Механическая работа: поднимаем ведра и бросаемся льдинками

Задачи на работу неразрывно связаны с задачами на закон сохранения энергии. Потому что энергия тратится на работу и наоборот, тело приобретает энергию в результате выполнения кем-то или чем-то работы.

Задача 1. Ведро с водой массой 10 кг поднимают на высоту 10 м, прикладывая постоянную силу 200 Н. Какую работу при этом совершают? Чему равно изменение потенциальной энергии? Чему равна кинетическая энергия груза в конце подъема?

Запишем уравнение по второму закону Ньютона:

$ma=F-mg$

Окуда

$a=\frac{F}{m}-g=\frac{200}{10}-10=10$

Тогда квадрат скорости ведра найдем, зная высоту подъема:

$\upsilon^2=2aS=2\cdot10\cdot10=200$

Кинетическая энергия ведра равна тогда

$E_k=\frac{m\upsilon^2}{2}=\frac{10\cdot200}{2}=1000$

А потенциальная

$E_p=mgh=10\cdot10\cdot10=1000$

Следовательно, работа по подъему равна

$A=E_p+E_k=2000$

Ответ: $E_k=1000$ Дж, $E_p=1000$ Дж, $A=2000$ Дж.

Задача 2. Кусок льда сначала бросают под углом $45^{\circ}$ к горизонту, а второй раз пускают с такой же скоростью скользить по льду. Найти коэффициент трения, если во втором случае кусок льда переместился на расстояние, в 10 раз большее, чем в первом случае.

Сначала определим горизонтальное расстояние при броске под углом к горизонту. Горизонтальная проекция скорости $\upsilon_x=\upsilon_0\cos{\alpha}$ , вертикальная $\upsilon_y=\upsilon_0\sin{\alpha}$ . За время $t$ полета до наивысшей точки траектории эта составляющая погасится силой тяжести:

$0=\upsilon_0\sin{\alpha}-gt$

$t=\frac{\upsilon_0\sin{\alpha}}{g}$

Тогда расстояние, на которое по горизонтали улетит льдинка, равно

$S=\upsilon_x \cdot 2t=\upsilon_0\cos{\alpha}\cdot \frac{2\upsilon_0\sin{\alpha}}{g}=\frac{\upsilon_0^2\sin{2\alpha}}{g}=\frac{\upsilon_0^2}{g}$

По условию, пущенная по льду льдинка прошла в 10 раз большее расстояние: $\frac{10\upsilon_0^2}{g}$ .

Сила трения равна

$F_{tr}=\mu m g$

Работа этой силы равна изначальной кинетической энергии льдинки:

$E_k=\frac{m\upsilon_0^2}{2}=F_{tr}S$

$F_{tr}=\frac{m\upsilon_0^2}{2S}$

$\mu m g=\frac{m\upsilon_0^2 g}{2\cdot 10\upsilon_0^2}=\frac{mg}{20}$

$\mu=\frac{1}{20}=0,05$

Ответ: $\mu=0,05$ .

Задача 3. Тело брошено в горизонтальном направлении с начальной скоростью 15 м/с. Через сколько секунд кинетическая энергия тела увеличится вдвое? Сопротивлением воздуха пренебречь.

Увеличение кинетической энергии вдвое означает, что скорость возросла в $\sqrt{2}$ раз. Эта скорость – результат сложения горизонтальной составляющей скорости и вертикальной. То есть вертикальная составляющая тоже равна 15 м/с. Такая вертикальная составляющая вырастет за время:

$gt=\upsilon_y$

$t=\frac{\upsilon_y }{g}=\frac{15}{10}=1,5$

Ответ: 1,5 с.

Задача 4. Определить кинетическую энергию тела, брошенного горизонтально с высоты 100 м, в момент приземления, если масса тела 0,5 кг и начальная скорость 10 м/с?

Начальная горизонтальная составляющая скорость тела сохраняется. По вертикали тело наберет скорость

$\upsilon_y=\sqrt{2gh}=\sqrt{2\cdot10\cdot100}=\sqrt{2000}=44,7$

Скорость тела при падении равна

$\upsilon^2=\upsilon_y^2+\upsilon_x^2=2000+100=2100$

Кинетическая энергия тела равна

$E_k=\frac{m\upsilon^2}{2}=525$

Ответ: $E_k=525$ Дж.

Задача 5. Горизонтально направленный пучок атомов серебра вылетает из источника. Кинетическая энергия атома равна $9,8\cdot10^{-11}$ Дж. Определить изменение высоты атомов пучка под действием силы тяжести на расстоянии 5 м от источника. Атомная масса серебра 108.

Найдем массу атома:

$m_0=\frac{M}{N_A}=\frac{108}{6\cdot10^{23}}=18\cdot10^{-23}$

Определим скорость атомов пучка:

$\upsilon=\sqrt{\frac{2E_k}{m}}=\sqrt{\frac{2\cdot9,8\cdot10^{-11}}{18\cdot10^{-23}}}=1,04\cdot10^6$

Определим время, за которое атому пролетят 5 м:

$t=\frac{S}{\upsilon }=\frac{5}{1,04\cdot10^6}=4,8\cdot10^{-6}$

За это время атомы пройдут по вертикали расстояние

$H=\frac{gt^2}{2}=\frac{10\cdot4,8^2\cdot10^{-12}}{2}=1,16\cdot10^{-10}$

Ответ: $H=1,16\cdot10^{-10}$ м.

Пн	Вт	Ср	Чт	Пт	Сб	Вс
« Окт
				1	2	3
4	5	6	7	8	9	10
11	12	13	14	15	16	17
18	19	20	21	22	23	24
25	26	27	28	29	30

Механическая работа: поднимаем ведра и бросаемся льдинками

Для вас другие записи этой рубрики:

Добавить комментарий Отменить ответ

Поиск

ПОСЛЕДНИЕ КОММЕНТАРИИ

Рекомендую

Рубрики

Центр обучения Фоксфорд

Облако меток

Подписка

Введите Ваши данные:

Последние записи

Архивы

Центр обучения Фоксфорд

Облако меток

Подписка

Введите Ваши данные:

Последние записи

Архивы

Автор сайта

Авторские права

Календарь