- •З.Н. Есина практикум по физике Учебное пособие Кемерово 2010
- •Предисловие
- •Раздел I.Физические основы механики
- •1.1. Основные формулы
- •19. Связь разности фаз колебаний с расстоянием между точками среды , отсчитанными в направлении распространения колебаний ,
- •1.2. Примеры решения задач
- •1.3. Задачи для самостоятельного решения
- •Раздел II.Молекулярная физика. Термодинамика
- •2.1. Основные формулы
- •2.2. Примеры решения задач
- •2.3. Задачи для самостоятельного решения
- •Раздел III.Электростатика. Постоянный ток
- •3.1. Основные формулы (в единицах си)
- •3.2. Примеры решения задач
- •З.З. Задачи для самостоятельного решения
- •Раздел IV.Электромагнитизм
- •4.1. Основные формулы
- •4.2. Примеры решения задач
- •4.3. Задачи для самостоятельного решения
- •Раздел V.Оптика
- •5.1. Уравнения и формулы
- •5.2. Примеры решения задач
- •5.3. Задачи для самостоятельного решения
- •Литература
- •Справочные таблицы
- •1. Основные физические постоянные
- •2. Диэлектрическая проницаемость
- •3. Удельное сопротивление проводников
- •4. Плотность твёрдых тел
- •5. Плотность жидкостей
- •11. Массы атомов лёгких изотопов
- •12. Масса и энергия покоя некоторых частиц
- •13. Единицы си, имеющие специальные наименования
- •14. Множители и приставки для образования десятичных кратных и дольных единиц и их наименования
1.2. Примеры решения задач
Пример 1. Уравнение движения материальной точки вдоль оси имеет вид: , где A = 2 м, B = 1 м/с, C = 0,5 м/с3. Найти координату , скорость и ускорение точки в момент времени t = 2 c.
Решение: Координату найдем, подставив в уравнение движения числовые значения коэффициентов A,B,C и времени t:
.
Мгновенная скорость есть первая производная от координаты по времени:
В момент времени t = 2 c:
Ускорение точки найдем, взяв первую производную от скорости по времени:
.
В момент времени t = 2 c.
.
Пример 2. Тело вращается вокруг неподвижной оси по закону , где , , . Найти полное ускорение точки, находящейся на расстоянии r = 0,1 м от оси вращения, для момента времени t = 4 c.
Решение: Полное ускорение тела, движущегося по криволинейной
траектории, может быть найдено как геометрическая сумма тангенциального ускорения , направленного по касательной к траектории, и нормального ускорения , направленного к центру кривизны траектории (Рис. 1):
Рис. 1
Так как векторы и взаимно перпендикулярны, то абсолютное значение ускорения
(1)
Тангенциальное и нормальное ускорение точки вращающегося тела выражается формулой:
где - угловая скорость тела, - угловое ускорение. Подставляя найденные выражения для в формулу (1), находим
. (2)
Угловую скорость найдем, взяв производную от угла поворота по времени:
В момент времени t = 4 c угловая скорость = (20+2(-2)4) = 4 рад/с.
Угловое ускорение найдем, взяв первую производную от угловой скорости по времени:
Это выражение не содержит времени, следовательно, угловое ускорение данного движения постоянно. Подставляя найденные значения и , и заданное значение в формулу (2) получим
Пример 3. Шар массой , движущийся горизонтально с некоторой скоростью , столкнулся c неподвижным шаром массой . Шары абсолютно упругие, удар прямой, центральный. Какую долю своей кинетической энергии первый шар передал второму?
Решение: Доля энергии, переданной первым шаром второму, выразится отношением:
(1)
где – кинетическая энергия первого шара до удара, , - скорость и кинетическая энергия второго шара после удара.
Как видно из формулы (3), для определения надо найти . При ударе абсолютно упругих тел одновременно выполняются два закона сохранения: закон сохранения импульса и закон сохранения механической энергии. Пользуясь этими законами, найдем . По закону сохранения импульса, учитывая, что второй шар до удара покоился, получим.
(2)
по закону механической энергии
(3)
решая совместно уравнения (2) и (3), найдем
(4)
Подставим выражение (4) в формулу (1) и, сократив на , получим
.
Из полученного соотношения видно, что доля переданной энергии не изменится, если шары поменяются местами.
