- •Сборник заданий
- •Оглавление
- •Часть 1. Дифференциальные уравнения (ду) 1-го порядка.
- •Часть 1. Дифференциальные уравнения (ду) 1-го порядка.
- •1.1. Для заданного семейства кривых составить дифференциальное уравнение.
- •1.2. Решить дифференциальное уравнение с разделяющимися переменными.
- •1.3. Решить однородное дифференциальное уравнение.
- •1.4. Решить линейное дифференциальное уравнение.
- •1.6. Решить уравнение в полных дифференциалах.
- •1.5. Решить дифференциальное уравнение Бернулли.
- •1.7. Используя ду 1-го порядка, найти уравнение кривой с заданными свойствами.
- •1.8. Используя ду 1-го порядка, решить задачи из физики и химии.
- •1.9. Дополнительные задачи к Части 1: уравнения Лагранжа и Клеро.
1.8. Используя ду 1-го порядка, решить задачи из физики и химии.
Общие сведения.Далее рассматривается 6 типов Примеров по применению дифференциальных уравнений в задачах физики и химии. Каждый из Примеров использует параметры так, что в соответствующем Задании нужно заменить параметры указанными в Задании значениями и оформить (в соответствии с образцом!) решение.
Тип-1:
Пуля массой
,
двигаясь со скоростью
,
пробивает стену толщиной
и вылетает из неё со скорость
.
Принято, что сила сопротивления стены
зависит от скорости движения пули:
=
.
Необходимо найти время
движения пули в стене. Какой должна быть
толщина стенки
,
чтобы пуля вылетела из стенки со скоростью
=1.
Р
ешение:
Направление
оси координат
и векторов скорости соответствуют
рисунку.
Учитывая, что сила сопротивления
материала стены направлена против
движения пули, в соответствии с законом
Ньютона, запишем дифференциальное
уравнение:
=
. ![]()
1).
Дифференциальное уравнение
имеет тривиальное решение
,
которое для нас не представляет интереса.
Считая
,
запишем уравнение
в виде:
– уравнение с разделяющимися переменными.
Разделив переменные, получим уравнение:
. ![]()
2).
Интегрируя уравнение
,
получим:
,
или
(здесь учтено свойство произвольной
постоянной величины!).
3). Для
заданных начальных условий: в момент
времени
(момент касания пули с доской) скорость
пули:
.
Из формулы
вычисляем:
и записываем частное решение:
–
закон движения пули в доске при заданных
начальных условиях.
4).
Скорость пули в момент вылета из доски
равна
.
Используя закон движения пули в доске,
запишем равенство:
,
откуда вычисляем:
.
Замечание:
Рассчитать время
по формуле
невозможно, так как неизвестно отношение
массы к коэффициенту сопротивления
доски
.
5).
Продолжим решение задачи. Учитывая:
,
перепишем закон движения пули
в виде:
,
или в виде:
.
Для удобства, обозначим:
и перепишем уравнение:
– уравнение с разделяющимися переменными.
Разделим переменные:
,
или
.
6).
Интегрируя уравнение
,
получаем
.
Так как в момент времени
координата
,
можем вычислить
.
Из формулы
нетрудно получить
выражение:
.
Тогда выражение
для момента времени
принимает
вид:
.
Отсюда получаем:
.
7). Теперь
можно записать формулу для вычисления
времени движения пули в стене при
заданных условиях:
![]()
.
8). Если
пуля должна вылететь из стенки со
скоростью
=1,
то, используя
,
можем записать формулу для вычисления
соответствующей толщины стенки:
.
В этом случае формула для вычисления
времени движения пули в стене принимает
вид:
.
Ответ:
время движения пули в стене:
![]()
,
,
толщина
.
Тип-2:
Пусть имеется сосуд, наполненный
жидкостью до уровня
.
Известна зависимость площади
поперечного сечения от высоты
:
=
.
В дне сосуда имеется отверстие, площадь
которого
.
Через это отверстие жидкость вытекает.
Необходимо определить время
,
за которое уровень жидкости понизится
с начального уровня
до произвольного уровня
.
Также необходимо определить время
полного опорожнения сосуда. Будем
считать, что скоростьvистечения
жидкости из сосуда является известной
функцией
=
от уровня
жидкости в сосуде (напора).
Общая схема решения задачи и образец оформления:
1).
