Решения задач М361—М363; Ф369—Ф372
49
Решения задач
M361. Двое церам в следующую церру. На клетчатой бумаге выделяется прямоугольник клеток. Каждый по очереди вычеркивает все клетки какого-нибудь горизонтального ряда — строками. Заметим, что после вычеркивания какого-нибудь столбца (строки) оставшиеся клетки можно считать расположенными в прямоугольнике, у которой число столбцов (соответственно, строк) на единицу меньше. Из рисунка 1 видно, что исходя от того, какой именно столбец (или строка) вычеркивается, поэтому можно считать, что это — один из крайних столбцов (или же строк).
Покажем, что если числа и строк и столбцов в исходном прямоугольнике разной четности, то при правильной игре выгрывается начинающий.
Стратегия начинающего такова: он вычеркивает строку или столбец так, чтобы остался прямоугольник с четным числом строк и четным числом столбцов (поскольку в исходном прямоугольнике числа строк и столбцов имели разную четность, он всегда сможет это сделать). После любого хода второго игра остается меньший прямоугольник, у которого опять числа столбцов и строк имеют разную четность. Начинающий опять вычеркивает строку или столбец так, чтобы остался прямоугольник с четным числом строк и столбцов, и т. д. В конце концов после хода второго игра остается прямоугольник либо с одной строкой, либо с одним столбом, вычеркивая которой, начинающий выгрывается.
Заметим, что если в первоначальном прямоугольнике всего один столбец (или строка), то начинающий вычеркивая этот столбец (строку), выгрывается.
ИЗ приведенного рассуждения следует, что если и имеют одинаковую четность и ни одно из них не равно единице, то выгрывается второй игрок, поскольку начинающий любым ходом остался ему прямоугольник, у которого количество строк и столбцов имеет разную четность.
А. Савин
Рис. 1.
М362. Подаем какую строку выпуклого четырехугольника на три равные части и соединим отрезки соответствующие точки на промирошојных строках. Докажите, что плюшад «среднее» четырехугольника в 9 раз меньше плюшади четырехугольника .
Рис. 2.
Будем называть клетки вертикального ряда столбцами, клетки горизонтального ряда — строками. Заметим, что после вычеркивания какого-нибудь столбца (строки) оставшиеся клетки можно считать расположенными в прямоугольнике, у которой число столбцов (соответственно, строк) на единицу меньше. Из рисунка 1 видно, что исходя от того, какой именно столбец (или строка) вычеркивается, поэтому можно считать, что это — один из крайних столбцов (или же строк).
Покажем, что если числа и строк и столбцов в исходном прямоугольнике разной четности, то при правильной игре выгрывается начинающий.
Стратегия начинающего такова: он вычеркивает строку или столбец так, чтобы остался прямоугольник с четным числом строк и четным числом столбцов (поскольку в исходном прямоугольнике числа строк и столбцов имели разную четность, он всегда сможет это сделать). После любого хода второго игра остается меньший прямоугольник, у которой опять числа столбцов и строк имеют разную четность. Начинающий опять вычеркивает строку или столбец так, чтобы остался прямоугольник с четным числом строк и столбцов, и т. д. В конце концов после хода второго игра остается прямоугольник либо с одной строкой, либо с одним столбом, вычеркивая которой, начинающий выгрывается.
Заметим, что если в первоначальном прямоугольнике всего один столбец (или строка), то начинающий вычеркивая этот столбец (строку), выгрывается.
ИЗ приведенного рассуждения следует, что если и имеют одинаковую четность и ни одно из них не равно единице, то выгрывается второй игрок, поскольку начинающий любым ходом остался ему прямоугольник, у которой количество строк и столбцов имеет разную четность.
А. Савин
Мы решим более общую задачу — докажем, что если стороны и разбитены на , и — на равных частей ( и нечетны; рис. 2), то площадь центрального четырехугольника . I. Dokажем сначала, что каждый из отрезков, соединяющихся строками четырехугольника , разбитен на равные части.
Для этого проверим справедливость такого более общого утверждения: если точки таковы, что
мо욕 пересечения отрезков и делим их в тех же отношениях
В этом нетрудно убедиться с помощью векторов, но мы воспользуемся механическими сообщениями. Поместим в точках и грузы с массами и соответствующей
50
но (рис. 3) и найдем двумя способами центр тяжести этих четырех грузов. Центр тяжести грузов (1) и () лежит в точке , грузов () и () — в точке ; значит, центр тяжести всех четырех грузов лежит в точке , делящей отрезок в отношении .
Аналогично, объединяя в пары грузы (1) и (), () и (), докажем что центр тяжести этих грузов лежит в точке , для которого .
