- •Методичні вказівки та розв’язки задач з фізики. Розділ ’механіка’
- •Методичні вказівки та розв’язки задач з фізики. Розділ ’механіка’
- •Методичні вказівки
- •1. Вивчення та аналіз умови задачі:
- •2. Аналіз фізичних явищ та складання алгебраїчних рівнянь:
- •3. Розв’язок системи алгебраїчних рівнянь і знаходження шуканої величини
- •4. Аналіз одержаного результату та обчислення:
- •2. Кінематика Основні формули
- •Приклади розв’язування задач
- •Задачі для самостійної роботи
- •2. Динаміка Методичні вказівки
- •Основні формули
- •Приклади розв’язування задач
- •Задачі для самостійної роботи
- •3. Динаміка твердого тіла Методичні вказівки
- •Основні формули
- •Приклади розв’язування задач
- •Розв’язок:
- •Задачі для самостійної роботи
- •4. Робота. Енергія. Закони збереження Методичні вказівки
- •Основні формули
- •Приклади розв’язування задач
- •Задачі для самостійної роботи
- •Спеціальна теорія відносності
- •Приклади розв’язування задач
- •Задачі для самостійної роботи
Приклади розв’язування задач
Задача
2.1.
Тіло масою
рухається вздовж осі
за законом
,
де
і
- додатні сталі. Знайти значення сили
в момент часу
.
Розв’язок:
Дано: , де і - додатні сталі?
, =
= ?
Знайдемо швидкість тіла
=
(1)
та його прискорення:
=
=(
)’=
(2)
Згідно з ІІ законом Ньютона, сила дорівнює:
(3)
Підставимо = в формулу (3) і отримаємо:
Відповідь:
Задача 2.2.
В верхній точці похилої площини з кутом
нахилу до горизонту
=300,
закріплено блок, через який перекинута
невагома і нерозтяжна нитка. До кінців
нитки прив’язані вантажі масами
=
1кг і
= 0,5кг. Знайти: а) силу натягу нитки; б) за
який час вантаж
пройде шлях 60см від початку руху?
Тертя нитки та блоку відсутнє. Коефіцієнт
тертя вантажу
по похилій площині
=0,25.
Розв’язок:
Дано: = 1кг, = 0,5кг, =300, =0,25
а)
-?,
б)
б) 0,6м, -? |
Мал. 9. |
Будуємо рисунок, вказуючи стрілками сили, які діють на кожне з тіл. Сили прикладаються до центрів мас тіл (мал. 9).Виходячи з умови задачі, вводимо обмеження:
а) нитка невагома і нерозтяжна, тому прискорення обох тіл по модулю однакові;
б)
тертя між ниткою і блоком відсутнє, тому
модулі сил натягу нитки справа і зліва
від блоку будуть однакові (
).
Так
як
менше
,
то
можна очікувати,
що система тіл буде рухатися по
годинниковій стрілці. В цьому випадку
напрям сил,
що
діють на тіло,
показано на малюнку,
де
- сила тертя ковзання,
- сила реакції опори,
,
- сили натягу нитки,
і
- сили земного тяжіння.
Запишемо ІІ закон Ньютона для кожного з тіл:
(1)
(2)
Виберемо
систему відліку: для більшого тіла вісь
спрямуємо паралельно до поверхні похилої
площини, а вісь
– перпендикулярно до неї. Менше тіло
може рухатися тільки по вертикалі, тому
для нього вісь
паралельна напрямку руху.
Запишемо рівняння (1) в проекціях на осі і :
:
(1а)
:
(1б)
а рівняння (2) – в проекції на вісь :
:
(2а)
Знаходимо прискорення тіл,
розв’язуючи систему рівнянь (1а-2а). З
рівняння (2а) визначимо силу опори
:
=
,
а потім силу тертя:
,
підставимо в рівняння (1а) і отримаємо
систему рівнянь:
(3)
Додавши рівняння системи (3), визначимо прискорення тіл:
(4)
Підставимо числові значення в формулу (4):
=3,37
м/с2.
Знайдемо силу натягу нитки, підставивши числове значення прискорення в формулу (2а): = 1,20Н.
Рух тіл рівноприскорений,
тому шлях, пройдений від початку руху
за час
буде дорівнювати
=
,
звідки отримаємо час руху тіла:
Перевівримо розмірність:
=
Підставимо числові значення
=
=0,35с
Відповідь: = 3,37 м/с2, =1,20Н, =0,35с.
