A = (A X, A Y, A Z ) A X i + A Y j + A Z k A X e x + A Y e y + A Z e z wektory jednostkowe: i e x j e y k e z.

Transkrypt

1 Ćwiczenia rachunkowe z fizyki dla I roku Transport Morski. Zestaw zadań nr 1. Zestaw 1. Wielkości i jednostki. Wektory. Zapisać w jednostkach układu SI: 2 doby; 14 minut;2,5 godz.; lat; 3 MM (mile morskie); 0,5 kabla; rok świetlny, 20 C; 100 F; ton; 26 węzłów; 90 km/h; 300 ha. [1MM=1852 m, T F = 9/5 T C +32] Zapisać w postaci wykładniczej podane niżej wyrażenia. Przykład: 56 km = 5, m. 5 cm; 2 μm; 450 nm; 6400 km; 0,9 μm; 10 ns; 2,4 ps; 27 μa, 0,7 ma; 20 kω; 10 MΩ; 500 kv; 850 GW; 20 pf; 0,8 nf. 8,55 g; 22 μg. 800 mld ton. Używając przedrostków zapisać następujące wyrażenia stosując najmniejszą ilość zer: m; 2, V; W; J; m; m; s; 10 4 kg; 2, A; F; 10 7 kg. Punkt materialny poruszający się ruchem jednostajnym prostoliniowym przebył w czasie t drogę o długości l. Przedstawić jego prędkość w jednostkach SI. a) l = 10 m, t = 0,1 s b) l = 3 km, t = 10 minut c) l = 200 km, t = 10 s d) l = 2,16 μm, t = 2,5 doby e) l = 5 mil morskich, t = 20 minut. f) l = 6000 km, t = 4 godziny. Określić wektor przesunięcia i jego długość, jeżeli położenia punktu na płaszczyźnie, początkowe A i końcowe B, mają następujące współrzędne (x, y): a) A = (1, 0) B = (0, 1); b) A = ( 2, 2) B = (2, 2); c) A = ( 1, 2) B = (2, 2). Dane są dwa wektory. Obliczyć metodą wektorową długość każdego z nich, sumę i różnicę, iloczyn skalarny i iloczyn wektorowy. A=(1,1,0) B=(0,0,2) A=3i+4j-5k B=-i+2j+6k A=(1, 1, 4) B=( 4, 3, 2) C=-2i-j+3k D=2i+j-3k Zad. 7. Niech wektory A i B są dwiema przekątnymi dwóch sąsiednich ścian sześcianu wychodzącymi z jednego wierzchołka. Wiedząc, że długość krawędzi sześcianu wynosi a oblicz: A B, A B oraz B A. Uwaga: A = (A X, A Y, A Z ) A X i + A Y j + A Z k A X e x + A Y e y + A Z e z wektory jednostkowe: i e x j e y k e z.