Поскольку центр тяжести принадлежит и , и , он должен совпадать с точкой пересечения этих отрезков: . Тем самым равенства (*) доказаны.
II. Докажем теперь такое утверждение: если стороны и выпуклого четырехугольника разделить на равных частей и соединить соответствующим точки (рис. 4), то площади полученных четырехугольников , составляют арифметическую прогрессию. Действительно, разделим каждый четырехугольник диагонально на два треугольника — красный и голубой, как показано на рисунке 5. Площади голубых треугольников составляют арифметическую прогрессию (их основания, лежащие на , конгруэнтны, а высоты составляют арифметическую прогрессию) и площади красных треугольников — тоже. Складывая по членно две арифметические прогрессии, мы получаем всегда арифметическую прогрессию.
III. Вернемся к исходной задаче. Запишем в клетках таблицы площади соответствующих четырехугольников, на которых разбит . После этого следится к такому почтению очередному утверждение: если в таблице из строк и стольцов (м и нечетными) записаны числа, в каждом стольце и в каждой строке образующие арифметическую прогрессию, то число в центральной клетке в mn раз меньше суммы всех чисел в таблице.
Для доказательства достаточно заметить, что сумма чисел в каждой строке в раз больше среднего числа этой строки, а сумма чисел среднего столца в раз больше числа в центральной клетке.
Н. Васильев
М363. Две параболи с прраалельными осами пересекаются в точках и . На первой из них взямы точки , , … ; на второй — точки , , … , так что , , … . Доказим, что .
Пусть и — уравнение данных парабол (Рис. 7). Если — абсциссы точки , то угловой коэффициент хорды первой параболы дается формулой
и, аналогично, угловой коэффициент хорды второй параболы — формулой .
Из условия следует, что
Поскольку — общая хорда обиха парабол, то . (*)
Умножая почленное равенства (1), (3), …, (2n - 1) на —1 и складывая их с равенствами (*), (2), (4), …, (2n), получаем .
Это и означает, что .
51
Ф369. Три одинаковых заряженных шарика скреплены непроводящими нитями, образующими прямуюольный треугольник BAC (рис. 7). Узол ABC равен α, BC = l. С каким ускорением начум дв歧амся заряды, если перерезать нить BC? Заряды шариков равны q, массы — m.
Рассмотрим движение шариков в системе координат XOY; ось X направим вдоль катега AC, ось Y — вдоль катега AB (см. рис. 7).
Так как шарики A и C связаны нитью, вдоль оси X они движутся как единое целое. Запишем уравнение движения системы шариков, проектировав на ось X внешние силы, действующие на системе. Это силы F₂ и F₁ — силы взанмодействия шариков A и C с шариком B. Сила F₂ направлена perpendicularно оси X, и ее проекция на эту ось равна 0. Проекция силы F₁ на ось X равна F₁ sin α. Следовательно,
Отсюда проекции ускорений шариков A и C на ось X равны
Аналогично для системы шариков A и B, тоже связываны нитью, получим
Тогда абсолотная величина ускорения шарика A равна
Вектор a_A составляет с осью X угол β такой, что
Теперь рассмотрим шарик B. Запишем для него уравнение движения вдоль оси X. Сила натяжения нити AB и сила, действующая со стороны шарика A, направлены вдоль оси Y, и их проекции на ось X равны нулю. Следовательно,
Тогда модель ускорения шарика B
и
Проведя аналогичные рассужждения для шарика C, получим
Ф370. Трубка, диаметр комо-
рой много меньше ее длины,
свернума в колючую радиуса R.
Кольцо поставлено вертикально-
52
но и заполенено жидкость, кроме небольшого участка около точки A (рис. 8), в котором находится путь верхняя путь верхняя. Пузырек начинает всплывать. Наимену его скорость в том момент, когда он будет проходить точку B. Длина путька l. Тренец вооды о стенки сосуда пренебречь.
Рис. 8.
Ф371. Пущика массы M = 200 кг стрелляем ядром массы m = 20 кг под углом α = 30° к горизонтум. Заряд пороха r = 0,5 кг *), его температура q = 1000 ккал. В момент вылета ядра из пушки на него cadится барон Монхаузен. Его масса μ = 70 кг. На сколько близке упадем ядро с Монхаузеном при том же заряд пороха? На сколько нужно увеличить заряд пороха для того, чтобы Монхаузен попал мудя же, куда попадали ядра до эмодо? К. n. d. выстрела прияmb равным η = 10%. Считать, что пушка находится на эладкой поверхности, по которой может скользить без трения.
- ) В условия задании (см. «Квант», 1975, № 12) была допущена опечатка.
