sin 2gl v = 2 m m gm h v + =
Transcription
sin 2gl v = 2 m m gm h v + =
הפקולטה למדעי הטבע המחלקה לפיזיקה קורס :פיזיקה 1 עבודה: (1גוף נזרק מגובה א. ב. h 8mבמהירות אופקית שווה ל 7m/s - . vA מהי העבודה הנעשית על ידי כוח הכובד מנקודה Aלנקודה ?B השתמש במשפט עבודה -אנרגיה קינטית כדי לחשב את גודל מהירות הגוף בנקודה .B (2משקולת m 3kg g 10 m/s 2 משוחררת מנקודה Aשל משור משופע חלק בעל אורך AB l 1m וזווית . 36.870נתון: א. מהי העבודה הנעשית על ידי כוח הכובד מנקודה Aלנקודה ?B ב .השתמש במשפט עבודה -אנרגיה קינטית כדי לחשב את גודל מהירות הגוף בנקודה .B תשובה: v 2gl sin (3שני משקולות m1, m2קשורות זו לזו על ידי חוט בלתי נמתח ונטול מסה )ראה תרשים( .אין חיכוך בין m2 ושולחן .הגלגלת חסרת מסה .משחררים את המערכת .חשב את מהירות הגופים כאשר גוף m1מגיע לקרקע לאחר שיורד בגובה . h תשובה: gm1 m1 m2 v 2h 1 הפקולטה למדעי הטבע המחלקה לפיזיקה קורס :פיזיקה 1 (4שתי משקולות m1 7kg ; m2 4kg 2 נטולה מסה .משחררים את המערכת . g 10 m/s .נתון . h 4m קשורות זו לזו על ידי חוט בלתי מתיח ונטול מסה )ראה תרשים( .הגלגלת א. ב. ג. מהי העבודה הנעשית על ידי כוח הכובד מופעל על ? m1 כוח מתיחות ,הפועל על , m1עושה העודה שלילית או חיובית? השתמש במשפט עבודה - אנרגיה קינטית כדי לחשב את גודל מהירות הגופים לאחר הזזת לאורך הגובה h m1 m2 4m/s m 2 m1 . v 2 gh (6גוף בעל מסה mנמצא על מורד בגובה hומקבל מתקף כך שמהירותו v0 ההתחלתית . v0המשטח של המורד אינו אחיד כך שכוח החיכוך ומהירות h הגוף משתנים באופן משובח .ידוע כי בסוף המורד מהירות הגוף שווה ל- v0 . v0למה שווה עבודת כוח החיכוך? תשובה. W=-mgh : (7גוף קטן בעל מסה mקשור לחוט אידאלי )חסר מסה ובילתי מתיח( שאורכו לתקרה .הגוף מוסט בזווית 600 1.8m . lקצה השני של החוט קשור ומשוחררת .השפעת האוויר זניחה .רוצים לחשב את מהירות הגוף בנקודה .B g 10 m/s 2 חשב את מהירות הגוף בנקודה Bבעזרת משפט עבודה-אנרגיה קינטית. א. בחר את מערכת גופים +mכדור הארץ .האם כוח המתיחות אינו כוח חיצוני? חשב את מהירות הגוף בנקודה B ב. בעזרת חוק שימור האנרגיה מכנית. ג. בחר את מערכת גופים +mכדור הארץ+תקרה .האים כוח המתיחות אינו כוח חיצוני? חשב את מהירות הגוף בנקודה Bבעזרת חוק שימור האנרגיה מכנית. v B 2 gl (1 cos ) 3m/s 2 הפקולטה למדעי הטבע המחלקה לפיזיקה קורס :פיזיקה 1 (8גוף בעל מסה mמחליק במישור משופע בעל זווית αביחס לאופק מהנקודה ,Aמקדם החיכוך μ א. חשב את מהירות הגוף בנקודה Bבעזרת משפט עבודה-אנרגיה קינטית. בחר את מערכת גופים +mכדור הארץ .האים כוח הנורמלי אינו כוח חיצוני? חשב את מהירות הגוף בנקודה B ב. בעזרת חוק שימור האנרגיה) .למה לא כתבתי "אנרגיה מכנית"?(. מהי כמות החום המחממת את הגוף ואת המישור? ג. תשובהv B 2 gl (sin cos ) : (9מיכל בעל מסה M = 0.5 kgנמשכך ע"י כוח חיצוני כך שהמהירות נשארת קבועה ושווה ל .1.0 m/s -מקדם החיכוך בין המיכל והמשטח עליו הוא נמשך שווה .0.3יורד גשם חזר וממלא את המיכל .