7. Ένα σώμα εκτελεί ταυτόχρονα δύο αρμονικές ταλαντώσεις με εξισώσεις,

Transcript

1 1. Κάθε ελατήριο του σχήματος έχει το ένα άκρο του στερεωμένο σε ακίνητο σημείο και το άλλο του άκρο προσδεμένο στο σώμα Σ. Οι σταθερές των δύο ελατηρίων είναι Κ 1 =120Ν/m και Κ 2 =80N/m. To σώμα Σ, έχει μάζα m=2kg και μπορεί να κινείται χωρίς τριβές. Να αποδείξετε ότι η κίνηση που θα εκτελέσει το σώμα Σ, αν εκτραπεί από τη θέση ισορροπίας του κατά τη διεύθυνση του άξονα των ελατηρίων είναι απλή αρμονική ταλάντωση και να υπολογίσετε την περίοδο της ταλάντωσης 2. Σώμα μάζας m=2kg κάνει απλή αρμονική ταλάντωση. Το πλάτος της ταλάντωσης είναι Α=0,5 m. Όταν το σώμα απέχει από τη θέση ισορροπίας του x 1 =0,3m η ταχύτητά του είναι u 1 =4m/s α) Υπολογίστε τη σταθερά D της ταλάντωσης. β) Υπολογίστε το μέτρο της ταχύτητας του σώματος όταν η απομάκρυνσή του από τη θέση ισορροπίας είναι x 2 = 0,4 m 3. Στην ελεύθερη άκρη κατακόρυφου ελατηρίου κρέμεται σώμα άγνωστης μάζας. Η επιμήκυνση του ελατηρίου, όταν το σώμα ισορροπεί είναι Δ l =2,5cm Να υπολογίσετε την περίοδο της κατακόρυφης ταλάντωσης που θα κάνει το σώμα, αν το απομακρύνουμε κατακόρυφα από τη θέση ισορροπίας του και το αφήσουμε ελεύθερο. Δίνεται g=10m/s 2 4. Σώμα εκτελεί φθίνουσα ταλάντωση το πλάτος της οποίας μειώνεται σύμφωνα με τη σχέση A=A o e -Λt. Τη στιγμή t = 0 η ταλάντωση είχε πλάτος Α ο =32cm ενώ τη στιγμή t 1 =10s το πλάτος γίνεται Α 1 =16cm. Ποια χρονική στιγμή το πλάτος της ταλάντωσης θα είναι Α = 1 cm 5. Ένα σώμα εκτελεί ταυτόχρονα δύο αρμονικές ταλαντώσεις, με εξισώσεις x 1 =4ημ50t και x 2 =4ημ(50t-π) που γίνονται στη ίδια διεύθυνση και γύρω από το ίδιο σημείο. Ποιο είναι το πλάτος της ταλάντωσης του σώματος; 6. Ένα σώμα εκτελεί ταυτόχρονα δύο αρμονικές ταλαντώσεις με εξισώσεις, x 1 =10ημ50πt και x 2 =4ημ50πt που γίνονται στη ίδια διεύθυνση και γύρω από το ίδιο σημείο. Τα πλάτη των δύο ταλαντώσεων είναι μετρημένα σε cm. Να γράψετε την εξίσωση της απομάκρυνσης της ταλάντωσης, που εκτελεί το σώμα 7. Ένα σώμα εκτελεί ταυτόχρονα δύο αρμονικές ταλαντώσεις με εξισώσεις, x 1 =8ημ50πt και x 2 =6ημ(50πt-π) που γίνονται στη ίδια διεύθυνση και γύρω από