ились. Из закона сохранения энергии следует, что
Здесь m — масса жидкости в трубке, mv²/2 — изменение кинетической энергии жидкости, а ΔΠ — изменение ее потенциальной энергии.
Для того чтобы найти ΔΠ, рассмотрим порцию жидкости в объеме воздуха путь верхняя. Обозначим ее массу через m₁. За то время, пока путь переходит из точки A в точку B (см. рис. 8), эта порция жидкости перемещается из B в A, т. е. опускается на высоту 2R. Положение остальной массы жидкости не меняется. Следовательно,
Тогда
Отсюда, с учетом очередного соотношения
окончательно получим
Поскольку l ≪ 2πR,
И. Слободецкий
◆
Прежде всего выясним, что происходит с ядром, пушкой и гладкой горизонтальной поверхности, на котором находится пушка, в процессе выстрела. Строго говоря, выстрел длится некоторое конечное время, хотя и очень мало.
Если система пушка — поверхность достаточно «мягкая», т. е. возможна деформация системы, и время выстрела много меньше характера времени этой деформации, то явление развивается в два этапа. Сначала происходит взаимодействие ядра с пушкой, подвижной во всех направлениях, а потом — взаимодействие пушки с поверхностью (которое нас не интересует в дальнейшем). Очевидно, что в этом случае угодл вылетя ядра относительно Земли равен углу наклона ствола пушки α.
Если же система пушка — поверхность абсолотно «жесткая», то пушка после выстрела вертикальной составляющей скорости не прибретет (аналогично слушаю, когда пушка, неподвижно скрепленная с поверхностью, выстреливает вертикально вверх) и будет движаться только по горизонтали. В этом случае угодл вылетя ядра β уже не будет равен углу установки ствола α.
Рассмотрим первый случай. Обозначим через V скорость пушки после выстрела, а через v — скорость ядра относительно Земли. Введем горизонтальную (OX) и вертикальную (OY) оси координат. Запишем закон сохранения импульса системы ядро—пушка для проекции на горизонтальную и вертикальную оси:
Отсюда
53
Закон сохранения энергии, с учетом коэффициента полезного действия η (полезной будем считать полную механическую энергию системы, т. е. кинетическая энергию ядра и пушки), дает
или, используя соответствия (1),
Найдем дальнейшую последующее (1),
Пусть теперь немедленно после выстрела на ядро сдаится барон Мюнхаузен, причем делает это столб элегантно (ему не привыкать!), что не изменяет направления скорости ядра: начальная скорость барона равна нулю. Используя еще раз закон сохранения импульса, найдем модуль скорости системы барон—ядро:
Дальность полета этой системы будет равна
Следовательно, ядро с Мюнхаузеном упадет близке на
Для того чтобы попасть в режимю точку, барон должен заблагревенно подсыпать в пушку больше пороха. Терьер скорость ядра с бароном должны стать равной , а новая скорость одного ядра, согласно выражению (4), должна соответствовать увеличиться:
Поскольку заряд пороха пропорционален квадрату скорости ядра (выражение (2)), новый заряд пороха будет равен
Таким образом, заряд пороха надо увеличить на
Предлагаем вам расчет для случая «жесткой» системы пушки — поверхность проводится самостояльно.
A. Смасенко
◆
Приведем два решения этой задачи — графическое и analитическое.
Построим изображение predmeta в произвольной системе из двух тонких положительных linз (рис. 9). Для этого рассмотрим ход двух лучей, вышеших из точки . Пусть один луч идет параллельно оптической оси системы, а второй проходит через оптический центр первой linзы. Масштаб изображения будет определяться точкой пересечения этих лучей после прохождения системы linз.
При изменении расстояния от predmeta до системы (предмет на рисунке 9) ход луча не изменяется. Оче-
54
Рис. 9.
Рис. 10.
видно, что если луч после прохождения системы линз пройдет параллельно оптической оси, то размер изображения не будет зависит от расстояния от предмета до системы (рис. 10). Но это возможно только в том случае, когда луч , пройдя через , пересечет фокус линзы , т. е. когда правый фокус первого линзы совпадает с левым фокусом второй линзы. Таким образом,
Такую систему линз называют телефонической.
К этому результату можно прийти и анализически. Поперечное увелиние , даваемое тонкой линзой, равно
Здесь — расстояние от предмета до линзы, — расстояние от линзы до изображения и — фокусное расстояние линзы.
Для системы двух линzes можно записать
Но , поэтому
Отсюда видно, что не зависит от (а значит, и от ), если
Это возможно только в том случае, когда .
Е. Кузнецов