πЕГЭ · ИИ-репетитор12 предметов · задания ФИПИ
Главная → Физика → Курс теории → №6

№6. Соответствия: колебания и движение (маятники, графики, ускорение)

Задание №6 устроено так: даны два графика (или две ситуации), а к ним нужно подобрать величины и явления из списка из четырёх пунктов. В этой позиции встречаются обе большие темы механики: механические колебания маятников и прямолинейное движение с постоянным ускорением, включая бросок. Угадывать нельзя: каждую зависимость нужно вывести из закона. Чаще всего балл теряют те, кто смотрит только на форму кривой, а не на значение величины в начальный момент, на положение нулей и максимумов и на знак проекции.

Механические колебания — это движения, которые повторяются через равные промежутки времени. Две главные модели школьного курса: груз на пружине (пружинный маятник) и небольшой груз на длинной нити (математический маятник). Оба колеблются по одному и тому же закону: смещение меняется по гармоническому закону x = x_m·cos(ωt + φ₀), где x_m — амплитуда, то есть максимальное смещение в метрах, ω — циклическая частота в рад/с, а выражение в скобках называется фазой колебаний.

x = x_m·cos(ωt + φ₀) · T = 2π√(l/g) · T = 2π√(m/k) · ν = 1/T · ω = 2π/T

Смысл периода простой: это время одного полного колебания, измеряется в секундах. Период пружинного маятника зависит только от массы груза m (кг) и жёсткости пружины k (Н/м): тяжёлый груз колеблется медленно, жёсткая пружина — быстро. Период нитяного маятника зависит от длины нити l (м) и ускорения свободного падения g (м/с²), но не зависит от массы груза: две гирьки разной массы на нитях одинаковой длины колеблются совершенно одинаково.

Вторая большая группа заданий этой позиции — прямолинейное движение с постоянным ускорением и бросок. Физика здесь проще, чем кажется: ускорение всё время одно и то же, поэтому проекция скорости меняется линейно, а координата — квадратично. Если тело бросают вверх или оно падает, ускорение равно ускорению свободного падения g ≈ 9,8 м/с² и направлено вниз, причём оно не зависит от того, куда тело движется в данный момент. Сопротивлением воздуха в таких задачах пренебрегают, поэтому единственная сила — сила тяжести.

x(t) = x₀ + v₀ₓ·t + aₓ·t²/2 · vₓ(t) = v₀ₓ + aₓ·t · aₓ = const · y(t) = v₀y·t − g·t²/2 · v_y(t) = v₀y − g·t

Величина или явлениеФормула, законКак опознать на графике
Период пружинного маятникаT = 2π√(m/k)чем больше масса, тем длиннее период; рост жёсткости уменьшает период
Период математического маятникаT = 2π√(l/g)масса не влияет, длина нити влияет: длиннее нить — больше период
Смещение (координата)x = x_m·cos(ωt + φ₀)косинусоида; если старт из крайней точки, максимум по модулю стоит в начальный момент
Проекция скоростиv = −x_m·ω·sin(ωt)нули там, где смещение максимально; максимум по модулю — в положении равновесия
Проекция ускоренияa = −ω²·xв противофазе со смещением: где x максимально, там a максимально по модулю и противоположно по знаку
Кинетическая энергияE_кин = m·v²/2нули в крайних точках, максимумы в положении равновесия, период вдвое короче
Потенциальная энергия пружиныE_пот = k·x²/2максимумы в крайних точках, нули в положении равновесия, всегда положительна
Координата при равнопеременном движенииx = x₀ + v₀ₓ·t + aₓ·t²/2парабола: ветви вверх при aₓ > 0 и вниз при aₓ < 0
Проекция скорости при равнопеременном движенииvₓ = v₀ₓ + aₓ·tпрямая линия, наклон равен ускорению; меняет знак в точке поворота
Высота при броске вертикально вверхy = v₀y·t − g·t²/2парабола с ветвями вниз, обращается в нуль в начале и в конце полёта
Проекция ускорения при свободном паденииa_y = −g, где g ≈ 9,8 м/с²горизонтальная прямая на всём интервале времени, в том числе в высшей точке
Кинетическая энергия при броскеE_кин = m·v²/2парабола с ветвями вверх, минимум в высшей точке полёта
Энергия взаимодействия с ЗемлёйE_пот = m·g·yпарабола с ветвями вниз, максимум в высшей точке полёта

Порядок установления соответствия всегда один: сначала находишь надёжные пары, где ответ виден сразу, и вычёркиваешь использованные номера. Остаток устанавливается сам, без перебора вариантов. Если сомневаешься между двумя пунктами, посчитай значение величины в начальный момент времени: у проекции скорости и проекции ускорения они почти всегда разные. Второй надёжный признак — знак: ниже нуля на графике может уходить только проекция скорости, а модуль ускорения, путь и энергия отрицательными не бывают.