כתוצאה מזה מסה של המים במיכל גדלה בקצב של .10 g/sמהם עבודת הכוח החיצוני ועבודת כוח החיכוך בדרך של ?100 m תשובה. W f 294 J ; WF 294 J : v (10גובה של מפל המים בתחנת כוח . h 80 mכל שנייה נופלים במפל 4104 kgשל מים .נצילות התחנה היא .60% מהו ההספק של התחנה המועבר לצרחן? תשובה.18.82 MW : (11על חלקיק פועל כוח קבוע . F (3,10,8) N החלקיק עבר )בקו ישר( מנקודה ) (1,2,3לנקודה ).(3,2,1 מהי העבודה של הכוח? תשובה-10 J : . (12גוף בעל מסה mתלוי בחוט בעל אורך הקשור לתקרה .כוח חיצוני Fפועל על הגוף כל הזמן בכיוון אופקי כך שהגוף עולה לאט עם מהירות קבועה עד זווית המרבית . maxמהי עבודת הכוח הנ"ל? תשובה: W F mg 1 cos max F F 3 הפקולטה למדעי הטבע המחלקה לפיזיקה קורס :פיזיקה 1 (13איש בעל מסה m 80 kgעולה ב 90-מדרגות תוך 35 sשניות .גובה של כל מדרגה .0.15 mמהו ההספק של האיש? תשובה) 302 W :הספק של 5נורות בעלות (!60 W תאוצה a [m/s2 ] : 25 20 (14תאוצת הגוף בעל מסה m 10 kgגדלה כפונקציה של המרחק 15 המועבר )ראה את הגרף המצורף(. 10 מהי העבודה הנעשית במרחק מ 0-עד ?8 m א( בנו גרף של ההספק מול המרחק. ב( תשובה :א( 800 J 5 0 9 8 7 6 5 4 3 1 2 0 ]x [m (15נבנתה מטוטלת פיזיקאלית מחוט בעל אורך Lומסה .M רשום את הביטוי עבור האנרגיה הפוטנציאלית של המטוטלת כפונקציה של הזווית בין החוט לקו אנכי א( )יחוס הפוטנציאל עבור נקודת התלייה של המטוטלת( .צייר סקיצה בין 4 4 ב( מהי הזווית אליה המטוטלת תגיע אם האנרגיה הכוללת היא E MLg / 2 תאר את התנועה עבור )א( ) E 2 MgLב( E 2 MgL (16שני קפיצים זהים בעלי קבוע kמונחים על מישור אופקי וקשורים זה לזה )ראה שרטוט(. x האורך הרפוי של הקפיצים הוא . 0 חישבו את הביטוי של העבודה הנדרשת כדי למתוח את הקפיצים א( מנקודה האמצעית בכיוון המאונך במרחק ?x ב( 1 1 ערכו את הביטוי מסעיף א' במקרה ) 0 xעזרה :ניתן להשתמש בקירוב 2 2 4 0 0 1 1 כאשר .( 1 (17הקוביה עומדת על השולחן .איזה עבודה מינימלית חייבים להשקיע כדי להפוך את הקוביה? מסה של הקוביה mואורך צלע . a 4 הפקולטה למדעי הטבע המחלקה לפיזיקה קורס :פיזיקה 1 (18על חלקיק המוגבל לנוע במישור xyפועל כוח התלוי במיקומו במישור: ˆF y x xˆ y x y חשבו את עבודת הכוח בין הנקודות )A(0,0ל B(a,2a) -במסלולים הבאים: א .לאורך ציר xואחר כך במקביל לציר .y ב .לאורך ציר yואחר כך במקביל לציר .x ג .לאורך המסלול .y=2x ד .האם הכוח משמר? 2 2 תשובה) :א( ) ; a 2 / 2ב( ) ; 9a / 2ג( ) ; 5a / 2ד( לא משמר (19על גוף פועל הכוח: ˆ . F 2 y 2 2 x 2 xˆ 4 xyyˆ 5 zמצא את העבודה הנעשית ע"י הכוח Fאם הגוף נע מ (0,0) -לנקודה ).(2,4 א .לאורך ציר xעד x = 2ואז במקביל לציר .y ב .לאורך הישר המחבר בין הנקודות. ג .לאורך הפרבולה .y = x2 ד .האם הכח משמר? תשובות) :א(=)ב(=)ג(= 176/3 .