ID: 00012598
На горизонтальном шероховатом диске радиусом 30 см покоится на расстоянии r от центра точечное тело массой 100 г. Диск начинают медленно раскручивать. При некоторой угловой скорости вращения диска тело начинает скользить по его поверхности. На рисунке показан график зависимости линейной скорости V тела в момент начала скольжения от расстояния r.
На основании анализа приведённого графика выберите все верные утверждения и укажите в ответе их номера.
1) Коэффициент трения между телом и плоскостью диска равен 0,4.
2) При вращении диска с частотой 2/π об/с покоящееся относительно диска тело, имеющее максимальную угловую скорость вращения, находится на расстоянии 25 см от центра диска.
3) При вращении диска с угловой скоростью 5 рад/с модуль ускорения покоящегося относительно диска тела, находящегося на расстоянии 12 см от центра, равен нулю.
4) Тело, находящееся на расстоянии 9 см от центра диска, может иметь минимальный период обращения, равный (0,3π) с.
5) Если тело находится на расстоянии 16 см от центра диска, то оно не может иметь кинетическую энергию, равную 8 мДж.
Источник: ФИПИ
Пока тело вращается вместе с диском, его удерживает сила трения покоя, играющая роль центростремительной силы. Скольжение начинается в тот момент, когда требуемая центростремительная сила достигает максимума силы трения:
\mu mg=\frac{mV^2}{r}\quad\Rightarrow\quad V=\sqrt{\mu g\,r}
Скорость начала скольжения растёт как корень из радиуса — именно это и показывает график. Найдём коэффициент трения по любой точке графика, например r=25 см =0{,}25 м, V=1{,}0 м/с (берём g=10 м/с²):
\mu=\frac{V^2}{g\,r}=\frac{1{,}0^2}{10\cdot0{,}25}=0{,}4
Утверждение 1 (коэффициент трения равен 0{,}4) — верно.
Утверждение 2. Частоте n=\dfrac{2}{\pi} об/с отвечает угловая скорость \omega=2\pi n=4 рад/с. Тело, для которого эта угловая скорость предельная (максимальная без скольжения), удовлетворяет \omega=\sqrt{\dfrac{\mu g}{r}}, откуда r=\dfrac{\mu g}{\omega^2}=\dfrac{0{,}4\cdot10}{4^2}=0{,}25 м =25 см. Верно.
Утверждение 3. На расстоянии r=12 см при \omega=5 рад/с тело ещё не скользит (предельная скорость там выше), поэтому оно движется по окружности с центростремительным ускорением a=\omega^2 r=5^2\cdot0{,}12=3 м/с². Ускорение не равно нулю — неверно.
Утверждение 4. На расстоянии r=9 см =0{,}09 м максимальная угловая скорость без скольжения \omega_{\max}=\sqrt{\dfrac{\mu g}{r}}=\sqrt{\dfrac{0{,}4\cdot10}{0{,}09}}=\dfrac{2}{0{,}3} рад/с, а минимальный период обращения T_{\min}=\dfrac{2\pi}{\omega_{\max}}=2\pi\cdot\dfrac{0{,}3}{2}=0{,}3\pi с. Верно.
Утверждение 5. На расстоянии r=16 см максимальная скорость без скольжения (по графику) V=0{,}8 м/с, поэтому наибольшая кинетическая энергия E_{\max}=\dfrac{mV^2}{2}=\dfrac{0{,}1\cdot0{,}8^2}{2}=0{,}032 Дж =32 мДж. Значение 8 мДж меньше максимального, значит тело вполне может иметь такую энергию — утверждение «не может» неверно.
Верные утверждения: 1, 2 и 4.