2 Ćwiczenia rachunkowe z fizyki dla I roku Transport Morski. Zestaw zadań nr 2. Zestaw 2. Kinematyka pochodne Zad. 1 Położenie punktu x zmienia się w czasie t zgodnie z poniższą funkcją. Czas jest wyrażony w sekundach a położenie w metrach. Wyznacz funkcje opisujące wartość prędkości v(t) oraz przyspieszenia a(t). Ustal wartości położenia i prędkości w chwili początkowej oraz po jednej sekundzie ruchu: a) x(t) = 3t b) x(t) = 5t 3 + t 2 7t + 2 c) x(t) = 3cos(2t) + 5sin(3t+2) d) x(t) = 3e -2t e) x(t) = -4e -5(t+2) f) x(t) = 7t -3 5t -2 + cos(3t 2 +t) g) x(t) = 3ln(t 2 ) h) x(t) = sin 4 (2t) i) x(t) = -2t 2 cos(2t-3) Zad. 2 Położenie punktu w spadku swobodnym z wysokości 20m dane jest funkcją y(t) = 20-5t 2. Wyznacz funkcje opisujące zależność prędkości oraz przyspieszenia od czasu. Oblicz prędkość średnią w czasie dwóch sekund, prędkość średnią w czasie drugiej sekundy ruchu i prędkość chwilową po upływie dwóch sekund. Narysuj wykresy zmian położenia, prędkości i przyspieszenia (punkty na wykresach co 0,5 sekundy). Zad. 3 Położenie r(t) dane jest zależnościami (gdzie i, j, k wersory w kierunkach: x, y, z). Wyznaczyć wektory prędkości v(t) i przyspieszenia a(t). a) r(t) = 3t 2 i + (2t 3 t)j + 5(t 2-1)k b) r(t) = (2t 3 +1)i + (3e 3t t)j + (2cos(3t)-1)k c) r(t) = 2e -2t t2 i + 3t 2 j + (t-t 2 )k d) r(t) = 2t 2 sin(2πt) i + 3(t 2 2t)j + 5(t 2-1)k e) r(t) = 2sin(2πt 2 )i + (3t 7 t)j + 5(t -2-1)k

3 Ćwiczenia rachunkowe z fizyki dla I roku Transport Morski. Zestaw zadań nr 3. Zestaw 3. Kinematyka równania ruchu Z pewnego punktu zostały rzucone dwa ciała z jednakową prędkością początkową 25 m/s, jedno pionowo do góry, drugie pionowo w dół. W jakiej odległości od siebie znajdą się te ciała po 2 s, 3 s, i po n-tej sekundzie ruchu. Dwa ciała oddalone początkowo od siebie o l = 100 m, poruszają się naprzeciw siebie, pierwsze ruchem jednostajnym z prędkością 3 m/s, a drugie ruchem jednostajnie przyspieszonym z prędkością początkową 7 m/s i przyspieszeniem 4 m/s 2. Wyznaczyć czas i miejsce spotkania ciał. Z wysokości h = 195 m nad powierzchnia ziemi spada swobodnie ciało. W momencie gdy ciało to zaczyna spadać z wysokości h = 0m wyrzucamy pionowo do góry drugie ciało z prędkością początkową 65 m/s. W jakiej chwili i na jakiej wysokości spotkają się te ciała? Ciało spada swobodnie z wysokości h = 19,6 m. w ciągu jakiego czasu ciało przebędzie pierwszy odcinek l = 1 m swej drogi i ostatni odcinek l = 1 m swej drogi? Dźwig samojezdny porusza się po torze poziomym z prędkością v ox. Równocześnie hak dźwigu jest unoszony ku górze z przyspieszeniem a y. Napisać równanie toru haka. Balon odrywa się od powierzchni Ziemi i unosi pionowo do góry ze stałą prędkością v y. Wiatr nadaje mu prędkość poziomą proporcjonalną do wysokości. Znaleźć drogę przebytą przez balon w kierunku poziomym w zależności od jego wysokości. Zad. 7. Pocisk wystrzelono z prędkością v 0 pod kątem α do poziomu z wysokości h. Znaleźć czas t max po którym pocisk spadnie na ziemię, zasięg lotu, prędkość z jaką pocisk uderzy o ziemię, oraz kąt nachylenia wektora prędkości do pionu w chwili zetknięcia pocisku z ziemią. Zad. 8. Pod jakim kątem do poziomu trzeba rzucić ciało, aby zasięg rzutu równał się największej wysokości, na jaką ciało się wzniesie? Zad. 9. U podnóża zbocza o kącie nachylenia 30 wystrzelono pocisk nadając mu prędkość 200 m/s skierowaną pod kątem 45 do poziomu. Określić punkt uderzenia pocisku w zbocze. Zad. 10. Poziomo rzucona piłka uderza o ścianę odległą o 5 m od miejsca wyrzucenia. Wysokość miejsca uderzenia piłki o ścianę jest o 1 m mniejsza od wysokości, z której rzucono piłkę. Oblicz prędkość początkową piłki. Pod jakim kątem piłka dolatuje do powierzchni ścianki? Zad. 11. Kamień rzucono poziomo z prędkością v x = 15 m/s. Znaleźć przyspieszenie normalne i styczne kamienia po upływie 1 s od rozpoczęcia ruchu. Zad. 12. Z pewnej wysokości wyrzucono kamień w kierunku poziomym nadając mu prędkość 29,4 m/s. Wyznaczyć promień krzywizny toru w punkcie po 4 s. Pominąć opór powietrza.

