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

9_физ_3(динамика)

.pdf
Скачиваний:
264
Добавлен:
27.03.2016
Размер:
810.81 Кб
Скачать

2015-2016 уч. год, №3, 9 кл. Физика. Решение

 

 

 

 

 

ется на высоту H

1

at2

(вспомните кинематику). Исключая величину

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a из двух последних уравнений, найдём:

 

 

 

 

 

 

 

 

F mg

2mH1 .

 

 

 

 

(*)

 

 

 

 

t2

 

 

 

 

 

Аналогично, чтобы поднять груз за то же время на высоту H2 ,

надо

приложить силу

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F F mg 2mH2

,

 

 

 

(**)

 

 

 

 

t2

 

 

 

 

 

где F – искомое увеличение модуля силы F.

Из уравнений (*) и (**)

находим F 2m H2 H1 1H.

 

 

 

 

 

 

 

 

t2

 

 

 

 

 

 

 

● Задача 3. Чему равны силы натяжения нитей

abcdef

и

gh в

устройстве с подвижным блоком, изображённом на рисунке 8? Массы

тел соответственно равны m1 3кг и

m2 2кг

Нити лёгкие и нерастя-

жимые, массами блоков пренебречь.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

c

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T1

T1

a2

 

 

 

 

 

 

a1 T1

 

 

 

 

d g

e

 

T2

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T2

 

 

m1

h

 

 

 

 

 

 

 

 

m1g

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m2

 

 

 

 

m2g

 

 

Рис. 8

 

 

Рис. 9

 

 

 

Решение. Изобразим силы на рис. 9. Нить

abcdef

будет действо-

вать на тело массой m

и на левую и правую стороны подвижного бло-

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

ка с одинаковой силой T1 (нить лёгкая, блоки лёгкие). Нить

gh будет

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

действовать на подвижный блок и тело массой m2 с силами T2

(нить

лёгкая). Силы, действующие на нити и на неподвижный блок, не влия-

ют на ход решения задачи, и мы их изображать не будем.

 

 

 

2015, ЗФТШ МФТИ, Чугунов Алексей Юрьевич Курносов Валерий Михайлович

21

2015-2016 уч. год, №3, 9 кл. Физика. Решение

Выберем произвольно направления ускорений тел и направим координатную ось x вертикально вверх (см. рис. 9). Запишем уравнение (1), выражающее второй закон Ньютона, для обоих тел и для подвижного блока сразу в проекциях на координатную ось x:

m1a1 T1 m1g, m2a2 T2 m2 g, 0 2T1 T2 .

Последнее уравнение написано для подвижного блока с учётом того, что его масса равна нулю.

Записанные три уравнения содержат четыре неизвестных: T1, T2 , a1 и a2 . Необходимо добавить кинематическое условие, связывающее ускорения тел. Можно показать, что при наличии подвижного блока модуль ускорения тела массой m1 в два раза больше модуля ускорения тела массой m2 , то есть a1 2a2 (доказательство не приводим).

Мы получили четвёртое, недостающее, уравнение, с учётом которого написанные выше уравнения дают:

2m1a2= T1 m1 g, m2a2= 2T1 m2 g.

Отсюда находим a =

m2

2m1

g = 2, 8 м / c2 ,

 

 

 

 

 

 

2

m2

+ 4m1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T1

3m1m2 g

 

12,6 H.

 

 

 

m2

+ 4m1

 

 

 

 

 

 

 

 

Учитывая, что T2 2T1

, получим T2

 

6m1m2 g

25, 2 H . Знак минус у

m2

4m1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

проекции ускорения второго тела показывает, что на самом деле уско-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

рение a2 направлено в другую сторону, т. е. вверх вдоль оси Ox.

 

 

Проекция ускорения первого тела a 2a

5,6м/c2 .

 

Вновь знак

1

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

минус показывает, что на самом деле уско-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

рение a1 направлено в другую сторону, т. е.

