Blok 8: Ruch harmoniczny.
Wahadło matematyczne
ZESTAW ZADAŃ NA ZAJĘCIA
Uwaga: w poniższych zadaniach przyjmij, że wartość przyspieszenia ziemskiego jest równa r
2
| g |= 10 m / s .
RUCH HARMONICZNY
1. W ruchu harmonicznym klocka o masie m = 1
,
0 kg zaczepionego na sprężynie i
poruszającego się po poziomym stole bez tarcia, zależność położenia klocka od czasu wyraża si
π
ę wzorem: x(t) = 1
,
0 5 sin(4π ⋅ t + ) , gdzie stałe podane są w podstawowych jednostkach
2
SI, a x = 0 jest położeniem równowagi. Oblicz: amplitudę, fazę początkową, okres, częstość drgań, maksymalne przyspieszenie, maksymalną prędkość, całkowitą energię mechaniczną układu. Oblicz, w jakiej odległości od położenia równowagi znajdował się klocek w chwili t = 0 .
2. W ruchu harmonicznym zależność położenia ciała o masie m = ,
0 05 kg od czasu wyraża się
wzorem: x(t) = ,
0 02 sin 1
( 2π ⋅ t + )
π , gdzie stałe podane są w podstawowych jednostkach SI, a
x = 0 jest położeniem równowagi. W chwili t = T / 4 , gdzie T jest okresem drgań ciała, oblicz: fazę ruchu, wartość prędkości chwilowej, wartość przyspieszenia chwilowego, wartość siły sprężystości, energię kinetyczną i energię potencjalną sprężystości.
3. W ruchu harmonicznym zależność położenia ciała od czasu wyraża się wzorem: x(t) = 1
,
0 sin(7π ⋅ t) , gdzie stałe podane są w podstawowych jednostkach SI, a x = 0 jest położeniem równowagi. W chwili, gdy wychylenie ciała z położenia równowagi jest równe połowie amplitudy i zgodne ze zwrotem wybranej osi OX, oblicz:
• ile razy energia kinetyczna jest większa od energii potencjalnej
sprężystości
• stosunek wartości prędkości chwilowej ciała do wartości prędkości
maksymalnej
• stosunek wartości przyspieszenia chwilowego ciała do wartości
przyspieszenia maksymalnego
4. Zależność energii całkowitej oscylatora harmonicznego od amplitudy drgań przedstawiono na wykresie:
5. Aby rozciągnąć pojedynczą sprężynę o ∆x należało zadziałać siłą o wartości F. Sprężynę rozcięto na dwie połowy. Siłą o jakiej wartości należy zadziałać, aby rozciągnąć jedną z połówek o ∆x ?
Projekt jest współfinansowany z Europejskiego Funduszu Społecznego
w ramach programu operacyjnego KAPITAŁ LUDZKI
1
BLOK 8 ZADANIA
6. Pojedynczą sprężynę rozciągamy w taki sposób, aby siła powodująca
odkształcenie zawsze równoważyła aktualną siłę sprężystości. Przy
wydłużeniu pojedynczej sprężyny o x1 siła sprężystości ma wartość 1
F .
Oblicz rozciągnięcie każdej ze sprężyn w przypadku pokazanym na
rysunku, gdy dwie takie sprężyny połączymy i zadziałamy na nie siłą o
wartości 1
F .
