Тема: Законы сохранения в механике

1. График зависимости потенциальной энергии тела, брошенного с поверхности земли под некоторым углом к горизонту, от высоты подъема имеет вид, показанный на рисунке …

Решение:
Потенциальная энергия тела в поле силы тяжести определяется формулой . Для тела, брошенного под углом к горизонту и в конце концов упавшего на землю, график зависимости потенциальной энергии от высоты подъема имеет вид, представленный на рисунке.

 

 

2. График зависимости кинетической энергии от времени для тела, брошенного с поверхности земли под некоторым углом к горизонту, имеет вид, показанный на рисунке …

Решение:
Кинетическая энергия тела , где и – проекции скорости тела на оси OX и OY соответственно. Для тела, брошенного под углом α к горизонту, , . Тогда . Это уравнение параболы со смещенной вершиной, ветви которой направлены вверх, причем . Поэтому график зависимости кинетической энергии тела, брошенного с поверхности земли под некоторым углом к горизонту, от времени имеет вид:

 

3. Теннисный мяч летел с импульсом в горизонтальном направлении, когда теннисист произвел по мячу резкий удар длительностью 0,1 с. Изменившийся импульс мяча стал равным (масштаб указан на рисунке):

Средняя сила удара равна …

 

Решение:
Изменение импульса мяча равно . Из теоремы Пифагора следует. что (см. рис.). Следовательно, сила удара равна: Н ()

4. На теннисный мяч, который летел с импульсом , на короткое время = 0,01 с подействовал порыв ветра с постоянной силой F = 300 Н, и импульс мяча стал равным (масштаб и направление указаны на рисунке).
Величина импульса была равна …

33,2 ; 6,2 ; 6,1 ; 1 ; 5

Решение:

Т.к. , то , кг∙ м/с и

 

Изменение импульса мяча равно , т.е.

Из рисунка следует, что кг∙ м/с.(Можно и не вычислять). Тогда

5. Шар массы , имеющий скорость v, налетает на неподвижный шар массы :

После соударения шары будут двигаться так, как показано на рисунке …

 

Решение:
Согласно закону сохранения импульса, должно выполняться соотношение , что означает, что должна сохраняться и величина импульса и направление. В ситуации, показанной на рисунке,

это соотношение выполняется.

 

6. Сплошной цилиндр и шар, имеющие одинаковые массы и радиусы, вкатываются без проскальзывания с одинаковыми скоростями на горку. Если трением и сопротивлением воздуха можно пренебречь, то отношение высот , на которые смогут подняться эти тела, равно …

Решение:
В рассматриваемой системе «тело – Земля» действуют только консервативные силы, поэтому в ней выполняется закон сохранения механической энергии, согласно которому , или , где J – момент инерции тела относительно оси, проходящей через центр масс, – угловая скорость вращения вокруг этой оси, h – высота, на которую сможет подняться тело. Отсюда с учетом того, что , получаем: . Моменты инерции сплошного цилиндра и шара равны соответственно и . Тогда искомое отношение высот .

 

7. Сплошной и полый цилиндры, имеющие одинаковые массы и радиусы, скатываются без проскальзывания с горки с одной и той же высоты. Если трением и сопротивлением воздуха можно пренебречь, то отношение скоростей , которые будут иметь эти тела у основания горки, равно …

Решение:
В рассматриваемой системе «тело – Земля» действуют только консервативные силы, поэтому в ней выполняется закон сохранения механической энергии, согласно которому , или , где J – момент инерции тела относительно оси, проходящей через центр масс, – угловая скорость вращения вокруг этой оси, h – высота, с которой скатывается тело. Отсюда с учетом того, что , получаем: . Отсюда . Моменты инерции сплошного и полого цилиндров равны соответственно: и . Тогда искомое отношение скоростей .

