203-1-1371 'א 1 הקיסיפ ןילדג לאכימ 'פורפ :םיצרמ 13.07.14 'א דעומ
by user
Comments
Transcript
203-1-1371 'א 1 הקיסיפ ןילדג לאכימ 'פורפ :םיצרמ 13.07.14 'א דעומ
פיסיקה 1א' 203-1-1371 מרצים :פרופ' מיכאל גדלין מועד א' 13.07.14 • משך המבחן 3שעות • חומר עזר :דף נוסחאות מצורף ,מחשבון אסור • בשאלות פתוחות יש לרשום פתרון באמצעות אותיות בלבד ,להגיע לנוסחה סופית ולהציב מספרים רק בה • בשאלות עם מספרים חובה להגיע למספר סופי )בקירוב( • בשאלות אמריקאיות רק תשובות סופיות )בטופס( נבדקות • שאלות פתוחות יש לפתור במחברת • אסור לכתוב בעפרון ,אסור להשתמש בצבע אדום בהצלחה ! חלק א' -שאלות אמריקאיות )כל שאלה 4 -נק'( נא לסמן תשובות בטבלה זו לכל שאלה רק תשובה אחת נכונה No. A B C D E 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 (1מרכז המסה של מערכת חלקיקים נע במהירות קבועה אם E מרכז המסה נמצא במרכז הגיאומטרי של המערכת D התפלגות החלקיקים סימטרית ביחס למרכז המסה C מהירות מרכז המסה בהתחלה הנה אפס B סכום הכוחות החיצוניים אשר על פועלים החלקיקים הנו אפס A סכום הכוחות שהחלקיקים מפעילים זה על זה הנו אפס (2שני ילדים בעלי מסות 40 kgו 60 kgעומדים על משטח אופקי ללא חיכוך ומחזיקים במוט שאורכו 10 mבשני הקצוות .הילדים מתחילים למשוך את המוט כל אחד לכיוונו ומתקרבים זה לזה .כאשר הם נפגשים הילד בעל מסה 60 kgעובר מרחק E תלוי בכוחות שהם מפעילים D 10 m C 6m B 5m A 4m (3מסה תלויה בקצה של קפיץ מושלם ומתנדנדתלמעלה ומטה עם זמן מחזור .T אם מגדילים את התנופה )אמפליטודה( פי-שניים ,זמן המחזור יהיה E 4T C 2T D T /2 B 1.5T A T (4חלקיק מבצע תנועה הרמונית פשוטה המתוארת ע"י הביטוי )x = 2 cos(50t כאשר xבמטרים ו tבשניות .מהירותו המרבית ב m/sהנה E תשובה אף איננה נכונה C 100 D 200 B )100 cos(50t A )100 sin(50t (5שני גלילים זהים בעלי מומנט התמד I = 0.5M R2מתגלגלים על רצפה אופקית ללא החלקה במהירויות שוות ואחר כך מעלה במישור משופע .דיסקה Aמתגלגלת במישור משופע ללא החלקה .דיסקה Bמתגלגלת במישור משופע עם אותה זווית אבל ללא חיכוך .שיא הגובה שאליו מגיעה דיסקה Aהנו .12 cmמהו שיא הגובה אליו מגיעה דיסקה ? B E 6 cm D 8 cm C 12 cm B 18 cm A 24 cm (6מחליק על קרח בעל מומנט התמד I0מסתובב במהירות זוויתית .ω0הוא מקרב ידיים לגופו ומגדיל את המהירות הזוויתית ל .4ω0מהו מומנט ההתמד החדש שלו ? A B C D E I0 I0 /2 2I0 I0 /4 4I0 2 (7גוף שמסתו 2 kgנע במהירות .3 m/sכוח שגודלו 4 Nמתחיל לפעול על הגוף ברגע t1מסוים בכיוון התנועה ומפסיק לפעול ברגע .t2במשך זמן זה הגוף עובר מרחק .5 mהעבודה של הכוח הנה E 38 J C 18 J D 20 J B 15 J A 12 J (8בן אדם דוחף גוף ,שמשקלו במנוחה על הקרקע הנו ,80 Nבמעלה מדרון בעל זווית ◦ 30עם האופק .הגוף עובר מרחק 5 mלאורך המדרון ומהירותו יורדת בקצב .1.5 m/s2העבודה שעושה האדם הנה E 260 J D 200 J C 140 J B 61 J A −200 J (9אבן נזרקת מצוק שגובהו 60 mבמהירות שהרכיב האנכי שלה הנו 20 m/sכלפי מעלה .כמה זמן תישאר האבן באוויר ? g = 10 m/s2 E 8s C 6s D 7s B 5s A 4s (10גוף מחובר לקצה חוט ומסתובב במישור אופקי במעגל בעל רדיוס 1.5 m במהירות זוויתית קבועה .אם הוא עושה שני סיבובים שלמים תוך שנייה ,התאוצה שלו הנה E 2400 m/s2 D 240 m/s2 C 24 m/s2 3 B 2.4 m/s2 A 0.24 m/s2 frictional force on the Cheerios box is 2.0 N, its central axis, is set spinning counterclockthe force the Wheaties box is 4.0 ock 2frictional (mass 1.0 kg) on is at rest on a frictionless he second disk, with rotational inertia 6.60 Faxis, isend 12 N, what is counterclockwise the magnitude the force an unstretched springof lthe is setofspinning atof 900spring the end Cheerios סעיפים אין,'נק erom other of What thebox? spring is fixed to20 a שאלה wall. כל, שאלות פתוחות- 'חלק ב uple