5. Механика: анализ физических процессов: Кинематика, динамика, законы сохранения
Из начала декартовой системы координат в момент времени $t = 0$ тело (материальная точка) брошено под углом к горизонту. В таблице приведены результаты измерения координат тела $x$ и $y$ в зависимости от времени наблюдения. Выберите все верные утверждения на основании данных, приведенных в таблице.
УТВЕРЖДЕНИЯ:
$1.$ В момент времени $t = 0.4$ с скорость тела равна $3$ м/с.
$2.$ Проекция скорости $V_y$ в момент времени $t = 0.2$ с равна $2$ м/с.
$3.$ Тело бросили со скоростью $6$ м/с.
$4.$ Тело бросили под углом $45^\circ$.
$5.$ Тело поднялось на максимальную высоту, равную $1.2$ м.
Определение зависимостей координат от времени:
Из таблицы видно, что:
Координата $x$ изменяется линейно: $x(t) = 3t$.
Координата $y$ описывается квадратичной зависимостью: $y(t) = 4t- 5t^2$.
Тогда проекции скорости:
$$V_x(t) = 3\,\text{м/с}, \quad V_y(t) = 4- 10t\,\text{м/с}.$$
Проверка утверждений:
Утверждение $1$:
При $t = 0.4$ с:
$$V_x = 3\,\text{м/с}, \quad V_y = 4- 10 \cdot 0.4 = 0\,\text{м/с}. $$ Полная скорость:
$$V = \sqrt{V_x^2 + V_y^2} = \sqrt{3^2 + 0^2} = 3\,\text{м/с}. $$ Верно.
Утверждение $2$:
При $t = 0.2$ с: $$V_y = 4- 10 \cdot 0.2 = 2\,\text{м/с}. $$ Верно.
Утверждение $3$:
Начальная скорость ($t = 0$): $$V_{x0} = 3\,\text{м/с}, \quad V_{y0} = 4\,\text{м/с}. $$
Полная начальная скорость: $$ V_0 = \sqrt{3^2 + 4^2} = 5\,\text{м/с} \neq 6\,\text{м/с}. $$ Неверно.
Утверждение $4$:
Тангенс угла броска: $$\tg \alpha = \frac{V_{y0}}{V_{x0}} = \frac{4}{3} \approx 1.33 \Rightarrow \alpha \approx 53.1^\circ \neq 45^\circ. $$ Неверно.
Утверждение $5$:
Максимальная высота соответствует $y(t) = 0.8$ м (при $t = 0.4$ с).
Неверно.
Ответ:
Верными являются утверждения $1$ и $2$.
На шероховатой поверхности лежит брусок массой $m = 1\,\text{кг}$. На него начинает действовать горизонтальная сила $F$, направленная вдоль поверхности. Зависимость силы от времени представлена на графике слева, а зависимость работы этой силы от времени — на графике справа. Выберите все верные утверждения на основании анализа представленных графиков.
УТВЕРЖДЕНИЯ:
$1.$ Первые $10\,\text{с}$ брусок двигался с постоянной скоростью.
$2.$ За первые $10\,\text{с}$ брусок переместился на $20\,\text{м}$.
$3.$ Сила трения скольжения равна $2\,\text{Н}$.
$4.$ В интервале времени от $12$ до $20\,\text{с}$ брусок двигался с постоянным ускорением.
$5.$ В интервале времени от $12$ до $20\,\text{с}$ брусок двигался с постоянной скоростью.
- Анализ графика работы:
В первые $10\,\text{с}$ работа силы $A = 0\,\text{Дж}$ $\Rightarrow$ перемещение $s = 0\,\text{м}$ (брусок покоился).
Утверждения $1$ и $2$ неверны. - Анализ движения от $12$ до $20\,\text{с}$:
Работа возрастает линейно $\Rightarrow$ мощность $N = \text{const}$.
Поскольку $N = Fv$, а $F = \text{const}$ (из графика слева), то $v = \text{const}$.
Утверждение $5$ верно, утверждение $4$ неверно. - Определение силы трения:
При равномерном движении сила трения $F_{\text{тр}} = F$.
Из графика: $F = 2\,\text{Н}$ $\Rightarrow$ $F_{\text{тр}} = 2\,\text{Н}$.
Утверждение 3 верно.
Пояснение:
- Первые $10\ с$: работа нулевая $\Rightarrow$ нет движения.
- От $12$ до $20\ с$: линейный рост работы $\Rightarrow$ постоянная мощность $\Rightarrow$ равномерное движение.
- Сила трения равна приложенной силе при равномерном движении.
В лаборатории исследовали прямолинейное движение тела массой $m = 500\,\text{г} = 0.5\,\text{кг}$. В таблице приведена экспериментально полученная зависимость пути $L,$ пройденного телом, от времени $t$. Какие выводы из приведенных ниже соответствуют результатам эксперимента?
УТВЕРЖДЕНИЯ:
$1.$ В течение всего эксперимента тело двигалось с постоянным ускорением.
$2.$ Скорость тела в момент времени $3\,\text{с}$ равнялась $6\,\text{м/с}$.
$3.$ Сила, действующая на тело в момент времени $6\,\text{с}$, равна $2\,\text{Н}$.
$4.$ Кинетическая энергия тела сначала увеличивалась, а потом оставалась постоянной.
$5.$ За первые $2\,\text{с}$ действующая на тело сила совершила работу $10\,\text{Дж}$.