(20חלקיק שמסתו mנמצא בהשפעת כוח ] ˆF A[sin( t ) xˆ cos( t ) y ) ו A-הם קבועים חיוביים( .נתון כי ברגע t=0החלקיק נמצא במנוחה. A2 1 cos( t ) א .הוכח כי העבודה המתבצעת על החלקיק עד לרגע tנתונה ע"י m 2 ב. חשב את ההספק הרגעי. 2 A תשובות) :ב( sin t m P (21חלקיק שמסתו Mנע במישור xyבמסלול המתואר ע"י וקטור המיקום כפונקציה של הזמן ˆr a cos(t ) xˆ b sin(t ) y כאשר b ,aו -הם קבועים חיוביים ו.a>b - א .חשב את מהירות החלקיק כפונקציה של הזמן ב .חשב את תאוצת החלקיק כפונקציה של הזמן ג .חשב את הכוח הפועל על החלקיק כפונקציה של הזמן ,והראה שהוא מכוון תמיד אל ראשית הצירים. ד .חשב את האנרגיה הקינטית ואת האנרגיה הפוטנציאלית של החלקיק כפונקציה של הזמן ,והראה כי סכומן הוא גודל קבוע. ה .חשב את ההספק הרגעי של הכוח. תשובות :א( ˆ; v a sint xˆ b cost y 2 2 )ב( ˆ; a a cost xˆ b sint y 2 2 2 )ג( ; F am cost xˆ bm sint yˆ M r 5 הפקולטה למדעי הטבע המחלקה לפיזיקה קורס :פיזיקה 1 M 2 2 2 2 Ek )ד( a sin t b 2 cos 2 t , E p M 2 r / 2 2 M 2 2 E a b2 2 ה( ] P M 3 sint cost [b 2 a 2 a (22חלקיק נע בממד אחד תחת השפעת הכוח b x2 , f (x ) כאשר aו b -הם קבועים חיובים .תנועת החלקיק מוגבלת רק לאזור .x>0 א .מצא את נקודת שיווי המשקל .האם שיווי המשקל יציב? a ב .מהי העבודה המינימלית שיש להשקיע על מנת להביא את החלקיק מנקודת שיווי המשקל לנקודה b ? x2 ג .מצא את האנרגיה הפוטנציאלית של החלקיק כפונקציה של המקום) .האנרגיה הפוטנציאלית מוגדרת עד כדי קבוע – בחר אותו כרצונך( .שרטט את האנרגיה הפוטנציאלית כתלות ב x -באופן איכותי. a ד .משחררים חלקיק ממנוחה מהנקודה b . x 2עד לאיזה מרחק מראשית הצירים יתקרב החלקיק עד שיעצור? 1 תשובות) :א( x 0 a / bיציב ; )ב( ) ; W ab / 2ג( ) ; E p bx a / xד( a / b 2 x min 6 הפקולטה למדעי הטבע המחלקה לפיזיקה קורס :פיזיקה 1 אנרגיה (23גוף קטן משוחרר בנקודה Aומחליק על חצי כדור בעל רדיוס .Rמשטח הכדור חלק .מצא את מיקום הגוף )זווית ? ( בנקודה Bכאשר הגוף עוזב את משטח הכדור. תשובה: cos 2 / 3 (24מהי האנרגיה הקינטית של מסה M=2Kgשמבצעת 300סל"ד ברדיוס ? 5m תשובה24.67kJ: (25גוף שמסתו v0 4m/s תשובה: m 3kg נמצא בגובה h 1m מעל הקפיץ בעל קבוע 200 N/m . kמקנים לגוף מהירות כלפי מטה .מהי ההתכווצות המכסימלית של הקפיץ? x 90cm (26שתי משקולות m1,m2קשורות זו לזו על ידי חוט בלתי מתיח ונטול מסה )ראה תרשים( .אין חיכוך בין m2ושולחן. הגלגלת אידאלית )חסרת מסה( .משחררים את המערכת .חשב את מהירות הגופים כאשר m1מגיע לקרקע לאחר שיורד בגובה ) ? hאיפה בחרת את מישור הייחוס עבור ;?m1איפה בחרת את מישור הייחוס עבור (?m2 תשובה: gm1 m1 m2 v 2h 7 הפקולטה למדעי הטבע המחלקה לפיזיקה קורס :פיזיקה 1 ( 27גוף בעל מסה mמחליק ממצב מנוחה בתוך בור מעגלי חלק שרדיוסו .Rמצא מתוך שקולי אנרגיה את מהירותו הזויתית ωכפונקציה של הזווית θ 2 g sin תשובה( : R m θ ω (28מכונית הצעצוע בעלת מסה mעולה על המסילה בעלת רדיוס .Rהמכונית מוקפצת על ידי קפיץ בעל מקדם . kמהי ההתכווצות המינימלית של הקפיץ כדי שהמכונית תצא בצד השני )ולא תיפול באמצע הדרך(? 