2 το ίδιο σημείο. Τα πλάτη των δύο ταλαντώσεων είναι μετρημένα σε cm. Να γράψετε τις σχέσεις της ταχύτητας και της επιτάχυνσης του σώματος σε συνάρτηση με το χρόνο και να υπολογίσετε την περίοδο της ταλάντωσής του 8. Σώμα εκτελεί απλή αρμονική ταλάντωση με περίοδο T=0,2π s Τη χρονική στιγμή μηδέν το σώμα βρίσκεται στη θέση x=2cm και έχει ταχύτητα υ=0,2(3) 1/2 m/s. Να γράψετε τις σχέσεις που δίνουν την απομάκρυνση, την ταχύτητα και την επιτάχυνση του σώματος σε συνάρτηση με το χρόνο. 9. Στην κάτω άκρη κατακόρυφου ελατηρίου, σταθεράς Κ= 100 N/m, ή άλλη άκρη του οποίου είναι στερεωμένη σε ακλόνητο σημείο, ισορροπεί σώμα μάζας m= 1 kg. Το σώμα απομακρύνεται κατακόρυφα προς τα κάτω κατά d=5 cm από τη θέση ισορροπίας του και τη στιγμή μηδέν αφήνεται ελεύθερο. Να υπολογίσετε: α) τη συχνότητα της ταλάντωσης που θα εκτελέσει, β) την αρχική φάση στην ταλάντωσή του. γ) τη μέγιστη ταχύτητα που αποκτά κατά την κίνησή του δ) τη μέγιστη επιτάχυνση που έχει. ε) τη μέγιστη δύναμη που δέχεται από το ελατήριο κατά τη διάρκεια της ταλάντωσής του.δίνεται g=10m/s Σώμα εκτελεί απλή αρμονική ταλάντωση πλάτους Α=20 cm με περίοδο Τ=10s. Τη χρονική στιγμή μηδέν το σώμα περνά από τη θέση ισορροπίας. Να υπολογιστεί επί πόσο χρόνο (μέχρι να επιστρέψει στη θέση ισορροπίας) η απομάκρυνση του θα είναι μεγαλύτερη από x = 10cm 11. Ο εμπρόσθιος προφυλακτήρας ενός αυτοκινήτου συμπεριφέρεται σαν ιδανικό ελατήριο σταθεράς K=25x10 5 N/m. α) Η μάζα του οχήματος, μαζί με τους επιβάτες του είναι Μ=1000kg. Το αυτοκίνητο συγκρούεται μετωπικά με ακίνητο εμπόδιο, ενώ κινείται με ταχύτητα υ=18km/h. Υπολογίστε τη μέγιστη συσπείρωση του ελατηρίου -προφυλακτήρα καθώς και τη χρονική διάρκεια της συσπείρωσης. β) Ένας επιβάτης έχει μάζα m=60 kg. Υπολογίστε τη μέγιστη οριζόντια δύναμη που πρέπει να δεχτεί από τη ζώνη πρόσδεσης, ώστε να μην εκτιναχτεί από το κάθισμα κατά τη διάρκεια της σύγκρουσης.