Анализ зависимости пути от времени:
Из таблицы видно, что $L = t^2$. Сравнивая с формулой равноускоренного движения:
$$ L = \frac{at^2}{2},$$получаем:$$ \frac{a}{2} = 1 \Rightarrow a = 2\,\text{м/с}^2.$$
Следовательно, тело двигалось с постоянным ускорением $2\,\text{м/с}^2$.
Утверждение $1$ верно.
Расчет скорости:
Скорость при равноускоренном движении:
$$ v = at = 2t. $$При $t = 3\,\text{с}$:
$$ v = 2 \cdot 3 = 6\,\text{м/с}. $$Утверждение $2$ верно.
Определение силы:
По второму закону Ньютона:
$$ F = ma = 0.5\,\text{кг} \cdot 2\,\text{м/с}^2 = 1\,\text{Н}.$$Сила постоянна и не зависит от времени. Утверждение $3$ неверно.
Анализ кинетической энергии:
Кинетическая энергия: $$ E_k = \frac{mv^2}{2} = \frac{0.5 \cdot (2t)^2}{2} = t^2. $$Энергия увеличивается со временем. Утверждение $4$ неверно.
Расчет работы силы:
Работа силы: $$ A = F \cdot L = 1\,\text{Н} \cdot 4\,\text{м} = 4\,\text{Дж}. $$Утверждение $5$ неверно.
В инерциальной системе отсчета вдоль оси $Ox$ движется тело массой $m = 20\,\text{кг}$. На рисунке приведен график зависимости проекции скорости $v_x$ этого тела от времени $t$. Из приведенного ниже списка выберите все правильные утверждения.
УТВЕРЖДЕНИЯ:
$1.$ В промежутке времени от $0$ до $20\,\text{с}$ импульс тела увеличился на $80\,кг·м/с.$
$2.$ В промежутке времени от $60$ до $100\,\text{с}$ тело переместилось на $40\,\text{м}.$
$3.$ В момент времени $10\,\text{с}$ модуль равнодействующей сил, действующих на тело, равен $4\,\text{Н}.$
$4.$ Модуль ускорения тела в промежутке времени от $60$ до $80\,\text{с}$ в $9$ раз меньше модуля ускорения тела в промежутке времени от $80$ до $100\,\text{с}.$
$5.$ Кинетическая энергия тела в промежутке времени от $80$ до $100\,\text{с}$ уменьшилась в $9$ раз.
Анализ изменения импульса (утверждение $1$):
Изменение скорости: $\Delta v_x = 4\,\text{м/с}$.
Изменение импульса: $\Delta p = m \Delta v_x = 20\,\text{кг} \cdot 4\,\text{м/с} = 80\ кг\cdot м/с$.
Вывод: Утверждение $1$ верно.
Расчет перемещения (утверждение $2$):
Перемещение равно площади под графиком $v_x(t)$.
Для интервала $60-100\,\text{с}$: $S = \frac{1}{2} \cdot 40\,\text{с} \cdot 5\,\text{м/с} = 100\,\text{м}$.
Вывод: Утверждение $2$ неверно.
Определение силы (утверждение $3$):
Ускорение при $t=10\,\text{с}$: $a = \frac{\Delta v}{\Delta t} = \frac{4\,\text{м/с}}{20\,\text{с}} = 0.2\,\text{м/с}^2$.
Сила: $F = ma = 20\,\text{кг} \cdot 0.2\,\text{м/с}^2 = 4\,\text{Н}$.
Вывод: Утверждение $3$ верно.
Сравнение ускорений (утверждение $4$):
Ускорение на $60-80\,\text{с}$: $a_1 = \frac{-1\,\text{м/с}}{20\,\text{с}} = -0.05\,\text{м/с}^2$.
Ускорение на $80-100\,\text{с}$: $a_2 = \frac{-5\,\text{м/с}}{20\,\text{с}} = -0.25\,\text{м/с}^2$.
Отношение: $\frac{|a_1|}{|a_2|} = \frac{0.05}{0.25} = \frac{1}{5}$.
Вывод: Утверждение $4$ неверно.
Анализ кинетической энергии (утверждение $5$):
Энергия при $t=80\,\text{с}$: $E_{k1} = \frac{mv^2}{2} = \frac{20 \cdot 5^2}{2} = 250\,\text{Дж}$.
Энергия при $t=100\,\text{с}$: $E_{k2} = 0\,\text{Дж}$.
Вывод: Утверждение $5$ неверно (энергия не уменьшилась в $9$ раз, а обратилась в ноль).
На рисунке показан график зависимости координаты $x$ тела, движущегося вдоль оси $Ox$, от времени $t$. Из приведенного ниже списка выберите все правильные утверждения.
УТВЕРЖДЕНИЯ:
$1.$ В точке $A$ проекция скорости тела на ось $Ox$ равна нулю.
$2.$ Проекция перемещения тела на ось $Ox$ при переходе из точки $B$ в точку $D$ отрицательна.
$3.$ На участке $BC$ скорость тела уменьшается.
$4.$ В точке $A$ проекция ускорения тела на ось $Ox$ отрицательна.
$5.$ В точке $D$ ускорение тела и его скорость направлены в противоположные стороны.
Анализ точки $A$ (утверждение $1$):
Касательная к графику в точке $A$ горизонтальна.
Проекция скорости: $v_x = \frac{dx}{dt} = 0$.
