Режим тренировки Edu
Баллы скрыты. Решайте по частям: открывайте подсказки и ответ только когда застряли, отмечайте решённое.Молодой, но талантливый физик Федя (он же Дядя Федор) летом гостил в деревне Простоквашино. Однажды он решил отправиться к своему другу в соседнюю деревню Кефирино, находящуюся на расстоянии
1.1 Рассчитайте скорость движения Феди в «метрах в минуту» и дальше пользуйтесь этими единицами измерения (метрах и минутах).
Вдумайся, какие единицы заданы и в какие нужно перейти; нарисуй преобразование единиц длины и времени.
Пользуйся преобразованием: километры переводятся в метры умножением на 1000, часы в минуты — делением на 60; запиши операцию для скорости в общем виде.
- Запиши исходную скорость
км/ч. - Преобразуй километры в метры и часы в минуты: умножь числитель на 1000 и раздели знаменатель на 60.
- Сократи полученную дробь.
- Вырази скорость в м/мин из полученного соотношения.
1.1 Пересчет скорости проводится традиционно
1.2 За какое время Федя должен дойти до конечной цели?
Подумай: Федя движется всё время равномерно, пока не достигнет цели, а затем останавливается. В каких единицах удобнее работать и сколько времени потребуется, чтобы пройти весь путь S при таком режиме движения?
Запиши уравнение равномерного движения, связывающее пройденный путь S, скорость v и искомое время T:
- Проверь, что S и v заданы в одних и тех же единицах (метры и минуты).
- Подставь численные значения S и v в уравнение
. - Вырази
из полученного уравнения.
1.2 Время движения Феди
1.3 Запишите в символьном виде закон движения Феди
Для этого используйте бланк №1
Сначала подумайте, а потом стройте!
Какой вид будет иметь график расстояния для равномерного движения с последующей остановкой? Нарисуй его мысленно.
Опиши закон движения как кусочно-заданный: сначала равномерный рост координаты, затем постоянное значение (остановка).
- Запиши для периода движения
(пока Федя в пути). - Запиши для времени после прихода в деревню
(координата постоянна). - Обозначь момент прихода
из п.1.2, где сменяется ветвь функции. - Построй график: отрезок прямой от
до , затем горизонтальную линию при .
1.4 Найдите (получите формулу в общем виде, а затем рассчитайте численные значения) в какие моменты времени
Подумай, как связаны времена возвращения Шарика домой с предыдущим временем его отправления и скоростями участников.
Используй соотношения движения для отрезков: время до встречи определяется из уравнения расстояний, а возвращение домой симметрично; выпиши соотношения в общем виде.
- Обозначь момент предыдущего возвращения как
и момент следующей встречи как . - Запиши условие встречи:
и реши его для в общем виде. - Используя симметрию пути, запиши
и вырази через и скорости. - Вырази явную рекуррентную формулу для
(и подставь для численных значений).
1.5 Найдите (получите формулу в общем виде, а затем рассчитайте численные значения) в какие моменты времени
Найди время каждой встречи и тогда легко получишь координату встречи по движению Феди.
Пользуйся полученной формулой для
- Возьми выражение для
через и скорости (из 1.4). - Подставь рекуррентную формулу для
, чтобы получить в явном виде. - Вычисли координату встречи как
в общем виде. - Подставь
и для получения численных значений и .
1.6 Рассчитайте какой путь
Нарисуй все отрезки пути Шарика: от дома до встречи и обратно. Заметь закономерность среди длительностей очередного «вылета» и возвращения.
Воспользуйся тем, что длину пробега на любом отрезке можно выразить как скорость Шарика, умноженная на время этого отрезка, и используй отношения времен встреч/возвратов, полученные ранее (геометрическая прогрессия).
- Запиши длину одного «вылета» Шарика до встречи
-го порядка как и длину обратного хода как . - Учти, что эти две длины равны, поэтому длина полного кругового пробега между двумя подряд возвращениями к дому равна
. - Суммируй вклады всех таких кругов, которые выполняет Шарик, и добавь при необходимости последний неполный пробег (если последний фрагмент отличается по структуре).
- Вырази итоговый путь
как сумму полученных слагаемых, подставь в неё выражения для и (в терминах , и ) и упрости до алгебраического выражения.
1.6 Так как Шарик должен двигаться с постоянной по модулю скоростью, то путь, который он должен пробежать равен
1.7 На бланке №1 постройте график закона движения Шарика.
Нарисуй схему: отметь на оси времени моменты возвращения Шарика домой и моменты встреч с Федей, а на оси координат — дом и путь до Кефирино.
Используй равенство координат при встрече (координата Феди = пройденный Шариком путь) и симметрию времени «туда» и «обратно» для Шарика; это даёт рекуррентные соотношения для моментов возвращения τ_k и моментов встреч t_k.
- Выпиши рекуррентное соотношение для последовательности τ_k, исходя из соотношения времён бега Шарика туда и обратно.
- Вырази через τ_{k-1} моменты встреч t_k, приравняв координаты Шарика и Феди в момент встречи.
- Для каждого k на графике проведи отрезок с наклоном, соответствующим скорости Шарика, от дома в момент τ_{k-1} до встречи в t_k, затем отрезок с обратным наклоном от t_k до τ_k; пометь узлы (τ_k,0) и (t_k,x_k).
- Выразите τ_k и t_k из полученной системы.