3 Σημείωση: Θα θεωρήσετε ότι κατά τη διάρκεια της σύγκρουσης οι τριβές και οι αντιστάσεις είναι αμελητέες και ότι ο κινητήρας του οχήματος δε λειτουργεί 12. Ακίνητο σώμα μάζας Μ= 100g βρίσκεται πάνω σε λείο οριζόντιο επίπεδο και είναι προσδεμένο στην άκρη οριζόντιου ελατηρίου σταθεράς Κ=300N/m, ή άλλη άκρη του οποίου είναι στερεωμένη ακλόνητα. Βλήμα μάζας m=20g, που κινείται στη διεύθυνση του άξονα του ελατηρίου με ταχύτητα υ=30 m/s, συγκρούεται με το σώμα Μ και σφηνώνεται σε αυτό. Να υπολογίσετε: α) την κοινή ταχύτητα που αποκτούν τα δύο σώματα αμέσως μετά τη σύγκρουση. β) το διάστημα που θα διανύσει το συσσωμάτωμα, μέχρι να σταματήσει στιγμιαία για πρώτη φορά. γ) σε πόσο χρόνο από τη στιγμή της σύγκρουσης το συσσωμάτωμα θα σταματήσει στιγμιαία για πρώτη φορά. Η χρονική διάρκεια της κρούσης θεωρείται αμελητέα 13. Σώμα μάζας m= 2kg εκτελεί ταυτόχρονα δύο αρμονικές ταλαντώσεις της ίδιας διεύθυνσης γύρω από το ίδιο σημείο. Οι εξισώσεις των ταλαντώσεων είναι x 1 =10ημπt και x 2 =5ημ(50πt-π). Τα πλάτη των δύο ταλαντώσεων είναι μετρημένα σε cm. α) Ποια είναι η σταθερά D της αρμονικής ταλάντωσης που εκτελεί το σώμα; β) Ποια είναι η ενέργεια της ταλάντωσης; γ) Ποιο είναι το μέτρο της ταχύτητας του σώματος όταν η απομάκρυνσή του είναι x =4cm;Δίνεται π Τα σώματα Σ 1 και Σ 2 του σχήματος είναι τοποθετημένα σε λείο οριζόντιο επίπεδο και εφάπτονται μεταξύ τους. Το Σ 1 είναι δεμένο στην άκρη οριζόντιου ελατηρίου σταθεράς k=100n/m. Το ελατήριο έχει το φυσικό μήκος του και τα σώματα ισορροπούν. Μετακινούμε τα σώματα ώστε το ελατήριο να συσπειρωθεί κατά Α=40cm και στη συνέχεια τα αφήνουμε ελεύθερα. Να βρείτε: α) τη θέση στην οποία θα αποχωρισθεί το Σ 2 από το Σ 1. β) το πλάτος της απλής αρμονικής ταλάντωσης που εκτελεί το Σ 1 αφού αποχωρισθεί από το Σ 2. γ) την απόσταση των σωμάτων όταν η ταχύτητα του Σ 1 μηδενίζεται για πρώτη φορά.δίνονται οι μάζες των σωμάτων m 1 =1kg και m 2 =3kg αντίστοιχα.

4 15. Κατακόρυφο ελατήριο με σταθερά Κ=100Ν/m έχει το κάτω άκρο του στερεωμένο στο δάπεδο. Στο επάνω άκρο του ελατηρίου έχει προσδεθεί σώμα Σ 1, μάζας m 1 =1kg, που ισορροπεί. Δεύτερο σώμα Σ 2, μάζας m 2 βρίσκεται πάνω από το πρώτο σε άγνωστο ύψος h. Μετακινούμε το σώμα Σ 1 προς τα κάτω κατά l=2m και το αφήνουμε ελεύθερο, ενώ την ίδια στιγμή αφήνουμε ελεύθερο και το δεύτερο σώμα. α) Από ποιο ύψος h πρέπει να αφεθεί το Σ 2 ώστε να συναντήσει το Σ 1 στη θέση ισορροπίας του; β) Ποια είναι η ταχύτητα κάθε σώματος τη στιγμή που συγκρούονται; γ) Αν η χρονική διάρκεια της σύγκρουσης των δύο σωμάτων είναι αμελητέα και το κάθε σώμα αποκτά μετά την κρούση ταχύτητα αντίθετη από αυτή που είχε πριν συγκρουστεί, να υπολογίσετε το χρόνο ανάμεσα σε δύο διαδοχικές κρούσεις.