XXXVII OLIMPIADA FIZYCZNA ETAP III Zadanie doświadczalne

Podobne dokumenty
Pęd, d zasada zac zasad a zac owan owan a p a p du Zgod Zg n od ie n ie z d r d u r g u im g pr p a r wem e N ew e tona ton :

Ruch obrotowy. Wykład 6. Wrocław University of Technology

1. Ciało sztywne, na które nie działa moment siły pozostaje w spoczynku lub porusza się ruchem obrotowym jednostajnym.

Fizyka 1 Wróbel Wojciech. w poprzednim odcinku

Fizyka 1 Wróbel Wojciech. w poprzednim odcinku

II.6. Wahadło proste.

MECHANIKA OGÓLNA (II)

11. DYNAMIKA RUCHU DRGAJĄCEGO

PRĄD ELEKTRYCZNY I SIŁA MAGNETYCZNA

FIZYKA 2. Janusz Andrzejewski

Fizyka. Wykład 2. Mateusz Suchanek

BRYŁA SZTYWNA. Umowy. Aby uprościć rozważania w tym dziale będziemy przyjmować następujące umowy:

GRAWITACJA. przyciągają się wzajemnie siłą proporcjonalną do iloczynu ich mas i odwrotnie proporcjonalną do kwadratu ich odległości r.

Fizyka 1 Wróbel Wojciech. w poprzednim odcinku

20 ELEKTROSTATYKA. PRAWO COULOMBA.

Ruch jednostajny po okręgu

Zasady dynamiki ruchu obrotowego

Fizyka dla Informatyki Stosowanej

Energia kinetyczna i praca. Energia potencjalna

10. Ruch płaski ciała sztywnego

Fizyka 1 Wróbel Wojciech. w poprzednim odcinku

Siła tarcia. Tarcie jest zawsze przeciwnie skierowane do kierunku ruchu (do prędkości). R. D. Knight, Physics for scientists and engineers

Siły oporu prędkość graniczna w spadku swobodnym

θ = s r, gdzie s oznacza długość łuku okręgu o promieniu r odpowiadającą kątowi 2. Rys Obrót ciała wokół osi z

dr inż. Zbigniew Szklarski

ZASADA ZACHOWANIA MOMENTU PĘDU: PODSTAWY DYNAMIKI BRYŁY SZTYWNEJ

Na skutek takiego przemieszcznia ładunku, energia potencjalna układu pole-ładunek zmienia się o:

8. PŁASKIE ZAGADNIENIA TEORII SPRĘŻYSTOŚCI

Siła. Zasady dynamiki

PRACA MOC ENERGIA. Z uwagi na to, że praca jest iloczynem skalarnym jej wartość zależy również od kąta pomiędzy siłą F a przemieszczeniem r

Magnetyzm. A. Sieradzki IF PWr. Pole magnetyczne ŁADUNEK ELEKTRYCZNY ŁADUNEK MAGNETYCZNY POLE ELEKTRYCZNE POLE MAGNETYCZNE

POLE MAGNETYCZNE W PRÓŻNI. W roku 1820 Oersted zaobserwował oddziaływanie przewodnika, w którym płynął

Podstawy Procesów i Konstrukcji Inżynierskich. Ruch obrotowy INZYNIERIAMATERIALOWAPL. Kierunek Wyróżniony przez PKA

Mechanika ruchu obrotowego

Podstawy fizyki wykład 4

Pole magnetyczne. 5.1 Oddziaływanie pola magnetycznego na ładunki. przewodniki z prądem Podstawowe zjawiska magnetyczne

Fizyka 10. Janusz Andrzejewski

Fizyka 1- Mechanika. Wykład 5 2.XI Zygmunt Szefliński Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów

dr inż. Zbigniew Szklarski

SKRYPT DO ZAJĘĆ WYRÓWNAWCZYCH Z FIZYKI DLA STUDENTÓW I ROKU AKADEMII MORSKIEJ W SZCZECINIE

PRAWA ZACHOWANIA Prawa zachowania najbardziej fundamentalne prawa:

Fizyka 1 Wróbel Wojciech. w poprzednim odcinku

L(x, 0, y, 0) = x 2 + y 2 (3)

BRYŁA SZTYWNA. Zestaw foliogramów. Opracowała Lucja Duda II Liceum Ogólnokształcące w Pabianicach

Wykład: praca siły, pojęcie energii potencjalnej. Zasada zachowania energii.

