Главная / ЕГЭ Физика / Задание №29 / ID 109265
ID 109265 ЕГЭ Физика Линия №29 СдамГИА ID: 44630 Кинематика
✈️ TG ВК Следующая ⏭️
[рис.] Из жёсткой тонкой гладкой проволоки согнут каркас в виде половины окружности радиусом R  =  60 см и закреплён так, чтобы диаметр каркаса располагался вертикально (см. рисунок). В верхней точке A диаметра к каркасу прикреплён конец лёгкой пружины, длина которой в нерастянутом состоянии равна R. Ко второму концу пружины прикреплена маленькая бусинка B с просверлённым в ней отверстием. Если бусинка висит на пружине, находясь в состоянии = весия, то удлинение пружины оказывается равным $\frac{R}{3}$
Бусинку надевают на каркас так, что она покоится в нижней точке его диаметра. Затем, после очень малого начального воздействия, бусинка начинает скользить по каркасу. Найдите модуль скорости бусинки в тот момент, когда ось пружины будет составлять с вертикалью угол $альфа = \arccos \frac{7}{8}$
Обоснуйте применимость законов, использованных для решения задачи.
Чертеж к задаче Чертеж к задаче
💡 Пошаговый разбор и решение:
Обоснование.
1.  Выберем систему отсчёта, связанную с закреплённым каркасом, и будем считать её инерциальной (ИСО). Относительно этой ИСО справедлив второй закон Ньютона и можно применять законы сохранения.
2.  Для бусинки используем модель материальной точки.
3.  Так как проволока жёсткая, будем считать каркас абсолютно твёрдым телом и пренебрежём его деформациями.
4.  Будем считать, что удлинение пружины подчиняется закону Гука. Поскольку пружина лёгкая, до подвешивания бусинки её можно считать нерастянутой, и при решении задачи можно пренебрегать её массой.
5.  Проволока гладкая, поэтому в системе отсутствуют внутренние диссипативные силы. Все остальные силы либо консервативные, либо не совершают работы. Следовательно, можно применять закон сохранения механической энергии.
6.  Поскольку начальное воздействие на бусинку очень малое, её начальную кинетическую энергию также можно считать пренебрежимо малой.

[рис.]
Решение.
Согласно условию задачи, при подвешивании бусинки массой m к пружине жёсткостью k она в положении = весия растягивается на величину $\Delta l = \frac{R}{3}$ В соответствии со вторым законом Ньютона, с учётом закона Гука: $mg = k \Delta l = \frac{kR}{3}$
2.  Рассмотрим состояние системы, в котором ось пружины составляет с вертикалью угол α (см. рисунок). Угол AB1B прямой, поэтому в данный момент длина пружины равна $l = 2R \cos альфа$ а высота бусинки над точкой B составляет $h = 2R \sin ^2 альфа$ Обозначим скорость бусинки в рассматриваемый момент через υ и учтём, что в исходном состоянии удлинение пружины было = R. Тогда, согласно закону сохранения механической энергии для данной системы:

$\frac{kR ^2}{2} = $\frac{k ( l - R ) ^2}{2}$ + mgh + \frac{m v ^2}{2}$

3.  Преобразуем это уравнение с учетом ранее записанных соотношений:

$\frac{kR ^2}{2} = $\frac{k ( 2R \cos альфа - R ) ^2}{2}$ + 2mgR \sin ^2 альфа + \frac{m v ^2}{2}$
$kR ^2 = kR ^2 ( 2 \cos альфа - 1 ) ^2 + 4mgR \sin ^2 альфа + m v ^2$
$3mgR = 3mgR ( 2 \cos альфа - 1 ) ^2 + 4mgR \sin ^2 альфа + m v ^2$

$v ^2 = 3gR - 3gR ( 2 \cos альфа - 1 ) ^2 - 4gR \sin ^2 альфа =$
$= 12gR ( \cos альфа - \cos ^2 альфа ) - 4gR ( 1 - \cos ^2 альфа ) = 4gR ( 3 \cos альфа - 2 \cos ^2 альфа - 1 )$ $v ^2 = 3gR - 3gR ( 2 \cos альфа - 1 ) ^2 - 4gR \sin ^2 альфа =$
$= 12gR ( \cos альфа - \cos ^2 альфа ) - 4gR ( 1 - \cos ^2 альфа ) =$
$= 4gR ( 3 \cos альфа - 2 \cos ^2 альфа - 1 )$