7. Praca wykonana przy rozciąganiu układu sprężyn z poprzedniego zadania jest: A) cztery razy mniejsza niż w przypadku rozciągania jednej sprężyny siłą o wartości 1
F
B) dwa razy mniejsza niż w przypadku rozciągania jednej sprężyny siłą o wartości 1
F
C) taka sama jak w przypadku rozciągania jednej sprężyny siłą o wartości 1
F
D) dwa razy większa niż w przypadku rozciągania jednej sprężyny siłą o wartości 1
F
E) cztery razy większa niż w przypadku rozciągania jednej sprężyny siłą o wartości 1
F
8. Dwie identyczne sprężyny oraz dwie kule o ciężarach Q1 i Q2
( Q >
2
Q1) zawieszono kolejno tak, jak na rysunkach. Wydłużenia
x1 i x 2 górnej sprężyny oraz y1 i y2 - dolnej w obu przypadkach
spełniają zależność:
A) x =
1
x 2 i y =
1
y 2
B) x =
1
x 2 i y >
1
y 2
C) x <
1
x 2 i y >
1
y 2
D) x <
1
x 2 i y =
1
y 2
WAHADŁO MATEMATYCZNE
9. Kuleczka na nici stanowi wahadło matematyczne. Jeśli masę kuleczki zwiększymy czterokrotnie a długość nici zmniejszymy dwukrotnie, to ile razy zmieni się okres drgań wahadła?
10. Wahadło matematyczne o okresie zawieszono w windzie i wyznaczono okres jego drgań własnych: T = 5 s , gdy winda spoczywa. Oblicz okres drgań wahadła, jeżeli winda:
• porusza się w górę z przyspieszeniem
m
a = 3
2
s
• porusza się w górę z opóźnieniem
m
a = 3
2
s
11. Wahadło matematyczne o okresie T = 5 s zawieszono w autobusie. Oblicz okres drgań wahadła, jeżeli autobus:
• rusza z przystanku z przyspieszeniem
m
a = 2
2
s
• hamuje z opóźnieniem
m
a = 2
2
s
Projekt jest współfinansowany z Europejskiego Funduszu Społecznego
w ramach programu operacyjnego KAPITAŁ LUDZKI
2
BLOK 8 ZADANIA
ZESTAW ZADAŃ DO SAMODZIELNEGO ROZWIĄZANIA
1. Pojedynczą sprężynę rozciągamy w taki sposób, aby siła
powodująca odkształcenie zawsze równoważyła aktualną siłę
sprężystości. Przy wydłużeniu pojedynczej sprężyny o x1 siła
sprężystości ma wartość 1
F . Oblicz rozciągnięcie każdej ze
sprężyn w przypadku pokazanym na rysunku, gdy dwie takie
sprężyny połączymy i zadziałamy na nie siłą o wartości 1
F .
2. Zależność okresu drgań wahadła matematycznego od jego długości poprawnie przedstawiono na wykresie:
3. Na dwóch sprężynach o współczynnikach sprężystości k1 i k 2 i jednakowych długościach początkowych, zaczepionych u sufitu zawieszono ciężarki o jednakowych masach. Jeżeli wydłużenie sprężyny (2) jest dwa razy większe od wydłużenia sprężyny (1), to: A) k = ⋅
1
2 k 2
B) k = ⋅
1
4 k 2
C) k =
1
k 2
D) 2 ⋅ k =
1
k 2
4. Ciało wykonuje drgania harmoniczne. W położeniu równowagi:
A) szybkość ciała osiąga wartość maksymalną, a przyspieszenie jest równe zeru B) przyspieszenie ciała osiąga wartość maksymalną, a szybkość jest równa zeru C) szybkość i przyspieszenie przyjmują wartości maksymalne
D) szybkość i przyspieszenie przyjmują wartości minimalne
5. Na sprężynie o małej masie zwieszono ciało o masie 1 kg. Oblicz okres drgań tego odważnika, jeżeli pod wpływem siły 1 N sprężyna wydłuża się o 0,5 cm.
6. W tym samym czasie jedno z dwóch wahadeł matematycznych wykonało 12 pełnych wychyleń, zaś drugie z nich – 18 pełnych wychyleń. Różnica długości wahadeł wynosi 10 cm.
Oblicz długości wahadeł.
7. Oblicz energię potencjalną ciała o masie m = 1
,
0 kg wykonującego drgania harmoniczne o
amplitudzie A = 30 mm z częstotliwością f = 20 Hz po czasie t
1
= T od wychylenia z
4
położenia równowagi.
Projekt jest współfinansowany z Europejskiego Funduszu Społecznego
w ramach programu operacyjnego KAPITAŁ LUDZKI
3
BLOK 8 ZADANIA