ID: 00006430
Маленький шарик прикреплён к одному концу невесомой пружины. Другой конец пружины закреплён на потолке. Шарик совершает гармонические колебания вдоль вертикали. На рисунках изображены графики зависимостей от времени t координаты x шарика и проекции его скорости V на вертикаль. Ось x направлена вертикально вниз.
Выберите все верные утверждения на основании анализа представленных графиков.
1) Период колебаний шарика равен 3π с.
2) Шарик будет находиться в точке с координатой 0 см в момент времени t = 0,75π с.
3) Ускорение шарика равно нулю в момент времени t = 3π с.
4) Кинетическая энергия шарика в момент времени t = 1,5π с равна нулю.
5) Потенциальная энергия пружины в момент времени t = 6π c достигает максимума.
Источник: ФИПИ
Колебание начинается с максимального отклонения, поэтому уравнение координаты (по собственной оси):
x(t) = x_0 \cos(\omega t) = 3\cos(\omega t)
Шаг 1. Нахождение угловой скорости \omega.
Амплитуда скорости v_0 = x_0 \omega, откуда:
\omega = \frac{v_0}{x_0} = \frac{2}{3}\text{ рад/с}
Шаг 2. Период колебаний.
T = \frac{2\pi}{\omega} = \frac{2\pi}{\tfrac{2}{3}} = 3\pi\text{ с} \quad \checkmark \text{ (утверждение 1 верно)}
Шаг 3. Утверждение 2: x = 0 при t = 0{,}75\pi?
x(0{,}75\pi) = 3\cos\!\left(\frac{2}{3} \cdot \frac{3\pi}{4}\right) = 3\cos\!\left(\frac{\pi}{2}\right) = 0\text{ см (по своей оси)}
По авторской оси это соответствует x_{\text{авт}} = 1\text{ см}, а не 0.
Утверждение 2 неверно.
Шаг 4. Утверждение 3: a = 0 при t = 3\pi?
a(t) = -x_0 \omega^2 \cos(\omega t)
a(3\pi) = -3 \cdot \frac{4}{9} \cdot \cos(2\pi) = -\frac{4}{3} \cdot 1 \neq 0
Утверждение 3 неверно.
Шаг 5. Утверждение 4: E_k = 0 при t = 1{,}5\pi?
v(1{,}5\pi) = -2\sin\!\left(\frac{2}{3} \cdot \frac{3\pi}{2}\right) = -2\sin(\pi) = 0
Скорость ноль, значит E_k = 0.
Утверждение 4 верно.
Шаг 6. Утверждение 5: потенциальная энергия максимальна при t = 6\pi?
t = 6\pi = 2T — ровно два полных периода от начала. Шарик вернулся в начальное (крайнее) положение. Для вертикальной пружины энергия наибольшая в нижнем крайнем положении. За t = 6\pi шарик прошёл два полных цикла и находится в нижней крайней точке.
Утверждение 5 верно.