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

N

 

 

 

 

 

вниз (противоположно оси Ox ). ●

 

a

 

x

o

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

● Задача 4. Шайба, брошенная вдоль

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

наклонной плоскости, скользит по ней, дви-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fтр

 

 

 

 

 

гаясь вверх, а затем возвращается к месту

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

броска. Наклонная плоскость составляет с

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

горизонтом угол . Коэффициент трения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

скольжения между шайбой и плоскостью

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

mg

 

 

равен . Чему равно ускорение шайбы при

 

 

 

 

 

 

 

движении а) вверх по наклонной плоскости,

 

 

Рис. 10

 

 

б) вниз по наклонной плоскости?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2015, ЗФТШ МФТИ, Чугунов Алексей Юрьевич Курносов Валерий Михайлович

22

Fтр.ск.

2015-2016 уч. год, №3, 9 кл. Физика. Решение

Решение. а) При движении вверх действующие на шайбу силы

изображены на рис. 10: mg – сила тяжести, Fтр.ск. – сила трения сколь-

жения, N – сила нормальной реакции опоры. Выберем инерциальную систему отсчёта и направим оси координат так, как показано на рис. 10. Ускорение шайбы направим вдоль наклонной плоскости вниз.

Запишем уравнение (1) второго закона Ньютона сразу в проекциях на оси координат:

Ox : ma mg sin N,

Oy : 0 N mg cos .

В первом уравнении мы учли, что сила трения скольжения равна

Fтр.ск. N . Записанные уравнения дают:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a sin cos g.

 

 

N

 

 

x

o

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fтр

 

б) При движении шайбы вниз по наклон-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

ной плоскости на неё действуют те же силы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(рис. 11), только направление силы трения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

скольжения поменялось на противополож-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ное, и теперь эта сила направлена вдоль

 

 

 

 

 

mg

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

наклонной плоскости вверх. Выберем инер-

 

 

 

Рис. 11

 

 

 

 

циальную систему отсчёта так же, как в предыдущем случае (рис. 11). Ускорение шайбы направим вдоль наклонной плоскости вниз.

Уравнение (1) в проекциях на оси координат даёт:

Ox : ma mg sin N,

Oy : 0 N mg cos .

(И вновь в первом уравнении мы учли, что сила трения скольженияN. ) Совместное решение написанных уравнений позволяет

найти ускорение шайбы: a sin cos g.

Если при подстановке конкретных числовых значений и выражение в скобках окажется отрицательным, то это будет означать, что на самом деле направление ускорения шайбы будет противоположно выбранному. ●

2015, ЗФТШ МФТИ, Чугунов Алексей Юрьевич Курносов Валерий Михайлович

23

2015-2016 уч. год, №3, 9 кл. Физика. Решение

*● Задача 5. На две частицы – одну массы m, летящую со скоро-

стью v, другую массы 2m, летящую со скоростью 2v перпендикулярно к первой (рис. 12), в течение некоторого одинакового промежутка времени действуют одинаковые по модулю и направлению силы. К моменту прекращения действия сил первая частица начинает двигаться в обратном направлении со скоростью 2v . С какой скоростью будет двигаться при этом вторая частица?

Решение. Векторная разность конечного и начального импульсов первой частицы равна импульсу I действовавшей на неё силы (рис. 13).

Его модуль равен I 3mv. Такой же импульс силы I действовал на вторую частицу. Её конечный импульс 2mv2 равен векторной сумме её

начального импульса 2m2v и импульса силы

 

I (рис. 13). Используя

теорему Пифагора, находим скорость v2 , а именно:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2mv2

 

2m2v 2

I 2 5mv.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Откуда v2

 

v. Направление вектора v2 определим углом к на-

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

правлению

 

 

начального

импульса

 

 

частицы. Очевидно, что

tg =

I

 

=

3mv

=

3

.*

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4mv

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

=3mv

 

 

 

 

4mv

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2v

 

 

 

 

 

 

 

2m

 

 

 

 

2mv

 

m mv

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2m v2

 

2m2v

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

 

 

 

v

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I =3mv

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2v

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 13

 

 

2015, ЗФТШ МФТИ, Чугунов Алексей Юрьевич Курносов Валерий Михайлович

24

2015-2016 уч. год, №3, 9 кл. Физика. Решение

Контрольные вопросы

1.Наблюдатель Петя расположился в школьной лаборатории, и наблюдает за прямолинейным движением шарика по столу. Является ли связанная со столом система отсчёта абсолютно инерциальной?