Пусть
высота жидкости в сосуде в некоторый
момент времени
равна
.
Количество жидкости
,
вытекшее из сосуда за промежуток времени
от
момента
до
,
можно вычислить как объём цилиндра с
площадью основания
и высотой
,
то есть:
=
.
2
).
С другой стороны, можем записать величину
,
наблюдая понижение уровня жидкости в
сосуде, используя закон:
=
.
В этом случае:
=
.
3).
Приравнивая два выражения для величин
,
получаем
уравнение:
=
– уравнение с разделяющимися переменными.
Так как
,
уравнение можно переписать в виде:
=–![]()
.
4).
Интегрируя уравнение, получаем общее
решение задачи:
=–![]()
=![]()
.
Это значит, что полное истечение жидкости
из сосуда произойдет за время:
=![]()
.
Замечание:
Если истечение жидкости происходит
через малое отверстие (или короткий
патрубок), то
,
где
–
ускорение силы тяжести,
–
эмпирический коэффициент (коэффициент
расхода).
Ответ:
время опорожнения сосуда до уровня h:
=![]()
.
Время полного опорожнения сосуда
потребует времени:
=![]()
.
Справка
(помощь):
При выполнении конкретного Задания
необходимо получить формулу
=
для указанной в Задании формы сосуда.
Ниже показано, как получить названную
формулу для используемых в Заданиях
сосудов.
Сосуд - прямой цилиндр: в основании круг радиуса R:
В этом
случае используем известную в элементарной
геометрии формулу для вычисления площади
круга радиуса
,
именно:
=
.
Сосуд
- прямой цилиндр: в основании эллипс с
полуосями
и
:
В этом
случае используем известную в
математическом анализе формулу для
вычисления площади эллипса с полуосями
и
,
именно:
=
.
Сосуд
- прямой конус: основания – круги радиусов
и
,
высота
:
В
соответствии с рисунком сначала получим
формулу для перевёрнутого конуса: нижнее
основание меньше верхнего.
Используя
подобие треугольников, выделяемых в
осевом сечении конуса (на рисунке оно
представлено как трапеция), легко
вычислить радиус круга сечения на уровне
,
именно:
=
,
или, используя диаметры оснований:
=
.
Нетрудно
заметить, в случае, когда нижнее основание
будет круг диаметра
,
а верхнее круг диаметра
,
формула для вычисления
может быть записана в виде:
=
,
или в виде:
=
.
В каждом
из указанных конических сосудов
вычисление площади сечения на уровне
определяется формулой:
=
.
Сосуд
– полусфера: нижняя её часть круг
радиуса
,
высота
:
В этом
случае используем известную в элементарной
геометрии формулу Пифагора и вычисляем:
=
.
После чего:
=
.
Тип-3:
Лодка замедляет свое движение под
действием сопротивления воды: движение
лодки происходит по инерции (гребецсушит весла!).
Масса лодки с гребцом
,
сила сопротивления движению лодки:
=
,
где
– скорость лодки. Начальная скорость
лодки равна
.
Известно (результат наблюдения!), что
скорость лодки:
.
В какой момент времени
скорость лодки станет равной
?
Какой путь
пройдет лодка до остановки?
Общая схема решения задачи и образец оформления:
1). Для решения задачи необходимо уточнить: система координат, используемая при решении задачи, связана с берегом реки и считается инерциальной. Это значит, что второй закон Ньютона в этой системе выполняется и можно записать дифференциальное уравнение:
, ![]()
2
).
Для удобства записи используемых
выражений обозначим:
и запишем уравнение в виде, удобном
для интегрирования:
=
. ![]()
3).
Интегрируя
,
получаем общее решение:
,
где
–
начальная скорость движения лодки.
Следует обратить внимание на то, что в
задаче не определены ни движущаяся
масса, ни коэффициент трения лодки о
воду – это дополнительные волнения для
того, кто решает задачу!.. Но, мы имеем
дополнительные сведения (легко
устанавливается экспериментально!),
которые позволят вычислить коэффициент
и полностью определить закон движения
лодки.
4). Так
как по условию:
,
то можем записать:
.
Это значит, что параметр торможения:
=
.
Теперь закон движения лодки определён:
.
![]()
5).
Вычислим
,
когда скорость лодки станет равной
:
.
![]()
6).
Вычислим путь
,
который пройдет лодка до остановки.