Задача
2.3.
Кулька масою 5г,
що може без тертя ковзати по горизонтальному
стержню,
зв’язана
невагомою пружиною (коефіцієнт пружності
50Н/м)
з стінкою,
куди вбито стержень. В момент часу
=0
кульку змістили вліво на відстань
=5мм
і відпустили. Знайти залежність від
часу координати
(
,
швидкості
і прискорення
кульки,
а також їх амплітудні значення.
Розв’язок:
Дано: = 50г=50*10-3кг.
=50Н/м
=5мм=5*10-3м.
( -?, -?, -?
-?,
-?,
-?
Запишемо ІІ закон Ньютона
для кульки в той момент,
коли кулька зміщена від положення
рівноваги (початку координат
)
на відстань
,
сила пружності завжди спрямована в
протилежну сторону від зміщення, тому
перед
взято знак ‘ - ‘.
, (1)
Запишемо прискорення як другу похідну від координати по часу:
(2)
Поділимо рівняння (2) на і отримаємо:
=
(3)
Розв’язком рівняння (3) є функція
, (4)
що описує гармонічні коливання,
- амплітуда коливань,
=
- циклічна частота коливань.
Взявши похідну від
по часу, отримаємо вираз для швидкості
кульки:
=
, (5)
де
- амплітуда швидкості.
Прискорення кульки - це похідна від швидкості по часу:
=
=
, (6)
де
- амплітуда прискорення кульки.
Обчислимо частоту
коливань:
=
=
=1000рад/с.
Підставимо числові значення:
= 5*10-2м, = 5*10-2*1000=50м/с, = 5*104м/с2.
Відповідь: = 5*10-2м, = 5*10-2*1000=50м/с, = 5*104м/с2
Задача 2.4. Круглий стальний брус діаметром 2мм і довжиною 16см розтягують силою 36кН. Знайти видовження бруса і напругу в ньому, якщо модуль пружності бруса 2*1010 кг/см2.
Розв’язок:
Дано:
=36*103 Н =2*1010 кг/м2
1)
|
Мал.
10. |
Площа
поперечного перетину бруса (Мал. 10):
.
В
идовження
бруса визначимо з закону Гука:
і отримаємо:
9.17см.
Відповідь: =9.17см.
Задача 2.5. Розрахувати модуль пружності кісткової тканини, якщо навантаження на зуб становить 50кг, площа поперечного перетину зуба 1см2, довжина зуба 2см, видовження 0,01.
Розв’язок:
Дано: =50 кг; =10-4м2
=2*10-2м; =10-3м
=?
Модуль пружності визначимо з закону Гука:
(1)
Сила, що діє на зуб, дорівнює:
, (2)
Підставивши вираз (2) в формулу (1), виразимо модуль пружності:
=108Па.
Відповідь: =108Па.
Задача
2.6.
Катер масою
= 500кг рухається по озеру прямолінійно
зі швидкістю
=5м/с.
В момент часу
=0
виключили двигун. Вважаючи силу опору
води пропорційною швидкості катера
(
=0,5кг/с),
знайти:
1)
час руху катера до зупинки: 2) шлях,
пройдений катером до зупинки.
Розв’язок:
Дано: =5м/с. = 500кг
= 0,5кг/с 1).
|
Мал.
11. |
Запишемо
ІІ закон Ньютона (в проекції на напрям
руху (Мал. 11)):
. (1)
Рівняння
(1) -це диференціальне рівняння з
розділеними змінними. Помноживши обидві
сторони рівняння (1) на
,
отримаємо:
=
(2)
Проінтегруємо
ліву частину рівняння (2) по
,
праву- по
(3)
і отримаємо:
(4)
Сталу
інтегрування
знайдемо з початкових умов: при:
швидкість
,
звідки
.
Підставимо в (4) і отримаємо:
,або
.
Залежність швидкості від часу: має
вигляд:
) (5)
Катер
зупиниться (його швидкість буде
дорівнювати нулю (
),
якщо час
.
Шлях, пройдений катером до зупинки, знайдемо, проінтегрувавши вираз (5) по часу:
=
-
Підставимо
межі інтегрування від 0 до
,
отримаємо шлях:
.
Перевіримо
розмірність:
Підставимо
числові значення:
=5км
Відповідь: = 5км.
Задача
2.7.