- substancje zawierające swobodne nośniki ładunku elektrycznego:

IV.2. Efekt Coriolisa.

Oddziaływania fundamentalne

SK-7 Wprowadzenie do metody wektorów przestrzennych SK-8 Wektorowy model silnika indukcyjnego, klatkowego

Fizyka 1- Mechanika. Wykład 5 3.XI Zygmunt Szefliński Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów

cz. 1. dr inż. Zbigniew Szklarski

Wykład 5: Dynamika. dr inż. Zbigniew Szklarski

Grzegorz Kornaś. Powtórka z fizyki

Podstawy fizyki wykład 4

Wykład Półprzewodniki

cz.2 dr inż. Zbigniew Szklarski

Pole grawitacyjne. Definicje. Rodzaje pól. Rodzaje pól... Notatki. Notatki. Notatki. Notatki. dr inż. Ireneusz Owczarek.

WYZNACZANIE MOMENTU BEZWŁADNOSCI KRĄŻKA

Zasady zachowania, zderzenia ciał

Prawo powszechnego ciążenia Newtona

Mechanika ogólna. Więzy z tarciem. Prawa tarcia statycznego Coulomba i Morena. Współczynnik tarcia. Tarcie statyczne i kinetyczne.

Szczególna i ogólna teoria względności (wybrane zagadnienia)

XXX OLIMPIADA FIZYCZNA (1980/1981). Stopień I, zadanie teoretyczne T4 1

MOBILNE ROBOTY KOŁOWE WYKŁAD 04 DYNAMIKA Maggie dr inż. Tomasz Buratowski. Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki Katedra Robotyki i Mechatroniki

Teoria Względności. Czarne Dziury

ROZWIĄZUJEMY PROBLEM RÓWNOWAŻNOŚCI MASY BEZWŁADNEJ I MASY GRAWITACYJNEJ.

29 Rozpraszanie na potencjale sferycznie symetrycznym - fale kuliste

Energia w geometrii Schwarzshilda

Wykład 10. Reinhard Kulessa 1

Zadanie 1. Zadanie 2. Sprawdzam dla objętości, że z obwarzanków mogę posklejać całą kulę o promieniu R: r = {x, y, z}; A = * Cross r, B

Zastosowanie zasad dynamiki Newtona.

m q κ (11.1) q ω (11.2) ω =,

WYKŁAD 11 OPTYMALIZACJA WIELOKRYTERIALNA

Nierelatywistyczne równania ruchu = zasady dynamiki Newtona

Wykład FIZYKA I. 8. Grawitacja. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Zasady dynamiki Isaak Newton (1686 r.)

Lista zadań nr 1 - Wektory

ι umieszczono ladunek q < 0, który może sie ι swobodnie poruszać. Czy środek okregu ι jest dla tego ladunku po lożeniem równowagi trwa lej?

Energia potencjalna jest energią zgromadzoną w układzie. Energia potencjalna może być zmieniona w inną formę energii (na przykład energię kinetyczną)

Zjawisko indukcji. Magnetyzm materii.

WYZNACZANIE PRĘDKOŚCI PRECESJI ŻYROSKOPU. BADANIE MODELU STABILIZATORA ŻYROSKOPOWEGO

Rys. 1. Ilustracja modelu. Oddziaływanie grawitacyjne naszych ciał z masą centralną opisywać będą wektory r 1

Pole magnetyczne prąd elektryczny

WYKŁAD 1. W przypadku zbiornika zawierającego gaz, stan układu jako całości jest opisany przez: temperaturę, ciśnienie i objętość.

WPROWADZENIE. Czym jest fizyka?

