно железнодорожного пути. Определить на какое расстояние ![]() ![]() 3.3. Шар массой 1,0 кг бросили с поверхности Земли под углом 300 к горизонту с начальной скоростью 20 м/с. Найти мощность силы тяжести в момент времени t. Чему равна работа силы тяжести за время t? Построить графики мощности и работы как функции времени и определить мощность и работу для момента времени 1.0 с. 3.4. Шар массой 1,0 кг бросили с поверхности Земли под углом 300 к горизонту с начальной скоростью 20 м/с. Найти кинетическую ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 3.5. Шар массой 1,0 кг бросили с поверхности Земли под углом 300 к горизонту с начальной скоростью 15 м/с. Найти кинетическую ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 3.6. Дульную (начальную) скорость пули массой 9,6 г можно определить с помощью баллистического маятника. Определите угол отклонения баллистического маятника, если начальная скорость пули ![]() ![]() ![]() 3.7. В момент, когда скорость падающей вниз гранаты составила 4 м/с, граната разорвалась на три одинаковых осколка. Два осколка разлетелись в горизонтальной плоскости под прямым углом друг к другу со скоростью 5 м/с каждый. Найти скорость третьего осколка сразу после разрыва. 3.8. Человек, сидящий в лодке, бросает камень вдоль нее под углом 45 градусов к горизонту. Масса камня 10 кг, масса человека и лодки 100 кг, начальная скорость камня относительно берега 10 м/с. Найти расстояние между точкой падения камня и лодкой в момент, когда камень коснется воды. Считать, что во время полета камня, лодка движется равномерно. 3.9. Охотник массой 80 кг стреляет из карабина с движущейся лодки массой 120 кг по направлению её движения. Пуля массой 20 грамм вылетает со скоростью 800 м/с. Какую скорость имела лодка, если она остановилась после трех следующих друг за другом выстрелов? Построить диаграмму скорости системы «лодка-охотник». 3.10. Охотник массой 80 кг стреляет из карабина с движущейся лодки массой 120 кг в сторону противоположную её движению. Пуля массой 20 грамм вылетает со скоростью 800 м/с. Какую скорость будет иметь лодка, если лодка двигалась со скоростью 0,5 м/с? Построить диаграмму скорости системы «лодка-охотник». 4. Динамика вращательного движения 4.1. Два одинаковых цилиндра одновременно начали движение. Первый цилиндр падает свободно, а второй цилиндр падает, раскручивая предварительно намотанную тонкую гибкую нерастяжимую ленту, массой которой можно пренебречь по сравнению с массой цилиндра, свободный конец ленты закреплен. С какой скоростью упадут цилиндры, если начальная высота равна 10 м. Постройте графики движения цилиндров и определите момент времени, когда расстояние между ними составляет 1 м. 4.2. Два одинаковых цилиндра одновременно начали движение. Первый цилиндр падает свободно, а второй цилиндр падает, раскручивая предварительно намотанную тонкую гибкую нерастяжимую ленту, массой которой можно пренебречь по сравнению с массой цилиндра, свободный конец ленты закреплен. С какой скоростью упадут цилиндры, если начальная высота равна 20 м. Постройте графики движения цилиндров и определите момент времени, когда расстояние между ними составляет 2 м. 4.3. Два одинаковых цилиндра одновременно начали движение. Первый цилиндр падает свободно, а второй цилиндр падает, раскручивая предварительно намотанную тонкую гибкую нерастяжимую ленту, массой которой можно пренебречь по сравнению с массой цилиндра, свободный конец ленты закреплен. С какой скоростью упадут цилиндры, если начальная высота равна 30 м. Постройте графики движения цилиндров и определите момент времени, когда расстояние между ними составляет 3 м. 4.4. На горизонтальную ось насажены маховик и легкий шкив радиусом 5 см. На шкив намотан шнур, к которому привязан груз массой 0.4 кг. Опускаясь равноускоренно, груз прошел путь 1,8 м за время 3 с. Определить момент инерции маховика. Построить график числа оборотов от времени и определить полное число оборотов маховика. 4.5. На горизонтальную ось насажены маховик и легкий шкив радиусом 4 см. На шкив намотан шнур, к которому привязан груз массой 0.8 кг. Опускаясь равноускоренно, груз прошел путь 2,0 м за время 2 с. Определить момент инерции маховика. Построить график числа оборотов от времени и определить полное число оборотов маховика. 