Вывод: Утверждение $1$ верно.
Перемещение $B \rightarrow D$ (утверждение $2$):
Перемещение: $\Delta x = x_D- x_B$.
Из графика: $x_D > x_B$ $\Rightarrow$ $\Delta x > 0$.
Вывод: Утверждение $2$ неверно.
Участок $BC$ (утверждение $3$):
Наклон графика уменьшается $\Rightarrow$ скорость $v_x = \frac{dx}{dt}$ уменьшается.
Вывод: Утверждение $3$ верно.
Ускорение в точке $A$ (утверждение $4$):
График выпуклый вниз $\Rightarrow$ ускорение $a_x = \frac{d^2x}{dt^2} > 0$.
Вывод: Утверждение $4$ неверно.
Направления в точке $D$ (утверждение $5$):
График выпуклый вверх $\Rightarrow$ $a_x < 0$.
Наклон графика отрицательный $\Rightarrow$ $v_x < 0$.
Обе проекции отрицательны $\Rightarrow$ направления совпадают.
Вывод: Утверждение $5$ неверно.
Искусственный спутник обращается вокруг Земли по вытянутой эллиптической орбите. В некоторый момент времени спутник проходит положение минимального удаления от Земли (перигей). Из приведенного ниже списка выберите все правильные утверждения.
УТВЕРЖДЕНИЯ:
$1.$ Сила притяжения спутника к Земле в этом положении минимальна.
$2.$ Потенциальная энергия спутника в этом положении максимальна.
$3.$ Ускорение спутника при прохождении этого положения равно $0.$
$4.$ Скорость спутника при прохождении этого положения максимальна.
$5.$ При движении спутника его полная механическая энергия остается неизменной.
Сила притяжения (утверждение $1$):
Сила гравитации: $F = G\frac{Mm}{r^2}$, где $r$- расстояние до центра Земли.
В перигее $r$ минимально $\Rightarrow$ $F$ максимальна.
Вывод: Утверждение $1$ неверно.
Потенциальная энергия (утверждение $2$):
Потенциальная энергия: $U = -G\frac{Mm}{r}$.
В перигее $r$ минимально $\Rightarrow$ $U$ минимальна (наибольшая по модулю, но наименьшая по значению).
Вывод: Утверждение $2$ неверно.
Ускорение спутника (утверждение $3$):
Ускорение: $a = G\frac{M}{r^2} \neq 0$ в любой точке орбиты.
Вывод: Утверждение $3$ неверно.
Скорость спутника (утверждение $4$):
По второму закону Кеплера: в перигее скорость максимальна.
Это следует также из сохранения энергии: минимальная $U$ $\Rightarrow$ максимальная $E_k$.
Вывод: Утверждение $4$ верно.
Полная энергия (утверждение $5$):
В замкнутой системе (спутник-Земля) полная механическая энергия сохраняется:
$$E = E_k + U = \text{const}$$
Вывод: Утверждение $5$ верно.
Физическое обоснование:
- В перигее спутник имеет максимальную кинетическую энергию и минимальную потенциальную энергию.
- Полная энергия системы сохраняется, так как гравитационное поле консервативно.
- Ускорение спутника всегда направлено к фокусу эллипса (Земле) и никогда не равно нулю.
Автомобиль массой $m = 2\,\text{т}$ проезжает верхнюю точку выпуклого моста, двигаясь с постоянной по модулю скоростью $v = 36\,\text{км/ч}$. Радиус кривизны моста $R = 40\,\text{м}$. Из приведенного ниже списка выберите все правильные утверждения, характеризующие движение автомобиля по мосту.
УТВЕРЖДЕНИЯ:
$1.$ Равнодействующая сил, действующих на автомобиль в верхней точке моста, сонаправлена с его скоростью.
$2.$ Сила, с которой мост действует на автомобиль в верхней точке моста, меньше $20000\,\text{Н}$ и направлена вертикально вниз.
$3.$ В верхней точке моста автомобиль действует на мост с силой, равной $15000\,\text{Н}.$
$4.$ Центростремительное ускорение автомобиля в верхней точке моста равно $2.5\,\text{м/с}^2.$
$5.$ Ускорение автомобиля в верхней точке моста направлено противоположно его скорости.
Анализ направления равнодействующей силы (утверждение $1$):
В верхней точке на автомобиль действуют:
— Сила тяжести $mg$ (вниз)
— Сила реакции опоры $N$ (вверх)
Равнодействующая: $F = mg- N$ направлена вниз (к центру окружности)
Скорость направлена горизонтально по касательной
Вывод: Утверждение $1$ неверно.
Сила реакции опоры (утверждение $2$):
Сила реакции $N$ всегда направлена от поверхности (вверх)
Рассчитаем $N$:
$$N = m(g- a) = 2000(10- 2.5) = 15000\,\text{Н} < 20000\,\text{Н}$$
Вывод: Направление указано неверно, утверждение $2$ неверно.
Сила давления на мост (утверждение $3$):
По 3-му закону Ньютона: $P = N = 15000\,\text{Н}$
Вывод: Утверждение $3$ верно.
Центростремительное ускорение (утверждение $4$):
$$a = \frac{v^2}{R} = \frac{10^2}{40} = 2.5\,\text{м/с}^2$$
Вывод: Утверждение $4$ верно.
Направление ускорения (утверждение $5$):
Ускорение направлено вертикально вниз (к центру)
Скорость направлена горизонтально
Вывод: Утверждение $5$ неверно (они перпендикулярны, а не противоположны).
