Номер 3, страница 38 - гдз по физике 9 класс самостоятельные и контрольные работы Марон, Марон

Глава 2. Механические колебания и волны. Звук. Самостоятельные работы. СР-29. Колебательное движение. Свободные колебания. Вариант 1 - номер 3, страница 38.

Условие.

3. Если подвешенный на пружине груз вывести из положения равновесия (рис. 53), оттянув его рукой вниз, а затем отпустить, то он станет совершать колебания по вертикали. Какие силы действуют на груз во время его колебаний? Куда направлена их равнодействующая? Сделайте поясняющий рисунок.

Рис. 53

Решение.

Какие силы действуют на груз во время его колебаний?

Во время вертикальных колебаний на подвешенный на пружине груз действуют две основные силы (если пренебречь сопротивлением воздуха):

1. Сила тяжести ($\vec{F}_{тяж}$). Эта сила постоянна по модулю и направлению. Она всегда направлена вертикально вниз, к центру Земли. Её модуль рассчитывается по формуле $F_{тяж} = mg$, где $\text{m}$ — масса груза, а $\text{g}$ — ускорение свободного падения.
2. Сила упругости ($\vec{F}_{упр}$). Эта сила возникает в пружине при её деформации (растяжении). Она направлена вертикально вверх (противоположно направлению растяжения). Её модуль изменяется в процессе колебаний и, согласно закону Гука, пропорционален удлинению пружины: $F_{упр} = k \cdot \Delta l$, где $\text{k}$ — жёсткость пружины, а $\Delta l$ — её удлинение.

Ответ: На груз действуют постоянная по величине и направлению сила тяжести (направлена вниз) и переменная по величине сила упругости пружины (направлена вверх).

Куда направлена их равнодействующая?

Равнодействующая сила ($\vec{F}_{равн}$) является векторной суммой силы тяжести и силы упругости: $\vec{F}_{равн} = \vec{F}_{тяж} + \vec{F}_{упр}$. Направление равнодействующей силы зависит от положения груза и всегда направлено к его положению равновесия.

• Когда груз находится ниже положения равновесия, пружина растянута сильно, и сила упругости $F_{упр}$ становится больше силы тяжести $F_{тяж}$. В этом случае равнодействующая сила направлена вверх, к положению равновесия.
• Когда груз находится выше положения равновесия, растяжение пружины уменьшается, и сила упругости $F_{упр}$ становится меньше силы тяжести $F_{тяж}$. Равнодействующая сила направлена вниз, к положению равновесия.
• В тот момент, когда груз проходит через положение равновесия, сила упругости уравновешивает силу тяжести ($F_{упр} = F_{тяж}$), и их равнодействующая равна нулю.

Именно эта сила, всегда стремящаяся вернуть груз в положение равновесия (поэтому её называют возвращающей), и является причиной колебаний.

Ответ: Равнодействующая этих сил всегда направлена к положению равновесия груза.

Сделайте поясняющий рисунок.

На рисунке схематически изображены силы, действующие на груз в трех ключевых точках траектории: в верхней точке колебаний (1), в положении равновесия (2) и в нижней точке колебаний (3). Вектор равнодействующей силы $\vec{F}_{равн}$ показан красным цветом.

• 1. Верхняя точка: Сила тяжести больше силы упругости ($F_{тяж} > F_{упр}$). Равнодействующая $\vec{F}_{равн}$ направлена вниз.
• 2. Положение равновесия: Сила тяжести равна силе упругости ($F_{тяж} = F_{упр}$). Равнодействующая $\vec{F}_{равн}$ равна нулю. Скорость груза в этой точке максимальна.
• 3. Нижняя точка: Сила упругости больше силы тяжести ($F_{упр} > F_{тяж}$). Равнодействующая $\vec{F}_{равн}$ направлена вверх.

Ответ: Поясняющий рисунок и анализ сил в различных точках траектории представлены выше.