4.6. К ободу однородного валика радиусом 0,2 м приложена постоянная касательная сила 100 Н. При вращении на диск действует сила трения, момент которой равен 5,0 Нм. Определить массу диска, если известно, что он вращается с постоянным угловым ускорением ![]() 4.7. К ободу однородного валика радиусом 0,25 м приложена постоянная касательная сила 100 Н. При вращении на диск действует сила трения, момент которой равен 8,0 Нм. Определить массу диска, если известно, что он вращается с постоянным угловым ускорением ![]() 4.8. Сплошной однородный маховик массой 20 кг и радиусом 100 мм вращается, совершая 20 об/с. С какой силой нужно прижать к нему тормозную колодку, чтобы он остановился за 5 с, если коэффициент трения равен 0.2? Определить работу торможения и построить график угловой скорости и кинетической энергии маховика. 4.9. Сплошной однородный маховик массой 200 кг и радиусом 200 мм вращается, совершая 20 об/с. С какой силой нужно прижать к нему тормозную колодку, чтобы он остановился за 5 с, если коэффициент трения равен 0.2? Определить работу торможения и построить график работы торможения от времени. 4.10. На горизонтальную ось насажены маховик и легкий шкив радиусом 6 см. На шкив намотан шнур, к которому привязан груз массой 0.5 кг. Опускаясь равноускоренно, груз прошел путь 1,5 м за время 3 с. Определить момент инерции маховика. Построить график числа оборотов от времени и определить полное число оборотов маховика. 5. Неинерциальные системы отсчета. Движение тел с переменной массой 5.1. Поезд массой 3500 т движется на северной широте ![]() 5.2. Центробежная стиральная машина наполнена мокрым бельем и вращается со скоростью 1200 об/мин. Во сколько раз центростремительная сила к моменту отрыва капли воды от ткани больше веса капли, если капля находится на расстоянии 0.3 м от оси вращения. 5 ![]() 5.4. В центре горизонтально расположенного диска радиусом 2 м установлена мишень, а на краю – воздушный пистолет. При неподвижном диске шарик попадает в центр мишени. Если диск вращается вокруг вертикальной оси, проходящей через его центр, с постоянной угловой скоростью ![]() 5.5. Сколько времени человек с ранцевым реактивным двигателем за спиной может продержаться на постоянной высоте, если его масса ![]() ![]() ![]() ![]() 5.6. Ракета массой 1 т, запущенная с поверхности Земли вертикально вверх, поднимается с ускорением ![]() 5.7. Космический корабль имеет массу 3.5 т. При маневрировании из его двигателей вырывается струя газов со скоростью ![]() ![]() ![]() ![]() 5.8. После запуска ракета выбрасывает ежесекундно газ массой 90 г со скоростью ![]() ![]() 5.9. По какому закону должна меняться во времени масса ракеты (вместе с топливом), чтобы она во время работы оставалась неподвижной в поле тяжести Земли, если скорость ![]() ![]() ![]() ![]() 5 ![]() ![]() ![]() ![]() 5.11. Космический корабль стартует с начальной массой ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 6. Механические колебания Пример 6.1. Частица массы 0.2 кг находится в одномерном силовом поле, где ее потенциальная энергия зависит от координаты ![]() ![]() где ![]() ![]() ![]() Решение Построим график потенциальной энергии, для уточнения вида кривой найдем точки экстремума ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Таким образом, вычисленная точка определяет минимум потенциальной энергии, построим график ![]() ![]() Разложим ![]() ![]() ![]() Рис.6.1. Потенциальная энергия частицы: ![]() Найдем уравнение движения маятника, для этого запишем уравнение Ньютона ![]() ![]() Перейдем к переменной ![]() ![]() ![]() Тогда частота малых колебаний равна ![]() ![]() ![]() а период малых колебаний равен ![]() Чтобы построить график зависимости ![]() ![]() Тогда колебания тела описываются такой системой уравнений ![]() где ![]() Составим программу (Python). # Фазовая траектория частицы import math as mt import matplotlib.pyplot as plt a=0.001; b=0.01; m=0.2; x1=0.21; xm=2.*a/b; A=x1-xm; w=mt.sqrt(b**4/(8.*m*a**3)); T=2.*mt.pi/w; tmin=0.0; tmax=2.*T; NT=500; dt=(tmax-tmin)/NT; ti=[]; X=[]; V=[]; ti.append(tmin); X.append(x1); V.append(0.); for i in range(NT): t1=tmin+i*dt;ti.append(t1); X.append(xm+A*mt.cos(w*t1)); V.append(A*w*mt.sin(w*t1)); plt.plot(X,V,'k-') plt.grid(True) plt.xlabel('$x$',fontsize=16) plt.ylabel('$v$',fontsize=16) plt.show() По результатам расчета построим фазовый портрет движения тела ![]() Рис.6.2. Фазовый портрет движения частицы. В начальный момент времени тело находится в крайнем правом положении, затем начинает смещаться влево по часовой стрелке по эллиптической траектории, как показано на рис.6.2, делая полный оборот за 2.51 с. Ответ: ![]() ![]() 6.1. Тело совершает колебания по закону ![]() ![]() 6.2. Тело совершает колебания по закону ![]() ![]() 6.3. Однородный диск массы 3 кг и радиуса 20 см скреплен в центре диска с тонким стержнем так, что стержень перпендикулярен плоскости диска. Другой конец