Сборник практических работ по физике
учебно-методическое пособие по физике (10, 11 класс) на тему

ГБОУ АО СПО

«Астраханский государственный политехнический колледж»

СБОРНИК ПРАКТИЧЕСКИХ РАБОТ ПО ФИЗИКЕ

Пособие для студентов 1 курса

Специальность 260807 Технология продукции общественного питания

        Гущенкова Н.В.,

        преподаватель физики

г. Астрахань – 2015

Пояснительная записка

Данное учебно-методическое пособие предназначено  для студентов 1 курса по  специальности  260807 «Технология продукции общественного питания»  для выполнения практических работ по физике. В качестве способа решения учебной задачи при взаимосвязанной деятельности преподавателя и студентов выбран метод самостоятельной работы.

Целями выполнения практических работ является:

- обобщение, систематизация, углубление, закрепление полученных теоретических знаний по конкретным темам дисциплины;

- формирование умений применять полученные знания на практике, реализация единства интеллектуальной и практической деятельности;

-развитие интеллектуальных умений у будущих специалистов; аналитических, проектировочных, конструктивных и др.

- выработку при решении поставленных задач таких профессионально значимых качеств, как самостоятельность, ответственность, точность, творческая инициатива.

 В процессе изучения физики очень большое значение имеет решение задач, так как оно позволяет закрепить теоретический материал курса, разобраться в различных законах и границах их применения, способствует их запоминанию. Кроме того, при этом развиваются навыки использования этих законов для выяснения конкретных практических вопросов. Таким образом, выполнение задач в практических работах является проверкой степени усвоения студентами теоретического материала и может служить критерием знания курса.

Предлагаемое пособие содержит материал 17 практических работ по физике (согласно рабочей программе), краткую теорию, предлагаемые студентам для теоретической подготовки к занятиям вопросы; подробные методические указания по решению задач; примеры решения задач; задачи для самостоятельного решения по вариантам. Условие каждой задачи представлено одновременно в 10 вариантах.

Приложение к сборнику задач включает в себя справочный материал, необходимый для решения задач. 

Практическая  работа  рассчитана  на  выполнение  в  течение двух  учебных часов.

Примерный план решения задачи:

1. Работа над условием:

• Краткая запись условия и выяснение смысла терминов (рисунки, чертежи).
• Анализ физических явлений, процессов, описанных в задаче.
• Запись упрощающих предположений.

2. Поиск необходимых уравнений, связывающих физические величины, которые характеризуют рассматриваемое явление, процесс.

3. Решение задачи в общем виде.

4. Анализ полученного результата (действие с наименованиями, проверка на частных случаях, решение другим способом).

5. Приведение всех данных к СИ (если это необходимо).

6. Получение числового ответа.

В процессе выполнения практической работы студенты в отчёт должны внести:

название практической работы;

цель работы;

решение выполненных заданий практической работы.

Оценка за выполнение практических работ  выставляется по пятибалльной системе и учитывается как показатель текущей успеваемости студентов.

Содержание:

Раздел 1 Механика

Тема 1.1 Кинематика материальной точки

Практическая работа № 1  Описание видов движения материальной точки

Цель работы:

 закрепить умение:

применять формулы скорости при равномерном движении, ускорения и уравнения движения при различных видах движения при решении задач;

применять формулы центростремительного ускорения, связывающей линейную и угловую скорости при решении задач.

Основные понятия и  формулы

Механическое движение - изменение положения тела в пространстве относительно других тел с течением времени.

Материальная точка представляет собой тело, которое обладает массой, а его размерами можно пренебречь в сравнении с пройденным этим телом расстоянием.

Тело отсчета - это некоторое тело, относительно которого определяют положение  других тел в любой момент времени.

Система отсчета - это тело отсчета, связанная с ним система координат и прибор для измерения времени.

Траектория – линия, описываемая материальной точкой  при движении.

Путь - длина траектории. Путь обозначают символом l, единица в СИ – метр (м). Путь - скалярная величина.

Перемещение – вектор, направленный отрезок, соединяющий начальную  точку траектории с конечной.    Перемещение обозначается символом S, в  СИ измеряется (м).

