Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

int_kurs-podg_-ege_kasatkina-i_l_2012

.pdf
Скачиваний:
2563
Добавлен:
06.03.2016
Размер:
4.39 Mб
Скачать

Физика для старшеклассников и абитуриентов

Очевидно, что решить это уравнение, т.е. однозначно найти скорость v2 шара массой M после удара мы не можем, так как это уравнение содержит две неизвестных величины v1 и v2. Поэтому нам необходимо записать еще одно уравнение, в которое вошли бы эти же величины, и тогда решить два уравнения с двумя неизвестными мы смогли бы. Такое уравнение нам дает закон сохранения импульса, согласно которому импульс mv0 шарика массой m до удара равен сумме импульса этого же шарика mv1 и импульса Mv2 шара массой M после удара. По закону сохранения импульса:

mv0 = mv1 + Mv2.

(3)

Теперь нам предстоит решить систему уравнений (2) и (3) с двумя неизвестными v1 и v2. С первого взгляда кажется, что ничего сложного в этом решении нет, достаточно выразить ненужную нам неизвестную скорость v1 из уравнения (3) и подставить ее в уравнение (2). Тогда в нем останется только одна неизвестная скорость v2, которую мы и найдем. Но на самом деле этот путь приведет к громоздкому решению, поэтому мы пойдем другим путем. Действия, которые мы проделаем, стоит запомнить, чтобы потом решать подобные задачи, не испытывая особых затруднений.

Перенесем слагаемые mv12 и mv1 в обоих уравнениях влево (сократив в уравнении (2) двойки в знаменателях):

mv 2

mv

2 = Mv 2,

m(v 2

v

2) = Mv 2,

(4)

0

1

2

0

1

2

 

 

mv0 mv1 = Mv2,

 

 

(5)

 

m(v0 v1) = Mv2.

 

 

(6)

Теперь разделим левые и правые части уравнений (4) и (6) друг на друга:

m (v02 v12 )

Mv2

 

v2

v2

 

v2

 

=

2

,

0

1

=

2

.

m (v0 v1 )

Mv2

 

v0 v1

v2

Поскольку v02 v12 = (v0 v1) (v0 + v1), то, выполнив сокращения, получим:

v0 + v1 = v2.

Умножим каждый член этого уравнения на m, а затем сложим полученное выражение с уравнением (5). При этом

180

Раздел I. Механика

член, содержащий mv1, «уйдет» и мы легко найдем нужную нам скорость v2:

mv0 + mv1 = mv2

+

mv0 mv1 = Mv2

2mv0 = v2 (m + M)

откуда

v2

=

2mv0

.

 

 

 

m + M

Нам осталось подставить полученное выражение в уравнение (1), и задача будет решена:

 

1

 

 

2mv0

 

 

2

 

 

 

 

4

mv0

 

2

cos α = 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 1

 

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2gl m + M

 

 

 

 

2gl m + M

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

mv0

 

2

 

 

 

 

cos α = 1

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

gl

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m + M

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

mv0 2

 

 

 

 

 

Ответ: α = arc cos

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

gl m

M

 

 

 

 

 

 

С17. Ядро атома, имевшее кинетическую энергию Ek0, распалось на два осколка равной массы, которые разлетелись со скоростями v1 и v2. Под каким углом Dдруг к другу разлетелись осколки, если их общая кинетическая энергия после распада стала равна Ek?

Дано:

 

Решение

 

Ek0

 

Ядерные реакции, к которым относится и рас-

v1

 

пад ядра, сопровождаются излучением или погло-

v2

 

щением энергии. Поэтому здесь закон сохранения

Ek

 

механической (точнее, кинетической) энергии не

 

 

выполняется, т.е. кинетическая энергия ядра до

D — ?

 

 

распада Ek0 не равна сумме кинетических энергий

 

 

 

 

его осколков после распада.

Но всегда выполняется другой закон сохранения — закон

сохранения импульса, согласно которому импульс ядра до

распада равен сумме импульсов и его осколков после рас-

пада. Поскольку импульс — величина векторная, то этот закон в векторной записи примет вид:

181

Физика для старшеклассников и абитуриентов

 

 

 

p0 =

p1

+ p2.

Чтобы записать его в ска-

 

лярном виде, рассмотрим па-

 

раллелограмм со сторонами

 

m

и (рис. 135). Диагональ этого

 

параллелограмма по правилу

m

векторного сложения является

векторной суммой векторов

 

и .

