Задача по физике Маленький шарик, брошенный под углом α=15 градусов к горизонту с начальной скоростью υ0 = 10 м/с, упруго ударяется о вертикальную стенку, находящуюся на расстоянии 3 м от места броска. Плоскость стены перпендикулярна плоскости траектории шарика. Ускорение свободного падения принять за 10 м/с2. На каком расстоянии от места броска шарик упадет на землю, отскочив от стенки? Ответ выразите в метрах и округлите до сотых.
Нахождение времени до удара о стену:
Стена находится на расстоянии ( x = 3 \, \text{м} ). Время ( t ) до удара о стену можно найти по формуле: [ x = v{0x} \cdot t \implies t = \frac{x}{v{0x}} = \frac{3}{9.66} \approx 0.310 \, \text{с} ]
Высота шарика на момент удара о стену:
Используем формулу для вертикального движения, чтобы найти высоту ( y ) на момент удара о стену: [ y = v_{0y} \cdot t - \frac{g t^2}{2} ] где ( g = 10 \, \text{м/с}^2 ): [ y = 2.59 \cdot 0.310 - \frac{10 \cdot (0.310)^2}{2} ] [ y \approx 0.803 - 0.48 \approx 0.323 \, \text{м} ]
Условия при отскоке:
При отскоке шарик продолжает двигаться под углом ( 15^\circ ), но с изменением направления скорости по оси ( x ) (изменяется знак скорости по оси ( x )).
Определение времени полета к земле после отскока:
После отскока шарик начинает движение с высоты ( y \approx 0.323 \, \text{м} ) с вертикальной компонентой скорости ( v_{0y} ) и нулевой горизонтальной. Используем уравнение для времени падения с высоты: [ y = \frac{g t^2}{2} \implies t^2 = \frac{2y}{g} \implies t = \sqrt{\frac{2\cdot0.323}{10}} \approx \sqrt{0.0646} \approx 0.254 \, \text{с} ]
Общая горизонтальная дистанция:
Горизонтальная скорость после отскока будет равна ( v{0x} ), поскольку только направление изменится. Полное время пропитания пути от момента удара о стену до падения на землю: [ t{\text{total}} = t + t{падение} = 0.310 + 0.254 = 0.564 \, \text{с} ] Теоретическая скорость по оси ( x ) остается равной ( 9.66 \, \text{м/с} ): [ x{\text{total}} = v{0x} \cdot t{\text{total}} = 9.66 \cdot 0.564 \approx 5.46 \, \text{м} ]
Конечное расстояние от места броска:
Поскольку мы уже проехали 3 м до стенки, конечное расстояние от точки броска: [ \text{Расстояние} = x_{\text{total}} + 3 \, \text{м} = 5.46 + 3 = 8.46 \, \text{м} ]
Для решения задачи сначала найдем время ( t ), которое шарик будет лететь до столкновения со стеной.
Определение компонентов скорости: Начальная скорость ( v0 = 10 \, \text{м/с} ) под углом ( \alpha = 15^\circ ).
Компоненты начальной скорости будут следующими:
[
v{0x} = v0 \cdot \cos(\alpha) = 10 \cdot \cos(15^\circ) \approx 10 \cdot 0.9659 \approx 9.66 \, \text{м/с}
]
[
v{0y} = v_0 \cdot \sin(\alpha) = 10 \cdot \sin(15^\circ) \approx 10 \cdot 0.2588 \approx 2.59 \, \text{м/с}
]
Нахождение времени до удара о стену: Стена находится на расстоянии ( x = 3 \, \text{м} ). Время ( t ) до удара о стену можно найти по формуле:
[
x = v{0x} \cdot t \implies t = \frac{x}{v{0x}} = \frac{3}{9.66} \approx 0.310 \, \text{с}
]
Высота шарика на момент удара о стену: Используем формулу для вертикального движения, чтобы найти высоту ( y ) на момент удара о стену:
[
y = v_{0y} \cdot t - \frac{g t^2}{2}
]
где ( g = 10 \, \text{м/с}^2 ):
[
y = 2.59 \cdot 0.310 - \frac{10 \cdot (0.310)^2}{2}
]
[
y \approx 0.803 - 0.48 \approx 0.323 \, \text{м}
]
Условия при отскоке: При отскоке шарик продолжает двигаться под углом ( 15^\circ ), но с изменением направления скорости по оси ( x ) (изменяется знак скорости по оси ( x )).
Определение времени полета к земле после отскока: После отскока шарик начинает движение с высоты ( y \approx 0.323 \, \text{м} ) с вертикальной компонентой скорости ( v_{0y} ) и нулевой горизонтальной. Используем уравнение для времени падения с высоты:
[
y = \frac{g t^2}{2} \implies t^2 = \frac{2y}{g} \implies t = \sqrt{\frac{2\cdot0.323}{10}} \approx \sqrt{0.0646} \approx 0.254 \, \text{с}
]
Общая горизонтальная дистанция: Горизонтальная скорость после отскока будет равна ( v{0x} ), поскольку только направление изменится.
Полное время пропитания пути от момента удара о стену до падения на землю:
[
t{\text{total}} = t + t{падение} = 0.310 + 0.254 = 0.564 \, \text{с}
]
Теоретическая скорость по оси ( x ) остается равной ( 9.66 \, \text{м/с} ):
[
x{\text{total}} = v{0x} \cdot t{\text{total}} = 9.66 \cdot 0.564 \approx 5.46 \, \text{м}
]
Конечное расстояние от места броска: Поскольку мы уже проехали 3 м до стенки, конечное расстояние от точки броска:
[
\text{Расстояние} = x_{\text{total}} + 3 \, \text{м} = 5.46 + 3 = 8.46 \, \text{м}
]
Ответ:
[
\boxed{8.46} \, \text{м}
]