Скорость – мера механического состояния тела. Она характеризует быстроту изменения положения тела относительно данной системы отсчета и является векторной величиной. Скорость обозначается символом υ, ее единица измерения (м/с).

Средняя скорость – это векторная величина, которая определяется отношением вектора перемещения к промежутку времени, за которое данное перемещение произошло:

=

Мгновенная скорость тела – скорость тела в данный момент времени или в данной точке траектории, равная отношению перемещения к малому промежутку времени, за который это перемещение произошло:      

.

Ускорение – векторная величина, характеризующая быстроту изменения скорости. Оно показывает, на какую величину изменяется скорость тела за единицу времени. Ускорение обозначается символом , ее единица измерения м/с2.

Среднее ускорение – физическая величина, численно равная отношению изменения скорости ко времени, за которое оно произошло:

По характеру скорости выделяют следующие виды движения:

- равномерным называется движение, при котором за одинаковые промежутки времени тело проходит одинаковые расстояния, то есть скорость тела остается постоянной;

- равноускоренным называется движение, при котором за равные промежутки времени скорость тела изменяется одинаково, т.е. ускорение остается постоянным.

Итак, при равномерном прямолинейном движении  и .

t – кинематическое уравнение равномерного движения (уравнение зависимости координаты от времени).

 - уравнение пути.

При равноускоренном прямолинейном движении .

 - уравнение скорости.

Движение с возрастающей по модулю скоростью называют ускоренным движением, а движение с убывающей скоростью – замедленным движением.

- уравнение перемещения при равноускоренном движении.

Между путем, ускорением и временем имеет место следующее соотношение:

Между скоростью, ускорением и путем имеет место следующее соотношение  или .

 - кинематическое уравнение равноускоренного движения.

Формулы, применяемые для равномерно ускоренного движения, годятся и для свободного падения. Заменяем эти формулы: , ,.

Равномерное движение по окружности – это движение, при котором тело за любые равные промежутки времени совершает одинаковые перемещения, т.е. проходит дуги равной длины.

Линейная, или мгновенная скорость – это скорость, с которой тело движется по окружности.

Модуль линейной скорости можно определить отношением длины дуги окружности ко времени, за которое эта дуга пройдена.

Угловая скорость  - это скорость, модуль которой равен отношению угла поворота радиуса, соединяющего материальную точку с центром окружности, ко времени этого поворота. Угловая скорость обозначается символом ω; измеряется в СИ в рад/с.

, где φ - угол поворота радиуса.

Период – это время, за которое тело совершает один полный оборот.

Период – величина скалярная, в СИ измеряется в секундах (с).

Частота – число вращений за единицу времени.

.    

Частота – скалярная величина, в СИ измеряется в (с-1).

Центростремительное ускорение -   это векторная величина, которая в каждой точке окружности направлена вдоль радиуса к центру окружности и численно равна отношению квадрата скорости и радиуса окружности.

.

Ускорение в СИ измеряется в (м/с2).

Задание 1. Ответьте на вопросы:

1. Что называется механическим движением и какие величины являются его

        характеристиками?

2. Какие виды движения вам известны?
3. Какими характеристиками описывается неравномерное прямолинейное движение?
4. Что такое траектория движения? Приведите примеры прямолинейной и

       криволинейной траекторий движений.

5. Чем отличается путь от перемещения?
6. Как определяется перемещение при равноускоренном движении?
7. Что из себя представляет криволинейное движение?
8. Что такое центростремительное ускорение?
9. Что такое период и частота обращения и какими соотношениями связаны эти

      величины?

