1. До выстрела пружина пистолета сжата, то есть обладает потенциальной энергией. В момент выстрела пружина разжимается, толкая снаряд, при этом её потенциальная энергия переходит в кинетическую энергию снаряда. Горизонтальное перемещение снаряда не меняет его энергию, но при этом он ещё и падает, значит его потенциальная энергия уменьшается, а точнее переходит в кинетическую (в добавок к начальной его кинетической энергии от пружины). Чем ниже снаряд, тем меньше его потенциальная энергия, и тем выше кинетическая (то есть и скорость движения). У самой земли прям перед падением его потенциальная энергия равна 0, а кинетическая максимальна.
2. Найдём скорость вылета V0 через начальную кинетическую энергию Eк0: Eк0 = m*V0²/2 Как говорилось выше, эта кинетическая энергия равна потенциальной энергии сжатой пружины Eпр: Eк0 = Eпр m*V0²/2 = Eпр Потенциальная энергия пружины жёсткостью k, сжатой на величину x: Eпр = k*x²/2, тогда m*V0²/2 = k*x²/2 m*V0² = k*x² V0 = √(k*x²/m) V0 = √(1800 Н/м * (4 см)² / 80 г) Переведу всё в СИ: V0 = √(1800 Н/м * (0,04 м)² / 0,08 кг) V0 = √(36 м²/с²) V0 = 6 м/с
3. На высоте h =1 м снаряд обладал потенциальной энергией относительно земли: Eп = m*g*h Прям перед падением на землю вся эта потенциальная энергия перешла в кинетическую (в добавок к кинетической энергии от пружины). Тогда перед падением кинетическая энергия: Eк = Eпр + Eп Eк = k*x²/2 + m*g*h Распишем кинетическую энергию через массу m и искомую скорость V: m*V²/2 = k*x²/2 + m*g*h V = √(k*x²/m + 2*g*h) V = √(1800 Н/м * (0,04 м)² / (0,08 кг) + 2 * 10 Н/кг * 1 м) V = √(56 м²/с²) V ≈ 7,5 м/с
Если пренебрегаем сопротивлением воздуха, то можно решить по закону сохранения энергии (ЗСЭ): Eп1 + Ек1 = Еп2 + Ек2, где Eп1 – потенциальная энергия тела в начальный момент времени, Дж; Eк1 – кинетическая энергия тела в начальный момент времени, Дж; Eп2 – потенциальная энергия тела в конечный момент времени, Дж; Eк2 – кинетическая энергия тела в конечный момент времени, Дж. Начальный момент времени: тело на высоте 45 м. Конечный момент времени: прям перед ударом о землю.
Потенциальная энергия Еп = m*g*h (h – высота над землёй). Кинетическая энергия Ек = m*V²/2 (V – скорость тела). И там, и там m – масса тела.
В начальный момент времени тело только отпустили, и у него ещё нет скорости, значит и нет кинетической энергии (Eк1 = 0). В конечный момент времени тело прям на уровне земли, как что нет потенциальной энергии (Eп2 = 0).
Тогда получим ЗСЭ в более простом виде: Eп1 = Ек2, при этом говорят, что вся потенциальная энергия перешла в кинетическую. m*g*h = m*V²/2 2*g*h = V² V² = √(2*g*h) V = √(2 * 10 м/с² * 45 м) V = 30 м/с
2. Найдём скорость вылета V0 через начальную кинетическую энергию Eк0:
Eк0 = m*V0²/2
Как говорилось выше, эта кинетическая энергия равна потенциальной энергии сжатой пружины Eпр:
Eк0 = Eпр
m*V0²/2 = Eпр
Потенциальная энергия пружины жёсткостью k, сжатой на величину x:
Eпр = k*x²/2, тогда
m*V0²/2 = k*x²/2
m*V0² = k*x²
V0 = √(k*x²/m)
V0 = √(1800 Н/м * (4 см)² / 80 г)
Переведу всё в СИ:
V0 = √(1800 Н/м * (0,04 м)² / 0,08 кг)
V0 = √(36 м²/с²)
V0 = 6 м/с
3. На высоте h =1 м снаряд обладал потенциальной энергией относительно земли:
Eп = m*g*h
Прям перед падением на землю вся эта потенциальная энергия перешла в кинетическую (в добавок к кинетической энергии от пружины). Тогда перед падением кинетическая энергия:
Eк = Eпр + Eп
Eк = k*x²/2 + m*g*h
Распишем кинетическую энергию через массу m и искомую скорость V:
m*V²/2 = k*x²/2 + m*g*h
V = √(k*x²/m + 2*g*h)
V = √(1800 Н/м * (0,04 м)² / (0,08 кг) + 2 * 10 Н/кг * 1 м)
V = √(56 м²/с²)
V ≈ 7,5 м/с
Eп1 + Ек1 = Еп2 + Ек2, где
Eп1 – потенциальная энергия тела в начальный момент времени, Дж;
Eк1 – кинетическая энергия тела в начальный момент времени, Дж;
Eп2 – потенциальная энергия тела в конечный момент времени, Дж;
Eк2 – кинетическая энергия тела в конечный момент времени, Дж.
Начальный момент времени: тело на высоте 45 м.
Конечный момент времени: прям перед ударом о землю.
Потенциальная энергия Еп = m*g*h (h – высота над землёй).
Кинетическая энергия Ек = m*V²/2 (V – скорость тела).
И там, и там m – масса тела.
В начальный момент времени тело только отпустили, и у него ещё нет скорости, значит и нет кинетической энергии (Eк1 = 0).
В конечный момент времени тело прям на уровне земли, как что нет потенциальной энергии (Eп2 = 0).
Тогда получим ЗСЭ в более простом виде:
Eп1 = Ек2, при этом говорят, что вся потенциальная энергия перешла в кинетическую.
m*g*h = m*V²/2
2*g*h = V²
V² = √(2*g*h)
V = √(2 * 10 м/с² * 45 м)
V = 30 м/с