 

 

По теореме косинусов

 

p1

α

p0

 

180°–α

p2

Рис. 135

p02 = p12 + p22 – 2p1p2 cos(180° – D) = = p12 + p22 + 2p1p2 cos D.

По определению импульса как произведения массы тела и его скорости имеем:

p0 = 2mv0, p1 = mv1, p2 = mv2.

 

С учетом этого

 

4m2v02 = m2v12 + m2v22 + 2mv1mv2 cos D,

 

откуда, сократив m2, получим:

 

4v02 = v12 + v22 + 2v1v2 cos D.

(1)

Здесь v0 — скорость ядра атома до разрыва нам не известна, но зато нам известна кинетическая энергия Ek0 ядра до распада. По формуле кинетической энергии

 

2mv2

 

2

=

EÊ0

 

k =

0

=

2, откуда v0

 

.

m

 

2

 

 

 

 

Правда, здесь есть не известная нам величина — масса осколка m. Но ее мы можем легко найти, зная общую кинетическую энергию осколков Ek после распада ядра и то, что эта общая кинетическая энергия равна сумме кинетических энергий осколков

 

 

 

E =

mv2

 

E =

mv2

 

 

 

 

 

 

1

 

и

2

.

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таким образом,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ek =

mv12

+

mv22

=

m

(v12

+ v22 ),

откуда m =

2Ek

 

.

 

 

2

2

 

 

 

2

2

 

 

2

 

 

 

 

 

 

v1

+ v2

182

Раздел I. Механика

Тогда

 

 

 

 

 

v02 =

 

Ek

 

(v12 + v22 ).

 

 

 

 

(2)

 

 

 

 

 

2E

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Подставив (2) в (1), мы сможем найти искомый угол:

4

 

Ek

 

(v12 + v22 ) = v12 + v22 + 2v1v2 cos α,

2E

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

Ek

 

(v12 + v22 )(v12 + v22 ),

2v1v2 cos α = 2

 

E

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

 

E

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2v1v2 cos α = (v12 + v22 ) 2

 

 

k

 

 

1 ,

 

 

 

E

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v2 + v2

 

 

 

E

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos α =

 

 

1

 

 

 

 

2

 

2

 

 

k

 

1 ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2v v

 

 

 

 

Ek

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

arc

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задача решена.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ответ:

 

arc

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С18. Небольшое тело соскальзывает с вершины полусферы радиусом R (рис. 136). На какой высоте h тело сорвется с поверхности полусферы и полетит вниз? Трение не учитывать.

Ep0

 

mg cosα

Ep+ Ek

 

mg sinα

 

α

h

α

α

 

 

 

 

mg

R

Рис. 136

Обозначим g ускорение свободного падения, v0 – начальную скорость тела на вершине полусферы, Ep0 — потенциальную энергию тела на вершине полусферы, Ep — потенциальную энергию тела на высоте h, Ek — кинетическую энергию тела на высоте h, v – линейную скорость тела в момент отрыва

183

Физика для старшеклассников и абитуриентов

от поверхности, m — массу тела, D — угол между радиусом, соединяющим тело с центром полусферы, и вертикалью, aц — центростремительное ускорение тела.

Дано: Решение

RПо закону сохранения механической энергии

gпотенциальная энергия тела Ep0 на вершине полу-

v0 = 0

сферы, т.е. на высоте, равной радиусу полусферы

h — ?

R, равна сумме его потенциальной Ep и кинетиче-

 

ской Ek энергий в любой другой точке, и значит,

D — ?

и в момент отрыва тела на высоте h:

 

 

 

 

Ep0 = Ep + Ek.

 

 

 

 

 

Здесь

Ep0 = mgR, Ep = mgh

и

E =

mv2

.

 

 

 

 

 

 

 

k

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тогда

mgR = mgh + mv2 ,

 

 

v2

 

 

 

 

gR = gh +

.

(1)

 

2

 

2

 

 

 

 

 

Для нахождения высоты h нам требуется определить линейную скорость тела v. Для этого воспользуемся вторым законом

Ньютона. В момент отрыва тела от поверхности полусферы на

него действует только сила тяжести mg, а сила реакции опоры становится равной нулю. Тело еще движется по окружности, поэтому центростремительное ускорение в каждой точке направлено по радиусу к центру полусферы. Спроецируем силу тяжести на радиус, соединяющий тело с центром полусферы в момент отрыва. Проекция mg cos D по второму закону Ньютона равна:

 

 

 

maц = mg cos D,

aц = g cos D.