5mgR תשובה: k x (29מדרון משפוע מהווה זווית αעם האופק .בתחתית המדרון נמצא גוף שמסתו . m = 2 kgלגוף מספקים מהירות vכלפי מעלה. (1מהו הגובה המקסימלי אליו מגיע הגוף במקרים הבאים: א( כאשר המדרון חלק, ב( כאשר מקדם החיכוך הוא .μ (2מצא את המהירות בה הגוף חוזר לנקודה ההתחלתית בסעיפים א( ו-ב(. (30חלקיק בעל מסה mנע לכיוון המדרון בעל מסה Mשנמצא במנוחה .גובה המדרון הוא Hוהוא מחליק על הקרקע ללא חיכוך. u u ''V V0 א( מהן המהירויות של המדרון ושל הכדור ברגע עזיבתו? ב( בהמשך הכדור עולה ,נוחת חזרה על המדרון ועוזב אותו .מהן המהירויות של המדרון ושל הכדור ברגע זה ? ג( מהו מתקף שהכדור מפעיל על המדרון בתהליך העלייה? 8 הפקולטה למדעי הטבע המחלקה לפיזיקה קורס :פיזיקה 1 (31חבל )בעל צפיפות אחידה( שאורכו Lנמצא בשווי משקל כך שאורך xממנו תלוי אנכית בקצה מדרון חסר חיכוך ,ואילו יתרת החבל ) (L-xנמצאת על המדרון. א( חשב את x0עבור מצב שיווי משקל. ב( הבע את תאוצת החבל כפונקציה של .x ג( מהי מהירות החבל כאשר הוא עוזב את המדרון)? (x=L העזר בשיקולי אנרגיה :האנרגיה פוטנציאלית ביחס למרכז המסה תשובות: L sin א( 1 sin g ב( ( L x ) sin x L x 2g ג( ( L x ) 2 sin x 2 L v2 ( 2 1 a mga 2 (32כדור בעל מסה mנופל מגובה Hומקבץ את הקפיץ בעל מקדם .Kמה היא ההתקווצות של הקפיץ )איור כמו בתרגיל ? (4 ( 33חלקיק בעל מסה mנע לכיוון המדרון בעל מסה Mשנמצא במנוחה .הצורה של המדרון היא של רבע מעגל בעל רדיוס R א( מהן המהירויות של המדרון ושל הכדור ברגע עזיבתו? ב( בהמשך הכדור עולה ,נוחת חזרה על המדרון ועוזב אותו .מהן המהירויות של המדרון ושל הכדור ברגע זה ? (34כדור גדול בעל מסה Mנופל יחד עם כדור קטן מאוד בעל מסה mמגובה Hכאשר M>>m .לאיזו גובה כל כדור יגיע אחרי שנוחתים על הקרקע? רמז :יש להניח שהכדור הגדול מתנגש עם ? H ? הקרקע ולאחר זה הכדור הקטן "מתנגש" עם בכדור הגדול. 9 הפקולטה למדעי הטבע המחלקה לפיזיקה 1 פיזיקה: קורס 35) A ball of mass m drops from a height h, and compresses the spring of force constant k, a distance x. The mass of the spring is negligible compared with the mass of the ball. The length of the spring is negligible. (a) Express the maximum compression of the spring, x, in terms of m, h, and k. (b) Evaluate x if m = 0.4 kg, h = 300 meters, and k = 5000 newtons/meter. answer: x mg 2kh 1 1 0.69m k mg 36) Suppose you wish to determine the force your bicycle brakes are exerting on the bicycle when you brake hard without skidding. Assume the brakes grip the rim of the wheel. At your