 

8. Горизонтально летящая пуля пробивает брусок, лежащий на гладкой горизонтальной поверхности. В системе «пуля – брусок» …

			импульс сохраняется, механическая энергия не сохраняется
			импульс сохраняется, механическая энергия сохраняется
			импульс не сохраняется, механическая энергия сохраняется
			импульс не сохраняется, механическая энергия не сохраняется

Решение:
Закон сохранения импульса выполняется в замкнутых системах. Система «пуля - брусок» не является замкнутой, так как на нее действуют сила притяжения к Земле и сила реакции опоры. Однако проекции этих сил на горизонтальное направление равны нулю, поэтому проекция импульса системы на указанное направление не изменяется. Поскольку речь идет о горизонтально летящей пуле и брусок может двигаться только в горизонтальном направлении, можно утверждать, что импульс системы сохраняется. Закон сохранения механической энергии выполняется в консервативных системах. В данном случае внешние силы консервативны (силами трения между бруском и гладкой поверхностью можно пренебречь), но есть внутренние неконсервативные силы, действующие в системе в момент пробивания пулей бруска и совершающие работу. Поэтому механическая энергия рассматриваемой системы не сохраняется.

9. Два маленьких массивных шарика закреплены на невесомом длинном стержне на расстоянии друг от друг, как показано на рисунке:
Стержень вращается без трения в горизонтальной плоскости вокруг вертикальной оси, проходящей посередине между шариками, с угловой скоростью . Если шарики раздвинуть симметрично на расстояние , то угловая скорость будет равна …

Решение:
Согласно закону сохранения момента импульса, . Здесь J – момент инерции шариков относительно оси вращения, – угловая скорость вращения вокруг этой оси. Отсюда . Таким образом, угловая скорость уменьшится в 4 раза.

 

10. Небольшая шайба начинает движение без начальной скорости по гладкой ледяной горке из точки А. Сопротивление воздуха пренебрежимо мало. Зависимость потенциальной энергии шайбы от координаты х изображена на графике :

Кинетическая энергия шайбы в точке С ______, чем в точке В.

			в 2 раза больше
			в 2 раза меньше
			в 1,75 раза больше
			в 1,75 раза меньше

 

Решение:
В точке А шайба имеет только потенциальную энергию. По закону сохранения механической энергии, и . Отсюда и . Следовательно, кинетическая энергия шайбы в точке С в 2 раза больше, чем в точке В.

 

11. Небольшая шайба начинает движение без начальной скорости по гладкой ледяной горке из точки А. Сопротивление воздуха пренебрежимо мало. Зависимость потенциальной энергии шайбы от координаты х изображена на графике .

Кинетическая энергия шайбы в точке С

в 2 раза меньше, чем в точке В

в 2 раза больше, чем в точке В

в 3 раза больше, чем в точке В

в 3 раза меньше, чем в точке В

Решение:

Так как на шайбу действуют только консервативные силы (тяжести и реакции опоры(упругости)), то полная механическая энергия сохраняется, т.е. одинакова во всех точках траектории шайбы. Так как в т.А шайба начинает движение, то ее кинетическая энергия и Дж. Тогда, т.к. , то в точке В- Дж, а в т.С - Дж

Следовательно, Кинетическ. энергия шайбы в т. С в 2 раза больше, чем в т. В.

 

12. С ледяной горки с небольшим шероховатым участком АС из точки А без начальной скорости скатывается тело. Сопротивление воздуха пренебрежимо мало. Зависимость потенциальной энергии шайбы от координаты х изображена на графике . При движении тела сила трения совершила работу = 20 Дж.(Ошибка, должен быть минус)

После абсолютно неупругого удара тела со стеной в точке В выделилось...

120 Дж тепла

80 Дж тепла

100 Дж тепла

60 Дж тепла

Решение:

При удара о стенку в т.В потенциальная энергия тела не изменилась, а кинетическая в т.В вся перешла в тепло, т.к. тело остановилось. Чтобы узнать кинетическую энергию в т.В необходимо знать полную энергию в т.В(потенциальная в т.В известна).Полная энергия в т.С равна полной энергии в т.В т.к. на этом промежутке не действуют неконсервативные силы. В то же время полная энергия в т.С меньше полной энергии в т.А на работу силы трения. Таким образом, имеем

Тогда

и Дж.