Задание 26 ЕГЭ по физике №00018641
Законы Сохранения
№2. Задание 26
ID: 00018641
В механической системе, изображённой на рисунке, невесомая и нерастяжимая нить перекинута через неподвижный идеальный блок. К левому концу нити подвешена чашка массой $m_1 = 1{,}5$ кг, на высоте $H = 50$ см над дном которой удерживают груз массой $m_2 = 1$ кг, а к правому концу нити привязан груз массой $m_3 = 3$ кг, стоящий на подставке. В некоторый момент груз $m_2$ отпускают, он падает в чашку, ударяется и прилипает к ней. На какую максимальную высоту $h$ над подставкой поднимется после удара груз $m_3$?
Какие законы Вы используете для описания взаимодействия груза и чашки? Обоснуйте их применение к данному случаю.
Ответ дайте в сантиметрах.
Источник: ФИПИ
Решение
Идея
Действие в три такта. Сначала груз $m_2$ свободно падает в чашку — набирает скорость. Потом он прилипает к чашке: это абсолютно неупругий удар, тут энергия частично теряется, зато спасает закон сохранения импульса. И поскольку нить через блок натянута, в этом ударе мгновенно «включается» и груз $m_3$ — вся связка приходит в движение разом. На третьем такте связка едет по инерции, замедляется (ведь $m_3$ тяжелее опускающейся стороны) и останавливается — отсюда максимальная высота.
Обоснование
1) Падение $m_2$ до удара — свободное, без трения, поэтому сохраняется механическая энергия: $v_0=\sqrt{2gH}$. 2) Удар $m_2$ о чашку — абсолютно неупругий и очень быстрый; нить нерастяжима и натянута, поэтому за время удара чашка с прилипшим грузом и груз $m_3$ получают общую по модулю скорость. Внешние удары (тяжесть) за малое время удара дают пренебрежимо малый импульс, поэтому применяем закон сохранения импульса для связанной системы: $m_2 v_0=(m_1+m_2+m_3)\,u$. 3) После удара тела — материальные точки, блок идеальный (невесомый, без трения), нить нерастяжима → дальше снова закон изменения механической энергии (или кинематика равнозамедленного движения).
Такт 1 — скорость падения
$$v_0=\sqrt{2gH}=\sqrt{2\cdot 10\cdot 0{,}5}=\sqrt{10}\approx 3{,}16\ \text{м/с}.$$
Такт 2 — неупругий удар со связкой
Чашка с грузом $m_2$ пойдёт вниз, $m_3$ — вверх, скорость по модулю одна и та же $u$: $$m_2 v_0=(m_1+m_2+m_3)\,u\;\Rightarrow\; u=\frac{1\cdot\sqrt{10}}{1{,}5+1+3}=\frac{3{,}16}{5{,}5}\approx 0{,}575\ \text{м/с}.$$
Такт 3 — подъём $m_3$ до остановки
Вниз тянет сторона $(m_1+m_2)=2{,}5$ кг, вверх не пускает $m_3=3$ кг. Замедление связки: $$a=\frac{(m_3-(m_1+m_2))g}{m_1+m_2+m_3}=\frac{(3-2{,}5)\cdot 10}{5{,}5}\approx 0{,}91\ \text{м/с}^2.$$ Высота подъёма до остановки: $$h=\frac{u^2}{2a}=\frac{0{,}575^2}{2\cdot 0{,}91}=\frac{0{,}331}{1{,}82}\approx 0{,}18\ \text{м}.$$
Ответ
18
Видеоразбор
Другие задания по теме «Законы Сохранения» (8)
- Задание 26 №00045244 — В маленький шар, висящий на нити длиной l равно 50 см, попадает и застревает в…
- Задание 26 №00045243 — Лягушка массой 100 г сидит на конце доски массой 900 г и длиной 50 см, которая…
- Задание 26 №00043208 — Снаряд разорвался в полёте на две равные части, одна из которых продолжила…
- Задание 26 №00042891 — Снаряд массой 2m равно 8 кг разрывается на два одинаковых осколка, один из…
- Задание 26 №00026655 — Два шарика, массы которых m равно 0,1 кг и M равно 0,2 кг, висят, соприкасаясь,…
- Задание 26 №00026654 — В маленький шар массой M = 250 г, висящий на нити длиной l = 50 см, попадает и…
- Задание 26 №00026645 — Система из грузов m и M и связывающей их лёгкой нерастяжимой нити в начальный…
- Задание 26 №00026644 — Пружинное ружьё наклонено под углом α к горизонту. Энергия сжатой пружины равна…