Методические указания

Несмотря на большое разнообразие задач по кинематике, можно предложить следующий алгоритм их решения:

1. Сделать схематический рисунок, изобразив начальное положение тел и их начальное состояние, т.е.  .
2. Выбрать систему отсчёта на основании анализа условии задачи. Для этого нужно выбрать тело отсчёта и связать с ним систему координат, указав начало отсчёта координат, направление осей координат, момент начала отсчёта времени. При выборе положительных направлений руководствуются направлением движения (скорости) или направлением ускорения.
3. Составить на основании законов движения систему уравнений в векторном виде для всех тел, а затем в скалярной форме, спроецировав на координатные оси эти векторные уравнения движения. При записи этих уравнений следует обратить внимание на знаки "+" и "-" проекций входящих в них векторных величин.
4. Ответ необходимо получить в виде аналитической формулы (в общем виде), а в конце произвести числовые расчёты.
5. При решении задач на движение материальной точки по окружности необходимо дополнительно учитывать связь между угловыми и линейными характеристиками.

Примеры решения задач

Задача 1. Велосипедист, едущий со скоростью 18 км/ч, начинает спускаться с горы. Определить скорость велосипедиста через 6 с, если ускорение равно 0,8 м/с2.

Задача 2. Поезд через 20 с после начала движения приобретает скорость 0,6 м/с. Через сколько времени от начала движения скорость поезда станет равна 3 м/с?

Задача 3. Скорость автомобиля за 10 с уменьшилась с 10 до 6 м/с. Написать формулу зависимости  скорости от времени, построить график этой зависимости и по графику определить скорость через 20 с.

Задача 4. Поезд движется со скоростью 20 м/с. При торможении до полной остановки он прошёл расстояние в 200 м. Определите время, в течение которого происходило торможение.

Задача 5. Каков радиус кривизны закругления дороги, если по ней автомобиль движется с центростремительным ускорением 2 м/с2  при скорости 72 км/ч?

Задание 2. Решите количественные задачи.

Задача 1. Прямолинейное движение двух тел задано уравнениями и , где  и  - координаты в момент времени t первого и второго тел соответственно. Охарактеризуйте движение тел. Определите время и координату их встречи. Численные значения величин приведены в Международной системе единиц (СИ).

Задача 2. Материальная точка с начальной скоростью  движется с ускорением α и через время t имеет скорость . Определите значение величины, обозначенной «?». Движение прямолинейное, вдоль одной координатной оси.

Задача 3. Автомобиль, имевший начальную скорость , разгоняется с ускорением α до скорости  на пути длиной l. Определите значение величины, обозначенной «?». Сколько времени длится разгон?

Задача 4. По имеющимся в таблице данным укажите  значения ускорения и начальной скорости, а также постройте графики зависимости перемещения, скорости и координаты от времени за первые 20 секунд. Определите значение величины, обозначенной «?».

Задача 5. Материальная точка движется со скоростью    по окружности радиусом  R, имея при этом центростремительное ускорение  aц. За время  t  материальная точка проходит расстояние  S, при этом совершая поворот на угол  φ. Угловая скорость  ω. Определите значение величины, обозначенной «?».

Тема 1.2 Динамика материальной точки

Практическая работа № 2 Движение материальной точки под действием сил: упругости, трения, тяжести

Цель работы: закрепить умение применять формулы силы трения, силы тяжести, закон Гука и закон всемирного тяготения  при решении задач.

Методические указания

При решении задач по теме «Динамика материальной точки» следует придерживаться следующего алгоритма:

1. Сделать схематический рисунок, изобразить все силы, действующие на каждое тело рассматриваемой системы.
2. Выбрать систему координат xОy с таким расположением осей, чтобы наибольшее количество векторов сил было направлено вдоль осей. В случае движение тела по окружности ось Оx должна быть направлена к центру окружности (как и центростремительное ускорение).
3. Записать для каждого тела в отдельности второй закон Ньютона в векторной форме: =.
4. Спроецировать эти уравнения на выбранные оси координат.
5. Дополнить полученную систему в случае  необходимости кинематическими и динамическими соотношениями и решить её относительно искомой величины.

Основные понятия и формулы

Динамика - раздел механики,  в котором исследуется  влияние взаимодействия тел на их механическое движение.

Сила - векторная физическая величина, мера воздействия на тело со стороны других тел или полей. В системе СИ единицей силы является ньютон.

Результат действия силы зависит от направления, модуля силы и от точки приложения силы. Результатом действия силы являются изменение скорости тела или деформация.

Сила притяжения тела Землей называется весом тела.

