Подвешенный на нити шарик отклонили в сторону так, что нить стала горизонтальной, и отпустили без толчка. Длина нити 80 см, масса шарика 100 г. Сопротивлением воздуха можно пренебречь. Нулевому уровню потенциальной энергии шарика соответствует его положение равновесия. а) Чему равна начальная потенциальная энергия шарика? б) Чему равна скорость шарика в момент, когда нить составляет угол 30° с вертикалью? в) Чему равна сила натяжения нити в этот же момент?
от

1 Ответ

Дано:  
Длина нити (l) = 80 см = 0.8 м  
Масса шарика (m) = 100 г = 0.1 кг  
Угол отклонения нити (θ) = 30°  
g = 9.81 м/с² (ускорение свободного падения)  

а) Начальная потенциальная энергия шарика:
Поскольку нулевому уровню потенциальной энергии соответствует положение равновесия, начальная потенциальная энергия шарика равна 0.

Ответ: Начальная потенциальная энергия шарика равна 0.

б) Скорость шарика в момент отклонения на угол 30°:
Изменение высоты (h) = l * (1 - cos(θ))  
h = 0.8 м * (1 - cos(30°))  
h = 0.8 м * (1 - √3/2)  
h = 0.8 м * (1 - √3/2)  
h ≈ 0.2 м

Начальная потенциальная энергия = mgh  
Начальная кинетическая энергия = (1/2)mv²  

На самой верхней точке движения, потенциальная энергия превращается в кинетическую:
mgh = (1/2)mv²
v² = 2gh
v = √(2gh)
v = √(2 * 9.81 м/с² * 0.2 м)
v ≈ √3.924
v ≈ 1.98 м/с

Ответ: Скорость шарика в момент, когда нить составляет угол 30° с вертикалью, составляет приблизительно 1.98 м/с.

в) Сила натяжения нити в этот же момент:
Сила натяжения нити направлена к центру окружности и обеспечивает центростремительное ускорение.
F = m * v² / l
F = 0.1 кг * (1.98 м/с)² / 0.8 м
F ≈ 0.495 Н

Ответ: Сила натяжения нити в момент, когда нить составляет угол 30° с вертикалью, составляет примерно 0.495 Н.
от