disposal is a tape to measure length and a road of known constant slope. Also, you know the total weight of the bicycle and yourself. You do not have a watch. How would you go about it? 37) What would be the kinetic energy of a 2.0-kg ball moving in a circle of 1.0-m radius 300 times per minute? What would the kinetic energy be if the ball were split into four equal parts, each 90o apart on the circle, with the same motion as before? Would the kinetic energy change if the 2.0-kg ball were formed into a continuous ring 2.0 m in diameter turning at the same rate? answer: 1000J 38) A dry ice puck has a mass of 5 kg. It is subjected to a constant force of 50 Newton at an angle of 60o above the horizontal for 2 seconds. (c) If the puck starts from rest, what is its change in momentum in the first two seconds the force is applied? (d) How much work was done in these two seconds? (e) What would happen if the force were double ? answers: 1000J 100 kg m/s . ג250J . ב50kg m/s .א .R מחליק ממצב מנוחה בתוך בור מעגלי חלק שרדיוסוm (39 . כפונקציה של הזווית מצא מתוך שקולי אנרגיה את מהירותו הזויתית . חשב גם את הכוח הנורמלי כפונקציה של !פתור שוב אבל ללא שיקולי אנרגיה N 3mg sin 2 g sin R :תשובה m 10 הפקולטה למדעי הטבע המחלקה לפיזיקה קורס :פיזיקה 1 (40שפופרת של מקלחת )טוש( שמסתה Mתלויה על צינור כמתואר בציור .מים זורמים דרך פתח ששטחו .a צפיפות המים . מהשפופרת מהי כמות המים היוצאים דרך פתח השפופרת בזמן ? t מצא את הזוית כפונקציה של מהירות המים ) בתנאי שמהירות המים קבועה(. מהו התנאי לכך שהשפופרת תסתובב סביב צירה ) תתחיל מ 0 -ותגדל ל 180o -ואח"כ ל.360o - תשובות: א m a v t . ב. a v2 Mg ג 1 . sin a v2 Mg (41גוף שמסתו mקשור לחבל שאורכו Lומבצע תנועה מעגלית במישור אנכי. א .מהי המהירות המינימלית בשיא המעגל כדי להשלים את המעגל? ב .מה אז המתיחות בתחתית המעגל? תשובות: אLg . בT 6mg . (42גוף שמסתו 0.5kgמחליק 3מטר על מדרון חלק שזוית נטיתו 45 ואז הוא פוגע בקפיץ בעל קבוע קפיץ N m . k 400 חשב את ההתכווצויות המכסימליות של הקפיץ. mg sin תשובה1 1 2kl / mg sin 0.24 m : k x 11 הפקולטה למדעי הטבע המחלקה לפיזיקה קורס :פיזיקה 1 (43חלקיק בעל מסה m 100 gמושפע מכוח שהאנרגיה הפוטנציאלית שלו נתונה ע"י הפונקציה 2 א( ב( ג( ד( ה( 2 , V x 2 4 x xכאשר xנמדד במטרים ו ) V (xבג'אול. מצא את המיקום שבו החלקיק נמצא בשיווי משקל יציב. מהי אז המהירות של החלקיק כאשר האנרגיה שלו היא ?2J מהן הנקודות התפנית כאשר האנרגיה היא ?2J מה קורה כאשר האנרגיה היא ?4J תאר את התנועה כאשר E 5 J א2 2 . ב 40 m .ג2 2 2 . s (44מטוטלת פשוטה )מסה Mהקשורה לחוט באורך (L נמצאת בהתחלה במנוחה במצב אופקי. א .