together. (a) is their angular speed traveling at speed 4.0 m/s,clockwise collides with ead the second disk isvset!spinning mstick re their (b) angular speed and (c) direction blocks together. When the blocks moouple together? m t distance is the spring compressed? F the rotational inertia of the block – rod – bullet system about point ! M/4.00 on its outer edge, at radius R2. By how much does ••30 A16cat 2.0 incline angle "box ! Fig.kinetic 6-23 Problems and 22.breadbox A? (b) If the angularof speed of the system about A be justpulled after impact ncrease the energy of the –kg ring system if theon cata frictionless ••21 An initially stationary of sand is to across a isfloor 4.5 rad/s, what to is the bullet’s speed just before is Rconnected, by a cord that runs over a by pulley, a light spring the inner edge, at 40° radius 1? means of a cable in which the impact? tension should not : : spring of constant k !radius 120 N/m, in1100 Fig. The box0.60 is ••61 The uniform rod (length exceed N.8-41. The coefficient of static friction between the box horizontal mass 0.10 kg and mas shown Fig. 6-24, a vinyl forcerecord a block weighing 45 0.10 N. The P actsofon Rotation axis m, mass 1.0 kg) Assume in0.35. Fig. 11-54 rotates reely about a vertical axis through its center with an angureleased from rest when the spring is unstretched. that the and the floor is (a) What should be the angle between the nitially at rest on a plane inclined at angle u ! 15° to the D in the plane of the figure about an dl.of 4.7 rad/s. The rotational inertia of the record about its cable and thespeed horizontal in box order to pull the greatest possible pulley of is the massless frictionless. is the of the The positive direction x axis isand up the plane. The (a) What #4 2 Rod axis through one end, with a rotaHALLIDAY REVISED otation is 5.0 between " 10 kgblock $it mhas .A wad of wet of mass amount(b) of sand, and whatthe is the weight of the sand and box when moved 10 putty cm the incline? How far(b) down ts of friction and plane are m 0.50 and s !down tional of 0.12 kg $ m2. As the vertically onto the record from above and sticks to in thatinertia situation? .drops In unit-vector notation, what is the frictional force on θ incline from its point of release does rod the swings box slide before momenthrough its lowest posi: angular speed of the record imof the record. What is the from the plane when Pstopping, is הסטטי (a) ("5.0 N) î1 , (b) ("8.0 N)î , (c) tion, ••22 it collides Inעם Fig. 6-23, a sled is held on an inclined plane by a cord החיכוך מקדם .האופק θ זווית בעל מדרון על נמצא m שמסתו ( גוף1 tarily and what are the magnitude and (d) direction with a 0.20 kg putty ly after the putty sticks to it? Fig. 8-44 Problem 33. "15 N)î ? pulling directly up the plane. The sled is to be on the verge of movwad that sticks to the end of the rod. (up or down the incline) of the box’s acceleration at the instant the אתleaves משחררים k קפיץ קבוע בעל לקפיץ מחובר הגוף.µFs required = µk =of µthe,והקינטי שווים In a long C jump, an athlete the ground .with an the plane. In Fig. the magnitude Ifing theup rod’s angular speed just6-28, before ngular momentumbox thatmomentarily tends to rotatestops? her body ? forward, cord’s force on the sled is plotted versus a range of values for the הגוף של המקסימלית המהירות מהי .