2.На материальную точку действуют две силы: 3H и 9 H. Может

ли равнодействующая этих сил быть равной:

1) 15 H; 2) 5 H; 3) 10 H; 4) 20 H; 5) 12 H?

Выберите правильные варианты ответа и поясните свой выбор рисунком.

3. По горизонтальной поверхности асфальтированной дороги равномерно движется автомобиль. Какие силы действуют на автомобиль? Какая сила приводит его в движение?

4. Если брусок тянуть с силой F1= 6 Н, то ускорение будет a1 3 м/с2 . С какой силой нужно тянуть в два раза более тяжёлый бру-

сок, чтобы ускорение было в три раза меньше? Сопротивлением движению пренебречь. Напишите ответ и обоснуйте его.

5. Брусок массой m 4 кг движется посту-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

пательно по горизонтальной плоскости под

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

действием постоянной силы, направленной

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

g

под углом 30 к горизонту (см. рис. 14).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Модуль

этой силы F 12 Н. Модуль силы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

трения,

действующей на брусок, Fтр 2,8 H.

 

 

Рис. 14

Чему равен коэффициент трения между брус-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ком и плоскостью? (По мотивам дем. варианта ЕГЭ, 2015 г).

6. Найдите ускорение свободного падения на поверхности Юпитера, если его масса в 317 раз больше массы Земли, а его радиус в 11 раз пре-

вышает земной. МЗ 6 1024 кг, RЗ 6400 км. Поясните свой ответ.

7. На резиновом шнуре длиной 20 см подвесили груз массой 200 г. При этом шнур удлинился на 4 см. На сколько удлинится этот же резиновый шнур, если к нему подвесить тот же самый груз, но предварительно шнур сложить вдвое? Чему равен коэффициент упругости шнура? (Считать, что деформации резины подчиняются закону Гука). (Ветхозаветная история)

8.На горизонтальном столе лежит кирпич размером 0,3м 0,1м 0,15м своим большим основанием. К кирпичу прикладывают горизонтальную силу 40 Н для равномерного движения кирпича вдоль стола. Какая сила трения будет действовать на кирпич, если его повернуть на наименьшее основание, а сверху положить ещё один такой же кирпич? Коэффициент трения остаётся неизменным.

(По мотивам дем. варианта ЕГЭ, 2009 г.)

2015, ЗФТШ МФТИ, Чугунов Алексей Юрьевич Курносов Валерий Михайлович

25

Рис. 15

2015-2016 уч. год, №3, 9 кл. Физика. Решение

9*. Первоначально неподвижное тело, находящееся на горизонтальной поверхности, начали тянуть за привязанную к нему верёвку с постоянной горизонтальной силой F. Через время t действие этой силы прекратилось. Какая сила трения действовала на тело во время его движения, если оно остановилось спустя время 3 t после начала движения?

10. На горизонтальном столе лежит деревянный брусок. Коэффициент трения между поверхностью стола и бруском 0,1. Если прило-

жить к бруску силу, направленную вверх под углом 45 к горизонту, то брусок будет двигаться по столу равномерно. С каким ускорением будет двигаться этот брусок по столу, если приложить к нему такую

же по модулю силу, направленную вверх под углом 30 к горизонту? (По мотивам ЕГЭ 2011 г.)

Задачи

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Брусок, касающийся вертикальной стены, удержива-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ется в неподвижном состоянии силой

F ,

направленной

 

 

 

 

 

 

 

g

 

под углом 60 к горизонту (см. рис.

15). Коэффициент

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

60о

трения между бруском и стеной равен

3

 

 

. Для того что-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F

 

бы брусок не скользил вниз, минимальное значение моду-

 

 

 

 

 

 

ля силы F должно быть равно F 20 Н.

Найдите массу

 

 

 

 

 

 

бруска. Ответ выразите в кг и округлите до десятых долей.

2.У бруска одна сторона гладкая, а другая шероховатая.

