Zadanie 3: Drgania harmoniczne ciężarka na sprężynie

Arkusz
CKE Maj 2024 · Maj · 2024
Punkty
8 pkt
Dział
Ruch drgający · Badanie ruchu drgającego. Drgania harmoniczne / Drgania harmoniczne
Trudność
Poziom trudności: średnie
Analiza ruchu harmonicznego ciężarka zawieszonego na sprężynie w polu grawitacyjnym. Zadanie obejmuje ocenę prawdziwości stwierdzeń, analizę sił oraz obliczenia dynamiczne.

Treść zadania

Ciężarek o masie m = 100,0 g jest zawieszony na sprężynie i wykonuje drgania harmoniczne w kierunku pionowym, w jednorodnym, ziemskim polu grawitacyjnym. Przyjmujemy, że ciężarek drga wzdłuż osi y skierowanej pionowo w górę. Na poniższym wykresie przedstawiono zależność współrzędnej prędkości vy ciężarka od czasu t. Dodatnia wartość współrzędnej prędkości vy oznacza, że zwrot wektora prędkości ciężarka jest w górę, a ujemna wartość – że zwrot wektora prędkości jest w dół. Prędkość ciężarka określamy w układzie odniesienia związanym z ziemią. Przyjmij uproszczony model zjawiska, w którym: • na ciężarek działają tylko siła sprężystości Fs sprężyny i siła grawitacji Fg • wartość siły sprężystości, z jaką sprężyna działa na ciężarek, jest wprost proporcjonalna do wydłużenia sprężyny ponad jej długość swobodną • układ odniesienia związany z ziemią traktujemy jako układ inercjalny • pomijamy opory ruchu i masę sprężyny • przyśpieszenie grawitacyjne ziemskie ma wartość g=9g = 9,81 m/s^2. Zadanie 3.1. (0–2) Oceń prawdziwość poniższych stwierdzeń. Zaznacz P, jeśli stwierdzenie jest prawdziwe, albo F – jeśli jest fałszywe. 1. W chwili t=0t = 0,2 s siły działające na ciężarek się równoważą. 2. Energia kinetyczna ciężarka w chwili t=0t = 0,1 s jest równa energii kinetycznej ciężarka w chwili t=0t = 0,3 s. 3. Wartość przyśpieszenia ciężarka w chwili t=0t = 0,4 s jest większa od wartości przyśpieszenia ciężarka w chwili t=0t = 0,5 s. Zadanie 3.2. (0–2) Siły działające na ciężarek się równoważą, gdy ciężarek znajduje się w punkcie o współrzędnej y=0y = 0, natomiast najwyższe i najniższe położenia ciężarka znajdują się – odpowiednio – w punktach o współrzędnych: y = A oraz y = −A. W pewnej chwili ruchu drgającego ciężarek znalazł się w punkcie P (położenie poniżej punktu równowagi). Na rysunku narysuj i podpisz siłę sprężystości Fs i siłę grawitację Fg działające na ciężarek w punkcie P. Zachowaj relację między wartościami tych sił i zapisz ją: Fs ... Fg. Zadanie 3.3. (0–4) Oblicz wartość siły sprężystości działającej na ciężarek w chwili, gdy znajduje się on w najniższym położeniu podczas ruchu drgającego. Zapisz obliczenia.

Odpowiedź i wynik końcowy

3.1: 1-P, 2-P, 3-F. 3.2: Fs > Fg. 3.3: Wartość siły sprężystości w najniższym położeniu wynosi Fs=mg+kAF_s = mg + kA. Wartość ta zależy od stałej sprężystości kk wyznaczonej z okresu drgań TT odczytanego z wykresu.

Wideo-rozwiązanie krok po kroku

Obejrzyj publiczne rozwiązanie wideo na YouTube