רפוי במצב כאשרonהגוף collision is 2.4 rad/s, what is the angu•••34 A boy is הקפיץ initially seated the top of a hemispherical ic x UM ing to ruin her Planding. To counter thisWtendency, she rocoefficient static ms between sled and plane: F1 ! 2.0 N, lar speed ofofthe rodfriction – putty system ! mound of radius R 13.8 m. He begins to slide down the ice, wit r outstretched arms to “take up” the angular momentum F2 ! 5.0 N, and u is the plane inclined? 2 ! 0.50. At what angle immediately aftermcollision? Fig. 11-54 Problem 61. a negligible initial speed (Fig. 8-45). Approximate the ice as bein 18). In 0.700 s, one arm sweeps through 0.500 rev and the θ In Fig. 9-67, block 1 of mass m1 slides from rest along a mDuring F a jump to his •••62 m sweeps through 1.000 rev.2.50 Treat each arm ascollides a thin rod of frictionless. At what height does the boy lose contact with the ice ! ss ramp from height h m and then with Fig. 6-24 Problem 17. partner, an aerialist F2 is to make a quadruple somersault lasting a and2,length rotating end. the athy kg block which0.60 has m, mass m2 ! around 2.00m1. one After theIncollision, 1 time t ! 1.87 s. For the first and last quarter-revolution, he is in the ference what is the magnitude total friction angular ides intoframe, a region where the coefficientofofthe kinetic extended orientation shown in Fig. 11-55, with rotational inertia um of the arms around the common rotation axis through 0 testify and comes a stopwitness in distance d within that an region. u as antoexpert in a case involving acciF1 I1 ! 19.9 kg $ m2 around his center of mass (the dot). During the lders? he value ofslid distance d ifrear the of collision is (a) elastic and (b)at hich car A into the car B, which was stopped rest of the flight he is in a tight tuck, with rotational inertia I2 ! uniform disk of mass 10m and radius 3.0r can rotate freely y inelastic? µs ht along a road headed down a hill (Fig. 6-25). find 3.93 kg $ m2. What must be his angular speed his center µ2 v 2 around 0 2 You slope fixed merry-go-round. A smaller uniform of center the hilllike is ua!p 12.0°, that the cars were separated R of mass during the tuck? 1 θ mass r lies top ofof the larger disk, ce d m ! and 24.0radius m when theondriver car A put theconcentric car into a Fig. 6-28 Problem 22. nitially the two disksanti-brake-lock rotate togethersystem), with an and angular cked any automatic that vethe Fig. 8-41 20 A rad/s. Then a slight disturbance smaller diskProblem 30. car at the onset of braking was v0causes ! 18.0the m/s. With what ω2 Tuck Frictionless µk outer edge of the outward larger disk, untilkinetic the car A hitacross car B the if the coefficient friction was (a) 2 2 אתof)להזניח גובה מאותו זמנית בו משוחררים קטן כדור ( כדור גדול ומעליו2 disk catches on the outer ILW edge of the larger disk. Afterward, ••23 When the three blocksI 2in Fig. A surface blockcovered withwithmass road surface) and••31 (b) 0.10 (road wet disks again rotate together (without further sliding). (a) What ההתנגשויות כל.(נקודתיים גופים הם כאילו לכדורים להתייחס,הרדיוסים של הכדורים 6-29 are released from rest, they ac! 2.00 m about is ofplaced 9-67 Problem 68. heir angular Fig. velocity the kg center the largeragainst disk? (b) a Parabolic celerate withשהכדור am magnitude of 0.500 Fig. 8-45 Problem 34. ? הרצפה על יישאר הגדול כדי המסות צריך להיות יחס מה .