Учитывая, скорость есть производная
перемещения, запишем:
.
Принимая начальное положение лодки
,
запишем:
=
=
=
. ![]()
Замечание: при вычислении несобственного интеграла учтено, что для верхнего предела значение этого интеграла равно нулю!
Ответ:
Вычисление всех необходимых величин
определяется формулами:
.
Тип-4:
Яхта (её полная масса с грузом и экипажем
равна
)
замедляет свое движение под действием
сопротивления воды, которое пропорционально
(коэффициент пропорциональности
)
скорости яхты, и под действием сопротивления
воздуха, которое пропорционально
(коэффициент пропорциональности
)
квадрату скорости. Необходимо получить
общее решение и определить схему
проведения эксперимента, позволяющего
вычислить коэффициенты
и
для данной (!) яхты.
Общая схема решения задачи и образец оформления:
1). Для решения задачи необходимо уточнить: система координат, используемая при решении задачи, связана с берегом реки и считается инерциальной. Это значит, что второй закон Ньютона в этой системе выполняется и можно записать дифференциальное уравнение:
,
или
. ![]()
В
уравнении
используются: обозначения:
=
,
=
и
=
.
2
).Из
исходной записи уравнения видим решение:
=0,
то есть
=0.
Это решение тривиальное:
нас не интересует!
3).
Уравнение
соответствует
стандартной записи дифференциального
уравнения Бернулли, для случая, когда
=2,
где
=
,
=–
.
4). Решаем
уравнение
по общему для уравнения Бернулли
алгоритму. Применяя подстановку:
=
,
получим линейное дифференциальное
уравнение 1-го порядка в стандартной
форме записи:
, ![]()
где
коэффициенты обозначают величины:
=
=
и
=
=
.
5).
Применяем подстановку
=
,
где
=
и
=
.
Вычисляем интеграл:
и записываем функцию
=
.
В нашем случае
=
=
→
=
.
5).
Вычисляем интеграл
=
+
.
В нашем случае:
+
=
+
.
Обозначив дробь
=
=
,
получим
=
.
6). Записываем:
=
=
∙
– общее решение уравнения, где
=
.
В нашем случае:
=
=
=
,
где
=
.
Переходя к обозначениям переменных,
принятым в уравнении
,
запишем:
=
–выражение для скоростияхты.
7). Если начальные
условия определены в виде:
=0
и
=
,
то закон движения яхты может быть записан
в виде:
,![]()
где величины
и
(на самом деле величины
и
)
подлежат экспериментальному определению.
8). Так как выражение, определяющее закон движения яхты содержит два неизвестных параметра, определяющих свойства конкретной яхты, то для их вычисления необходимо произвести два наблюдения-измерения:
▪ скорости
=
→ получим уравнение:
, ![]()
▪ скорости
=
→ получим уравнение:
. ![]()
9).
Используя результаты наблюдения:
уравнения
и
,
можем вычислить величины параметров:
и
(значит, величины
и
).
Это позволит получить формулу для
скорости конкретной яхты
при заданных начальных условиях.
Замечание:
Нетрудно заметить, что вычисление
величин
и
не будет простым: каждое из уравнений,
содержащих
и
,
нелинейное. Для облегчения необходимых
вычислений примем во всех заданиях
=0.
Ответ:
общее решение:
=
,
частное
решение:
.
Схема
эксперимента, позволяющего вычислить
коэффициенты
и
,
определена в тексте.
Тип-5:
Сила тока
в цепи с сопротивлением
,
индуктивностью
и напряжением
удовлетворяет уравнению:
.
Известно, что напряжение в цепи изменяется
в соответствии с законом:
,
где
и
.
В распоряжении специалиста имеется
амперметр и вольтметр, и он может в любой
момент времени
измерить ток
в цепи и напряжение на любом участке
цепи. Специалисту неизвестны величины
и
.
Необходимо, найдя закон изменения тока
в цепи, определить схему проведения
эксперимента, позволяющего вычислить
неизвестные величины сопротивления и
индуктивности цепи. Для простоты
вычислений примем начальные условия:
при
=0
наблюдали ток
=0.
Общая схема решения задачи и образец оформления:
1).
Приведём
заданное дифференциальное уравнение
к стандартной форме линейного уравнения
относительно
с постоянными коэффициентами:
,
или
. ![]()
где
обозначено (для удобства записи
последующих выражений решения):
и
.
