ID: 00028688
Небольшой груз массой 0,1 кг подвешен на невесомой нерастяжимой нити длиной 40 см. В результате толчка груз стал совершать незатухающие колебания в вертикальной плоскости. В таблице приведена зависимость от времени t высоты h подъёма груза относительно положения равновесия. На основании данных, приведённых в таблице, выберите два верных утверждения о движении груза.
| t, с | h, см |
|---|---|
| 0 | 0 |
| 0,2 | 12 |
| 0,4 | 20 |
| 0,6 | 12 |
| 0,8 | 0 |
| 1,0 | 12 |
| 1,2 | 20 |
| 1,4 | 12 |
| 1,6 | 0 |
1) Период колебаний груза равен 0,8 с.
2) В момент времени 0,4 с скорость груза максимальна.
3) В промежуток времени от 0,2 до 1,0 с кинетическая энергия груза достигла минимального значения 2 раза.
4) В момент 1,2 с кинетическая энергия груза равна 0.
5) Максимальная скорость груза равна 2 м/с.
Источник: ФИПИ
Груз качается на нити маятником, а в таблице — не координата, а высота подъёма h над положением равновесия (она всегда неотрицательна, ведь маятник проходит нижнюю точку дважды за каждый период — по разу в каждую сторону).
h=0 (нижняя точка, равновесие) повторяется через 0{,}8 с (t=0; 0{,}8; 1{,}6), но так как маятник проходит нижнюю точку ДВАЖДЫ за один полный период (уходя то в одну, то в другую сторону), полный период на самом деле вдвое больше — T=1{,}6 с. Утверждение 1 (что период 0{,}8 с) неверно.
В момент t=0{,}4 с высота h=20 см — это верхняя точка (крайнее положение), где груз на мгновение останавливается: скорость там равна нулю, а не максимальна. Скорость максимальна, наоборот, в нижней точке (h=0). Утверждение 2 неверно.
Кинетическая энергия минимальна (равна нулю) в крайних точках — по нашим данным это моменты t=0{,}4 с и t=1{,}2 с. В промежутке от 0{,}2 до 1{,}0 с в этот список попадает только t=0{,}4 с — один раз, а не два. Утверждение 3 неверно.
В момент t=1{,}2 с h=20 см — крайняя точка, скорость равна нулю, значит, и кинетическая энергия равна нулю. Утверждение 4 верно.
Максимальную скорость найдём из закона сохранения энергии: вся кинетическая энергия в нижней точке превращается в потенциальную в верхней: mgh_{\max}=\dfrac{m\upsilon_{\max}^2}{2}, откуda \upsilon_{\max}=\sqrt{2gh_{\max}}=\sqrt{2\cdot10\cdot0{,}20}=\sqrt{4}=2 м/с. Утверждение 5 верно.
Верны утверждения 4 и 5.