אלסטיות spring on energy a frictionless incline the ratio K/K0 of the new kinetic of the two-disk sysm/s2. Block 1 has mass M, block 2 1 path of A aerialist 3 v he system’s initial kinetic energy? " !0 30.0° (Fig. 8-42). has 2M, and block 3 has 2M. What is A small ball ofwith mass angle m electric motor has rotational inertia I ! out its vcentral axis. The motor is used to n1 of the space2probe in which it is mounted. Fig. 6-27 Problem 20. nted along the central axis of the probe; the lig.inertia ! 12 kg " m58. about this axis. 9-62 I Problem of revolutions of the rotor required to turn tionary box ofaxis. sand is to be pulled across a about its central 3, block 1 (mass 2.0 kg) is moving rightward a cable in which the tension should not eel is rotating freely at angular speedat800 (mass 5.0 kg) is moving rightward 3.0 oefficient of static friction between them/s. box ose rotational inertia is negligible. A second less, and ashould spring be with a angle springbetween constantthe of (a) What the and with twice the rotational inertia of the (The block is not attached to the in the d horizontal above a platform larger ball of shape of a circular disk rotates the coefficient of k kinetic friction be- •••35 In Fig. 8-40, a block of mass m ! 3.20 kg slides from rest When the blocks collide, the compresB2. tionless asepvertical axle through thethe center ofgreatest !ock 0.63 kgbearing (with a about slight tween block 2possible and the table? spring.) The spring, with spring ontal in order to pull distance a 23. frictionless incline at angle " ! 30.0° where d Fig. 6-29d down Problem θ ed to the same shaft. (a) is aand mass of 150 a19.6 radius ofWhat 2.0 m, and a the angular sThe withplatform the baseball basω θhas constant ! instant k kg, N/cm, isthe com••24 A 4.10 kg block is pushed runs into a spring of spring constant 431 N/m. When the block mo Baseball maximum at the blocks have the ω al inertia ofand 300the kg $two m about the axis of rotation. A 60 kg Fig. 9-68a), (b) what isareathe weight ofcen-rethe sand box Fig. 31. along a 8-42 floorand by Problem a constant applied mentarily pressed 20.0 cm shaft and then v combination ofthe the and two wheels? 18. stops, it has compressed the spring by 21.0 cm. What ar walks slowlyFig. from6-25 the rimProblem of platform toward the simultaneously from I horizontal and has a force that is leased. (a) What is the elastic pomaximum compression. e angular of the (a)I distance d and (b) the distance between the point of the fir h ! 1.8 m.speed (Assume thesystem ra- is 1.5 rad/s when the student magnitude of 40.0 N. Figure 6-30 he original rotational kinetic energy is lost? 1 2 1 s v (m/s) 1 1 theball rim,iswhat is the angularenergy she is 0.50 m from spring? (b) What tential of the compressed the change :speed when ch negligible relative Releaseis speed y gives the block’s v versus block – spring contact and the point where the block’s speed 12 N horizontal force F er? If the larger ball rebounds in the gravitational potential energy of the block – Earth Basketball Catch time t as the block moves system along an x greatest? a block weighing 5.0 N from11-52 the floor thenblock moves from F gure anand overhead as the the release point to its highest point on Fig. 11-55 Problem 62. axis on the floor. The scale of the figvertical wallis(Fig. 6-26). The x •••36 Two children are playing a game in which they try to h elastically a ball thin rebounds uniform rod of length ure’sisvertical axis is set by vfrom incline? (c) How far along the incline the highest point t of static frictionthe between s ! 