2). В
соответствии со стандартным алгоритмом
решения линейного уравнения 1-го порядка
примем:
=
=
,
где
=
,
=
.
3
).
Вычисляем интеграл:
=
=
.
Получаем:
=
=
.
4). Вычисляем
функцию:
=
.
В нашем случае:
=
+
=
+
,
где (для удобства) примем:
=
.
Вычисление интеграла
может быть выполнено применением метода
интегрирования по частям. Окончательно:
=
.![]()
5). Запишем общее
решение уравнения:
=
=
.
6).
Используя начальные условия:
=0,
вычисляем значение
–
это подтверждает удобство записи
=
.
Частное решение:
=
–
закон изменения тока в исследуемой
электрической цепи.
Если учесть обозначения:
и
,
то
=
. ![]()
7).
Так как выражение
содержит два неизвестных параметра
и
,
определяющих свойства конкретной цепи,
то для их вычисления необходимо произвести
два наблюдения-измерения:
▪ в
произвольный момент времени
при помощи амперметра и вольтметра
измерить ток и напряжение на участке
сопротивления
,
затем вычислить:
=
, ![]()
▪ в
момент времени
измерить
→ получим уравнение, которое получается
подстановкой в выражение
величин
и
. ![]()
9).
Используя результаты наблюдения:
уравнения
и
,
можем вычислить величины параметров:
и
.
Это позволит получить закон изменения
тока в конкретной электрической цепи
при заданных начальных условиях.
Замечание:
Нетрудно заметить, что вычисление
величины
не будет простым!..
Ответ:
частное
решение:
=
.
Схема
эксперимента, позволяющего вычислить
коэффициенты
и
,
определена в тексте.
Тип-6:
Замечено, что при радиоактивном распаде
некоторого вещества за время
число распавшихся атомов
определяется величиной
,
где
−
число не распавшихся в момент времени
атомов. Это значит, что процесс
радиоактивного распада может быть
определён дифференциальным уравнением:
=
.
В результате решения дифференциального
уравнения получили закон радиоактивного
распада вещества, который определяется
выражением:
=
,
где
− число не распавшихся в момент времени
атомов. Используя понятие период
полураспада для конкретного изотопа,
вычислить какая часть атомов этого
изотопа распадётся за время
.
Общая схема решения задачи и образец оформления:
1). Так
как за время
распадается половина атомов, то можем
записать:
,
откуда легко вычисляем:
.
Используя параметр
,
запишем:
=![]()
2). Зная
величину
,
для заданного времени
вычисляем
.
После этого нетрудно определить какая
часть атомов этого изотопа распадётся
за время
:
.
Закон
радиоактивного распада вещества
определяется выражением:
=
,
где
− число не распавшихся в момент времени
атомов. Используя параметр − период
полураспада для конкретного изотопа,
вычислить какая часть атомов этого
изотопа распадётся за время
,
если
и
.
Совет:
для вычисления величины
воспользоваться максимально простой
формулой!
Задание 1.8. Решить задачи из физики и химии:
1.8.1.Пуля массой
,
двигаясь со скоростью
=500
,
пробивает стену толщиной
=
и вылетает из неё со скорость
=100
.
Принято, что сила сопротивления стены
зависит от скорости движения пули:
=
.
Необходимо найти время
движения пули в стене. Какой должна быть
толщина стенки
,
чтобы пуля вылетела из стенки со скоростью
=1.
1.8.2.Определить время опорожнения сосуда,
заполненного водой. Форма сосуда −
цилиндр: в основании круг радиуса
,
высота
.
Отверстие внизу круглое, его диаметр
.
Эмпирический коэффициент расхода воды
.
1.8.3.Лодка замедляет свое движение под
действием сопротивления воды: движение
лодки происходит по инерции (гребецсушит весла!).
Масса лодки с гребцом
,
сила сопротивления движению лодки:
=
,
где
– скорость лодки. Начальная скорость
лодки равна
.
Известно (результат наблюдения!), что
скорость лодки:
.
В какой момент времени
скорость лодки станет равной
?
Какой путь
пройдет лодка до остановки?