Поскольку

 

 

 

 

aö =

v2

,

то

v2

= g cos D,

откуда v2 = gR cos D.

R

R

 

 

 

 

 

Но угол D нам тоже не известен. Однако, если вниматель-

но посмотреть на чертеж, то можно заметить такой же угол

между вектором силы тяжести mg и радиусом, проведенным к телу в момент отрыва. Эти углы равны как накрест лежащие при параллельных и секущей. Из линейного прямоугольного треугольника с гипотенузой R и прилежащим к углу Dкатетом h следует, что

184

Раздел I. Механика

 

 

cos α = h .

 

 

R

 

 

Тогда

 

 

 

v2 = gR h = gh.

 

(2)

R

 

 

 

Подставив (2) в (1), получим:

 

 

 

gR = gh + gh,

gR =

3 gh,

 

2

 

2

 

откуда

 

 

 

h = 2 R.

 

 

3

 

 

 

Ответ: h = 32 R.

 

 

 

С19. К концам двух вертикальных пружин одинаковой дли-

ны с жесткостями 10 Н/м и 30 Н/м подвешен стержень массой

3 кг длиной 2 м (рис. 137). На каком

 

 

 

расстоянии от конца стержня, к ко-

 

 

l

торому прикреплена пружина с

 

 

 

жесткостью 10 Н/м, надо подвесить

k1

 

k2

груз, чтобы стержень остался в го-

 

ризонтальномположенииипри этом

 

F1

F2

 

 

пружины удлинились на 20 см?

a

 

О

Обозначим k1 жесткость левой

l

b

пружины, k2 — жесткость правой

 

 

пружины, m — массу стержня,

 

2

mg

 

 

х — деформацию пружин, l

 

 

l1

длину стержня, l1 — расстояние

 

 

от левого конца стержня до точки

 

 

Рис. 137

подвеса груза, F1 —силу, вращающую стержень против часовой

стрелки, F2 — силу, вращающую стержень по часовой стрелке,

g — ускорение свободного падения, М — момент силы тяжести,

М1 — момент силы F1, М2 — момент силы F2.

 

Дано:

k1 = 10 Н/м k2 = 30 Н/м m = 3 кг

l = 2 м

х = 20 см

l1 — ?

Решение

Пусть слева будет пружина с меньшей жесткостью, а справа — с большей. К пружинам снизу прикреплен горизонтальный стержень, к центру которого приложена сила тяжести mg, и подвешен груз на расстоянии l1 от левого конца. Чтобы стержень принял горизонтальное положение, надо к нему подвесить груз. Равно-

185

Физика для старшеклассников и абитуриентов

весие наступит, когда сумма моментов, вращающих стержень вокруг точки подвеса О груза по часовой стрелке, будет равна сумме моментов сил, вращающих его вокруг этой же точки против часовой стрелки. Против часовой стрелки вращают стержень вокруг точки О сила тяжести и сила F2, равная по модулю силе упругости, возникающей в правой пружине при ее деформации. А по часовой стрелке вращает стержень сила F1, тоже равная силе упругости в левой пружине. Согласно правилу моментов сил момент М силы тяжести mg плюс момент М2 силы F2 равен моменту М1 силы F1:

М + М2 = М1.

(1)

Момент силы равен произведению этой силы и ее плеча. Плечом силы тяжести mg является расстояние от точки ее приложения к стержню С до точки О, т.е. длина отрезка СО,

равная, как это следует из чертежа, l12l , поэтому момент силы тяжести

 

 

l

 

M = mg l1

 

.

(2)

 

 

 

2

 

Момент силы F2, которая, согласно закону Гука, равна по модулю k2x, где х — одинаковое удлинение обеих пружин (ведь стержень остался горизонтальным), равен произведению этой силы и ее плеча. А плечом силы F2 является отрезок Оb, равный l – l1. Поэтому момент силы F2

Ì2 = F2 (ll1)= k2x(ll2 ).

(3)

Момент силы F1, которая по модулю равна k1x, равен произведению этой силы и ее плеча. А плечом силы F1 является отрезок аО = l1. Поэтому момент силы F1

M1 = F1l1 = k1xl1 .