Вес тела обозначим буквой  , по модулю равен силе тяжести: = m.

Но это не значит, что вес тела и сила тяжести, приложенная к нему, одно и тоже.

Сила тяжести – это гравитационная сила, приложенная к телу.

Вес тела – это сила упругости, приложенная к подъему.

Невесомость объясняется тем, что сила всемирного тяготения, а значит и сила тяжести,  сообщают всем телам (в нашем случае – грузу и пружине) одинаковое ускорение . Поэтому всякое тело, на которое действует только сила тяжести или вообще сила всемирного тяготения, находится в состоянии невесомости.

 Закон всемирного тяготения формулируется следующим образом: всякие тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорционально произведению их масс и обратно пропорционально квадрату расстояния между ними.

Или на языке математики: введя коэффициент пропорциональности G=6,67·10-11Н·м2/кг2 – гравитационную постоянную, получим .

Сила трения — это сила, возникающая при движении одного тела по поверхности другого и препятствующая этому движению.

Трение может быть нескольких видов: трение покоя, трение скольжения и трение качения.

Трение покоя мешает началу движения тела по некоторой поверхности. Сила трения покоя по величине равна силе, которая прикладывается к телу.

Сила трения скольжения Fтр.ск возникает при скольжении одного тела по поверхности другого. Её направление противоположно скорости движения тела.

Модуль силы трения скольжения прямо пропорционален силе нормальной реакции опоры N:, где μ — безразмерная величина.

Коэффициент пропорциональности μ — коэффициент трения скольжения, зависящий от вида веществ соприкасающихся тел, состояния их поверхностей и скорости скольжения одного тела относительно другого.

Модуль силы трения скольжения при движении по горизонтальной поверхности 

, поскольку .

Трение качения возникает при качении одного тела по поверхности другого.

Модуль силы трения качения равен отношению произведения коэффициента трения качения R, модуля силы нормальной реакции опоры N к радиусу R катящегося тела.

.

        Сила, возникающая в результате деформации тела и направленная в сторону, противоположную перемещению частиц тела при деформации, называется силой упругости. По своему происхождению силы упругости – это электромагнитные силы.

        Закон Гука: сила упругости, возникающая при деформации тела, пропорциональна удлинению тела и направлена в сторону, противоположную направлению перемещений частиц тела при деформации:

         (Fупр)х = -кх

Здесь x – удлинение тела (пружины), к – коэффициент пропорциональности, который называется жёсткостью тела (пружины).

Жесткость зависит от размеров тела, формы и материала. Единица измерения жёсткости в СИ: 

        Силу упругости, действующую на тело со стороны отпоры (нити) или подвеса (пружины), называют силой реакции опоры.

Две силы можно заменить равнодействующей силой (см. рис.).

Если силы сонаправлены, то равнодействующая сила равна их сумме и направлена в ту же сторону. Если силы противоположно направлены, то равнодействующая сила равна их разности и направлена в сторону большей силы. Следствие: равнодействующая уравновешенных сил равна нулю.

Задание 1. Ответьте на вопросы:

1. Что называется силой?
2. Какие силы вам известны?
3. От чего зависит сила трения, действующая на тело?
4. Когда возникает сила упругости?
5. Объясните происхождение знака "-" в законе Гука?
6. Что называется весом тела?

Примеры решения задач

Задача 1. На сколько удлиниться пружина под нагрузкой 12,5 Н, если под нагрузкой в

10 Н пружина удлинилась на 4 см?

Задача 2. На каком расстоянии сила притяжения двух шариков массами по 1 г равна 6,7·10-17 Н?

Задача 3. Велосипедист, ехавший со скоростью 36 км/ч, увидел примерно в 10 м от себя препятствие и резко затормозил. Успеет ли велосипедист остановиться до препятствия? Коэффициент трения скольжения шин по сухому асфальту 0,7. Как изменится тормозной путь при увеличении скорости движения в 2 раза?

Задание 2. Решите количественные задачи

Задача 1. К крючку динамометра прикрепили полоску резины жесткостью k. При растяжении полоски на длину x показания динамометра составили F. Определите значение величины, обозначенной «?». Как изменятся показания динамометра, если деформация полоски резины увеличится в α раз?