4 Ćwiczenia rachunkowe z fizyki dla I roku Transport Morski. Zestaw zadań nr 4. Zestaw 4. Kinematyka - całki Przyspieszenie punktu a(t) zmienia się w czasie zgodnie z funkcją: a) a(t) = 2t b) a(t) = 3t 3 + 2t + 5 c) a(t) = 2sin(2t-3) + 3 cos(3t-2) d) a(t) = 3e -2t e) a(t) = 3t -1 f) a(t) = 2t 2 sin(2t) Wyznaczyć funkcje opisujące zależność prędkości v i położenia x od czasu. We wszystkich przypadkach przyjąć szybkość początkową v 0 = 3 m/s, a współrzędną początkową x 0 = 7 m Przyśpieszenie a(t) dane jest zależnością: a) a(t) = 2t 2 i + (3t 3 -t) j + 5(t 2 1) k b) a(t) = (2t 3 + 1) i + (3e 3t t) j + (2 cos(3t) 1) k c) a(t) = 2e -2t t 2 i + 3t 2 j + (t t 2 ) k Wyznaczyć prędkość v(t) oraz położenie r(t). Przyjąć następujące warunki początkowe: v 0 = 2e i + 3 j + k oraz r 0 = 3e i + 5 k. Ustalić wartość szybkości po jednej sekundzie ruchu.

5 Ćwiczenia rachunkowe z fizyki dla I roku Transport Morski. Zestaw zadań nr 5. Zestaw 5. Dynamika ruchu postępowego Samochód do przewożenia mebli posiada rampę nachyloną pod kątem 15 do poziomu. Jakie będzie przyspieszenie szafy stojącej na rampie gdy: a) brak tarcia, b) współczynnik tarcia drzewa o drzewo wynosi 0,25? Na szczycie równi o kącie nachylenia i współczynniku tarcia k umocowany jest bloczek, przez który przerzucono nić. Do końców nici przymocowano masy: m i M. Obliczyć przyspieszenie układu i naprężenie nici. Tramwaj składa się z dwóch wagonów o masach m 1 i m 2, z których tylko pierwszy ma silnik, który działa siłą T na pierwszy wagon. Z jaką siłą wagon motorowy ciągnie drugi wagon? Dwa identyczne kawałki lodu o temperaturze -30 C zbliżają się do siebie z takimi samymi prędkościami. Jaką wartość ma ta prędkość, jeśli w trakcie niesprężystego zderzenia oba te ciała wyparują? Dany jest szereg równi pochyłych o tej samej podstawie i różnych wysokościach. Przy jakim kącie nachylenia równi do poziomu czas zsuwania ciał z równi bez tarcia będzie najmniejszy? Sanki zsuwają się ze szczytu toru o długości l = 20 m, pochylonego pod kątem α = 30 do poziomu, a następnie wjeżdżają na poziomy tor. Wzdłuż całego toru na sanie działa siła tarcia, współczynnik tarcia μ wynosi 0,1. Obliczyć, jaką prędkość będą miały sanki u podnóża pochylonego toru i jaką drogę przebędą po torze poziomym? Zad. 7. Łyżwiarz porusza się ruchem jednostajnym po torze poziomym, a następnie z rozpędu przejeżdża jeszcze, do chwili zatrzymania się, drogę 60 m w czasie 25 s. Obliczyć współczynnik tarcia łyżew o lód oraz moc łyżwiarza w ruchu jednostajnym, jeśli masa łyżwiarza wynosiła 50 kg.