1.8.4.Яхта (её полная масса с грузом и экипажем
равна
),
имея начальную скорость
,
замедляет свое движение под действием
сопротивления воды, которое пропорционально
(коэффициент пропорциональности
)
скорости яхты, и под действием сопротивления
воздуха, которое пропорционально
(коэффициент пропорциональности
)
квадрату скорости. Решив дифференциальное
уравнение, получили закон движения яхты
в виде
,
где величины
=
и
=
(значит, величины
и
)
подлежат экспериментальному измерению.
В результате наблюдения за движением
яхты была получена информация: в момент
времени
измерена скорость
,
а в момент времени
скорость
.
Вычислить коэффициенты
и
для данной (!) яхты.
1.8.5.Сила тока
в электрической цепи с сопротивлением
,
индуктивностью
и напряжением
,
где
и
,
удовлетворяет уравнению:
.
Для решения уравнения были определены
начальные условия: при
=0
наблюдали ток
=0.
Для заданных начальных условий получено
частное решение уравнения в виде:
.
В распоряжении специалиста имеется
амперметр и вольтметр, и он может в любой
момент времени
измерить ток
в цепи и напряжение на любом участке
цепи. Специалисту неизвестны величины
и
.
Имея закон изменения тока в цепи,
специалист определил схему проведения
эксперимента, позволяющего вычислить
неизвестные величины сопротивления и
индуктивности цепи:
▪ в
произвольный момент времени
измерил электрический ток:
и напряжение на участке сопротивления
:
.
На
основании полученных результатов
измерений вычислить сопротивление
участка цепи и индуктивность
.
Точность
вычисления
и
определяет автор решения Задания.
1.8.6.Закон радиоактивного распада вещества
определяется выражением:
=
,
где
− число не распавшихся в момент времени
атомов. Используя параметр − период
полураспада для конкретного изотопа,
вычислить какая часть атомов этого
изотопа распадётся за время
=
,
если
.Совет: для
вычисления величины
воспользоваться максимально простой
формулой.
1.8.7.Пуля массой
,
двигаясь со скоростью
=600
,
пробивает стену толщиной
=
и вылетает из неё со скорость
=200
.
Принято, что сила сопротивления стены
зависит от скорости движения пули:
=
.
Необходимо найти время
движения пули в стене. Какой должна быть
толщина стенки
,
чтобы пуля вылетела из стенки со скоростью
=1.
1.8.8.Определить время опорожнения сосуда,
заполненного водой. Форма сосуда −
цилиндр: в основании эллипс, полуоси
которого:
и
,
высота
.
Отверстие внизу круглое, его диаметр
.
Эмпирический коэффициент расхода воды
.
1.8.9.Лодка замедляет свое движение под
действием сопротивления воды: движение
лодки происходит по инерции (гребецсушит весла!).
Масса лодки с гребцом
,
сила сопротивления движению лодки:
=
,
где
– скорость лодки. Начальная скорость
лодки равна
.
Известно (результат наблюдения!), что
скорость лодки:
.
В какой момент времени
скорость лодки станет равной
?
Какой путь
пройдет лодка до остановки?
1.8.10.Яхта (её полная масса с грузом и экипажем
равна
),
имея начальную скорость
,
замедляет свое движение под действием
сопротивления воды, которое пропорционально
(коэффициент пропорциональности
)
скорости яхты, и под действием сопротивления
воздуха, которое пропорционально
(коэффициент пропорциональности
)
квадрату скорости. Решив дифференциальное
уравнение, получили закон движения яхты
в виде
,
где величины
=
и
=
(значит, величины
и
)
подлежат экспериментальному измерению.
В результате наблюдения за движением
яхты была получена информация: в момент
времени
измерена скорость
,
а в момент времени
скорость
.
Вычислить коэффициенты
и
для данной (!) яхты.
1.8.11.Сила тока
в электрической цепи с сопротивлением
,
индуктивностью
и напряжением
,
где
и
,
удовлетворяет уравнению:
.
Для решения уравнения были определены
начальные условия: при
=0
наблюдали ток
=0.
Для заданных начальных условий получено
частное решение уравнения в виде:
.
В распоряжении специалиста имеется
амперметр и вольтметр, и он может в любой
момент времени
измерить ток
в цепи и напряжение на любом участке
цепи. Специалисту неизвестны величины
и
.
Имея закон изменения тока в цепи,
специалист определил схему проведения
эксперимента, позволяющего вычислить
неизвестные величины сопротивления и
индуктивности цепи:
▪ в
произвольный момент времени
измерил электрический ток:
и напряжение на участке сопротивления
:
.
