הפקולטה למדעי הטבע המחלקה לפיזיקה 1 קורס : פיזיקה L x g
Transcription
הפקולטה למדעי הטבע המחלקה לפיזיקה 1 קורס : פיזיקה L x g
הפקולטה למדעי הטבע המחלקה לפיזיקה קורס :פיזיקה 1 .1מוט בעל אורך Lחופשי להסתובב סביב ציר אופקי שעובר במרחק xמאחד הקצוות. x L g הוא נמצא בתוך שדה הכובד . gהמוט מוחזק במצב אופקי .ברגע מסוים משחררים אותו .באיזה מהירות זוויתית יגיע המוט למצב אנכי ? תשובות: .1 L 2x L 3Lx 3 x 2 2 2 3g .2מצא/י את מומנט ההתמד של קוביה בעלת מסה Mהמפוזרת בצפיפות אחידה: א .ביחס לציר zהעובר במרכזה. ב .ביחס לציר העובר באחת מפינות הקוביה ומקביל לציר .z d תשובות: 2 1 ) .2א( ) Md 2ב( Md 2 3 6 d d .3מצא/י את מומנט ההתמד של גליל בעל אורך Lורדיוס Rובעל מסה M א .המפוזרת בצפיפות אחידה ב .המפוזרת בצפיפות המתכונתית למרחק מן הציר. תשובות: 3 1 ) .3א( ) MR 2ב( MR 2 5 2 1 הפקולטה למדעי הטבע המחלקה לפיזיקה קורס :פיזיקה 1 .4מוט בעל אורך Lומסה Mיכול להסתובב סביב ציר אופקי ) Oראה סרטוט( .בתחילה הזווית בינו לבין האנך דרך קצהו היא .המוט משוחרר. א( מהי המהירות הזוויתית של המוט ,כאשר הוא מגיע למצב שיווי משקל? ב( כאשר המוט עובר את מצב שיווי משקל ,הקצה שלו מתנגש אלסטית בגוף קטן הנמצא על משטח אופקי ומסתו . mמהי המהירות ההתחלתית של הגוף הזה? ג( מקדם החיכוך של המשטח האופקי שעליו נמצא הגוף mהוא ; xעד לאיזה מרחק יגיע הגוף הקטן? L תשובות: ) 3g (1 cos 2 ML L ) ב( ) .4א( x ) v 0 ג( v 0 L M 3m g .5המוט שבשרטוט )אורכו Lומסתו ( mחופשי לנוע סביב לציר בקצה .בתחילה הוא מוחזק במצב אופקי ואז משוחרר .כאשר הוא יוצר זווית עם האנך ,חשב את: א( תאוצתו הזוויתית, ב( מהירותו הזוויתית, ג( הכוח בקצה העליון. L תשובות: mg N x 8 9 sin 2 3g cos 3g sin ) 2 ג( ) ב( ) .5א( L 2L N y mg 11 9 cos 2 8 2 הפקולטה למדעי הטבע המחלקה לפיזיקה קורס :פיזיקה 1 .6בגליל בעל מסה ) Mצפיפות אחידה( ורדיוס Rקדחו באופן סימטרי 4חורים גליליים בעלי רדיוס R/3כל אחד, במרחק R/2ממרכז הגליל .מצא/י את מומנט ההתמדה ביחס לציר גובה העובר דרך מרכז הגליל )ראה/י ציור(. תשובות: .6 4 MR 2 9 .7הראה/י כי מומנט ההתמד של טבלה ריבועית ביחס לאלכסון הריבוע שווה למומנט ביחס לציר המקביל לצלע הרבוע ועובר דרך מרכז המסה שלה. .8כדור באולינג בעל מסה mורדיוס R נזרק אופקית במהירות v0על מישור בעל מקדם חיכוך קינטי . הכדור מתחיל את תנועתו בהחלקה ללא גלגול ועובר בהשפעת החיכוך לגלגול טהור. )א( מהי מהירות הכדור בשלב ההחלקה? )ב( מהי מהירות הכדור בשלב הגלגול? )ג( מהי מהירות הכדור ברגע המעבר מהחלקה לגלגול? תשובות: ) .8א( vCM vo gt 5 g )ב( t 2 R t 5 )ג( v o 7 3 הפקולטה למדעי הטבע המחלקה לפיזיקה קורס :פיזיקה 1 m1 .9חשב/י את תאוצת המערכת שבציור. m2 נתון ,m2 = 200Kg ,m1 = 50Kg :מסת הגלגלת M = 15Kg ורדיוסה .R = 10cm תשובות: m .9 sec 2 7.77 m2 g M 2 a m1 m2 .10במערכת שבציור .r = 20cm, m = 1Kg, M = 5Kg r M m הגליל מתגלגל ללא החלקה ,ואת השפעת הגלגלת ניתן להזניח. חשב/י את תאוצת ,mהתאוצה הזוויתית של Mוהמתיחות. תשובות: m g .10 3 m M 8 a .11חשב/י את התאוצה הזויתית של הדיסקה שבציור )בעלת מסה .