BADANIE SILNIKA WYKONAWCZEGO PRĄDU STAŁEGO

Fizyka 1- Mechanika. Wykład 10 7.XII Zygmunt Szefliński Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów

Karta wybranych wzorów i stałych fizycznych

00502 Podstawy kinematyki D Część 2 Iloczyn wektorowy i skalarny. Wektorowy opis ruchu. Względność ruchu. Prędkość w ruchu prostoliniowym.

Ćwiczenie 9 ZASTOSOWANIE ŻYROSKOPÓW W NAWIGACJI

PRĘDKOŚCI KOSMICZNE OPRACOWANIE

Dynamika Newtonowska trzy zasady dynamiki

Blok 8: Moment bezwładności. Moment siły Zasada zachowania momentu pędu

Opis ćwiczeń na laboratorium obiektów ruchomych

Pola elektryczne i magnetyczne

Atom wodoru w mechanice kwantowej

dr inż. Zbigniew Szklarski

Guma Guma. Szkło Guma

Transkrypt:

XXXVII OIMPIADA FIZYCZNA ETAP III Zadanie doświadczalne ZADANIE D Nazwa zadania: Obacający się pęt swobodnie Długi cienki pęt obaca się swobodnie wokół ustalonej pionowej osi, postopadłej do niego yc. 4. Wzdłuż może się pouszać nanizane nań niewielkie ciało o masie m i ładunku q. Cały układ znajduje się w stałym, jednoodnym polu magnetycznym o indukcji B, ównoległym do osi. Zwot pola jest taki, że siła oentza działa na ciało w stonę osi obotu. Ryc.4. Dla jakich pędkości ciało to ozpocznie uch wzdłuż pęta w kieunku osi obotu?. Dla jakich pędkości ciało to będzie cały czas spoczywało względem pęta? 3. Załóżmy, że nie zachodzi ani pzypadek ani, tzn. ciało początkowo nieuchome znajdujące się pzy osi obotu ozpoczyna uch wzdłuż pęta w kieunku od osi obotu. Jaka będzie pędkość kątowa pęta w chwili, gdy ciało osiągnie zeową pędkość względem pęta? W jakiej odległości R od osi obotu będzie wtedy znajdować się ozważane ciało? Czy po osiągnięciu odległości R ciało pozostanie tam na stale? Pzyjmujemy, że tacia w układzie nie ma i że pouszający się ładunek nie pomieniuje. Pzyjmujemy też, że pęt jest dostatecznie długi. Moment bezwładności pęta względem ozważanej osi obotu wynosi I. ROZWIĄZANIE ZADANIA D Pędkość ciała v ozkładamy na składowe (yc. 5): postopadłą do pęta v ( v = ), ównoległą do pęta v Na ciało działa siła oentza ówna qv B = qv B + qv B F II F Ta składowa siły oentza jest postopadła do pęta

Watość składowej siły oentza skieowanej wzdłuż pęta ku osi wynosi F II = qb W uchu po okęgu siła dośodkowa w odległości od śodka wynosi F d = m Jeżeli Mamy Zatem F < F to ciało zacznie pouszać się ku śodkowi pęta (ku osi obotu). II d F = q B > m = II F d def qb < = m Widzimy, że ciało zacznie się pouszać ku śodkowi pęta dla ( qb m) < = / Ryc.5 Jeżeli F II = F to ciało będzie pouszało się po okęgu pozostając w spoczynku względem pęta. Pzypadek ten zachodzi, gdy ( qb m) = = / Jeżeli F II < Fd to zajdzie pzypadek 3, tzn. ciało ozpocznie uch w kieunku od osi obotu. Pzypadek ten ma miejsce dla < Pzypadkiem tym, zgodnie z teścią zadania zajmiemy się szczegółowo. Siła oentza qv ( t ) B w każdej chwili t jest postopadła do v ( t ), a zatem jaj moc F v jest ówna zeu. Jej paca w dowolnym odcinku czasu jest więc też ówna zeu. Wynika stąd, że całkowita enegia mechaniczna układu zachowuje się. Bioąc pod uwagę fakt, że w układzie nie występuje enegia potencjalna stwiedzamy, że zachowuje się całkowita enegia kinetyczna układu (wniosek ten dotyczy nie tylko pzypadku 3, ma on ogólny chaakte).

