НОФ 2024, III кръг (национален), 11–12 клас, файл 11-12_th_zad.pdf — Задача 1. Гюлетласкач
Национална олимпиада по физика 2024, национален кръг, V състезателна група (11.-12. клас) · 29 март 2024 г. · 15 т.
Условие
Физични константи, които можете да използвате във всички задачи:
| Земно ускорение | |
| Гравитационна константа | |
| Маси на частиците: електрон | |
| Маси на частиците: протон | |
| Маси на частиците: неутрон | |
| Елементарен електричен заряд | |
| Константа на Кулон | |
| Електрична константа | |
| Магнитна константа | |
| Скорост на светлината | |
| Константа на Планк | |
| Редуцирана константа на Планк | |
| Атомна единица за маса | |
| Универсална газова константа | |
| Число на Авогадро | |
| Константа на Болцман | |
| Константа на Ридберг |
Гюлетласкач хвърля гюле от височина над земята под ъгъл спрямо хоризонта.
Упътване: Използвайте, че , ако и , ако .
а) Ако приемете, че , докажете, че максималната далечина на полета се получава при ъгъл на хвърляне . [4 т.]
б) Намерете оптималния ъгъл на хвърляне за максимална далечина на полета, ако . Докажете, че при , . [6 т.]
в) Нека е изпълнено условието . Тогава , където . Намерете приблизителен израз за и пресметнете в градуси, в случай, че (обикновено гюлетласкачите са високи хора!) и . [5 т.]
Отговори
а)
б)
Максимално достижимата далечина е ; при следва , т.е. .
в)
Приблизителният израз е , което дава .
Решение
а) Избираме координатна система с оси и , както е показано на фиг. 1. Написваме закона за движение по двете оси:
[0,5 т]

[0,5 т]
В случая, когато , времето за достигане на точка се получава от условието . [1,0 т]
Тогава получаваме и намираме . Заместваме полученото в уравнение (1), за да получим далечината на полета:
[1,0 т]
Максималното се получава при , т.е. при . [1,0 т]
б) Нека сега . Ще поставим въпроса под какъв ъгъл трябва да бъде изстреляно тялото така, че да достигне определена далечина . В момента на достигане в точка отново използваме условието :
[1,0 т]
Отново имаме , откъдето . Заместваме времето в уравнение (4), като имаме предвид, че . След кратки алгебрични преобразования за се получава квадратно уравнение:
[1,0 т]
Корените на уравнението са:
[1,0 т]
За да може гюлето да достигне зададеното разстояние, е нужно уравнението да има поне един корен, т.е. дискриминантата да е неотрицателна:
[1,0 т]
Оттука следва, че максимално достижимата далечина е:
[1,0 т]
Тогава за оптималния ъгъл на изстрелване се получава:
[0,5 т]
Вижда се, че при , , т.е. . [0,5 т]
в) Заместваме в :
[1,0 т]
Точката се дава за всяко тригонометрично преобразование, което се свежда до или . Заместваме в уравнение (9):
Използваме приближението: (или ) и:
, [1,0 т]
след което получаваме търсения приблизителен израз:
[1,0 т]
В получената формула ъгълът е изразен в радиани:
[0,5 т]
Ъгълът в градуси е съответно:
[0,5 т]
Тогава: . [1,0 т]
Точката за крайна числена стойност на се дава и на ученици, които не са получили израза за , а директно са изразили и пресметнали:
Оригинал в Архива: 11-12_th_zad.pdf · официални решения: 11-12_th_resh.pdf