4.  Учитывая, что $\cos альфа = \frac{7}{8}$ получаем:

$v = 2 $\sqrt{аргумента: gR ( 3 \cos альфа - 2 \cos ^2 альфа - 1 )}$ аргумента = 2 \sqrt{аргумента: gR ( 3 \cdot $\frac{7}{8}$ - 2 \cdot $\frac{49}{64}$ - 1 )} аргумента = $\frac{1}{2}$ \sqrt{аргумента: $\frac{3gR}{2}$} аргумента$ $v = 2 $\sqrt{аргумента: gR ( 3 \cos альфа - 2 \cos ^2 альфа - 1 )}$ аргумента =$
$= 2 \sqrt{аргумента: gR ( 3 \cdot $\frac{7}{8}$ - 2 \cdot $\frac{49}{64}$ - 1 )} аргумента = $\frac{1}{2}$ \sqrt{аргумента: $\frac{3gR}{2}$} аргумента$

5.  Подставляя численное значение R, находим:

$v = $\frac{1}{2}$ \sqrt{аргумента: $\frac{3 \cdot 10 \cdot 0,6}{2}$} аргумента = 1,5 м/с$

Ответ: $v = $\frac{1}{2}$ \sqrt{аргумента: $\frac{3 \cdot 10 \cdot 0,6}{2}$} аргумента = 1,5 м/с$
Правильный ответ: $v = дробь: числитель: 1, знаменатель: 2 конец дроби корень из: начало аргумента: дробь: числитель: 3 умножить на 10 умножить на 0,6, знаменатель: 2 конец дроби конец аргумента = 1,5 м/с$
📚 Похожие разобранные задания по предмету:
ID 166650 • Задание №3
С высоты h без начальной скорости на кучу с песком падает тело массой m и застревает в песке. Чему равен модул...
Смотреть разбор ↗
ID 108413 • Задание №25
[рис.] Какая тепловая мощность выделяется на лампе 4 в цепи, собранной по схеме, изображенной на рисунке? Сопр...
Смотреть разбор ↗
Официальные критерии проверки ФИПИ:
Критерии проверки:

Критерии оценивания выполнения задания | Баллы

Приведено полное решение, включающее следующие элементы:
I) записаны положения теории и физические законы, закономерности, применение которых необходимо для решения задачи выбранным способом;
II) описаны все вновь вводимые в решении буквенные обозначения физических величин (за исключением обозначений констант, указанных в варианте КИМ, обозначений, используемых в условии задачи, и стандартных обозначений величин, используемых при написании физических законов);
III) представлены необходимые математические преобразования и расчёты, приводящие к правильному числовому ответу (допускается решение «по частям» с промежуточными вычислениями);
IV) представлен правильный ответ с указанием единиц измерения искомой величины | 2

Правильно записаны все необходимые положения теории, физические законы, закономерности, и проведены преобразования, направленные на решение задачи, но имеется один или несколько из следующих недостатков.
Записи, соответствующие пункту II, представлены не в полном объёме или отсутствуют.

И (ИЛИ)

В решении имеются лишние записи, не входящие в решение (возможно, неверные), которые не отделены от решения и не зачёркнуты.

И (ИЛИ)

В необходимых математических преобразованиях или вычислениях допущены ошибки, и (или) в математических преобразованиях/вычислениях пропущены логически важные шаги.

И (ИЛИ)

Отсутствует пункт IV, или в нём допущена ошибка (в том числе в записи единиц измерения величины) | 1

Все случаи решения, которые не соответствуют вышеуказанным критериям выставления оценок в 1 или 2 балла | 0

Максимальный балл | 2
🔗 Другие задания линии №29 по предмету Физика:
ID 109084 В преддверии летнего сезона пожаров двое пожарных в одной из деревень решили заполнить одинаков... ID 109085 Тело, свободно падающее с некоторой высоты, первый участок пути проходит за время $\tau =1c$ а ... ID 109086 Тело, свободно падающее с некоторой высоты из состояния покоя, за время $\tau = 1c$ после начал... ID 109087 Маленький шарик падает сверху на наклонную плоскость и упруго отражается от нее. Угол наклона п... ID 109088 Наклонная плоскость пересекается с горизонтальной плоскостью по прямой AB. Угол между плоскостя...
← Предыдущее задание 📚 Все задания по предмету Следующее задание →