Question

Летящая горизонтально пластилиновая пуля массой 9 г попадает в неподвижно висящий на нити длиной 40 см груз массой 81 г, в результате чего груз с прилипшей к нему пулей начинает совершать колебания. Максимальный угол отклонения нити от вертикали при этом α = 60°. Какова скорость пули перед попаданием в груз?

Answer 1

Дано
m₁ =9=9*10⁻³ - масса пули
M = 81=81*10⁻³ - масса груза маятника
α =60° - максимальный угол отклонения.
l - 40 см=0,4 м - длина подвеса.
Найти v₁ - начальную скорость пули.

Ладно выполним рисунок и приведем общие соображения.
До столкновения пули с грузом общий импульс системы равен импульсу пули.
$p_1=m_1 \cdot v_1$ (1)
После столкновения груз начинает движение вместе с пулей со скорстью v₂ и импульс системы будет равен:
$p_2=(M+m_1)\cdot v_2$  (2)
Далее груз начнет отклоняться на нити, при этом он будет подниматься. Отклоняться он будет до тех пор, пока вся кинетическая энергия груза и пули не перейдет в их потенциальную энергию.
$E_{k2}=E_{p3}$
$\frac{(M+m_1)v_2^2}{2}=(M+m_1)gh$ (3)
Выразим высоту подъема h через длину нити l и угол отклонения α получим.
$h=CC_1=l-OC_1=l-l\cdot cos( \alpha )=l(1-cos( \alpha ))$  (4)

Теперь, используя закон сохранения импульса выразим из (1) и (2) скорость v₁:
$p_1=p_2$
$m_1v_1=(m_1+M)v_2$
$v_1=(m_1+M)v_2/m_1$  (5)
 
Из (3) (4) выразим v₂ через угол отклонения и длину нити.
$\frac{(M+m_1)v_2^2}{2}=(M+m_1)gh=(M+m_1)gl(1-cos( \alpha ))$
$v_2= \sqrt{ 2gl(1-cos( \alpha ))}$  (6)
Подставим в (5) выражение для скорости v₂ (6).

$v_1= \frac{(M+m_1)}{m_1} \cdot \sqrt{ 2gl(1-cos( \alpha ))}$ (7)
Ну что ж нужная формула  получена. Подставим туда числа, какие есть.
$v_1= \frac{(M+m_1)}{m_1} \cdot \sqrt{ 2gl(1-cos( \alpha ))}= \frac{(81+9)}{9} \cdot \sqrt{ 2\cdot 9,8(1-cos( 60^o ))}\cdot \sqrt{l}$$=10 \cdot \sqrt{ 2\cdot 9,8(1- \frac{1}{2} )}\cdot \sqrt{l} =10 \cdot \sqrt{ 9,8}\cdot \sqrt{l}\approx 31,30 \cdot \sqrt{0,4} \approx 19,8$ м/с

Т.е. зная длину подвеса, можно по углу отклонения рассчитать начальную скорость.
У нас в лабараторке мы вообще напрямую замеряли высоту подъема.
 Ответ: v₁≈19,8 м|c.