Пример 4. Через блок в виде сплошного диска, имеющего массу = 80 г. (Рис. 2) перекинута тонкая гибкая нить, к концам которой подвешены грузы с массами = 100 г и = 200 г. С каким ускорением будут двигаться грузы, если их предоставить самим себе? Трением нити пренебречь.
Error: Reference source not found
Рис. 2
Решение: Воспользуемся основными уравнениями динамики поступательного и вращательного движения. Для этого рассмотрим силы, действующие на каждый груз в отдельности и на блок. На первый груз действуют две силы: силы тяжести и сила упругости (сила натяжения нити) . Спроектируем эти силы на ось , которую направим вертикально вниз и напишем уравнение движения (второй закон Ньютона) в координатной форме:
(1)
Уравнение движения для второго груза запишется аналогично:
(2)
Под действием двух моментов сил и относительно оси , перпендикулярной плоскости чертежа, блок приобретает угловое ускорение . Согласно основному уравнению динамики вращательного движения
(3)
где момент инерции блока (сплошного диска) относительно оси z. Согласно третьему закону Ньютона, силы и по абсолютному значению равны силам и . Воспользовавшись этим, поставим в уравнение (3) вместо и выражения для и , получив их предварительно из уравнений (1) и (2):
После сокращения на и перегруппировки найденных членов найдем интересующее нас ускорение.
(4)
Отношение масс в правой части формулы (4) есть величина безразмерная.
Поэтому массы и можно выразить в граммах, так, как они даны в условии задачи. Ускорение надо выразить в единицах СИ. После подстановки получим:
Пример 5. Маховик в виде сплошного диска радиусом = 0,2 м и массой = 50 кг раскручен до частоты вращения = 480 мин-1 и предоставлен самому себе. Под действием силы трения маховик остановился через t = 50 с. Найти момент сил трения.
Решение: Для решения задачи воспользуемся основным уравнением динамики вращательного движения в виде:
(0)
где - изменение момента импульса маховика, вращающегося относительно оси z, совпадающей с геометрической осью маховика, за интервал времени , - момент внешних сил (в нашем случае момент сил трения), действующих на маховик относительно той же оси. Момент сил трения можно считать не изменяющимся с течением времени ( ), поэтому интегрирование уравнения (1) приводит к выражению
(0)
При вращении твердого тела относительно неподвижной оси изменение момента импульса:
(3)
где - момент инерции маховика относительно оси z, - изменение угловой скорости маховика. Приравняв правые части равенства (2) и (3) , получим
откуда
(4)
Момент инерции маховика в виде сплошного диска определяется по формуле
(5)
Изменение угловой скорости выразим через конечную и начальную частоты вращения, пользуясь соотношением . Подставив в формулу (4) найденное выражение и , получим
(5)
Проверим, совпадают ли размерности правой и левой частей равенства (5). Размерность левой части:
Размерность правой части:
что совпадает с размерностью левой части. Выпишем величины, входящие в формулу (5) и произведем вычисления: = 50 кг, = 0,2 м, = 480 мин, = 0, t = 50 с
Знак минус показывает, что силы трения оказывают на маховик тормозящее действие.
Пример 6. Точка совершает гармонические колебания с частотой 10 Гц (Рис. 3). В момент времени, принятый за начальный, точка имела максимальное смещение = 1 мм. Написать уравнение колебаний точки и начертить график.
Решение: Уравнение колебаний точки можно записать в виде
, (1)
или
, (2)
где - амплитуда колебаний, - циклическая частота, - время, и - начальные фазы, соответствующие форме записи (1) и (2). По определению, амплитуда колебаний
. (3)
Циклическая частота связана с частотой соотношением
. (4)
Начальная фаза колебаний зависит от формы записи. Если использовать формулу (1), то начальную фазу можно определить из условия в момент t = 0:
откуда
,
или
(5)
Изменение фазы на не изменяет состояния колебательного движения, поэтому можно принять
(6)
В случае второй формы записи получаем
или
По тем же соображениям, что и в первом случае, находим
. (7)
С учетом равенства (3) - (6) уравнения колебаний будут иметь вид:
где xmax = 1 мм = 10-3 м, v = 10 Гц.
Рис. 3