стержня закреплен жестко и неподвижно. Коэффициент кручения стержня (отношение приложенного вращающего момента к углу закручивания) равен 6.00 Н·м/рад. Определить: а) частоту малых крутильных колебаний; б) амплитуду и начальную фазу колебаний, если в начальный момент времени угол ![]() ![]() ![]() 6.4. Материальная точка совершает колебания по закону синуса с амплитудой 10 см, частотой 2 Гц и начальной фазой 30 градусов. Полная энергия колеблющейся точки 0.077 Дж. Через какой промежуток времени от начала движения кинетическая энергия станет равной потенциальной? Построить график зависимости ![]() ![]() 6.5. Точка участвует одновременно в двух взаимно перпендикулярных колебаниях, выражаемых уравнениями ![]() ![]() ![]() 6.6. Частица совершает гармонические колебания вдоль оси х около положения равновесия х=0 с частотой 4.00 с-1. В некоторый момент времени координата частицы равна 25 см и ее скорость 100 см/с. Найти координату и скорость частицы через 2.4 с после этого момента времени. Построить график зависимости ![]() 6.7. Определите амплитуду гармонических колебаний материальной точки, если полная энергия колеблющейся точки 0.04 Дж, а максимальная сила, действующая на точку, равна 2 Н. 6.8. Частица массы 0.2 кг находится в одномерном силовом поле, где ее потенциальная энергия зависит от координаты ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 6.9. На доске лежит груз массой 10 кг. Доска совершает гармонические колебания по закону косинуса в вертикальном направлении с периодом 0.5 с и амплитудой 2 см. Определите величину давления ![]() ![]() 6.10. Найти период малых поперечных колебаний шарика массы 40 г, укрепленного на середине натянутой струны длины 1 м. Силу натяжения струны считать постоянной и равной 10 Н. Массой струны и силами тяжести пренебречь. Построить график зависимости ![]() 7.Затухающие колебания Пример 7.1. Горизонтальное колебательное движение бруска при наличии сухого трения. Пружинный маятник представляет собой брусок массой ![]() ![]() ![]() ![]() Для численных расчетов принять ![]() ![]() ![]() ![]() Математическая модель ![]() ![]() ![]() Знак минус в (7.2) связан с тем, что сила трения направлена против смещения бруска, ![]() Решение Процесс движения бруска показан на рис.1 ![]() Рис.7.1. Координатно-временная развертка крайних положений бруска Решение Из (7.2) и (7.3) следует ![]() Определим область застоя ![]() ![]() Из (4) координаты крайних точек остановки равны ![]() Колебания продолжаются до тех пор, пока ![]() ![]() Время движения равно ![]() Для проверки проделаем численный расчет движения бруска на основе модели (7.1), проектируем на горизонтальную ось, получаем уравнение движения Движение справа — налево ![]() Движение слева — налево ![]() На рис.7.2 представлен результат численного расчета данной модели (текст программы приведен в Приложении) ![]() Рис. 7.2. График колебаний бруска, рассчитанный по модели (7), (8). Кружки отмечают крайние положения ![]() Несмотря на совпадения крайних положений бруска с положениями бруска, рассчитанными по модели (7.7) и (7.8), мы получили правдоподобный результат, поскольку в решении мы не учли область застоя около положения равновесия. График скорректированного решения приведен на рис.7.3. ![]() Рис. 7.3. График колебаний бруска, рассчитанный по модели (7), (8) с учетом области застоя. Кружки отмечают скорректированные крайние положения ![]() Таким образом, колебания бруска затухают слабее, поскольку в области застоя брусок движется равномерно. Получается парадокс, шероховатость горизонтальной плоскости везде одинакова, а в области застоя работу силы трения не учитываем. Ответ: Маятник совершил 2.25 колебания в течение 1.57 секунд. 7.1. Груз массой 0.5 кг подвешен к пружине, жесткость которой 32 Н/м, и совершает затухающие колебания. Определите период затухающих колебаний, если за время двух колебаний амплитуда уменьшилась в 3 раза. Построить график зависимости ![]() 7.2. Маятник длиной l = 5 м совершает малые колебания, так что амплитуда их уменьшилась в два раза за 100 периодов. Найдите добротность Q колебаний, логарифмический декремент λ и коэффициент затухания γ. Построить график зависимости ![]() 7.3. Затухающие колебания частицы были возбуждены путем ее смещения из положения равновесия на расстояние 1 см. Логарифмический декремент затухания 0.0100. При столь слабом затухании можно с большой точностью считать, что максимальные отклонения от положения равновесия достигаются в моменты времени равные ![]() ![]() ![]() ![]() 7.4.