РУҚА
26

Решение: Кубик в мёртвой петле

ЕГЭ · Физика · Задание 26 · Энергия и импульс
ВысокаяФИПИ01DB3FРазвёрнутое решение≈ 10 минутРазбор в 5 шагов
Условие

Небольшой кубик массой $m = 1\ \text{кг}$ начинает скользить с нулевой начальной скоростью по гладкой горке, переходящей в «мёртвую петлю» радиусом $R = 2\ \text{м}$. С какой высоты $H$ был отпущен кубик, если на высоте $h = 2{,}5\ \text{м}$ от нижней точки петли сила давления кубика на стенку петли $F = 5\ \text{Н}$? Сделайте рисунок с указанием сил, поясняющий решение.

Открыть задачу и решить самому
Дальше ответЕсли ещё решаете — начните с подсказок: они ведут к ответу, но не выдают его.
К подсказкам

Решение по шагам

5 шагов
1

В точке, расположенной на высоте $h$ над нижней точкой петли, расстояние от центра петли до кубика по вертикали равно $h-R$. Направим ось к центру петли. На кубик действуют сила реакции стенки $N=F$ и сила тяжести $mg$. Проекция силы тяжести на направление к центру равна $-mg\dfrac{h-R}{R}$.

$$N - mg\frac{h-R}{R}=\frac{mv^2}{R}$$
2

Подставим значения $m=1\ \text{кг}$, $R=2\ \text{м}$, $h=2{,}5\ \text{м}$, $N=5\ \text{Н}$ и $g=10\ \text{м/с}^2$.

$$5-10\frac{2{,}5-2}{2}=\frac{v^2}{2}$$
3

Отсюда скорость кубика в данной точке удовлетворяет соотношению

$$v^2=7{,}5\ \text{м}^2/\text{с}^2$$
4

Так как горка гладкая, механическая энергия сохраняется. В начальной точке кубик имел только потенциальную энергию, а на высоте $h$ — потенциальную и кинетическую энергию.

$$mgH=mgh+\frac{mv^2}{2}$$

Выразим высоту отпускания кубика и подставим найденное значение скорости.

$$H=h+\frac{v^2}{2g}=2{,}5+\frac{7{,}5}{20}=2{,}875\ \text{м}$$
Ответ

Высота, с которой был отпущен кубик: $H \approx 2{,}9\ \text{м}$.

Этот ответ получен в разборе, но не сверен с официальным ключом из банка — проверьте выкладки, прежде чем заучивать результат.

Где здесь ошибаются

Неверно выбирают направление радиальной составляющей силы тяжести.

Используют силу давления $F$ как полную силу, не учитывая силу тяжести в радиальном направлении.

Забывают кинетическую энергию кубика при применении закона сохранения энергии.

Подставляют в закон сохранения энергии высоту относительно центра петли вместо высоты относительно нижней точки.

Закрепить приёмВ теме «Энергия и импульс» ещё 147 задач — с ответом и таким же разбором.
Тренироваться

Как решать задание 26 ЕГЭ, физика

Разбор этой задачи разложен на 5 шагов: видно, откуда берётся каждое число и где теряется балл. Ответ приведён рядом с выкладками, а не вместо них.

Задача из темы «Энергия и импульс»: в ней 148 задач, и у каждой есть такой же разбор. Регистрация не нужна.