На основании
полученных результатов измерений
вычислить сопротивление
участка цепи и индуктивность
.
Точность вычисления
и
определяет автор решения Задания.
1.8.12.Закон радиоактивного распада вещества
определяется выражением:
=
,
где
− число не распавшихся в момент времени
атомов. Используя параметр − период
полураспада для конкретного изотопа,
вычислить какая часть атомов этого
изотопа распадётся за время
=
,
если
.Совет: для
вычисления величины
воспользоваться максимально простой
формулой.
1.8.13.Пуля массой
,
двигаясь со скоростью
=700
,
пробивает стену толщиной
=
и вылетает из неё со скорость
=200
.
Принято, что сила сопротивления стены
зависит от скорости движения пули:
=
.
Необходимо найти время
движения пули в стене. Какой должна быть
толщина стенки
,
чтобы пуля вылетела из стенки со скоростью
=1.
1.8.14.Определить время опорожнения сосуда,
заполненного водой. Форма сосуда −
перевёрнутый конус: нижнее основание
круг диаметра
,
верхнее круг диаметра
,
высота
.
Отверстие внизу круглое, его диаметр
.
Эмпирический коэффициент расхода воды
.
1.8.15.Лодка замедляет свое движение под
действием сопротивления воды: движение
лодки происходит по инерции (гребецсушит весла!).
Масса лодки с гребцом
,
сила сопротивления движению лодки:
=
,
где
– скорость лодки. Начальная скорость
лодки равна
.
Известно (результат наблюдения!), что
скорость лодки:
.
В какой момент времени
скорость лодки станет равной
?
Какой путь
пройдет лодка до остановки?
1.8.16.Яхта (её полная масса с грузом и экипажем
равна
),
имея начальную скорость
,
замедляет свое движение под действием
сопротивления воды, которое пропорционально
(коэффициент пропорциональности
)
скорости яхты, и под действием сопротивления
воздуха, которое пропорционально
(коэффициент пропорциональности
)
квадрату скорости. Решив дифференциальное
уравнение, получили закон движения яхты
в виде
,
где величины
=
и
=
(значит, величины
и
)
подлежат экспериментальному измерению.
В результате наблюдения за движением
яхты была получена информация: в момент
времени
измерена скорость
,
а в момент времени
скорость
.
Вычислить коэффициенты
и
для данной (!) яхты.
1.8.17.Сила тока
в электрической цепи с сопротивлением
,
индуктивностью
и напряжением
,
где
и
,
удовлетворяет уравнению:
.
Для решения уравнения были определены
начальные условия: при
=0
наблюдали ток
=0.
Для заданных начальных условий получено
частное решение уравнения в виде:
.
В распоряжении специалиста имеется
амперметр и вольтметр, и он может в любой
момент времени
измерить ток
в цепи и напряжение на любом участке
цепи. Специалисту неизвестны величины
и
.
Имея закон изменения тока в цепи,
специалист определил схему проведения
эксперимента, позволяющего вычислить
неизвестные величины сопротивления и
индуктивности цепи:
▪ в
произвольный момент времени
измерил электрический ток:
и напряжение на участке сопротивления
:
.
На основании
полученных результатов измерений
вычислить сопротивление
участка цепи и индуктивность
.
Точность вычисления
и
определяет автор решения Задания.
1.8.18.Закон радиоактивного распада вещества
определяется выражением:
=
,
где
− число не распавшихся в момент времени
атомов. Используя параметр − период
полураспада для конкретного изотопа,
вычислить какая часть атомов этого
изотопа распадётся за время
=
,
если
.Совет: для
вычисления величины
воспользоваться максимально простой
формулой.
1.8.19.Пуля массой
,
двигаясь со скоростью
=800
,
пробивает стену толщиной
=
и вылетает из неё со скорость
=200
.
Принято, что сила сопротивления стены
зависит от скорости движения пули:
=
.
Необходимо найти время
движения пули в стене. Какой должна быть
толщина стенки
,
чтобы пуля вылетела из стенки со скоростью
=1.
1.8.20.Определить время опорожнения сосуда,
заполненного водой. Форма сосуда −
конус: нижнее основание круг диаметра
,
верхнее круг диаметра
,
высота
.
Отверстие внизу круглое, его диаметр
.
Эмпирический коэффициент расхода воды
.
