Брусок массой 100 г соединён с пружиной жёсткостью 200 Н/м и лежит на гладком столе (рис. 18.8). Другой конец пружины закреплён в стене. Брусок сдвинули так, что пружина растянулась на 6 см, и отпустили без толчка. Найдите скорость бруска в момент, когда растяжение пружины равно 2 см.
от

1 Ответ

Дано:
- масса бруска m = 100 г = 0.1 кг
- жесткость пружины k = 200 Н/м
- начальное растяжение пружины x_0 = 6 см = 0.06 м
- растяжение пружины в момент времени x = 2 см = 0.02 м

Найти: скорость бруска v в момент, когда растяжение пружины равно 2 см.

Решение:
1. Определим потенциальную энергию пружины при начальном растяжении (x_0):
   E_p0 = (1/2) * k * x_0^2 = (1/2) * 200 * (0.06)^2 = (1/2) * 200 * 0.0036 = 0.36 Дж.

2. Поскольку энергия сохраняется, часть потенциальной энергии будет преобразована в кинетическую энергию, когда растяжение составляет 2 см. Найдем потенциальную энергию пружины при растяжении (x):
   E_p = (1/2) * k * x^2 = (1/2) * 200 * (0.02)^2 = (1/2) * 200 * 0.0004 = 0.04 Дж.

3. Разность потенциальной энергии в начальном состоянии и в момент времени, когда пружина растянута на 2 см, равна кинетической энергии бруска:
   E_k = E_p0 - E_p = 0.36 - 0.04 = 0.32 Дж.

4. Кинетическая энергия бруска определяется как:
   E_k = (1/2) * m * v^2.
   
   Подставим известные значения:
   0.32 = (1/2) * 0.1 * v^2.

5. Выразим скорость v:
   0.32 = 0.05 * v^2,
   v^2 = 0.32 / 0.05,
   v^2 = 6.4,
   v = sqrt(6.4) ≈ 2.53 м/с.

Ответ:
Скорость бруска в момент, когда растяжение пружины равно 2 см, составляет примерно 2.53 м/с.
от