חשב את מהירות המטוטלת כאשר היא תגיע למצב אנכי. ב .מסמר תקוע במרחק Dמתחת לנקודת התלייה של המטוטלת .מהו Dהמינימלי על מנת שהמסה תוכל להשלים סיבוב שלם סביב המסמר? תשובה) :א( ) ; v 2 gRב( D 3L / 5 L M D (45על גוף בעל מסה mפועל הכח .F(X) = -k1x-k2x2הגוף עובר ב x = 0 -במהירות ˆ . vo xנבחר את האנרגיה הפוטנציאלית בנקודה x = 0להיות אפס. א. ב. ג. ד. שרטט את )] Ep(xהנח .[k1,k2 > 0ציין על הגרף את אנרגית החלקיק. נסמן ב xo -את המקום בו הגוף נעצר .חשב את voבעזרת .m,xo,k2,k1 מהי האנרגיה הקינטית של הגוף ב? x = -xo - האם הגוף יגיע ל ? x -ציין את האפשרויות השונות בהתאם ליחס .k1/k2 תשובות) :ב( k1 x02 / m 2k 2 x03 / 3m ; v0 2 )ג( k 2 xo3 3 E k ( x0 ) k1 k1 x0 , k 2 2k 2 IF )ד( THEN m does NOT get x 3 0 E k1 6k 22 k1 k1 k13 or E 0 orE 2 THEN m DOES get x IFx0 , k 2 k 6k 2 2 2 12 הפקולטה למדעי הטבע המחלקה לפיזיקה קורס :פיזיקה 1 A B (46האנרגיה הפוטנציאלית של חלקיק נתונה ע"י r2 r כאשר Aו B -קבועים חיוביים ו. r | r | - Ep .aמצא את מקום החלקיק במצב שיווי משקל , r0 ,והראו כי זהו שיווי משקל יציב. .bמה העבודה המינימלית , E0 ,שיש להשקיע על מנת להרחיק את החלקיק מ r0לאינסוף? E p r r A B כתלות ב E p 2 ע"י r0ו ) E0במקום Aו (Bושרטט באופן איכותי את .cבטא את E0 r0 r r 3 .dנתון כי האנרגיה הכוללת של החלקיק היא . E E0היכן יכול החלקיק להמצא? 4 2 )(c ); E0 B / 4 A (b ); r0 2 A / B (a תשובות: . 2 )r0 r 2r0 (d 3 ) ; E p E 0 ( r0 / r ) 2 2( r0 / r 2π (47גוף נע בהשפעת הכח ) . F(xהאנרגיה הפוטנציאלית הקשורה לכח זה היא x : λ ) E p A1 cos ו A-הם קבועים חיוביים( .ענה על הסעיפים הבאים כאשר האנרגיה הכללית של הגוף היא 1 )A (i 2 1 )A (ii 2 ,E .E א .צייר את ) .Ep(xמה המשמעות הפיסיקאלית של ?ציין את האנרגיה של הגוף על הגרף. ב .היכן יכול הגוף להימצא? )? a (x ג .מהי תאוצתו ד .מה גודלה של האנרגיה הקינטית והיכן היא מקסימלית? תשובות: ב. 2xn A 2x 1 cos 2 n xn n 2 2 3 6 E 1 6n 1 6n x , , n Z 6 6 13 הפקולטה למדעי הטבע המחלקה לפיזיקה קורס :פיזיקה 1 ג. ד. 2 x Ek E E p A 2 x A1 cos 2 sin Ek 2 Fx A E p x Fx F ax x m 2 x 1 E k A cos 2 n2 2 x 1 2 x Ek max cos x n , n Z אם A0 A 2 2 x sin m ax אז מקרה ) (iiלא קיים. (48רוצים להכניס לווין תקשורת למסלול סביב קו המשווה כך שזמן המחזור שלו )זמן שלוקח ללווין לבצע סיבוב שלם( יהיה בדיוק כאורך היממה – כך שצופה על פני כדור הארץ ייראה את הלווין במנוחה. א .מה יהיה גובה הלוויין מעל פני האדמה? ב .מהי האנרגיה המינימלית שיש לספק ללווין לכל קילוגרם מסה של הלוויין על מנת לשגרו מפני כדה"א ועד למסלול זה? נתון: M=6x1024 Kg מסת כדו"א: קבוע הגרביטציה: אורך יממה : רדיוס כדו"א: 2 2 Nm /Kg -11 G=6.67x10 T=24 hours R=6400 Km תשובות) :א( ) ; r 35.6 10 3 kmב( חסרה את המסה של הלווין Etot ( r ) E p R 14