2.1 Найдите сколько времени
Шарик получил законную взбучку за опоздание и категорическое указание: к следующей встрече полностью восстановить разработанный график движения, то есть четвертая встреча должна произойти в расчетное время. Видимо, Федя убежден в наличии физических знаний и математических способностей у Шарика. Временем «дружеской беседы» можно пренебречь и в этом случае.
Подумай, как задержка отдыха после возвращения домой сказывается на моменте следующей встречи (она сдвинется на данное опоздание).
Запиши уравнение встречи аналогично ранее: расстояние, пройденное Шариком с учётом отдыха, равно координате Феди в момент опоздания; в общем виде используй
- Обозначь фактическое время третьей встречи как
и смещённый момент отправления Шарика после отдыха как . - Запиши условие встречи: пройденный Шариком путь с последнего отправления равен координате Феди в момент встречи (уравнение из H2).
- Реши это уравнение в общем виде для
(алгебраически). - Вырази
из полученной системы.
2.1 Если Шарик отдыхал в течении промежутка
из которого определяем
Так десятиминутная задержка привела к пятнадцатиминутному опозданию, взбучке, лишним километрам, да еще и к необходимости резко увеличить скорость бега!
2.2 С какой средней скоростью должен бежать Шарик, чтобы четвертая встреча произошла в расчетное время? В какой момент времени Шарик вернется домой в этот раз?
Шарик выполнил поставленную задачу – четвертая встреча произошла точно в расчетное время! После этого он получил возможность совершить очередной круг с прежней, плановой скоростью. Шарик легко добежал до дома в Простоквашино, доложил Матроскину и побежал обратно! Каково же было его удивление, когда от догнал Федю точно на входе в деревню Кефирино, хотя по плану Федор должен был прийти в нее раньше! Шарик понял, что Федя тоже где-то немного отдохнул!
Чтобы восстановить четвертую встречу в расчётное время, Шарик должен за оставшееся время пройти от места фактической третьей встречи до места четвёртой встречи.
Воспользуйся определением средней скорости как отношения пройденного пути к затраченному времени; запиши
- Определи координату и время фактической третьей встречи
и целевую четвёртую встречу из плана. - Вычисли пройденный Шариком путь между этими встречами как
(он бежит домой и обратно до встречи) в общем виде. - Запиши оставшееся время до плановой четвёртой встречи как
и вырази среднюю скорость . - Наконец, вырази момент возвращения домой после этой скоростной смены как
.
2.2 Так как неудачная встреча Шарика с Федей произошла в точке
Судя по документальной хронике – такая скорость Шарику доступна!
Возвратится же он домой после этой бешеной гонки в момент времени
Как видно, он более чем на 10 минут опоздал и на встречу с Матроскиным, что привело к еще одному воспитательному мероприятию!
2.3– 2.4 По плану Федя должен был входить в деревню в момент времени
Где именно Федя устроил место отдыха сказать невозможно. Поэтому на графике закона движения этот горизонтальный участок может находиться в произвольном месте (на рис. 3 – сразу после встречи с Шариком).
2.3 Сколько времени
Распрощавшись с Федей, Шарик честно, по графику вернулся домой и получил законное вознаграждение!
Сравни плановый момент прихода Феди в деревню с реальным моментом, когда он туда вошёл; разница — время его отдыха.
Запиши:
- Определи плановый момент прихода Феди
(из 1.2) и реальный момент прихода (из времени последней встречи/возвращения Шарика). - Запиши
. - Вычисли разницу в общем виде (не подставляя чисел здесь).
- Вырази
из полученной записи.
2.4 Постройте на бланке №2 графики реальных законов движения Федора и Шарика.
Отобрази реальные кусочно-линейные законы движения, отметив все сдвиги по времени и отдыхи, которые произошли.
Построй графики по точкам: для Феди используй участки равномерного движения и горизонтальный участок отдыха; для Шарика чередующиеся отрезки с наклонами ±u и изменённые интервалы после задержек.
- На бланке для Феди отложи временную ось и отметь прямую
до фактического прихода, затем горизонтальную линию в период отдыха. - Для Шарика изобразь отрезки туда/обратно как в 1.7, но учти: после второго возвращения добавь горизонтальный промежуток отдыха
, смещающий последующие отрезки; затем отметь ускоренный участок, восстановивший встречу №4, и финальный цикл. - Проверь согласованность графиков в точках встреч (все пересечения должны совпадать по времени и координате).
- Подпиши ключевые моменты:
, , , , отдых Феди .
2.5 Рассчитайте, на сколько Шарик удлинил свой путь
Не забудьте сдать бланк с построенными графиками!
Нарисуй оба графика движения Шарика: плановый и реальный. Подумай, какие отрезки пути у него изменились из‑за отдыха и где возникло дополнительное прохождение.
Вычисли дополнительный путь как разность полной пройденной длины в реальном сценарии и полной пройденной длины по плану; сложи вклады по всем отрезкам (туда и обратно) на которых произошли сдвиги времен встреч.
- Обозначь плановые времена и координаты встреч и возвращений через
, , и реальные — через , , . - Запиши выражения для длин плановых отрезков Шарика между событиями (дом–встреча–дом) как суммы модулей перемещений на каждом круге; проделай то же для реального движения, учитывая сдвиги после отдыха.
- Учитывая, что после незапланированного отдыха изменились только времена/координаты, выпиши разность сумм длин (реальная минус плановая) в виде суммы по кругам разностей длин отдельных кругов.
- Выразите
из полученной системы сумм как сумму вкладов отдельных кругов (разностей длин) и оставь результат в символическом виде.