Если его положить на наклонную плоскость шероховатой стороной, он будет лежать на грани соскальзывания. С каким ускорением брусок будет соскальзывать, если его перевернуть? Коэффициент трения между шероховатой поверхностью бруска и наклонной плоскостью m 0,2.

3. С какой наименьшей силой нужно тол-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

кать перед

собой тележку, масса которой

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

g

m 12 кг, для того чтобы сдвинуть её с места?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сила направлена вдоль ручки тележки и со-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ставляет с

горизонтом угол a 30 (см.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

рис. 16), а коэффициент трения между полом и

F

тележкой m 0,4?

Рис. 16

 

 

 

2015, ЗФТШ МФТИ, Чугунов Алексей Юрьевич

 

Курносов Валерий Михайлович

 

26

2015-2016 уч. год, №3, 9 кл. Физика. Решение

4.Два одинаковых груза массой 100 г каждый подвешены на концах невесомой и нерастяжимой нити, перекинутой через невесомый блок с неподвижной осью. На один из них кладут перегрузок массой 20 г, после чего система приходит в движение. Найдите модуль силы F, действующей на ось блока во время движения грузов. Трением пренебречь. (По мотивам ЕГЭ 2012 г.)

5.Тело находится у основания наклонной плоскости с углом при основании 30 . Коэффициент трения о поверхность равен m 0,6 и масса тала 2 кг. Сколько времени тело будет двигаться по наклонной плоскости, если его толкнуть вверх вдоль плоскости со скоростью 20 м/с?

g 9,8 м/с2

6.Вдоль наклонной плоскости с углом при основании 30 скользят два тела, скреплённые друг с другом пружиной с коэффициентом жёсткости 100 Н/м. Коэффициент трения верхнего тела, массой 4 кг, о поверхность равен 0,5, а для нижнего, массой 7 кг, равен 0,2. На сколько будет растянута пружина при движении тел?

7.В изображённой на рисунке 17 системе нижний брусок может двигаться по наклонной плоскости, составляющей с горизонтом угол

30 , а верхний брусок – вдоль наклон-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ной плоскости, составляющей с горизонтом

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

некоторый угол . Коэффициент трения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

g

между нижним бруском и наклонной плос-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

костью равен 0,2, трение между верх-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ним бруском и наклонной плоскостью от-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

сутствует. Считая соединяющую бруски

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 17

нить очень лёгкой и нерастяжимой, и прене-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

брегая массой блока и трением в его оси, найдите, при каких значениях угла нить будет натянута.

(По мотивам ЕГЭ 2011 г.)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8. На плоскости, образующей угол a с го-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

ризонтом, лежит шайба массой m (рис. 18).

 

 

Какую минимальную силу надо приложить к

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

g

 

 

 

 

 

F

шайбе в горизонтальном направлении вдоль

 

 

 

 

 

 

 

плоскости, чтобы она сдвинулась? Коэффи-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 18

циент трения равен k.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2015, ЗФТШ МФТИ, Чугунов Алексей Юрьевич

 

 

 

 

 

 

 

Курносов Валерий Михайлович

 

 

 

 

 

 

 

27

2015-2016 уч. год, №3, 9 кл. Физика. Решение

 

 

 

9*. На покоящееся тело массы m1 налета-

 

 

 

ет со скоростью v тело массы m2 . Сила,

F

 

 

возникающая при взаимодействии тел, ли-

F0

 

 

нейно зависящая от времени, растёт от нуля

 

 

 

до значения F0 за время t0 , а затем равно-

 

 

 

мерно убывает до нуля за то же время t0

t0

2t0

t

(рис. 19). Определите скорость тел после

Рис. 19

 

 

взаимодействия, считая, что все движения

 

 

 

 

 

происходят вдоль одной прямой.

 

 

 

10*. Грузы массой m и М связаны нитя-

 

ми (рис. 20). Угол наклона плоскости,

на

g

которой лежит груз, к горизонту равен

a.

 

Коэффициент трения груза

m о плоскость

M

равен m. Найти ускорение

груза М для

 

промежутка времени, в течение которого он

Рис. 20

опускается.

 

 

 

 

 

2015, ЗФТШ МФТИ, Чугунов Алексей Юрьевич Курносов Валерий Михайлович

28

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]