6 Ćwiczenia rachunkowe z fizyki dla I roku Transport Morski. Zestaw zadań nr 6. Zestaw 6. Moment bezwładności. Moment pędu. Oblicz momenty bezwładności pręta o długości l i masie m, obracającego się wokół osi prostopadłej do pręta: a) przechodzącej przez jego środek, b) przechodzącej przez jeden z jego końców (dwie metody: bezpośrednio i wykorzystując rozwiązanie z podpunktu a), c) oddalonej od środka pręta o dowolną odległość d. Oblicz moment bezwładności cienkiej tarczy kołowej o promieniu R i masie m, obracającej się wokół osi prostopadłej do płaszczyzny tarczy przechodzącej przez środek tarczy i punkt na obwodzie tarczy. Oblicz moment bezwładności prostokąta o masie m i długościach boków a i b, obracającego się wokół osi leżącej w płaszczyźnie prostokąta równolegle do boku a (różne odległości od środka boku a). Oblicz moment bezwładności walca o promieniu R i masie m, obracającego się wokół osi przechodzącej przez środki obu podstaw oraz wokół osi do niej równoległej. Oblicz moment bezwładności rury grubościennej (wydrążonego walca) o masie m i promieniach wewnętrznym R w oraz zewnętrznym R z. Oś obrotu równoległa do osi rury. Ile wynosi moment pędu wskazówki minutowej zegarka wykonanej z cienkiego pręta o masie 3 g i długości 6 cm.

7 Ćwiczenia rachunkowe z fizyki dla I roku Transport Morski. Zestaw zadań nr 7. Zestaw 7. Dynamika bryły sztywnej. Za pomocą cylindrycznego kołowrotu o masie m i promieniu R, mogącego obracać się bez tarcia względem osi prostopadłej do podstawy walca przechodzącej przez jego środek, wyciągnięto ze studni wiadro z wodą. W pewnym momencie wiadro puszczono. Z jakim przyspieszeniem będzie poruszać się wiadro? Przez bloczek o promieniu R i momencie bezwładności I 0 przerzucono nić, na końcach której umieszczono masy m i M. Obliczyć przyspieszenie mas oraz naciągi nici. Kula, walec i obręcz o tych samych promieniach i masie toczą się z tą samą prędkością kątową. Która z tych brył ma najmniejszą energię kinetyczną? Koło zamachowe o momencie bezwładności 0.86 kg m 2 i walec o promieniu 5 cm i zaniedbywalnej masie umieszczone są na wspólnej osi. Na walec nawinięta jest nić, na której wisi ciężarek o masie 6,0 kg. W ciągu jakiego czasu ciężarek opuści się o 1 m? Jaka będzie jego prędkość końcowa? Na brzegu poziomego stolika o masie M = 100 kg i o promieniu r = 1 m wirującego z częstotliwością f=0,5 Hz dookoła pionowej osi przechodzącej przez jego środek, stoi człowiek o masie m=60 kg. Z jaką prędkością kątową będzie obracał się stolik, gdy człowiek przejdzie na środek stolika? O ile zmieni się przy tym energia kinetyczna układu? Człowieka traktować jako punkt materialny, zaś stolik jako jednorodny krążek o momencie bezwładności 250 kg m 2. Tarcie w łożyskach osi pominąć. Do koła zamachowego o promieniu R = 2 m i momencie bezwładności I = 300 kg m 2 obracającego się z częstością f = 10 1/s przyłożono klocek hamulcowy dociskany siłą F = 100 kn. Ile wynosi współczynnik tarcia klocka o koło zamachowe, jeżeli zatrzymało się ono po wykonaniu n = 6 obrotów?