5.0 0 0.5 1.0 with a marble fired from a spring-loade arger ball, value of m and mass Mwhat rotating horizona small box on the floor Rotation m/s. What is the coefficient of and the block is the 0.60, and Ball release t (s) •••63 In Fig. 11-56, a 30 kg axis the larger ball rad/s stopping ngular speed 20.0 about point? gun that is mounted on a table. The target box is horizontal di kinetic friction between the block ficient of kinetic friction is (a) Before (b) After stands on table the edge of aonestaollides the small ball? hroughwith its center. A particle Fig. 11-52 Problem 59. on child ••32 In Fig. 8-43, a chain is held aand frictionless with v m from tance D ! 2.20 the edge of the table; see Fig. 8-46. Bobb Fig. 6-30 Problem 24. the floor? ume that the block is not Fig. 6-26 Problem 19. tionary merry-go-round of radius height the attached small ballto Fig. 9-68 Problem 69. M/3.00 does initially fourth of its length hanging over the 2.0 edge. If the chain has length Child m. The rotational inertia of the his(Fig. 9-68b)? ejected from the rod and travels along a path that is perאופקי משטח להסתובב על יכול ,m ומסתוl שאורכו,( מוט דק אחיד3 merry-go-round about its rotation ar to the rodpuck at the1 instant of(חיכוך ejection. If)ללא the speed Fig. 9-69, of mass m1 ! 0.20 kg particle’s is sent sliding axis is 150 kg $ m2. The child catches 0rictionless m/s greater than the speed of בקצהו פוגע כאשר במנוחה נמצא המוט .שלו סביב ציר אנכי העובר דרך מרכז lab bench, undergo a one-dimensional A elass towhat 1 1.0 kg thrown by המסה a ball of mass a end juststationary after ejection, is 2 then slides off the on with puck 2. Puck bench 0 .θ מהירותו והמוט הנהfriend. כיווןJust ביןbefore והזווית the ballהאופקי is caught, במישורφ הקליע נע.M קליע שמסתו eaofdistance vp? d from the base of the bench. Puck 1 rebounds : it has a horizontal velocity of magv ncollision Fig. 11-53, 1.0 g off bullet is .ωedge הנה המערכת של המהירות הזוויתית הקליע נשאר במוט ואחרי ההתנגשות andaslides the מהי opposite of the bench, nitude 12 m/s, at angle f ! 37° with Rod Fig. 11-56 Problem 63. odistance a 0.50 kg attached tothe bench. What is the 2d block from the base of mass ? a line tangent to the outer edge of מהירות הקליע רגע לפני ההתנגשות a 0.60Be m careful nonuniform rod of ?of(Hint: with signs.) the merry-go-round, as shown. What is the angular speed of the 50 kg. The block – rod – bullet D merry-go-round just after the ball is caught? hen rotates in the plane of the massismheld lies on of a uniform aofsled onthe an rim inclined plane disk by a cord rotate freely about its be center like verge a merryen plane. The sled is to on the of mov1 2 cockroach and disk rotate together with an Fig. 6-28, the magnitude F required of the 60 rad/s. Then versus the cockroach halfway ed is plotted a rangewalks of values for the sk. (a) What then is the angular velocity of ig. 9-63 Problem 59.and plane: F ! 