δίνεται g=10m/s 2 και π Σώμα Σ 1, μάζας m=0,3kg αναρτάται στο κάτω άκρο κατακόρυφου ελατηρίου το άλλο άκρο του οποίου είναι στερεωμένο σε ακλόνητο σημείο. Όταν το σώμα ισορροπεί η επιμήκυνση του ελατήριου είναι 0,25m. Δεύτερο σώμα Σ 2, μάζας m 2 =0,45kg, βάλλεται κατακόρυφα από το έδαφος και στην πορεία του συναντάει το Σ, και συγκρούεται με αυτό. Το συσσωμάτωμα που προέκυψε από την κρούση φτάνει μέχρι τη θέση στην οποία το ελατήριο έχει το φυσικό του μήκος. α) Ποια είναι η ταχύτητα του συσσωματώματος αμέσως μετά την κρούση; β) Ποια είναι η μέγιστη ταχύτητα που αποκτά το συσσωμάτωμα κατά την κάθοδο του; γ)μετά από πόσο χρόνο, από τη στιγμή που το συσσωμάτωμα φτάνει στην ανώτερη θέση, η ταχύτητα του γίνεται, για πρώτη φορά, μέγιστη;δίνεται g=10m/s Δύο σύγχρονες σημειακές πηγές 1 και 2 δημιουργούν στο ίδιο υλικό εγκάρσια κύματα με μήκος κύματος λ=3cm. Τα σημεία Α, Β και Γ απέχουν από τις δύο πηγές: Το Α, d 1 =18cm, και d 2 =16cm. Το Α, r 1 =19,5cm και r 2 =16,2cm και το Γ, l 1 =20cm και l 2 =15,5cm. Με το δείκτη 1 συμβολίζονται οι αποστάσεις τους από την πηγή 1 και με το δείκτη 2 οι αποστάσεις από την πηγή 2. α) Εκτελεί κάποιο από τα σημεία ταλάντωση με μέγιστο πλάτος; β) Παραμένει κάποιο από αυτά διαρκώς ακίνητο;

5 18. Ποια από τις εξισώσεις που ακολουθούν δεν μπορεί να περιγράφει το ηλεκτρικό πεδίο ενός αρμονικού ηλεκτρομαγνητικού κύματος που διαδίδεται στο κενό; α) E = 100ημ2π(6x10 10 t - 2x10 2 x) β) E = 50ημ2π(12x10 12 t - 4x10 4 x) γ) E = 100ημ2π(9x10 13 t - 3x10 6 x) Όλα τα μεγέθη εκφράζονται στο SI. (c=3x10 8 m/s) 19. Ένα αρμονικό κύμα διαδίδεται κατά μήκος μιας χορδής. Ο χρόνος που χρειάζεται ένα σημείο της χορδής για να μετατοπιστεί από τη θέση μέγιστης απομάκρυνσης στη θέση ισορροπίας του είναι 0,15s. Ποια είναι η συχνότητα του κύματος; Αν το μήκος κύματος είναι λ=1,2m ποια είναι η ταχύτητα διάδοσης του κύματος; 20. Η εξίσωση ενός γραμμικού αρμονικού κύματος είναι y =3x10-2 ημπ(1320t-4x). Να υπολογίσετε: α) το μήκος κύματος (Α), την ταχύτητα του κύματος υ. β) τη μέγιστη ταχύτητα ταλάντωσης των σημείων του ελαστικού μέσου. γ) την απόσταση μεταξύ δύο σημείων του ελαστικού μέσου τα οποία παρουσιάζουν διαφορά φάσης Η πηγή κυμάτων Ο αρχίζει τη χρονική στιγμή μηδέν να εκτελεί απλή αρμονική ταλάντωση πλάτους Α=10cm και συχνότητας f=0,25hz. Το κύμα που δημιουργεί διαδίδεται κατά μήκος γραμμικού ομογενούς ελαστικού μέσου με ταχύτητα υ=3m/s. Να υπολογίσετε: α) μετά από πόσο χρόνο θα αρχίσει να κινείται κάποιο σημείο Β του μέσου, που απέχει x=60m από την πηγή Ο. β) την απομάκρυνση του σημείου Β, από τη θέση ισορροπίας του, τη στιγμή t=21,5s. 22. Ένα στάσιμο κύμα περιγράφεται από την εξίσωση y = 0,5 συν (πx/3)ημ(40πt) όπου τα x και y είναι σε cm και το t σε s. α) Να γράψετε τις εξισώσεις των δύο κυμάτων που συμβάλλουν για να δημιουργήσουν το στάσιμο κύμα. β ) Πόσο απέχουν δύο διαδοχικοί δεσμοί; γ) Τι ταχύτητα έχει τη χρονική στιγμή t =9/8s ένα σημείο του μέσου το οποίο απέχει 1cm από τη θέση x = 0 δ) Με τι ταχύτητα διαδίδονται τα κύματα που δημιουργούν το στάσιμο; 23. Στο σχήμα απεικονίζεται το στιγμιότυπο ενός στάσιμου κύματος, κάποια στιγμή κατά την οποία όλα τα σημεία του ελαστικού μέσου έχουν μηδενική ταχύτητα.