На шероховатой горизонтальной поверхности находится брусок массой $m = 1\,\text{кг}$. На него действует горизонтальная сила $F$, зависимость которой от времени показана на графике слева. Выберите все верные утверждения, основанные на анализе этих графиков.
УТВЕРЖДЕНИЯ:
$1.$ За первые $10\,\text{с}$ брусок переместился на $20\,\text{м}.$
$2.$ Первые $10\,\text{с}$ брусок двигался с постоянной скоростью.
$3.$ В интервале от $12$ до $20\,\text{с}$ брусок двигался с постоянным ускорением.
$4.$ В интервале от $12$ до $20\,\text{с}$ брусок двигался с постоянной скоростью.
$5.$ Сила трения скольжения равна $2\,\text{Н}.$
Анализ работы за первые $10\ с$:
Работа $A = 0\,\text{Дж}$ ⇒ перемещение $s = 0\,\text{м}$.
Вывод: Утверждение $1$ неверно.
Характер движения ($0-10\ с$):
Нулевая работа ⇒ отсутствие движения.
Вывод: Утверждение $2$ неверно.
Движение в интервале $12-20\ с$:
Линейный рост работы ⇒ постоянная мощность $N = \text{const}$.
Поскольку $N = Fv$ и $F = \text{const}$ (из графика), то $v = \text{const}$.
Вывод: Утверждение $3$ неверно, утверждение $4$ верно.
Определение силы трения:
При равномерном движении $F_{\text{тр}} = F$.
Из графика: $F = 2\,\text{Н}$ ⇒ $F_{\text{тр}} = 2\,\text{Н}$.
Вывод: Утверждение $5$ верно.
На длинной, прочной, невесомой и нерастяжимой нити подвешен шар массой $M$. В шар попадает и застревает в нем горизонтально летящая пуля массой $m$. После этого шар с пулей совершает малые колебания. Сопротивление воздуха пренебрежимо мало. Выберите все верные утверждения, характеризующие движение системы.
УТВЕРЖДЕНИЯ:
$1.$ Амплитуда колебаний шара с пулей тем меньше, чем больше масса шара $M.$
$2.$ К системе «пуля + шар» при застревании пули применим закон сохранения импульса.
$3.$ Период колебаний шара с пулей тем больше, чем больше масса пули $m.$
$4.$ Для системы «пуля + шар» выполняется закон сохранения импульса, а сумма потенциальной и кинетической энергий уменьшается.
$5.$ После попадания пули шар с пулей движется с ускорением $\vec{g}.$
Амплитуда колебаний (утверждение $1$):
Из закона сохранения импульса: $mv_0 = (M+m)v_{\text{max}}$
Максимальная скорость: $v_{\text{max}} = \frac{mv_0}{M+m}$
Амплитуда: $A = v_{\text{max}}\sqrt{\frac{l}{g}} = \frac{mv_0}{M+m}\sqrt{\frac{l}{g}}$
Вывод: С ростом $M$ амплитуда $A$ уменьшается. Утверждение $1$ верно.
Закон сохранения импульса (утверждение $2$):
Система «пуля + шар» замкнута в горизонтальном направлении.
Вывод: ЗСИ применим. Утверждение $2$ верно.
Период колебаний (утверждение $3$):
Период математического маятника: $T = 2\pi\sqrt{\frac{l}{g}}$
Не зависит от массы системы.
Вывод: Утверждение $3$ неверно.
Энергетические преобразования (утверждение $4$):
Импульс сохраняется, но происходит неупругое столкновение ⇒ часть энергии переходит в тепло.
Вывод: Утверждение $4$ верно.
Ускорение системы (утверждение $5$):
При колебаниях ускорение изменяется от $g$ (в крайних точках) до $0$ (в нижней точке).
Вывод: Утверждение $5$ неверно.
К резиновому шнуру подвешивали грузы разной массы и измеряли удлинение шнура. По результатам измерений построили график зависимости силы упругости от удлинения. Если к шнуру подвесить груз массой $m$ и вывести его из положения равновесия, то частота колебаний такого маятника будет равна $v_0$. Выберите все верные утверждения на основании анализа графика.
УТВЕРЖДЕНИЯ:
$1.$ Выполняется закон Гука.
$2.$ Если подвесить груз массой $4m$, то частота колебаний будет больше $v_0.$
$3.$ Если подвесить груз массой $4m$, то частота колебаний будет меньше $v_0.$
$4.$ При подвешивании груза массой $4m$ удлинение шнура будет равно $4x_0.$
$5.$ При подвешивании груза массой $4m$ удлинение шнура будет больше $4x_0.$
Закон Гука (утверждение $1$):
Закон Гука: $F = kx$ (линейная зависимость).
График нелинейный ⇒ закон Гука не выполняется.
Вывод: Утверждение $1$ неверно.
Частота колебаний (утверждения $2$ и $3$):
Для груза $m$: $mg = kx_0$ ⇒ $k = \frac{mg}{x_0}$.
Частота: $v_0 = \frac{1}{2\pi}\sqrt{\frac{g}{x_0}}$.
Для груза $4m$: из графика $4mg = 6kx_0$ ⇒ $k_{eff} = \frac{4mg}{6x_0} = \frac{2mg}{3x_0}$.