2.0 N, iction m between sled stem? (b) What is the ratio K/K of the new 0.50. Attowhat angle u is the plane(c) inclined? ystem its energy? What ollisions ininitial One kinetic Dimension nge in the kiAxisinto block B (mass 2.4 k A (mass 1.6 kg) slides 1 2 Fig. of 8-43three Problem 32. surface. directions velocities be•••64 A ballerina begins a tour jeté (Fig. 11-19a) with an-Fig. 8-46 bout a fixed axis atThe A. The roBlock gular speed and a rotational inertia consisting of two parts: ' inertia of the rod alone about thin0.060rod of the Bullet ! 1.44 kg$m for her leg extended outward at angle % ! 90.0& he indicated; the Icorresponding at A iscollision kg $ m . Treatare i 2 leg 2 Problem 60. to her body and I then is Fig. 11-53 ssa particle. 4.00 (a) kgWhat can 2d d θ Fig. 9-69 Problem 70. plane about a tsCollisions center. The in Two Dimensions In Fig. 9-21, projectile particle 1 is an alpha particle and 3.00 g bullet rticle 2 is an oxygen nucleus. The alpha particle isµscats ngle u ! 64.0° and the oxygen nucleus µ2recoils with speed n m/s plane is fired and at angle u ! 51.0°. Fig. In atomic11-50 mass units, theProblem 53. he alpha is 4.00 u and the mass of the oxygen nuod. Asparticle viewed .0 u. What are the (a) final and (b) initial speeds of the alle? path6-28 makes angle u ! 60.0° Fig. Problem 22. with the rod (Fig. l B, moving in the positive direction of an x axis at speed ges in the rod and the angular velocity of the with stationary ball A at the origin. A and B have differs. After collision, the B moves in the negative direction atelytheafter collision, what ofis the bullet’s s at speed v/2. (a) In what direction does A move? (b) ct? 2 5 trunk ! 0.660 kg$m2 for the rest of her body (pri- 1 2 e1 blocks Fig. shows inan m rest, they ac- 4 Problem 36. No. A B C D E 1 X 2 X 3 X 4 X 5 X 6 X 7 X 8 X 9 X 10 X 5 פתרונות חלק א׳ 1.לפי הגדרת מרכז המסה ,מהירות שלו שווה לתנע של המערכת חלקי מסת המערכת .מהירות מרכז המסה קבועה אם תנע המערכת קבוע ,ז״א כאשר סכום הכוחות החיצוניים הנו אפס. 2.אין כוחות חיצוניים ,מהירות מרכז המסה קבועה ושווה אפס )כי כך היה בהתלה(. 3.זמן המחזור של תנודות הרמוניות לא תלוי באמפליטודה. 4.מהיאות מקסימלית שווה לאמפליטודה כפול תדירות. 5.על גליל Aפועל כוח חיכולך סטטי ,אשר לא מבצע עבודה .הגליל עוצר כאשר כל האנרגיה הקינטית שלו הופכת לאנרגיה פוטנציאלית .על גליל Bלא פועל כוח החיכוך ,לכן אין מומנט כוח אשר ישנה את התנועה הסיבובית שלו סביב מרכז המסה. רק האנרגיה הקינטית של תנועה קווית הופכת לפואהציאלית. 6.תנע זוויתי נשמר כי אין מומנט כוח חיצוני. W = F l 7. 8. W = Ef − Ei m 2 ) (vf − vi2 2 Ef − Ef = mg(hf − fi ) + vf2 − vi2 = 2al, !a < 0 hf − hi = l sin θ 9. h + v0 t − gt2 /2 = 0 10. a = ω2R ω = 2π/T חלק ב' 1. המהירות מקסימלית בנקודה שבה התאוצה היא אפס .נסמן ב xאת המרחק שעובר הגוף עד נקודה זו ,אז kx + µmg cos θ = mg sin θ mg =x )(sin θ − µ cos θ k )(1 )(2 אם )(3 µ ≥ tan θ 6 הגוף לא יזוז בכלל .אחרת ,ממשפט עבודה ואנרגיה Ef − Ei = W mv 2 kx2 + − mgx sin θ = −µmg cos θx 2 2 mg )v = √ (sin θ − µ cos θ k )(4 )(5 )(6 2.זאת אינני התנגשות אחת אלא שתי התנגשויות .הראשונה :הכדור התחתון מתנגש עם הרצפה ומהירותו מתהפכת מ ) vכלפי מטה( ל −v -כלפי מעלה .בהתנגשות השנייה מתנגשים שני הכדורים ) mהוא העליון M ,הוא התחתון( : )(7 )(8 )(9 )(10 )(11 )(12 mv − M v = mu mv 2 M v 2 mu2 + = 2 2 2 M u = (1 − )v m M 2 2 v + v = u2 m M M 1+ = (1 − )2 m m M =3 m .3רק תנע זוויתי נשמר כי אין מומנט כוח חיצוני )כוח חיצוני ישנו -בציר( )(13 )(14 mv(l/2) sin θ = Iω I = M l2 /12 + m(l/2)2 7