Знайти силу, з якою притягаються один
до одного: а) Земля і Сонце; б) Земля і
Місяць. Порівняти ці сили. Знайти
прискорення, яке надає Сонце Землі, якщо
вважати, що Земля рухається по коловій
орбіті. (Маса Сонця
=1,97*1030кг,
маса Землі
=5,96*1024кг,
маса Місяця
=7ґ.35*1022кг.
Середня відстань від Сонця до Землі
=1,496*1011м,
від Землі до Місяця
=3,84*108м,
середній радіус: Сонця
= 6,96*108м,
Землі
= 6,37*106м).
Розв’язок:
Дано: =1,97*1030кг, =6,96*108м, =6,37*106м, =5,96*1024кг, =7,35*1022кг =1,496*1011, =3,84*108м.
а)
|
Мал. 12. |
Космічні тіла - Сонце, планети
(Мал. 12) можна розглядати як матеріальні
точки, тому що відстань між ними набагато
більша, ніж їх розміри (відстань
між Сонцем і Землею набагато більша,
ніж їх розміри, а саме:
.
Згідно з законом Всесвітнього
тяжіння, на тіло масою
з боку Сонця діє сила
, де
і
-
маси тіл,
- відстань між ними,
=6,672*10-11м3/(кг*с2)
- гравітаційна стала (початок відліку
помістимо в центрі Сонця).
Знайдемо силу притягання Землі до Сонця:
=
=
Знайдемо силу притягання Місяця до Землі:
=
=
Порівняємо
=
=
.
Щоб
знайти прискорення, надане Сонцем Землі,
запишемо ІІ закон Ньютона:
,
звідки отримаємо прискорення Землі:
.
Підставимо числові значення:
=
=
2.
Якщо
вважати, що Земля рухається по колу з
доцентровим прискоренням:
,
то можна визначити лінійну швидкість
Землі:
=
=
.
Відповідь: = ; ; = ;
=
2;
=
.
Задача
2.8.
На
горизонтальній поверхні з коефіцієнтом
тертя
лежить тіло з масою
.
В момент часу
до нього приклали горизонтальну силу,
що залежить від часу
,
де
- сталий вектор. Знайти шлях, пройдений
тілом за перші
секунд руху.
Розв’язок:
Дано: , , ,
де
- - ? |
Мал.
13. |
Запишемо ІІ закон Ньютона (Мал. 13):
(1)
В прорекціях на осі:
:
(2)
:
(3)
З
рівняння (3) виразимо
і визначимо силу тертя:
=
,
підставимо її в рівняння (2), врахувавши,
що
:
(4)
і визначимо прискорення:
(5)
Знайдемо швидкість, проінтегрувавши вираз (5) по часу:
(6)
Тіло
починає рухатися в момент часу
,
коли сила тертя ковзання дорівнює
прикладеній силі, тобто виконується
умова:
,
звідки
Знайдемо шлях, пройдений тілом за час від до :
,
де
- момент часу, з якого почався рух. Якщо
,
то тіло не рухається, і тому шлях
.
Відповідь: = , де .
Задача 2.9. Якої тривалості мала би бути доба на Землі, щоб тіла на екваторі стали невагомими?
Розв’язок:
Дано: =6.4*106м; =?
|
|
|
Мал. 14. |
На
тіло, що знаходиться на поверхні Землі
(Мал. 14), діють: сила
всесвітнього
тяжіння
та сила реакції опори
.
Але Земля
обертається
і тіло рухається по колу з доцентровим
прискоренням:
.
Запишемо ІІ закон Ньютона в проекції на напрямок до центру Землі:
-
(1)
За умовою задачі, тіло маси невагоме, отже сила реакції опори дорівнює нулю ( = 0).
З формули (1) отримаємо швидкість тіла:
. (2)
За
один оберт тіло на екваторі проходить
шлях
.
Знайдемо час одного оберту Землі, це і буде тривалість земної доби:
(3)
Підставимо числові значення:
*6,4*106=1,41
години.
Відповідь: =1.41години.
Задача
2.10.
Літак виконує ’мертву петлю’ - описує
коло радіуса
=
500м в вертикальній площині зі швидкістю
360км/годину.
Знайти вагу льотчика масою
70кг
в нижній і верхній точках траєкторії.