Новая частота: $v = \frac{1}{2\pi}\sqrt{\frac{2g}{3x_0}} = \frac{v_0}{\sqrt{6}} \approx 0.4v_0$.
Вывод: Утверждение $2$ неверно, утверждение $3$ верно.
Удлинение шнура (утверждения $4 $ и $5$):
Из графика: при $F = 4mg$ удлинение $x = 6x_0$.
Сравнение: $6x_0 > 4x_0$.
Вывод: Утверждение $4$ неверно, утверждение $5$ верно.
Физическое пояснение:
- Нелинейность графика показывает, что жесткость шнура зависит от удлинения.
- Увеличение массы груза приводит к непропорциональному росту удлинения из-за изменения жесткости.
- Частота колебаний уменьшается при увеличении массы, так как эффективная жесткость растет медленнее, чем масса.
В инерциальной системе отсчета вдоль оси $Ox$ движется тело массой $m = 20\,\text{кг}$. На графике представлена зависимость проекции скорости $v_x$ этого тела от времени $t$. Проанализируйте график и выберите все верные утверждения.
УТВЕРЖДЕНИЯ:
$1.$ В интервале времени от $0$ до $20\ с$ импульс тела увеличился на $80\,кг·м/с$.
$2.$ В интервале от $60 $ до $100\ с$ тело переместилось на $40\,\text{м}.$
$3.$ В момент времени $t = 10\,\text{с}$ модуль равнодействующей сил равен $4\,\text{Н}.$
$4.$ Модуль ускорения в интервале $60-80\ с$ в $9$ раз меньше, чем в интервале $80-100\ с.$
$5.$ Кинетическая энергия тела в интервале $80-100\ с$ уменьшилась в $9$ раз.
Изменение импульса $(0-20\ с)$:
Из графика: $\Delta v_x = 4\,\text{м/с}$.
$\Delta p_x = m\Delta v_x = 20 \cdot 4 = 80\,кг·м/с$.
Вывод: Утверждение $1$ верно.
Перемещение $(60-100\ с)$:
Площадь под графиком (трапеция): $S = \frac{40 + 0}{2} \cdot 40 = 800\,\text{м}$.
Ошибка в условии: Верное значение $800\ м,$ а не $40\ м.$
Вывод: Утверждение $2$ неверно.
Сила в момент $t=10\,\text{с}$:
Ускорение: $a_x = \frac{\Delta v_x}{\Delta t} = \frac{4}{20} = 0.2\,\text{м/с}^2$.
$F_x = ma_x = 20 \cdot 0.2 = 4\,\text{Н}$.
Вывод: Утверждение $3$ верно.
Сравнение ускорений:
Интервал $60-80\ с$: $a_1 = \frac{-1}{20} = -0.05\,\text{м/с}^2$.
Интервал $80-100\ с$: $a_2 = \frac{-5}{20} = -0.25\,\text{м/с}^2$.
Отношение: $\frac{|a_1|}{|a_2|} = \frac{0.05}{0.25} = \frac{1}{5}$.
Вывод: Утверждение $4$ неверно (разница в $5$ раз, не в $9$).
Кинетическая энергия:
При $t=80\,\text{с}$: $E_{k1} = \frac{20 \cdot 5^2}{2} = 250\,\text{Дж}$.
При $t=100\,\text{с}$: $E_{k2} = 0\,\text{Дж}$.
Вывод: Утверждение $5$ неверно (энергия не уменьшилась в $9$ раз, а обратилась в ноль).
В лаборатории исследовали прямолинейное движение тела массой $m = 300\,\text{г} = 0.3\,\text{кг}$ из состояния покоя. В таблице приведена экспериментально полученная зависимость пути $L$, пройденного телом, от времени $t$. Выберите все верные утверждения, соответствующие результатам эксперимента.
УТВЕРЖДЕНИЯ:
$1.$ Тело двигалось равноускоренно.
$2.$ Скорость тела в момент времени $4\,\text{с}$ равнялась $8\,\text{м/с}.$
$3.$ Кинетическая энергия тела в момент времени $5\,\text{с}$ равна $25\,\text{Дж}.$
$4.$ Равнодействующая сил, действующих на тело, все время возрастала.
$5.$ За первые $3\,\text{с}$ работа равнодействующей сил, действующих на тело, была равна $5.4\,\text{Дж}.$
Характер движения (утверждение $1$):
Из таблицы: $L = t^2$.
Для равноускоренного движения из покоя: $L = \frac{at^2}{2}$.
Сравнивая: $\frac{a}{2} = 1 \Rightarrow a = 2\,\text{м/с}^2$.
Вывод: Утверждение $1$ верно.
Скорость при $t=4\,\text{с}$ (утверждение $2$):
$v = at = 2 \cdot 4 = 8\,\text{м/с}$.
Вывод: Утверждение $2$ верно.
Кинетическая энергия при $t=5\,\text{с}$ (утверждение $3$):
Скорость: $v = 2 \cdot 5 = 10\,\text{м/с}$.
$E_k = \frac{mv^2}{2} = \frac{0.3 \cdot 10^2}{2} = 15\,\text{Дж}$.
Вывод: Утверждение $3$ неверно.
Равнодействующая сила (утверждение $4$):
При постоянном ускорении $F = ma = \text{const}$.
Вывод: Утверждение $4$ неверно.
Работа за первые $3\,\text{с}$ (утверждение $5$):
Скорость при $t=3\,\text{с}$: $v = 2 \cdot 3 = 6\,\text{м/с}$.