(Mכמו כן חשב/י גם את התאוצות של mושל ‘ ,mואת המתיחות בשני החבלים. נתון :יחס הרדיוסים בין הדיסקות ,R = 2r :יחס המסות.m = 3m’ : תשובות: m g .11 5 m 3 13 mM 6 ’ m a 4 הפקולטה למדעי הטבע המחלקה לפיזיקה קורס :פיזיקה 1 .12לכדור שבציור יש רדיוס rומסה ,mוהוא מתגלגל )ללא החלקה( מגובה hלאורך המסילה המעגלית שרדיוסה .R א .מהו הגובה המינימלי hממנו יש לשחרר את הכדור על מנת שישלים את תנועתו המעגלית במסילה? ב .השווה/י את התוצאה למקרה של גוף מחליק ללא גלגול .אילו הכדור היה מחליק ,כיצד היתה משתנית תשובתך? תשובות: 5 1 1 R R r .12 2 5 2 h .13המערכת שבציור מונחת על מישור אופקי מחוספס .מושכים את החבל הכרוך סביב הגליל הפנימי בכח Fהנטוי בזווית למישור. R המערכת מתגלגלת ללא החלקה על המישור האופקי. בהנחה שהמערכת היא בעלת מומנט התמד כשל גליל בעל צפיפות מסה אחידה ,מהו כיוון התנועה? מהי תאוצת הגליל? F r תשובות: r cos R F .13 , a אם a 0התנועה ימינה M m 2 .14מערכת גופים )ראה שרטוט( כוללת מוט בעל מסה זניחה ,שלוש משקולות ,m3 ,m2 ,m1גלגלת וחוטים L1 O L2 חסרי מסה .מוט מעיק על בסיס. א( הראה כי תנאי של מצב שיווי משקל: m1 m2 m3 L1 4m2 m3 L2 A B ב( מצא כוח התגובה של הבסיס. m1 m3 m2 5 הפקולטה למדעי הטבע המחלקה לפיזיקה קורס :פיזיקה 1 g תשובה:ב( m1 (m2 m3 ) 4m2 m3 m2 m3 .15קורה שמסתה Mמוחזקת ע"י 2נקודות תמיכה הנמצאות במרחק a ממרכזה .אורך הקורה .2אדם שמסתו mהולך על הקורה. x a a B א( חשב/י את הכוח הנורמלי בנקודה Aכאשר האדם נמצא במרחק xממרכז הקורה. ב( מהו xהמרבי האפשרי? A תשובהx ( M m ) a / m ; N A ( M m) mx / a g / 2 : .16כדור שמסתו mומהירותו Vפוגע ועובר דרך גוף שמסתו Mהתלוי על חוט דק .איזה חלק מן האנרגיה הקינטית הופך לחום אם מהירות הכדור ביציאה קטנה פי שניים? Q 1 m תשובה 3 : E0 4 M .17מוט אחיד שמסתו Mואורכו Lהממוקם אנכית יכול להסתובב סביב ציר אופקי שעובר דרך קצהו העליון .כדור שמסתו mהנע בכוון אופקי פוגע בקצה התחתון של המוט ונתקע .כתוצאה מזה המוט יסטה בזווית . α א( מהי מהירות vהכדור לפני פגיעתו במוט? ב( מהי כמות האנרגיה ההולכת לעיבוד במהלך ההתנגשות? תשובה: 1/ 2 א( gL v 2 (1 cos )(2m M )(3m M ) 3m MgL ב( ) (1 cos )(2m M 6m Q .18כדור בעל מסה mמתגלגל ללא החלקה ומתנגש עם הקיר אנכי במהירות .v1 מהירות של הכדור אחרי ההתנגשות . v2מצא כמות האנרגיה שנפלטה בהתנגשות. v2 v1 m 6 הפקולטה למדעי הטבע המחלקה לפיזיקה קורס :פיזיקה 1 7m 2 תשובה(v1 v22 ) : 10 Q m .19כדור בעל מסה Mורדיוס Rיכול להסתובב סביב הציר שעובר דרך מרכז הכדור. קליע mשזז עם מהירות vמתנגש עם הכדור בהתנגשות פלסטית )חודר לתוך הכדור ,ראה ציור( .