РУҚА
26

Решение: Движение шара с пулей

ЕГЭ · Физика · Задание 26 · Энергия и импульс
ВысокаяФИПИ0EA255Развёрнутое решение≈ 8 минутРазбор в 7 шагов
Условие

В маленький шар массой $M = 230\ \text{г}$, висящий на нити длиной $l = 50\ \text{см}$, попадает и застревает в нём горизонтально летящая пуля. Минимальная скорость пули $v_0$, при которой шар после этого совершит полный оборот в вертикальной плоскости, равна $120\ \text{м/с}$. Чему равна масса пули? Сопротивлением воздуха пренебречь. Обоснуйте применимость законов, используемых при решении задачи.

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

7 шагов
1

Во время кратковременного удара пули о шар внешним импульсом сил в горизонтальном направлении можно пренебречь: сила натяжения нити направлена вертикально, а изменение импульса тяжести за время удара мало. Поэтому для столкновения применим закон сохранения импульса.

$$m v_0 = (M + m)u$$
2

После столкновения пуля и шар движутся как единое тело массой $M + m$. Для минимального полного оборота нить в верхней точке должна быть натянута в предельном случае, то есть сила натяжения равна нулю.

$$\frac{(M+m)v_{\text{в}}^2}{l} = (M+m)g$$
3

Из условия движения по окружности находим минимальную скорость в верхней точке.

$$v_{\text{в}}^2 = gl$$
4

Применяем закон сохранения механической энергии при движении от нижней точки к верхней. Потенциальная энергия увеличивается на $(M+m)g(2l)$.

$$\frac{(M+m)u^2}{2} = \frac{(M+m)v_{\text{в}}^2}{2} + (M+m)g(2l)$$
5

Подставляя $v_{\text{в}}^2 = gl$, получаем необходимую скорость объединённого тела сразу после удара.

$$u^2 = gl + 4gl = 5gl;\quad u = \sqrt{5gl} = \sqrt{5 \cdot 10 \cdot 0{,}5} = 5\ \text{м/с}$$
6

Из закона сохранения импульса выразим массу пули. Массу шара переведём в единицы СИ: $M = 230\ \text{г} = 0{,}230\ \text{кг}$.

$$m v_0 = (M+m)u;\quad m(v_0-u)=Mu;\quad m=\frac{Mu}{v_0-u}$$

Подставляем числовые значения.

$$m=\frac{0{,}230\cdot 5}{120-5}=0{,}010\ \text{кг}=10\ \text{г}$$
Ответ

Масса пули равна $10\ \text{г}$.

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

Где здесь ошибаются

Не учитывать, что пуля застревает в шаре, и применять закон сохранения механической энергии непосредственно во время удара.

Использовать условие $v_{\text{в}} = 0$ для полного оборота, хотя нить должна оставаться натянутой.

Забыть, что перепад высот между нижней и верхней точками равен $2l$.

Не перевести массу шара из граммов в килограммы.

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 7 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.