Типичные ошибки. 1) Смотрят только на форму кривой: косинусоидой может оказаться и координата, и проекция ускорения, и энергия — различать нужно по значению в начальный момент и по положению нулей и максимумов. 2) Путают график координаты с графиком проекции скорости: при равнопеременном движении координата задаётся параболой, а скорость — прямой линией, у которой наклон равен ускорению. 3) Считают, что в крайней точке ускорение равно нулю, «потому что тело остановилось»; при броске в высшей точке тоже v_y = 0, но ускорение остаётся равным g ≈ 9,8 м/с² и направлено вниз. 4) Применяют формулу T = 2π√(m/k) к нитяному маятнику и «находят» у него зависимость периода от массы, хотя у нитяного маятника T = 2π√(l/g). 5) Складывают жёсткости не в том случае: параллельно k = k₁ + k₂, последовательно 1/k = 1/k₁ + 1/k₂. 6) Путают параболы энергий: кинетическая энергия растёт как квадрат скорости и даёт ветви вверх, а энергия взаимодействия с Землёй пропорциональна высоте и даёт ветви вниз; заодно помнят, что ν = 1/T, а не наоборот.

Проверь себя

  1. Как по виду графика отличить координату от проекции скорости при равнопеременном движении и как по графику скорости найти ускорение?
  2. Почему в высшей точке подъёма брошенного вверх тела проекция скорости равна нулю, а проекция ускорения — нет?
  3. Почему период математического маятника не зависит от массы груза, а период пружинного маятника зависит?
  4. В каких единицах измеряются циклическая частота ω и частота ν и как они связаны с периодом T?
  5. Почему при колебаниях кинетическая и потенциальная энергии меняются с удвоенной частотой по сравнению со смещением?

Показательные решения

Разбор из банка: скорость и потенциальная энергия пружинного маятника
Груз изображенного на рисунке пружинного маятника может совершать гармонические колебания между точками 1 и 3. Период колебаний груза Т. Графики А и Б представляют изменения физических величин, характеризующих колебания груза после начала колебаний из положения в точке 1. ГРАФИКИ А) Б) ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ 1. Потенциальная энергия пружинного маятника 2. Кинетическая энергия груза на пружине 3. Проекция скорости груза на ось Ох 4. Проекция ускорения груза на ось Ox Установите соответствие между графиками и физическими величинами, зависимости которых от времени эти графики могут представлять. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами. A | Б
Решение по шагам
  1. Дано: пружинный маятник колеблется вдоль оси Ox, движение начинается из крайней точки 1, то есть из положения с максимальным смещением. На рисунке два графика А и Б, к которым нужно подобрать величины из списка.
  2. Так как колебания начинаются из крайнего положения, смещение меняется по закону x(t) = −x_m·cos ω₀t: знак «минус» появляется потому, что в начальный момент тело отклонено от положения равновесия в определённую сторону.
  3. Проекция скорости — производная координаты: v(t) = x_m·ω₀·sin ω₀t. Это синусоида, равная нулю в точках 1 и 3 (крайние положения) и максимальная по модулю в положении равновесия. Именно так выглядит график А, значит, А — проекция скорости, вариант 3.
  4. График Б ведёт себя наоборот: его максимумы совпадают с точками 1 и 3, а нули — с положением равновесия. Так выглядит величина, зависящая от смещения, то есть энергия.
  5. Проверяем формулой: E_пот(t) = k·x²(t)/2 = (k·x_m²/4)·(1 + cos 2ω₀t). Максимумы потенциальной энергии пружины приходятся на крайние точки 1 и 3, минимумы — на положение равновесия. Значит, Б — потенциальная энергия пружины, вариант 1.
  6. Проверка размерности: [k]·[x²] = (Н/м)·м² = Н·м = Дж, энергия действительно получается в джоулях.
  7. Итог: А — 3, Б — 1, поэтому ответ 31.

Ответ: 31

Официальное решение из банка ФИПИ

Направим ось Ох вправо. С учетом того, что маятник начинает колебания из положения в точке 1, для зависимости координаты груза от времени имеем x (t) = − x_m cos ω₀ t. Следовательно, для проекции скорости получаем: v (t) = x_m ω₀ sin ω₀ t = v _m sin ω₀ t. График А отображает именно такую зависимость от времени. Таким образом, график А соответствует проекции скорости груза на ось Ox (А — 3). Нули графика соответствуют положениям маятника в точка 1 и 3, а максимумы и минимумы — положению устойчивого равновесия. Легко видеть, что график Б представляет потенциальную энергию пружинного маятника (Б — 1). Действительно: E_пот (t) = (kx² (t))/(2) = (kx_m²)/(4) (1 + cos²ω₀ t). Максимумы потенциальной энергии соответствуют положениям груза в точках 1 и 3, а минимумы — точке 2. Ответ: 31.