מצא מהירות זוויתית של הכדור מיד אחרי ההתנגשות. הקליע חודר לתוך הכדור בנקודה סמוכה לספת הכדור. תשובה: mv )R ( 2 / 5M m M v R .20בן אדם עומד במרכז של דיסקה R = 1 m ,m = 80 kgשמסתובבת עם תדר דקה/סיבובימ .f = 20בן אדם מחזיק את שתי משקולות כמתואר בציור .בן אדם מוריד את הידיים ומקטין את מומנט החמד שלו מ I1 = 2.94 kg·m2עד .I2 = 0.98 kg·m2כיצד ישתנה תדר התנודות? תשובה21 Hz : .21דיסקה בעלת רדיוס Rומסה Mחופשית להסתובב סביב הציר שעובר דרך הקצה שלה .במצב התחלתי ) (aהדיסקה נמצאת במנוחה כאשר הציר הוא בקצה התחתון .הדיסקה מתחילה לפעול ובשלב מסוים של התנועה הסתובבה בזווית (b) 90° א( מהן המהירויות הזוויתית ומרכז המסה במצב )?(b )(a )(b ב( מהן התאוצות הזוויתית ,משיקית ונורמאלית של מרכז המסה במצב )?(b g gR ,v2 תשובה :א( 3R 3 2 ב( , α = 2g/3R , an = 4g/3 .22מהו מומנט ההתמד של חרוט מלא בעל גובה , hרדיוס הבסיס R ומסה , Mביחס חציר הסימטריה שלו? h 3 תשובהMR 2 : 10 .I R 7 הפקולטה למדעי הטבע המחלקה לפיזיקה קורס :פיזיקה 1 .23חוט של בער מלופף על ציר קבוע בצורת גליל בעל מסה m 5 kg m ורדיוס .m r0 0.1הידית של הציר בעל רדיוס )זרוע( . R 0.3 mלקצה התחתון של החוט קשור דלי מלא מים ) .( M 10 kgבן אדם מסובב את ידית הציר כך שהדלי עולה עם תאוצה . a 0.5 m/s2איזה כוח מפעיל בן אדם? F M תשובה.F = 33.08 N : .24כדור בעל מסה Mורדיוס Rיורד במרוד בעל שיפוע αוגובה . h M מהי המהירות הקווית בסוף המורד אם: א( אין חיכוך; ב( יש חיכוך כך שהכדור מתגלגל ללא החלקה? 10 v תשובות :א( ; v 2 ghב( gh 7 h .25מסב הכולל nכדורים בעלי מסות mורדיוסים ) rכל אחד( מסתובב עם מהירות זוויתית .Ωבעצם מסתובבים כדורים וקליפה חיצונית .הכדורים מתגלגלים ללא R החלקה .הגלגל הפנימי נקבע על ציר קבוע .מסת הגלגל החיצוני היא . Mמהי האנרגיה הסיבובית של המסב? 2 7 nm M 1 תשובה : n 5 2 1 nr 2 E 8 הפקולטה למדעי הטבע המחלקה לפיזיקה קורס :פיזיקה 1 תרגילים ללא פתרונות .26על הגלגלת בעלת רדיוס R = 0.2 mמומנט התמד )אינרציה( = I 0.1 kg·m2קשור גוף . m = 0.5 kgבמצב התחלתי . h = 1 m חוט חסר מסה ,מהירות התחלתית של גוף mשווה ל .0-מצא מהירות של גוף ואת הזמן כאשר הוא יגיע לרצפה )חיכוך במערכת זניח(. h O1 נתון מוט אחיד בעל אורך Lומסה .Mמצא מומנט התמד של .27 המוט כלפי הציר ) O1O2ראה ציור(. L/4 M L/4 L O2 O1 D מצא מומנט התמד של גליל מלא אחיד כלפי ציר ) O1O2ראה .28 ציור( .צפיפות של הגליל , ρקוטר , Dגובה .h h ρ O2 נתונה מערכת מתוארת בציור .גלגלת היא דיסקה אחידה .29 התמד ומומנט R = 0.1 m רדיוס בעלת , m2 = 4 kg, m1 = 3 kg , I = 0.01 kg·m2 .α = 30°גוף m2יורד .מצא כוחות מתיחות . T2 ,T1חוט אידיאלי ,חיכוך זניח. .30קליע mבצורת גליל זז עם מהירות vובוזמנית מסתובבת עם תדירות f סביב צירו .