Чему равен логарифмический декремент затухания колебаний и добротность системы, если амплитуда затухающих колебаний уменьшилась в 10 раз за 50 колебаний? Построить график зависимости ![]() 7.5. К пружине подвесили грузик, и она растянулась на 1 см. С каким периодом будет колебаться грузик в вертикальном направлении? Логарифмический декремент затухания равен 4. Построить график зависимости ![]() 7.6. Частицу сместили из положения равновесия на расстояние 1 см и предоставили самой себе. Какой путь пройдет, колеблясь, эта частица до полной остановки, если логарифмический декремент затухания равен 0.020? Построить график зависимости ![]() 7.7. Энергия затухающих колебаний маятника, происходящих в некоторой среде, за время 2 мин уменьшилась в 100 раз. Определите коэффициент сопротивления, если масса маятника 100 г. Построить график зависимости ![]() 7.8. На колеблющийся шарик массы m на пружинке жесткостью k действует сила трения ![]() ![]() 7.9. Найти добротность математического маятника длины 0.5 м, если за 5.2 минуты его полная энергия уменьшилась в ![]() ![]() 7.10. Измерены три последовательных амплитуды затухающих колебаний пружинного маятника 8.6, -4.1, 4.3 мм. Каково среднее положение осциллятора и логарифмический декремент затухания колебаний λ? 8. Вынужденные колебания. Резонанс 8.1. Найдите усредненные значения кинетической и потенциальной энергии гармонического осциллятора под действием внешней гармонической силы в режиме установившихся колебаний. Как они соотносятся между собой при различных значениях частоты вынуждающих колебаний? 8.2. При какой скорости поезда рессоры его вагонов будут особенно сильно колебаться под действием толчков колес о стыки рельс, если длина рельс 12.5 м, нагрузка на рессору 5.5 тонн и если рессора прогибается на 16 мм при нагрузке в 1 тонну? Построить амплитудно-частотную характеристику. 8.3. Человек массой 60 кг качается на качелях. Его движения описывается уравнением ![]() ![]() ![]() 8.4. Амплитуды смещений вынужденных гармонических колебаний при частотах 500 Гц и 600 Гц равны между собой. Найдите частоту, при которой амплитуда смещений максимальна 8.5. Амплитуды скорости вынужденных гармонических колебаний при частотах вынуждающей силы 500 Гц и 600 Гц равны между собой. Принимая, что амплитуда вынуждающей силы в обоих случаях одна и та же, найдите частоту, соответствующую резонансу скорости. 8.6. Оценить, через сколько времени установятся колебания в системе с добротностью ![]() ![]() 8.7. Найти добротность осциллятора, у которого отношение резонансной частоты к частоте затухающих колебаний равно 0.97. 8.8. При изменении частоты ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 8.9. Под действием момента сил ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 8.10. Шарик массы 50 г подвешен на пружинке жесткостью 20 Н/м. Под действием вынуждающей вертикальной гармонической силы с частотой 25 рад/с шарик совершает установившиеся колебания. При этом смещение шарика отстает по фазе от вынуждающей силы на ![]() 8.11. Через речку переброшена доска. Когда мальчик стоял неподвижно, она прогибалась на 10 см. Когда же он пошел со скоростью 3.6 км/час, то доска так раскачалась, что он упал в воду. Каков размер шага мальчика? 9. Релятивистская механика 9.1. Стержень движется в продольном направлении с постоянной скоростью относительно инерциальной К-системы отсчета. При каком значении скорости длина стержня в этой ИСО будет на 50% меньше его собственной длины? 9.2. Имеется прямоугольный треугольник, у которого катет ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 9.3. Найти собственную длину стержня, если в К-системе отсчета его скорость 0.5с, длина 1.00 м и угол между стержнем и направлением движения 45 градусов. 9.4. С какой скоростью двигались в К-системе отсчета часы, если за 5 с (в системе К) они отстали от часов этой системы на 0.1 с? 9.5. Собственное время некоторой нестабильной частицы 10 нс. Какой путь пролетит эта частица до распада в лабораторной системе отсчета, где её время жизни 20 нс? 9.6. В плоскости ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 9.7. Две частицы движутся навстречу друг другу со скоростями 0.5с и 0.75с по отношению к лабораторной системе отсчета. Найти: а) скорость, с которой уменьшается расстояние между частицами в лабораторной системе отсчета; б) относительную скорость частиц. 9.8. Найти скорость, при которой релятивистский импульс в 1.4 раза превышает её ньютоновский импульс. 9.9. Какую работу надо совершить, чтобы сообщить электрону скорость, равную а) 0.5с, б) 0.99с? 9.10. Найти скорость частицы, кинетическая энергия которой 500 МэВ и импульс 865 МэВ/с, где с- скорость света. |