Задача 2. Когда резиновая шайба находится на горизонтальной поверхности льда, то сила тяжести, действующая на шайбу уравновешивается силой реакции N со стороны поверхности льда. Если, ударив по шайбе, заставить ее скользить по поверхности льда, то возникнет сила трения скольжения Fтр. Коэффициент трения скольжения между шайбой и поверхностью льда равен μ. Определите значение величины, обозначенной «?». Во сколько раз изменится сила трения скольжения, если сверху на шайбу положить n таких же шайб?

Задача 3. Металлический брусок прямоугольной формы размером a×b×c подвешен к динамометру. Показания динамометра F. Плотность металла ρ. Определите значение величины, обозначенное «?». Во сколько раз изменятся показания динамометра, если все размеры бруска увеличить в α раз?

Задача 4. Два тела массами m1 и  m2, находящиеся на расстоянии r друг от друга, взаимодействуют с силой гравитационного притяжения F. Определите значение величины, обозначенной «?». Как изменится сила гравитационного взаимодействия, если расстояние между телами увеличить в β раз?

Практическая работа № 3  Движение тел  под  действием нескольких сил

Цель работы:  закрепить умение  применять законы Ньютона при решении задач.

Основные понятия и законы

Существуют такие системы отсчета, относительно которых поступательно движущееся тело сохраняет свою скорость постоянной, если на него не влияют другие тела (или влияния других тел компенсируются).

Математически этот закон записывается в виде а = 0, если Fрез = 0, где а – ускорение , Fрез – векторная сумма всех сил, действующих на тело. Первый закон Ньютона выполняется только в инерциальных системах отсчёта. Системы отсчёта, относительно которых тело при компенсации внешних воздействий движется равномерно и прямолинейно, называются инерциальными системами.

Само явление сохранения скорости тела или состояния покоя при компенсации внешних воздействий на тело называют инерцией. Поэтому первый закон Ньютона называют законом инерции.

При воздействии одних тел на другие тела изменяют свою скорость – приобретают ускорение. При этом разные тела при данном воздействии приобретают разное ускорение.

Свойство тел приобретать определённое ускорение при данном воздействии называется инертностью. Инертность – это свойство, присуще всем телам. Масса тела – количественная мера его инертности. Чем большей массой обладает тело, тем меньшее ускорение оно получает при взаимодействии. Поэтому в физике принято, что отношение масс взаимодействующих тел равно обратному отношению модулей ускорений.

Ньютон сформулировал важнейший закон движения, то есть II закон Ньютона, который гласит: в инерциальной системе отсчёта ускорение тела прямо пропорционально векторной сумме всех действующих на тело сил и обратно пропорционально массе тела:

                                                            
        Третий закон Ньютона: тела действуют друг на друга с силами, равными по модулю и противоположными по направлению.

        Этот закон свидетельствует о том, что силы в природе всегда возникают парами, как результат взаимодействия между двумя телами.

Итак, третий закон можно записать математически следующим образом:

Силы, входящие в третий закон Ньютона, приложены к разным телам. Сила F1 называется силой реакции по отношению к F2, а сила F2 – силой реакции по отношению к F1.

Задание 1. Ответьте на вопросы:

1.   Какие основные законы динамики вы знаете?
2.   Какие системы называются инерциальными системами отсчёта?
3. Что такое инерция?
4. Что называется инертностью?
5. Что такое масса тела?

Примеры решения задач

Задача 1. Человек массой 80 кг поднимается в лифте равнозамедленно, вертикально вверх, с ускорением 2 м/с2. Определите силу давления человека на пол кабины лифта.

Задача 2. Автомобиль массой 5 т трогается с места с ускорением 0,6 м/с2. Найти силу тяги, если коэффициент сопротивления движению равен 0,04.

Задача 3. Автомобиль массой 1 т поднимается по шоссе с уклоном 300 под действием силы тяги 7 кН. Найти ускорение автомобиля, считая, что сила сопротивления не зависит от скорости движения. Коэффициент сопротивления равен 0,1. Ускорение свободного падения принять равным 10 м/с2.

