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.