6 Τα κύματα που συμβάλλουν για να δώσουν το στάσιμο κύμα έχουν περίοδο Τ=2s. α) Να σχεδιάσετε τα στιγμιότυπα του στάσιμου κύματος μετά από 0,5s και μετά από 1s β) Να υπολογίσετε το πλάτος της ταλάντωσης ενός σημείου που βρίσκεται στη θέση x=12,5cm. 24. Δύο κύματα διαδίδονται ταυτόχρονα κατά μήκος του ίδιου σχοινιού. Οι εξισώσεις των κυμάτων είναι y 1 =5ημπ(5t-x) και y 2 =5ημπ(5t+x) όπου τα y και x είναι μετρημένα σε cm και το t σε s. α) Υπολογίστε την ταχύτητα διάδοσης των κυμάτων. β) Βρείτε τη θέση τριών σημείων του σχοινιού τα οποία παραμένουν ακίνητα και τριών σημείων των οποίων το πλάτος της ταλάντωσης είναι μέγιστο. γ) Ποιο είναι το μέγιστο πλάτος της ταλάντωσης; 25. Δύο κύματα ίδιου πλάτους, συχνότητας 60Hz, διαδίδονται αντίθετα σε χορδή της οποίας τα άκρα είναι στερεωμένα σε ακλόνητα σημεία. Η ταχύτητα διάδοσης των κυμάτων είναι 120m/s. Το στάσιμο κύμα που δημιουργείται στη χορδή έχει τρεις δεσμούς. Βρείτε το μήκος της χορδής. 26. Δύο σύγχρονες πηγές Π 1 και Π 2 δημιουργούν στην επιφάνεια ενός υγρού κύματα, με πλάτος Α=3mm και περίοδο Τ=0,4s. Η ταχύτητα των κυμάτων είναι υ=5m/s. Ένα μικρό κομμάτι φελλού βρίσκεται σε κάποιο σημείο της επιφάνειας, σε αποστάσεις r 1 =6m και r 2 =5,5m από τις πηγές. Η κίνηση του φελλού είναι αποτέλεσμα της συμβολής των δύο κυμάτων. Να περιγράψετε την κίνηση του. 27. Σε κάποιο σημείο στην επιφάνεια ενός υγρού δημιουργούμε κύματα με την πηγή Π. Στο σημείο Σ της επιφάνειας, σε απόσταση α από την πηγή, τα κύματα μπορούν να φτάσουν ή απευθείας (ακολουθώντας τη διαδρομή ΠΣ) ή αφού ανακλαστούν στον ανακλαστήρα Α που βρίσκεται στην επιφάνεια του υγρού και πάνω στη μεσοκάθετο του τμήματος ΠΣ. Αν μετακινήσουμε τον ανακλαστήρα παρατηρούμε ότι όταν απέχει απόσταση Η από το 0, το σημείο Σ παραμένει συνέχεια ακίνητο, ενώ, για πρώτη φορά, κάνει ταλάντωση με μέγιστο πλάτος, όταν ο ανακλαστήρας μετακινείται κατά d. Να βρείτε το μήκο ς του κύματος.