Разбор из банка: ускорение и кинетическая энергия математического маятника
Математический маятник совершает гармонические колебания между точками 1 и 2. Графики А и Б представляют зависимость от времени t физических величин, характеризующих колебания. В начальный момент времени маятник находился в положении 1. ГРАФИКИ А) Б) ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ 1. Проекция скорости на ось Оy 2. Проекция ускорения на ось Ох 3. Кинетическая энергия маятника 4. Потенциальная энергия маятника относительно поверхности земли Установите соответствие между графиками и физическими величинами, зависимости которых от времени эти графики могут представлять. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами. A | Б
Решение по шагам
  1. Дано: математический маятник совершает малые колебания, движение начинается из крайнего положения 1. На рисунке два графика А и Б, к которым нужно подобрать физические величины.
  2. Записываем закон движения: x(t) = −x_m·cos ω₀t, поскольку в начальный момент маятник отклонён максимально.
  3. Ускорение — вторая производная координаты: a(t) = x_m·ω₀²·cos ω₀t = a_m·cos ω₀t. Значит, в начальный момент ускорение максимально по модулю, а обращается в нуль там, где маятник проходит положение равновесия. Таков график А.
  4. Итак, А — проекция ускорения на ось Ox, вариант 2. Запомним общее правило: a = −ω²·x, то есть ускорение всегда в противофазе со смещением.
  5. Разбираем график Б: он максимален там, где маятник проходит положение равновесия, то есть там, где нули у графика А. Значит, это энергия, связанная со скоростью. Проверяем: E_кин(t) = m·v²(t)/2 = (m·v_m²/4)·(1 − cos 2ω₀t).
  6. Максимумы кинетической энергии приходятся на положение равновесия, где скорость наибольшая, а нули — на крайние точки 1 и 2, где скорость обращается в ноль. Следовательно, Б — кинетическая энергия, вариант 3.
  7. Проверка размерности: [m·v²] = кг·(м/с)² = кг·м²/с² = Дж. Итог: А — 2, Б — 3, поэтому ответ 23.

Ответ: 23

Официальное решение из банка ФИПИ

Считая колебания математического маятника малыми, с учетом того, что они начинаются из положения 1, для зависимости координаты маятника от времени имеем: x (t) = − x_m cos ω₀t. Следовательно, для проекции ускорения получаем: a (t) = x_mω₀² cos ω₀t = a_m cos ω₀t. График А отображает именно такую зависимость от времени. Таким образом, график А соответствует проекции ускорения на ось Ox (А — 2). Нули графика соответствуют положению равновесия, а максимумы и минимумы — положениям 1 и 2. Легко видеть, что график Б представляет кинетическую энергию маятника (Б — 3). Действительно: E_кин (t) = (m v² (t))/(2) = (m v _m²)/(4) (1 − cos²ω₀t). Максимумы кинетической энергии соответствуют положению равновесия, в котором скорость маятника максимальна, а минимумы — крайним положениям 1 и 2, в которых скорость обращается в ноль. Ответ: 23.

Разбор из банка: формулы координаты и скорости при равнопеременном движении
Тело движется вдоль оси Ох из начала координат с постоянным ускорением. Направления начальной скорости v ₀ и ускорения a тела указаны на рисунке. Установите соответствие между физическими величинами и формулами, по которым их можно рассчитать. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами. ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ А) Координата х тела в момент времени t Б) Скорость v _х тела в момент времени t ФОРМУЛЫ 1. v ₀t + at²/2 2. v ₀t − at²/2 3. v ₀ − at 4. v ₀ + at A | Б
Решение по шагам
  1. Дано: тело начинает движение из начала координат вдоль оси Ox, вектор начальной скорости направлен по оси, а вектор ускорения — против оси. Нужно подобрать формулы для координаты x(t) и проекции скорости vₓ(t).
  2. Расставляем знаки проекций на ось Ox. Начальная скорость сонаправлена с осью, поэтому v₀ₓ = v₀. Ускорение направлено против оси, поэтому aₓ = −a.
  3. Записываем общие формулы равнопеременного движения: x(t) = x₀ + v₀ₓ·t + aₓ·t²/2 и vₓ(t) = v₀ₓ + aₓ·t. Тело начинает движение из начала координат, значит x₀ = 0.
  4. Подставляем проекции в формулу координаты: x(t) = v₀·t − a·t²/2. Зависимость квадратичная — это формула А, то есть вариант 2.
  5. Подставляем проекции в формулу скорости: vₓ(t) = v₀ − a·t. Зависимость линейная, скорость постепенно уменьшается — это формула Б, то есть вариант 3.
  6. Проверка размерности: [v₀·t] = (м/с)·с = м и [a·t²] = (м/с²)·с² = м — слагаемые в первой формуле одинаковы по размерности; во второй [v₀] = м/с и [a·t] = (м/с²)·с = м/с — тоже сходится.
  7. Проверим смысл результата: при большом t слагаемое −a·t²/2 делает координату отрицательной, то есть тело действительно поворачивает назад, а скорость меняет знак — так и должно быть, ведь ускорение направлено против начальной скорости. Итог: А — 2, Б — 3, поэтому ответ 23.

Ответ: 23

Официальное решение из банка ФИПИ

Проекция вектора ускорения ā на ось Ox: − a. Проекция вектора начальной скорости v̄ ₀ на ось Ox: v ₀. Поскольку тело начинает движение из начала координат, координата тела x в момент времени t: v ₀t − at²/2 (А — 2). Скорость v _x тела в момент времени t: v ₀ − at (Б — 3). Ответ: 23.

Открыть раздел в тренажёре

← Все разделы курса по физике · Решать задания №6