Задача 4. Тележка массой 5 кг движется по горизонтальной поверхности под действием гири массой 21 кг, прикреплённой к концу нерастяжимой нити, перекинутой через неподвижный блок. Определить натяжение нити и ускорение движения тележки, если коэффициент трения тележки о плоскость 0,1. Массами блока и нити, а также трением в блоке пренебречь.

Задание 2. Решите количественные задачи

Задача 1. Координата x тела, движущегося прямолинейно, изменяется с течением времени по закону x=x (t). Масса тела m. Вычислите модуль равнодействующей сил, приложенных к телу.

Задача 2. Пассажирский лифт начинает движение из состояния покоя и  двигаясь равноускоренно вверх (вниз), за время t проходит путь s. При таком движении лифта вес пассажира массой m равен Р. Определите значение величины, обозначенной «?». Ускорение свободного падения примите равным 10 м/с2.

Задача 3. Тепловоз массой M тянет вагон массой m с ускорением α. Сила тяги тепловоза Fт, сила натяжения сцепки между тепловозом и вагоном Fк. Определите значения величин, обозначенных «?». Силой сопротивления можно пренебречь.

Задача 4. Два тела массами  m1  и  m2  подвешены на нерастяжимой нити через блок. Найти значения и направления ускорений грузов  a1  и  а2  и силу натяжения нити  T. Определите значения величин, обозначенных «?».

Задача 5. По гладкой наклонной плоскости длиной L и высотой h небольшой брусок соскальзывает с ускорением α. Определите значения величин, обозначенных «?». Ускорение свободного падения примите равным 10 м/с2.

Тема 1.3 Законы сохранения в механике

Практическая работа № 4  Закон сохранения импульса

Цель работы:  способствовать закреплению изученного материала, научиться применять закон сохранения импульса при решении задач.

Методические указания

При решении задач на закон сохранения импульса необходимо:

1. Указать, какие тела входят в рассматриваемую систему.
2. Изобразить на чертеже векторы импульсов тел системы непосредственно перед и после взаимодействия.
3. Необходимо проверить систему взаимодействующих тел на замкнутость. Если система замкнута или выполняется одно из следующих условий:

1. Внешние силы уравновешиваются
2. Время взаимодействий мало
3. Проекция равнодействующей внешних сил на какое-то направление равно нулю, то записать закон сохранения импульса = const

или для последнего случая .

Если система незамкнута, то записать  =   рассматривая движение всех тел системы в одной и той же инерциальной системе отсчета.

4. Записать закон сохранения импульса в векторной форме.
5. Спроецировать векторные величины на оси  х  и  у  (выбираются произвольно, но так, чтобы было удобно проецировать).
6. Решить полученную систему скалярных уравнений относительно неизвестных в общем виде. Дополнить при необходимости систему полученных уравнений кинематическими и динамическими уравнениями
7. Проверить размерность и сделать числовой расчёт.

Основные понятия и законы

Импульс тела (количество движения) определяется как произведение массы тела на скорость движения.

Математически это можно записать так:  [].

Запомните! Поскольку масса величина скалярная, а скорость – векторная, то величина  является вектором, направление которого совпадает с направлением скорости.

Пусть на тело массой m в течение некоторого малого промежутка времени Δt действовала сила . Под действием этой силы скорость тела изменилась на 

Следовательно, в течение времени Δt тело двигалось с ускорением 

Из основного закона динамики (второго закона Ньютона) следует: 

 или ==)

Физическая величина, равная произведению силы на время ее действия, называется импульсом силы. Импульс силы также является векторной величиной.

В новых терминах второй закон Ньютона может быть сформулирован следующим образом: изменение импульса тела (количества движения) равно импульсу силы.

Обозначив импульс тела буквой , второй закон Ньютона можно записать в виде

 .

Именно в таком общем виде сформулировал второй закон сам Ньютон. Сила  в этом выражении представляет собой равнодействующую всех сил, приложенных к телу.

При взаимодействии тел импульс одного тела может частично или полностью передаваться другому телу. Если на систему тел не действуют внешние силы со стороны других тел, такая система называется замкнутой.