Работа равна изменению кинетической энергии:$$A = \frac{mv^2}{2} = \frac{0.3 \cdot 6^2}{2} = 5.4\,\text{Дж}$$Вывод: Утверждение $5$ верно.
На рисунке приведены графики зависимости координаты $x$ от времени $t$ для двух тел $A$ и $B$, движущихся вдоль оси $Ox$. Выберите все верные утверждения о характере движения тел.
УТВЕРЖДЕНИЯ:
$1.$ Ускорение тела $B$ в проекции на ось $Ox$ положительное.
$2.$ Проекция скорости тела $A$ на ось $Ox$ равна $-5\,\text{м/с}$.
$3.$ В момент времени $t=3\,\text{с}$ проекция скорости тела $B$ на ось $Ox$ больше $0.$
$4.$ Первый раз тела $A$ и $B$ встретились в момент времени $t=3\,\text{с}$.
$5.$ Перемещение тела $B$ в промежутке времени от $1\,\text{с}$ до $4\,\text{с}$ составило $15\,\text{м}$.
Ускорение тела $B$ (утверждение $1$):
График $x(t)$ для тела $B$ — парабола с ветвями вверх.
Формула движения: $x(t) = x_0 + v_{0x}t + \frac{a_xt^2}{2}$.
Вывод: $a_x > 0$. Утверждение $1$ верно.
Скорость тела $A$ (утверждение $2$):
График $x(t)$ для $A$ — прямая с наклоном:$$v_x = \frac{\Delta x}{\Delta t} = \frac{0-25}{5-0} = -5\,\text{м/с}$$Вывод: Утверждение $2$ верно.
Скорость тела $B$ при $t=3\,\text{с}$ (утверждение $3$):
В точке $t=3.5\,\text{с}$ тело $B$ останавливается ($v_x=0$).
При $t=3\,\text{с}$ тело еще движется против оси $Ox$ ($v_x < 0$).
Вывод: Утверждение $3$ неверно.
Момент встречи (утверждение $4$):
Графики не пересекаются при $t=3\,\text{с}$.
Вывод: Утверждение $4$ неверно.
Перемещение тела $B$ (утверждение $5$):
Перемещение: $\Delta x = x(4)-x(1) \approx -5-20 = -25\,\text{м}$.
Вывод: Утверждение $5$ неверно (указано $15\,\text{м}$ вместо $-25\,\text{м}$).
Грузовик массой $m = 15\,\text{т}$ проезжает верхнюю точку выпуклого моста, двигаясь с постоянной скоростью $v = 36\,\text{км/ч}$. Радиус кривизны моста $R = 100\,\text{м}$. Выберите все верные утверждения, характеризующие движение грузовика.
УТВЕРЖДЕНИЯ:
$1.$ Модуль импульса грузовика равен $150\ 000\,кг·м/с$.
$2.$ Модуль ускорения грузовика равен $12.96\,\text{м/с}^2$.
$3.$ Равнодействующая сил, действующих на грузовик в верхней точке моста, равна нулю.
$4.$ Кинетическая энергия грузовика равна $750\,\text{кДж}$.
$5.$ В верхней точке моста сила, с которой грузовик давит на мост, равна $135\,\text{кН}$.
Импульс грузовика (утверждение $1$): $$p = mv = 15000 \cdot 10 = 150\ 000\,кг·м/с$$Вывод: Утверждение $1$ верно.
Центростремительное ускорение (утверждение $2$):$$a = \frac{v^2}{R} = \frac{10^2}{100} = 1\,\text{м/с}^2$$Вывод: Утверждение $2$ неверно.
Равнодействующая сил (утверждение $3$):
На грузовик действуют:
— Сила тяжести $mg$ (вниз)
— Сила реакции $N$ (вверх)
Равнодействующая: $F = mg- N = ma \neq 0$
Вывод: Утверждение $3$ неверно.
Кинетическая энергия (утверждение $4$):$$E_k = \frac{mv^2}{2} = \frac{15\ 000 \cdot 10^2}{2} = 750\ 000\,\text{Дж} = 750\,\text{кДж}$$Вывод: Утверждение $4$ верно.
Сила давления на мост (утверждение $5$):
Из уравнения движения:$$N = m(g- a) = 15000(10- 1) = 135\ 000\,\text{Н} = 135\,\text{кН}$$Вывод: Утверждение $5$ верно.
На графиках представлена зависимость координаты от времени для двух тел: $A$ и $B$, движущихся вдоль оси $Ox$. Проанализируйте графики и выберите все верные утверждения.
УТВЕРЖДЕНИЯ:
$1.$ За промежуток времени от $3$ до $9$ с тело $B$ прошло путь $15\ м.$
$2.$ Импульс тела $A$ с течением времени не изменяется.
$3.$ В момент времени $t = 4$ с проекция скорости тела $A$ на ось $Ox$ равна $0.$
$4.$ Тело $B$ движется равномерно.