(4)

Подставим правые части равенств (2), (3) и (4) в правило моментов (1), после чего, раскрыв скобки, найдем искомое расстояние l1:

mg l1 2l + k2x(ll1)= k1xl1.

Раскрываем скобки и находим l1:

mgl1 mg 2l + k2xl k2xl1 = k1xl1,

186

Раздел I. Механика

 

mgl1

xl1 (k1 + k2 )= mg

l

 

k2xl,

 

 

 

 

 

 

2

 

откуда

l =

l(mg−2k2x)

 

.

2(mgx(k1 + k2 ))

 

1

 

 

 

 

Задача в общем виде решена. Произведем вычисления. 20 см = 0,2 м.

м = 0,8 м.

Ответ: l1 = 0,8 м.

С20. С края полусферы радиусом R, вершина которой лежит на горизонтальной плоскости, по внутренней поверхности полусферы скатывается без трения маленький кубик массой m и ударяется о другой маленький кубик вдвое большей массы, лежащий в самом низу полусферы. Какое количество теплоты выделится в результате неупругого удара?

Обозначим Ер — потенциальную энергию кубика массой m на краю полусферы, Еk — кинетическую энергию этого кубика в нижней точке полусферы перед ударом, Еk общ — общую кинетическую энергию кубиков сразу после удара, Q — количество теплоты, выделившееся в результате удара, g — ускорение свободного падения, v — скорость скатившегося кубика непосредственно перед ударом, vобщ — общую скорость кубиков сразу после удара.

Дано: Решение

RПо закону сохранения энергии количество

m

теплоты, выделившейся в результате неупру-

2m

гого соударения кубиков, равно разности их

gобщей кинетической энергии сразу после удара и потенциальной энергии кубика на краю полу-

Q — ?

сферы:

 

Q = Еk общ Ер.

Общую кинетическую энергию и потенциальную энергию определим по формулам

 

 

(m + 2m)vîáù2

 

3mvîáù2

2

 

Еk общ

=

 

=

 

= 1,5mvîáù

и Ер = mgR.

2

2

 

 

 

 

 

187

Физика для старшеклассников и абитуриентов

С учетом этих равенств

 

 

Q = 1,5mv2

mgR = m(1,5v2

gR).

(1)

îáù

îáù

 

 

Общую скорость кубиков сразу после удара найдем по закону сохранения импульса. Согласно этому закону импульс скатившегося кубика непосредственно перед ударом равен суммарному импульсу обоих кубиков сразу после удара:

mv = (m + 2m)vобщ, откуда vобщ =

v

.

(2)

3

 

 

 

Скорость скатившегося кубика перед ударом найдем по закону сохранения механической энергии, согласно которому потенциальная энергия кубика на краю полусферы равна его кинетической энергии перед ударом:

Еk = Ер или

mv2

= mgR, откуда v = 2gR.

2

 

 

Подставим правую часть этого равенства в выражение (2):

vобщ =

2gR

.

(3)

3

 

 

 

Нам осталось подставить правую часть равенства (3) в формулу (1).

Q = m(1,5

2gR

gR) = mgR

1

1

= –

2

mgR.

9

3

3

 

 

 

 

 

Знак «минус» свидетельствует о том, что механическая энергия кубиков уменьшилась.

Ответ: Q = 32 mgR.

188

Раздел II. Молекулярная физика и термодинамика

Раздел II

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА

Формулы молекулярной физики

Формула концентрации молекул

n = N V

Здесь n — концентрация (м–3), N — количество молекул (безразмерное), V — объем (м3).

Формула плотности

ρ= m V

Здесь Uплотность вещества (кг/м3), m — масса вещества (кг), V – объем (м3).

Формула относительной молекулярной массы

Мr = 1mo

12 mC

Здесь Мr — относительная молекулярная масса (безразмерная), mo — масса одной молекулы (кг), mC — масса атома углерода (кг).

Формула количества вещества (количества молей)

Q = m M

Здесь Qколичество вещества (количество молей) (моль), m — масса вещества (кг), М — молярная масса (кг/моль).

Формулы массы одной молекулы

m0 =

m

m0 =

M

m0 = ρ

 

 

N

 

NA

n

Здесь m0 — масса одной молекулы (кг), m — масса вещества (кг), N — количество молекул (безразмерное), M — молярная

189

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]