В замкнутой системе векторная сумма импульсов всех тел, входящих в систему, остается постоянной при любых взаимодействиях тел этой системы между собой.

Этот фундаментальный закон природы называется законом сохранения импульса. Он является следствием из второго и третьего законов Ньютона.

Рассмотрим какие-либо два взаимодействующих тела, входящих в состав замкнутой системы. Силы взаимодействия между этими телами обозначим через  и . По третьему закону Ньютона   Если эти тела взаимодействуют в течение времени t, то импульсы сил взаимодействия одинаковы по модулю и направлены в противоположные стороны:  Применим к этим телам второй закон Ньютона:

 t = -;    t =  -

где  и    – импульсы тел в начальный момент времени,  и  – импульсы тел в конце взаимодействия. Из этих соотношений следует:

  +    =+  

Это равенство означает, что в результате взаимодействия двух тел их суммарный импульс не изменился. Рассматривая теперь всевозможные парные взаимодействия тел, входящих в замкнутую систему, можно сделать вывод, что внутренние силы замкнутой системы не могут изменить ее суммарный импульс, то есть векторную сумму импульсов всех тел, входящих в эту систему.

Задание 1. Ответьте на вопросы:

1. Что называется импульсом?
2. Сформулируйте закон сохранения импульса.

Примеры решения задач

Задача 1. Автомобиль массой 2 т начинает разгоняться из состояния покоя по горизонтальному пути под действием постоянной силы. В течение 10 с он приобретает скорость 43,2 км/ч. Определить величину импульса, полученного автомобилем; величину действующей силы.

Задача 2. Электровоз массой 180 т, движущийся по инерции с выключенным двигателем со скоростью 0,5 м/с, подъезжает к неподвижному вагону и продолжает движение с ним вместе. Какова масса вагона, если скорость локомотива уменьшилась до 0,4 м/с? Трением локомотива и вагона о рельсы пренебрегаем.

Задача 3. С лодки массой 200 кг, движущейся со скоростью 1 м/с, прыгает мальчик массой 50 кг в горизонтальном направлении со скоростью 7 м/с (относительно берега). Какова скорость лодки после прыжка мальчика, если мальчик прыгает: а) с кормы в сторону, противоположную движению лодки? б) с носа по ходу движения?

Задача 4. Какую скорость относительно ракетницы приобретает ракета массой 600 г, если газы массой 15 г вылетают из неё со скоростью 800 м/с?

Задание 2. Решите количественные задачи

Задача 1. Тело движется прямолинейно, обладая начальным импульсом p0. В течение времени t на тело действует сила F, в результате чего импульс достигает значения p.  Определите значения величин, обозначенных «?». Направление силы совпадает с направлением начальной скорости.

Задача 2. Тело массой m движется равноускоренно с ускорением α и в момент времени t имеет импульс p. Начальная скорость тела 0. Определите значения величин, обозначенных «?». Вектор начальной скорости тела и вектор ускорения сонаправлены.

Задача 3. Два шара массами  m1  и  m2  движутся навстречу друг другу со скоростями 1 и 2. Их скорости после соударения  1'  и  2'. Определите значения величин, обозначенных «?».

Задача 4. Модель ракеты массой  m1  заполнена горючим массой  m2. Горючее вырывается со скоростью  2, при этом ракета приобретает скорость  1  и поднимается на высоту  h. Определите значения величин, обозначенных «?».

Задача 5. Рыбак массой m запрыгивает в неподвижно стоящую на воде у берега озера лодку массой M. При этом лодка приходит в движение со скоростью  Горизонтальная составляющая лодки рыбака в момент прыжка равна  Определите значения величин, обозначенных «?».

Практическая работа № 5  Закон сохранения энергии

Цель работы:  способствовать закреплению изученного материала, научиться применять закон сохранения энергии при решении задач.

Основные понятия и формулы

В механике под работой понимают скалярную физическую величину, характеризующую действие силы на определённом перемещении. Численно работа равна произведению модуля силы на модуль  перемещения и на косинус угла между ними:

A = F ·S·cos α. Единица измерения работы – Джоуль (1 Дж).