$5.$ В момент времени $t = 5$ с импульс тела $B$ равен $0.$
Пройденный путь тела $B$ $(3-9 с)$:
Координаты тела: $x(3) \approx -20$ м, $x(5) = -25$ м, $x(9) \approx -10$ м
Путь: $l = |x(5)-x(3)| + |x(9)-x(5)| = 5 + 15 = 20$ $м$
Вывод: Утверждение $1$ неверно
Импульс тела $A$:
График $x(t)$ для $A$ — прямая линия $⇒$ равномерное движение
Скорость постоянна $⇒$ импульс $p = mv$ не изменяется
Вывод: Утверждение $2$ верно
Скорость тела $A$ при $t=4$ $с$:
В момент $t=4$ с тело $A$ проходит начало координат ($x=0$)
Наклон графика не равен нулю $⇒$ скорость $≠ 0$
Вывод: Утверждение $3$ неверно
Характер движения тела $B$:
График $x(t)$ для $B$ — парабола $⇒$ равноускоренное движение
Вывод: Утверждение $4$ неверно
Импульс тела $B$ при $t=5$ $с$:
В точке $t=5\ с$ тело $B$ меняет направление движения $(v=0)$
Импульс $p = mv = 0$ при нулевой скорости
Вывод: Утверждение $5$ верно
На графиках изображена зависимость координаты $x$ от времени $t$ для двух тел: $A$ и $B$, движущихся вдоль оси $Ox$. Проанализируйте графики и выберите все верные утверждения о характере движения тел.
УТВЕРЖДЕНИЯ:
$1.$ Проекция ускорения тела $B$ на ось $Ox$ положительна.
$2.$ В момент времени $t = 3\ с$ проекция скорости тела $A$ равна $-5\ м/с.$
$3.$ Импульс тела $A$ с течением времени увеличивается.
$4.$ За промежуток времени от $3$ до $9\ с$ тело $B$ прошло путь $15\ м.$
$5.$ В момент времени $t = 2$ с скорость тела $B$ равна $0.$
Ускорение тела $B$:
График $x(t)$ для тела $B$- парабола с ветвями вверх.
Это соответствует равноускоренному движению с положительным ускорением.
Вывод: Утверждение $1$ верно.
Скорость тела $A$ при $t=3\ с$:
Тело $A$ движется равномерно (график- прямая линия).
Скорость: $v_x = \frac{\Delta x}{\Delta t} = \frac{0-20}{4-0} = -5\ м/с.$
В любой момент времени, включая $t=3\ с,$ скорость $-5\ м/с.$
Вывод: Утверждение $2$ верно.
Импульс тела $A$:
При равномерном движении скорость постоянна.
Импульс $p = mv$ не изменяется со временем.
Вывод: Утверждение $3$ неверно.
Пройденный путь тела $B$ $(3-9\ с)$:
Разобьем на два участка:
— От $3$ до $5\ с$: $s_1 = |x(5)-x(3)| = |-25-(-20)| = 5\ м$
— От $5$ до $9\ с$: $s_2 = |x(9)-x(5)| = |-10-(-25)| = 15\ м$
Общий путь: $5 + 15 = 20\ м$
Вывод: Утверждение $4$ неверно.
Скорость тела $B$ при $t=2\ с$:
Тело $B$ меняет направление движения только при $t=5\ с.$
В момент $t=2\ с$ скорость не равна нулю.
Вывод: Утверждение $5$ неверно.
На графиках представлена зависимость координаты $x$ от времени $t$ для двух тел: $A$ и $B$, движущихся вдоль оси $Ox$. Проанализируйте графики и выберите все верные утверждения.
УТВЕРЖДЕНИЯ:
$1.$ Проекция скорости тела $A$ на ось $Ox$ равна $2.5\ м/с.$
$2.$ Проекция ускорения тела $B$ на ось $Ox$ равна $2.5\ м/с^2$.
$3.$ Кинетическая энергия тела $A$ уменьшается.
$4.$ Путь, пройденный телом $B$ от $3$ до $9\ с,$ равен $15\ м.$
$5.$ Тела $A$ и $B$ встретились друг с другом $1$ раз за все время движения.
Скорость тела $A$:
График $x(t)$ для $A$ — прямая линия $⇒$ равномерное движение.
Скорость: $v_x = \frac{\Delta x}{\Delta t} = \frac{25-10}{9-3} = 2.5\ м/с.$
Вывод: Утверждение $1$ верно.
Ускорение тела $B$:
График $x(t)$ для $B$ — парабола $ ⇒$ равноускоренное движение.
В точке $t=5\ с$ тело $B$ останавливается $(v=0 ).$
Для $t>5\ с$: $x(t) = x_0 + \frac{at^2}{2}$.
При $t=9\ с$: $25 = 5 + \frac{a \cdot 16}{2} ⇒ a = 2.5$ м/с$^2$.
Вывод: Утверждение $2$ верно.
Кинетическая энергия тела $A$:
При равномерном движении скорость постоянна $⇒$ $E_k = const .$
Вывод: Утверждение $3$ неверно.
Путь тела $B$ $(3-9 с)$:
Разобьем на два участка:
— $3-5\ с$: $s_1 = |x(5)-x(3)| = |5-10| = 5\ м$
— $5-9\ с$: $s_2 = |x(9)-x(5)| = |25-5| = 20\ м$
Общий путь: $5 + 20 = 25\ м.$
Вывод: Утверждение $4$ неверно (указано $15\ м$).
Количество встреч тел:
Графики пересекаются в двух точках $⇒ 2$ встречи.
Вывод: Утверждение $5$ неверно.
На графиках представлена зависимость координаты $x$ от времени $t$ для двух тел $A$ и $B$ массой по $4\ кг,$ движущихся вдоль оси $Ox$. Проанализируйте графики и выберите все верные утверждения.