Wobec powyższego: gdzie I + m + mv = I I - enegia kinetyczna uchu obotowego pęta w chwili t, m - enegia kinetyczna ciała w uchu po okęgu w chwili t, mv - enegia kinetyczna ciała w uchu wzdłuż pęta, I - enegia kinetyczna układu na początku, ówna enegii kinetycznej uchu obotowego pęta (na początku ciało jest tuż pzy osi obotu i ma zaniedbywana pędkość). Składowa momentu pędu układu wzdłuż osi obotu nie jest zachowana, gdyż siła F dostacza układowi momentu pędu, któy w bilansie momentu pędu należy uwzględnić. Moment siły postopadłej do pęta wynosi qbv W ciągu czasu dt pzyost momentu pędu związany z działaniem tej siły wynosi d : stąd d = qbv dt qbd = = d d = d Zatem pzyost momentu pędu związany z działaniem składowej siły oentza postopadłej do pęta wynosi = qb qb = m (uwzględniono tu fakt, że = dla = ).

Bilans momentu pędu: I + m = I + m + gdzie I - moment pędu pęta w chwili t m - moment pędu ciała w chwili t m - moment pędu dołożony pzez składową siły oentza -moment pędu ciała na początku (leży ono paktycznie na osi obotu) W pzypadku 3 inteesuje nas sytuacja, gdy v =. Z zachowania enegii i bilansu momentu pędu dostajemy dwa ównania na dwie niewiadome R i : I + mr = I I + mr = I + mr Rozwiązując powyższy układ ównań dostajemy = R = ( ) I m Podany wyżej układ ównań ma jeszcze jedno ozwiązanie: =. Rozwiązanie to odpowiada sytuacji początkowej, gdy ciało znajduje się na osi obotu. Po osiągnięciu odległości R od osi obotu, ze względu na waunek < zachodzący w ozważanych pzypadkach, będziemy mieli < co oznacza, że ciało w odległości R nie pozostanie w spoczynku na stale lecz po chwilowym spoczynku ozpocznie uch w kieunku osi obotu. Dalsza analiza uchu wykacza poza teści zadania. Wydaje się jednak celowe, by czytelnik zechciał ją pzepowadzić samodzielnie i znalazł stan układu po badzo długim czasie. Dla ułatwienia zwacamy uwagę, że stan układu nie będzie się zmieniać okesowo jak na piewszy zut oka mogłoby się wydawać.

Pzy spawdzaniu ozwiązań stosowano następujące kyteia: ) odpowiedź na punkt ) odpowiedź na punkt 3) okeślenie kieunku siły oentza 4) zastosowanie pawa zachowania enegii 5) sfomułowanie bilansu momentu pędu 6) obliczenia (ułożenie ównań) 7) wyznaczenie końcowej pędkości kątowej 8) wyznaczenie R 9) stwiedzenie, co będzie się działo po zatzymaniu ciała w odległości R azem Część ozwiązań odbiegała od podanego wyżej; niektózy zawodnicy stosowali ównania uchu zamiast kozystać z zasady zachowania enegii i bilansu momentu pędu. Oczywiście, o ile nie było błędów, to niezależnie od stosowanej metody zawsze było można osiągnąć pełną, tj. maksymalna liczbę punktów. Podstawowymi błędami były: - niezauważanie, że siła oentza ma składową postopadła do pęta - zakładanie, że moment pędu jest zachowany. Histogam wyników pzedstawiono na yc. 6. 5 5 5 3 4 5 6 7 8 9 3 4 5 6 7 8 9 Ryc. 6 Histogam wyników uzyskanych w zadaniu

Źódło: Zadanie pochodzi z czasopisma Fizyka w Szkole Komitet Okegowy Olimpiady Fizycznej w Szczecinie www.of.szc.pl