Одну и ту же работу различные двигатели могут совершать за разное время. Мощность характеризует быстроту совершения работы.

Под мощностью понимают отношение работы ко времени, в течение которого она была выполнена. Единица измерения мощности  - Ватт (1 Вт).

, где Р – мощность  или , учитывая, что - скорость, то .

Физика изучает различные виды движения материи. Причём различные виды движения материи могут переходить друг в друга.

Поскольку возможен такой переход, должна существовать такая мера движения материи, которая была бы применима к любой её форме. Такой наиболее общей мерой и является энергия.

Энергия – это физическая величина, являющаяся количественной мерой движения и взаимодействия всех видов материи. Равна работе, которую может совершить тело или система тел при переходе из данного состояния на нулевой уровень.

В механике различают два вида энергии: кинетическую и потенциальную. Единица измерения энергии -  Джоуль (1 Дж).

Кинетическая энергия – это энергия, которой обладает тело вследствие своего движения.

Пусть тело массой m под действием силы F за время t изменило свою скорость по модулю от 1 до 2. Определим, какая при этом была совершена работа.

A=FS;       F=mα=;     S=срt=

Но работа – мера изменения энергии: A=.

Поэтому кинетическая энергия Eк =.

Потенциальная энергия – энергия, которой обладают тела благодаря взаимному расположению вследствие взаимодействия друг с другом.

1. Потенциальная энергия тела, поднятого над Землёй.

A= mg ( h1-h2)= mgh1- mgh2,     A= -(mgh2-mgh1),      Eп=mgh

Знак «минус» означает, что в результате действия силы тяжести потенциальная энергия тела в поле тяготения уменьшается.

2. Потенциальная энергия деформированной пружины.

A = Fср (x1-x2),   Fср= ,   A= -( - .

Следовательно, Eп=.

Один вид движения материи может переходить в другой и наоборот. Само движение, как форма существования материи, - неуничтожимо. Поэтому в различных процессах должна сохраняться и её характеристика – энергия.

Энергия не создаётся и не исчезает, а лишь передаётся от одного тела к другому или превращается из одного вида в другой в равных количествах.

- (Ep2 - Ep1) = Eк2 - Eк1,        Eк1 + Ep1 = Eк2 + Ep2

                                Eк+Ep= const

Задание 1. Ответьте на вопросы:

1. Какая энергия называется кинетической?
2. Какая энергия является мерой взаимодействия тел?
3. Может ли потенциальная энергия быть отрицательной?
4. Что понимают под полной механической работой? Всегда ли в замкнутой системе полная механическая энергия сохраняется?
5. Тело брошено вертикально вверх. Изменяется ли полная механическая энергия? Какие взаимные превращения механической энергии происходят при движении тела, если сил сопротивления не действует?

Методические указания

При решении задач на применение закона превращения и сохранения энергии необходимо:

1. Сделать схематический чертёж. Обозначить на нём кинематические характеристики начального и конечного состояний системы.
2. Проверить систему на замкнутость. Если система тел замкнута, решение проводится по закону сохранения механической энергии. Если система тел не замкнута, то изменение механической энергии равно работе внешних сил.
3. Выбрать нулевой уровень потенциальной энергии (произвольно).
4. Выяснить, какие внешние силы действуют на тело в произвольной точке траектории.
5. Записать формулы механической энергии в начальном и конечном положениях.
6. Установить связь между начальными и конечными скоростями тел системы.
7. Подставить полученные значения энергий и работы в формулу работы и сделать числовой расчёт.

Примеры решения задач

Задача 1. Камень брошен вертикально вверх со скоростью 16 м/с. На какой высоте кинетическая энергия камня будет равна его потенциальной энергии? Сопротивлением воздуха пренебречь.

Задача 2. Из пружинного пистолета стреляют шариком  вертикально вверх. Шарик поднялся на высоту 1 м. Определить деформацию пружины перед нажатием курка, если коэффициент жёсткости пружины 400 Н/м, а масса шарика 0,01 кг. Принять g=10 м/с2.