Розв’язок:
Дано: 360км/год =100м/с =500м 70кг
|
|
Запишемо ІІ закон Ньютона:
(1)
Якщо літак знаходиться в верхній точці траєкторії (Мал. 15), то в проекції на вісь рівняння (1) буде мати вигляд:
:
(2)
З рівняння (2) виразимо силу реакції опори:
.
Прискорення літака доцентрове і дорівнює .
Вага льотчика в верхній точці за модулем дорівнює силі реакції опори:
=
(3)
Якщо літак знаходиться в нижній точці траєкторії, то рівняння (1) в проекції на вісь буде мати такий вигляд:
(4)
Визначимо
силу реакції опори
:
=
(5)
Вага льотчика в нижній точці траекторії:
=
(6)
Перевіримо розмірність отриманого результату:
=
=
Підставимо в формули (3) і (6) числові значення:
=
,
Відповідь:
.ї
Задача
2.11.
Велосипедист рухається по колу радіусом
зі швидкістю
.
На який кут нахиляється велосипедист
до площини дороги?
Розв’язок:
Дано:
= =?
На
велосипедиста діють
такі
сили (мал. 16):
- сила тертя,
- сила реакції дороги,
|
|
Ця сила проходить через центр ваги системи тіл, що складається з велосипедиста і велосипеда. Крім того, на систему тіл ще діє сила тяжіння , яка спрямована вертикально вниз. Застосуємо ІІ закон Ньютона:
(2)
Запишемо рівняння (3) в проекціях на осі і :
:
(3)
:
(4)
Враховуючи, що проекція прискорення велосипедиста на вісь - це доцентрове прискорення, отримаємо:
(5)
. (6)
Поділимо
рівняння (6) на рівняння (5), отримаємо
вираз
,
звідки кут
.
Підставимо
числові значення:
=860
Відповідь:
.
Задача 2.12. Естакада шляхопроводу має радіус кривизни 1000м. З якою силою тисне на естакаду в її найвищій точці автомобіль, маса якого
500кг і швидкість 120км/год?
Розв’язок:
Дано:
=1000
=?
|
|
На
автомобіль діють: сила тяжіння
і сила реакції опори
(мал.17).
Запишемо
II
закон Ньютона:
=
+
(1)
В
проекції на вісь
,
врахувавши, що прискорення автомобіля
доцентрове:
(2)
З
рівняння (2) виразимо силу реакції опори
і отримаємо силу, з якою автомобіль
тисне на естакаду:
Підставимо числові значення:
=
500(10-(33.32/1000))=4450
=4,45
Відповідь: =4,45 .
Задача 2.13. Призму, на якій знаходиться брусок, штовхнули вліво,
надавши
прискорення
.
При якому максимальному значенні цього
прискорення брусок буде залишатися
нерухомим відносно призми, якщо
коефіцієнт
тертя між бруском і призмою
.
Розв’язок:
Дано:
Запишемо рівняння ІІ закону Ньютона, врахувавши, що брусок |
|
знаходиться в неінерціальній системі відліку:
1)
Запишемо рівняння (1) в проекціях на осі (Мал. 18):
(2)
(3)
З формули (3) знайдемо силу тертя:
(4)
Врахувавши,
що за умовою задачі брусок нерухомий
(
)
та підставивши силу тертя в рівняня
(3), визначимо прискорення призми:
=
=
Розмірність отриманого результату очевидна.
Відповідь: = .
Задача 2.14. Поїзд масою 2000т рухається по північній широті 600 Визначити модуль і напрямок сили бічного тиску поїзда на рейки, якщо поїзд їде: а) вздовж меридіану зі швидкістю 54км/год; б) вздовж паралелі. Розв’язок:
Дано:
а)
б)
|
|
Визначимо кутову швидкість обертання Землі довкола своєї осі:
=
=
=0,072*10-3рад/с
(1)
Система відліку ’Земля’ є неінерціальною і на всі тіла, в тому числі і на поїзд, які рухаються в такій системі, діє сила Коріоліса (мал. 19):
=
(2)
(Кут - це кут між вектором кутової швидкості Землі і вектором швидкості поїзда). Підставимо числові значення:
= 2*2*106*15*0,072*10-3* 0,85 =3,74кН
Сила тиску поїзда на рейки (сила Коріоліса) буде спрямована на праву по ходу поїзда рейку. Якщо поїзд їде по паралелі, то: =00 і сила Коріоліса дорівнює:
=
=4,4кН
Відповідь: =3,74кН, на праву по ходу поїзда рейку, =4,4кН.в