УТВЕРЖДЕНИЯ:
$1.$ Тело $A$ движется с постоянной скоростью $5\ м/с.$
$2.$ Расстояние между точками встречи тел составляет $15\ м.$
$3.$ В момент $t=3$ с кинетическая энергия тела $A$ равна $12.5\ Дж.$
$4.$ В течение первых $5\ с$ тела двигались в одном направлении.
$5.$ Проекция ускорения тела $B$ на ось $Ox$ отрицательна.
Скорость тела $A$:
График $x(t)$ для $A$ — прямая $ ⇒$ равномерное движение
Скорость: $v = \frac{\Delta x}{\Delta t} = \frac{25-10}{6} = 2.5\ м/с$
Вывод: Утверждение $1$ неверно (указано $5\ м/с$)
Расстояние между встречами:
Первая встреча: $x=10\ м$
Вторая встреча: $x=25\ м$
Расстояние: $25-10=15\ м$
Вывод: Утверждение $2$ верно
Кинетическая энергия тела $A$:
$E_k = \frac{mv^2}{2} = \frac{4 \cdot 2.5^2}{2} = 12.5\ Дж$
Постоянна в любой момент времени
Вывод: Утверждение $3$ верно
Направление движения $(0-5 с)$:
Тело $A$: $v=2.5\ м/с$ (вдоль $Ox$)
Тело $B$: график убывает $⇒$ против $Ox$
Вывод: Утверждение $4$ неверно
Ускорение тела $B$:
График $x(t)$ — парабола с ветвями вверх $⇒ a_x > 0$
Вывод: Утверждение $5$ неверно
На брусок массой $m = 100\,\text{г},$ находящийся на гладкой горизонтальной поверхности, действуют две силы. Одна клетка на рисунке соответствует силе $0.2\,\text{Н}$. Выберите все верные утверждения о движении бруска.
УТВЕРЖДЕНИЯ:
$1.$ Брусок движется равноускоренно вверх.
$2.$ Брусок движется равномерно и прямолинейно.
$3.$ Ускорение бруска равно $6\,\text{м/с}^2$.
$4.$ Через $2\,\text{с}$ импульс бруска равен $1.2\,кг·м/с$.
$5.$ Кинетическая энергия бруска увеличивается.
Анализ сил:
$F_{1x} = 0.4\,\text{Н}$, $F_{1y} = 0.4\,\text{Н}$
$F_{2x} = 0.2\,\text{Н}$, $F_{2y} = -0.4\,\text{Н}$
Равнодействующая:
$$F_x = 0.4 + 0.2 = 0.6\,\text{Н}$$ $$F_y = 0.4- 0.4 = 0\,\text{Н}$$
Проверка утверждений:
$1$: Неверно (равнодействующая направлена горизонтально).
$2$: Неверно ($F_{\text{рез}} \neq 0$ $⇒$ движение ускоренное).
$3$: Верно:$$a = \frac{F}{m} = \frac{0.6}{0.1} = 6\,\text{м/с}^2$$
$4$: Верно:$$p = F \cdot t = 0.6 \cdot 2 = 1.2\,кг·м/с$$
$5$: Верно ($v = at$ растет ⇒ $E_k = \frac{mv^2}{2}$ увеличивается).
Брусок массой $m = 100\,\text{г}$ движется прямолинейно. График зависимости модуля скорости $v$ от времени $t$ представлен на рисунке. Выберите все верные утверждения о движении бруска.
УТВЕРЖДЕНИЯ:
$1.$ Через $3\,\text{с}$ импульс бруска равен $0.06\,кг·м/с$.
$2.$ В промежутке от $3\,\text{с}$ до $5\,\text{с}$ равнодействующая сил равна нулю.
$3.$ В промежутке от $5\,\text{с}$ до $6\,\text{с}$ кинетическая энергия увеличилась в $2$ раза.
$4.$ Путь за первые $3\,\text{с}$ равен $1\,\text{м}$.
$5.$ Максимальное ускорение было в промежутке от $0\,\text{с}$ до $3\,\text{с}$.
Импульс при $t=3\,\text{с}$: $$p = mv = 0.1 \cdot 0.6 = 0.06\,кг·м/с$$ Вывод: Утверждение $1$ верно.
Равнодействующая сила $(3-5 с)$:
На графике $v(t)$ горизонтальный участок $⇒$ $a=0$ $⇒$ $F=ma=0$
Вывод: Утверждение $2$ верно.
Изменение кинетической энергии $(5-6\ с)$:
$v(5) \approx 0.6\,\text{м/с}$, $v(6) \approx 1.0\,\text{м/с}$
Отношение энергий: $\frac{E_k(6)}{E_k(5)} = \left(\frac{1.0}{0.6}\right)^2 \approx 2.78$
Вывод: Утверждение $3$ неверно.
Путь за первые $3\ с$:
$$s = \frac{v_{кон}t}{2} = \frac{0.6 \cdot 3}{2} = 0.9\,\text{м}$$ Вывод: Утверждение $4$ неверно.
Максимальное ускорение:
Наибольший наклон графика $v(t)$ на участке $5-6 с$
Ускорение: $a = \frac{\Delta v}{\Delta t} = \frac{1.0-0.6}{1} = 0.4\,\text{м/с}^2$
На участке $0-3\ с$: $a = \frac{0.6}{3} = 0.2\,\text{м/с}^2$
Вывод: Утверждение $5$ неверно.