1.8.21.Лодка замедляет свое движение под
действием сопротивления воды: движение
лодки происходит по инерции (гребецсушит весла!).
Масса лодки с гребцом
,
сила сопротивления движению лодки:
=
,
где
– скорость лодки. Начальная скорость
лодки равна
.
Известно (результат наблюдения!), что
скорость лодки:
.
В какой момент времени
скорость лодки станет равной
?
Какой путь
пройдет лодка до остановки?
1.8.22.Яхта (её полная масса с грузом и экипажем
равна
),
имея начальную скорость
,
замедляет свое движение под действием
сопротивления воды, которое пропорционально
(коэффициент пропорциональности
)
скорости яхты, и под действием сопротивления
воздуха, которое пропорционально
(коэффициент пропорциональности
)
квадрату скорости. Решив дифференциальное
уравнение, получили закон движения яхты
в виде
,
где величины
=
и
=
(значит, величины
и
)
подлежат экспериментальному измерению.
В результате наблюдения за движением
яхты была получена информация: в момент
времени
измерена скорость
,
а в момент времени
скорость
.
Вычислить коэффициенты
и
для данной (!) яхты.
1.8.23.Сила тока
в электрической цепи с сопротивлением
,
индуктивностью
и напряжением
,
где
и
,
удовлетворяет уравнению:
.
Для решения уравнения были определены
начальные условия: при
=0
наблюдали ток
=0.
Для заданных начальных условий получено
частное решение уравнения в виде:
.
В распоряжении специалиста имеется
амперметр и вольтметр, и он может в любой
момент времени
измерить ток
в цепи и напряжение на любом участке
цепи. Специалисту неизвестны величины
и
.
Имея закон изменения тока в цепи,
специалист определил схему проведения
эксперимента, позволяющего вычислить
неизвестные величины сопротивления и
индуктивности цепи:
▪ в
произвольный момент времени
измерил электрический ток:
и напряжение на участке сопротивления
:
.
На основании
полученных результатов измерений
вычислить сопротивление
участка цепи и индуктивность
.
Точность вычисления
и
определяет автор решения Задания.
1.8.24.Пуля массой
,
двигаясь со скоростью
=900
,
пробивает стену толщиной
=
и вылетает из неё со скорость
=100
.
Принято, что сила сопротивления стены
зависит от скорости движения пули:
=
.
Необходимо найти время
движения пули в стене. Какой должна быть
толщина стенки
,
чтобы пуля вылетела из стенки со скоростью
=1.
1.8.25.Определить время опорожнения сосуда,
заполненного водой. Форма сосуда −
полусфера: нижнее основание круг радиуса
,
высота
.
Отверстие внизу круглое, его диаметр
.
Эмпирический коэффициент расхода воды
.
1.8.26.Лодка замедляет свое движение под
действием сопротивления воды: движение
лодки происходит по инерции (гребецсушит весла!).
Масса лодки с гребцом
,
сила сопротивления движению лодки:
=
,
где
– скорость лодки. Начальная скорость
лодки равна
.
Известно (результат наблюдения!), что
скорость лодки:
.
В какой момент времени
скорость лодки станет равной
?
Какой путь
пройдет лодка до остановки?
1.8.27.Яхта (её полная масса с грузом и экипажем
равна
),
имея начальную скорость
,
замедляет свое движение под действием
сопротивления воды, которое пропорционально
(коэффициент пропорциональности
)
скорости яхты, и под действием сопротивления
воздуха, которое пропорционально
(коэффициент пропорциональности
)
квадрату скорости. Решив дифференциальное
уравнение, получили закон движения яхты
в виде
,
где величины
=
и
=
(значит, величины
и
)
подлежат экспериментальному измерению.
В результате наблюдения за движением
яхты была получена информация: в момент
времени
измерена скорость
,
а в момент времени
скорость
.
Вычислить коэффициенты
и
для данной (!) яхты.
1.8.28.Закон радиоактивного распада вещества
определяется выражением:
=
,
где
− число не распавшихся в момент времени
атомов. Используя параметр − период
полураспада для конкретного изотопа,
вычислить какая часть атомов этого
изотопа распадётся за время
=
,
если
.Совет: для
вычисления величины
воспользоваться максимально простой
формулой.
Внимание.Задания по физике и химии оформляются отдельным документом и подлежат коллективной защите: коллектив формируется по признаку типа Задания.