קליע הוא גליל אחיד ,קוטר של קליע .Dמצא את אנרגיה קינטית של הגליל . R I T1 m1 T2 m2 α f v 9 הפקולטה למדעי הטבע המחלקה לפיזיקה קורס :פיזיקה 1 .31ברגע מסוים משחררים מוט הומוגני שאורכו הוא L ונמצא בכיוון אופקי וחופשי להסתובב סביב ציר שעובר במרחק Xמאחד הקצוות .המוט נמצא תחת השפעת שדה גרביטציוני .gבאיזה מהירות זויתית יגיע המקל למצב אנכי ? .32מטוטלת פשוטה )מסה Mהקשורה לחוט באורך (L נמצאת בהתחלה במנוחה במצב אופקי.חשב את מהירות המטוטלת כאשר היא תגיע למצב אנכי .מסמר תקוע במרחק Dמתחת לנקודת התלייה של המטוטלת .מהו Dהמינימלי על מנת שהמסה תוכל להשלים סיבוב שלם סביב המסמר ? X L L D .33כדור בעל רדיוס rומסה Mגולשת בלי להחליק בתוך קערה כדורית בעלת רדיוס .Rעוזבים את הכדור במצב אופקי ללא מהירות התחלתית. R r א( מצא מתוך שקולי אנרגיה את מהירותו הזויתית כפונקציה של הזווית . ב( מצא את הכח הנורמלי ואת החיכוך עבור כל זווית . .34גליל בעל מסה M1ורדיוס Rמונח במרחק Lמקצו של שולחן אופקי ועליו מספר גדול של כריכות של חוט המתחבר לגוף אחר בעל מסה M2התלוי כפי שמומחש בסקיצה .הגלגלת היא חסרת מסה .בהנחה שהגליל אינו מחליק: L M2 א(מהי התאוצה של מרכז המסה של הגליל ? ב( מהי המהירות המרכז המסה של הגליל ברגע הוא מגיע לקצה השולחן ? 10 הפקולטה למדעי הטבע המחלקה לפיזיקה קורס :פיזיקה 1 .35יויו בעל רדיוס a 2cmומסה m 200 gמתחיל להתגלגל ממצב מנוחה עד שהוא משחרר את כל החוט אליו הוא ממחובר שאורכו . 80cm א( מהן המהירויות של מרכז המסה וזוויתית של היויו בנקודה התחתונה ? ב( מהן התאוצות של מרכז המסה וזוויתית של היויו באותה נקודה ? ג(מהי המתיחות בחוט במשך הירידה ? ג(מהי המתיחות בחוט במשך העליה חזרה ? .36ברגע מסוים ילד מושך את החוט של היויו שהוא מאחז בידו .היויו הוא בעל רדיוס Rומסה .M א( באיזה תאוצה זוויתית היויו יסתובב אם שמרז המסה שלו נישאר במצב מנוחה ? ב( באיזה קצב חייב הילד למשוך את החוט שמחזיק בידו? ג( אם אורך החוט הוא , Lכמה זמן אפשר לשמור על המצב הזה? .37במהירות קבועה v0על מישור אופקי עד מתנגש בקצה התחתון של סרגל אנכי בעל מסה Mואורך Lשחופשי להסתובב סביב הקצה העליון. א( מהי המהירות הזוויתית של הסרגל מיד אחרי ההתנגשות? ב(הזווית המקסימאלית אליה המוט יגיע ? ג(מהי המהירות המינימאלית כדי שהמוט יבצע סיבוב שלם ? נתוןI ML2 / 3 : 11 הפקולטה למדעי הטבע המחלקה לפיזיקה קורס :פיזיקה 1 מקל בעל מסה Mואורך Lהוא חופשי להסתובב סביב .38 הציר שעובר דרך אחד מקצבותיו .מכוונים את המקל בכיוון אופקי ועוזבים אותו מהמצב הזה .כאשר המקל מגיה למצב אנכי הוא מתנגש בבלוק בעל מסה mשהיה במצב מנוחה על מישור האופקי וכתוצאה מההתנגשות הבלוק מתחיל לנוע במהירות . V נתון שהמומנט התמדה )אינרציה( המקל I ML2 / 3 V m א(באיזה מהירות סיבובית המקל מגיע למצב האנכי? ב( מה המהירות הסיבובית של המקל מייד אחרי ההתנגשות? ג(כמה אנרגיה מתבזבזת בהתנגשות? כדור ביליארד בעל רדיוס Rו מסה Mנמצא במצב .39 מנוחה על השולחן .