الانتقال إلى المحتوى

CM.1 · Collisions, work and oscillator energy

GRE Subject Test · GRE Physics · الموضوع 10

10.1

التصادمات، الشغل وطاقة المذبذب

عربة يقتربان من اتجاهين مختلفين. بعد أن يلتصقان، يمكن حفظ زخمهما بينما تنخفض طاقتهم الحركية.

المؤهلات المطلوبة: 1.

  • حساب الزخم المتجهي وفقدان الطاقة في التصادمات الملصقة
  • مقارنة النوابض ذات القوة الثابتة واستخدام شروط الشغل-الطاقة
  • اشتقاق فترات الاهتزازات الصغيرة وطاقة المذبذبات
مفردات تدريب
English العربية
external impulse/ekˈstɜːnl ˈɪmpʌls/ الدفع الخارجي
turning point/ˈtɜːnɪŋ pɔɪnt/ نقطة الانعطاف
momentum vectors/məʊˈmentəm ˈvektəz/ متجهات الزخم
10.2

اختر النظام والنموذج

اختر نظاماً معزولاً خلال التصادم القصير. وبإهمال الدفع الخارجي، احفظ الزخم الكلي بشكل منفصل في كل محور ديكارتي. إذا التصقت كتلتا m1 و m2، فإن سرعتهما المشتركة هي (m1 v1+m2 v2)/(m1+m2). احسب المقدار فقط بعد جمع المتجهات. الطاقة الحركية الابتدائية هي مجموع ½m|v|² لكل منهما؛ أما الطاقة الحركية النهائية فتُحسب باستخدام الكتلة الكلية والسرعة المشتركة. fark بينهما يتحول إلى طاقة داخلية أو تشوه، وليس زخماً مفقوداً. التصادم غير المرن تماماً يعني الالتصاق، وليس السكون النهائي.

10.3

استخدم العلاقة الحاكمة

نظرية الشغل-الطاقة ΔK=∫F·dr تستخدم المحصلة على طول الإزاحة. ولقوة ثابتة موازية للإزاحة مسافة s، يكون ΔK=Fs. مضاعبة السرعة تربيع الطاقة الحركية. حفظ الطاقة الميكانيكية هو statement مستقل يتطلب عدم وجود شغل غير محافظ محسوب خطأ. عند إزاحة نابض x، تكون U=½kx². تحت نفس القوة المطبقة F، يكون الامتداد الاتزاني F/k والطاقة المخزنة F²/(2k): فالنابض الأكثر صلابة يتمدد أقل ويخزن طاقة أقل. ولكن تحت نفس الإزاحة، يخزن أكثر. حدد أي شرط هو المثبت.

10.4

طبق الشروط

قريباً من نقطة اتزان مستقرة x0، قم بتوسيع U≈U(x0)+½U″(x0)(x−x0)²؛ حيث الصلابة الفعالة موجبة U″(x0). تتحرك الجسيم حسب m xddot=−k_eff(x−x0)، بتردد زاوي ω=sqrt(k_eff/m) ودورة 2π/ω. يتبع البندول البسيط θddot+(g/L)sinθ=0. للزوايا الصغيرة sinθ≈θ، إذن T=2πsqrt(L/g). يفسر هذا التقريب مقياس الدورة-الطول؛ لكن السعات الكبيرة تتطلب تصحيحاً، وتختلّ الكتلة للبندول المثالي.

10.5

تحقق من النتيجة

للمذبذب التوافقي غير المضمور، الطاقة الكلية ½m v²+½kx²=½kA². عند نقطة الاتزان تكون كل طاقته حركية؛ وعند نقطة الانعكاس تكون سرعته صفراً وكل طاقته كامنة. التردد الزاوي ليس التردد العادي: ω=2πf. إذا كان للمذبذب نفسه سرعة اتزانية قصوى vmax، فإن A=vmax/ω. فرّق بين اللحظة التي تُقاس فيها السرعة والإزاحة الأولية للإطلاق، واحفظ الوحدات SI عند طلب إجابة بالميلي جول.

10.6

طريقة محلولة

عربتان تلتصقان بدفع خارجي مهملاً. اجمع متجهات الزخم، ثم اقسمها على الكتلة الكلية. معروف: m1 = 2 كجم، v1 = (3,0) م/ث؛ m2 = 1 كجم، v2 = (0,3) م/ث.

$$\mathbf v_f=\frac{m_1\mathbf v_1+m_2\mathbf v_2}{m_1+m_2} =\frac{(2\,\mathrm{kg})(3,0)\,\mathrm{m/s}+(1\,\mathrm{kg})(0,3)\,\mathrm{m/s}}{3\,\mathrm{kg}} =(2,1)\,\mathrm{m/s}.$$
$$K_i=\tfrac12m_1v_1^2+\tfrac12m_2v_2^2 =\tfrac12(2\,\mathrm{kg})(3\,\mathrm{m/s})^2+\tfrac12(1\,\mathrm{kg})(3\,\mathrm{m/s})^2=13.5\,\mathrm J.$$
$$K_f=\tfrac12(m_1+m_2)|\mathbf v_f|^2=\tfrac12(3\,\mathrm{kg})(5\,\mathrm{m^2/s^2})=7.5\,\mathrm J.$$
فرق 6 جول يتحول إلى طاقة داخلية. الطاقة الحركية لا تُحفظ في التصادمات الملصقة.

متجهات الزخم: عربة 1 (6، 0) وعربة 2 (0، 3) مجموعهما (6، 3) كجم·م/ث
أضف الزخم كمتجهات أولاً، ثم اقسم على الكتلة الكلية
10.7

تحقق من الشروط والمصطلحات

لا تجمع مقادير السرعات الواردة كزخم، ولا تحفظ الطاقة الحركية في تصادم الالتصاق. مقارنات الزنبرك بالقوة الثابتة والاستطالة الثابتة لها إجابات معاكسة.

الاندفاع الخارجي: التكامل الزمني لقوة المحصلة المؤثرة من خارج النظام المختار.

نقطة الانعطاف: وضع متذبذب أقصى تكون فيه سرعته اللحظية صفراً.

دروس تفاعلية حول هذا الموضوع

ا-working عليه خطوة بخطوة، مع تمارين تحقق فوري.

المزيد من المواضيع في GRE Subject Test · GRE Physics

تسجيل الدخول أو إنشاء حساب

IGCSE, A-Level & AP