Задача-конструктор на тему «Сила всемирного тяготения»( ) Некоторое тело массы m находится на некоторой планете массы M, радиуса R, объема V и плотности ρ. Между телом и планетой действует сила тяготения F. Определите все недостающие характеристики, обозначенные *.
7
4,2
6,4
*
5500
*
*
*
*
ответ: π/5 Гц
Объяснение:
Дано:
v(r) = 3 м/с
x = 10 см = 0,1 м
v(x) = 2 м/с
f - ?
Мы знаем что
v(r) = ( 2πr )/T
Где r - радиус окружности вращающегося диска
Т - период вращения диска
Тогда Т.к. f = 1/T
v(r) = 2πrf (1)
Аналогично для точки вращающейся на 10 см ближе к оси вращения
v(x) = 2π( r - x )f (2)
Отсюда составляем систему уравнений
v(r) = 2πrf
v(x) = 2π( r - x )f
Делим уравнение (1) на уравнение (2)
v(r)/v(x) = r/( r - x )
v(x)r = v(r)( r - x )
v(r)r - v(r)x = v(x)r
r( v(r) - v(x) ) = v(r)x
r = ( v(r)x )/( v(r) - v(x) )
r = ( 3 * 0,1 )/( 3 - 2 ) = 0,3 м
Отсюда подставляем радиус окружности вращающегося диска
В уравнение (1)
v(r) = 2πrf
f = v(r)/( 2πr )
f = 3/( 2π * 0,3 ) = π/5 Гц ≈ 1,6 Гц
Очень важно разобраться со всеми ключевыми понятиями задачи, которые явно или не явно присутствуют в ее условии. “Бросили со скоростью” означает, что начальная скорость равна v0 = 10 м/с. “Поднимется на высоту” означает, что долетит до верхней точки, где остановится (на какое-то мгновение, прежде чем начать падать обратно вниз, но нас это сейчас не интересует). “Верхняя точка” означает точку, в которой тело останавливается, т.е. в которой скорость тела становится равна нулю: v = 0. “Высота” означает здесь перемещение тела от нижней точки до верхней: Н = АВ = Ds.
Теперь нужно определить, есть ли у нас векторные величины? Есть: это начальная скорость, перемещение и ускорение. Раз есть векторные величины, нужно выбрать направление положительных значений. Направим ось вверх. Тогда начальная скорость и перемещение будут направлены вдоль оси, а ускорение против. Значит, ускорение нужно брать со знаком “-”: а = - g = - 10 м/с2.
Теперь можно делать подстановку. Однако для разнообразия, не будем пока подставлять числа (кроме нолей), а используем буквенные обозначения. Тогда получаем:
0 = v0 - gt; H = v0 t - g t2 /2.
Выражаем из первой формулы время: t = v0 /g, и подставляем его во вторую формулу. Получим, H = v0 t - g t2 /2 = v0· v0/g - g(v0 /g)2/2 = v02/(2g). Эту формулу стоит запомнить. Мы доказали, что если тело бросить вертикально вверх с начальной скоростью v0, то он поднимется на высоту H = v02/(2g), если не учитывать сопротивление воздуха.
Теперь подставим числа и найдем искомую высоту: H = v02/(2g) = (10)2/(2· 10) = 5 м.