מקל מכה בכדור וכתוצאה מתחיל הכדור לנוע )מבלי להתגלגל ( במהירות . V0הכדור מחליק על השולחן בעל מקדם חיכוך כך שהוא מאט ובנוסף מתחיל להתגלגל עד לרגע שהוא מתגלגל בלי להחליק. .חשב את הכוח החיכוך שפועל על הכדור א( המרחק שהכדור נע עד לרגע שהוא מתגלגל בלי ב( להחליק? כמה אנרגיה התבזבזה בתהליך ההחלקה ? ג( .40קובייה בעלת מסה Mוצלע Lמוחזקת על שולחן על אחת הצלעות בזווית של .450עוזבים את הקובייה והיא מסתובבת, מתנגשת עם המשטח ונעצרת. א( מהי המהירות הזוויתית של הקובייה כאשר היא מגיעה למצב האופקי ? ב( מהי האנרגיה שמתבזבזת בהתנגשות ? 12 הפקולטה למדעי הטבע המחלקה לפיזיקה קורס :פיזיקה 1 .41כדור בעל מסה mורדיוס rמתגלגל על שפה הפנימית של קערה כדורית בעלת רדיוס .Rהכדור מסתובב ללא החלקה ,מהירות התחלתית שווה ל 0-במצב ההכדור אופקי. א( מהי המהירות הקווית של המסה כאשר הזווית עם הקו האופקי שווה ל ?θ θ ב( מהן התאוצות המשיקית וצנטריפטלית במצב זה ? ג( המו המקדם החיכוך המינימלי כדי שהכדור לו יחליק בנקודה זו?ז .42נותנים מכה עם מקל ביליארד בגובה של מרכז המסה כך שמספק מהירות קווית התחלתית v0ומהירות זוויתית התחלתית .ω0=0הכדור מתחיל את התנועה בהחלקה עד המצב שהוא מתגלגל בלי להחליק .הכדור בעל רדיוס Rומסה .Mהמקדם החיכוך הוא .µk א( מהן התאוצות הזוויתית וקווית בשלב ההחלקה ? ב( מהן המהירויות הקווית ) v(tוזוויתית ) ω(tבשלב זה ? ג( אחרי כמה זמן הכדור מפסיק להחליק ומתגלגל ומהו המרחק עד נקודה זו? תשובה 12v 02 49 g 2v 0 , 7 k g 5 k g t, 2R 5 k g , v 0 k gt , 2R k g, .43בנאי עולה על סולם .מסה של הבנאי . m 80kgמסה של הסולם M 30kg מקדם החיכוך הסטטי בין סולם לרצפה שווה ל 0.6 - ואורכו . L 6m .אין חיכוך בין סולם לקיר .הזווית בין סולם 0 לרצפה שווה ל . 60 -מהו הגובה המקסימלי שהבנאי יכול לעלות ,מבלי שהסולם יחליק? 1 2 M m sin M cos תשובה: m cos xL 13 הפקולטה למדעי הטבע המחלקה לפיזיקה קורס :פיזיקה 1 .44על כיסא מסתובב יושב אדם המחזיק בידיו שתי משקולות בעלות מסה m 10kg כל אחת .מרחק כל משקולת מציר הסיבוב הוא . r1 0.5mהכיסא מסתובב בתדירות f 1Hz .איך תשתנה התדירות ומהי העבודה שיבצע האדם אם הוא יקרב את המשקולות לחזהו כך שמרחק ביו המשקולות למרכז הסיבוב יקטן ל . r2 0.2m -מומנט ההתמד השקול של אדם וכיסא שווה לI 2.5kg m 2 - תשובה . f 2 I 2mr12 25 f1 I 2mr22 11 .45מערכת מורכבת משלושה גופים :שתי תיבות וגלגלת .הגלגלת היא גליל בעל מסה m ורדיוס r0 )ראה תרשים( .מסה של תיבה אחת שווה ל ; m -מסה של התיבה השנייה שווה ל . 2 m -מקדם החיכוך . s k מצא את המהירות של כל המערכת ואת הזמן לאחר שהתיבה 2 mיורדת בגובה h . מהירות ההתחלתית שווה ל) . 0 -ברגע t 0 0המערכת משוחררת(. m 2m α m h ) 2m m(sin cos I 2m m r2 תשובה: ag 14