Квант
Задачник «Кванта»

Решения задач М1141—М1145; Ф1153—Ф1157

31

когда направление на объект будет составлять угол φ с вертикально (рис. 3)?

С. С. Кротов

Ф1176. На неевесомом коромысле длиной 2L, которое может врашаться без трения вокруг вертикальной оси, закреплены заряды +Q и —Q массой M каждый. Под коромыслом на продолжении оси врашения расположен маленький диополь — заряды +q и —q на расстоянии 2a друг от друга (a≤L). В начальной момент коромысло находится в состоянии устойчивого равновесия (рис. 4).

a) Диполь приводит во врашение с угловой скоростью ω. При каких ω коромысло будет «спровождать» врашение диополя?

b) Диполь неодвижен. Найти перiod малых коромысла.

А. В. Андрианов

Ф1177. Колебательный контур состоит из катушки с индуктивностью L=1 Гн с сопротивлением R=1 Ом и конденсатора емкостью C=1 мкФ. Конденсатор нейделен — сопротивление его изоляции Rx конечно. При какой величины Rx в катушке выделится в виде тепла 1/3 начальной энергии контура?

З. А. Рафаилов

Решения задач

M1141 — M1145, Ф1153 — Ф1157

Как и другие несложные геометрические задачи, эта задача допускает много решений. Приведем три из них.

В первых двух используется неравенство m≥2r, где m — средняя линия трапеции, a r — радиус вписанной окружности, t. e. 2r — высота трапеции (рис. 1).

Если диагональ составляет с основанием угол большие 45°, то ее проекция на основание меньше 2r трапеции. Сумма проекций обиха диагоналей, очень/no, равна сумме оснований, т. е. 2m. Поэтому если утверждение задачи не верно, то 2m<2r+2r=4r, что противоречит неравенству m≥2r.

Другое рассужение: площадь трапеции, равная 2rm, не превыходит d1d2/2, где d1 и d2 — ее диагонали. Если d1≥d2, то d1²/2≥d1d2/2≥2rm≥4r². Следовательно, 2r/d1≤√2/2, а значит, диагональ d1 составляет с основанием угол не более 45° (см. рис. 1).

В третьем решении мы использем то, что боковые стороны трапеции видны из центра O ее вписанной окружности под прямым углом (так как O — точка пересечения биссектрис углов трапеции — рис. 2). Если бы утверждение задачи было неверным, то основания трапеции были видны из точки P пересечения диагоналей под острым углом, а боковые стороны — под тупым. Тогда точка P лежала бы внутри окружностей, построенных на боковых сторонах как на диаметрах,

32

М1142. Таблица m×nm \times n заполнения mn числа так, что в каждой строке и в каждом столбце эти числа составляют агрифметическую прогрессию. Сумма четырех чисел, стоящих в узлах таблицы, равна s. Чему равна сумма всех чисел в таблице?

Ответ: smn/4smn/4.

Пусть a1,a2,…,ama_1, a_2, \dots, a_m — числа в верхней строке, b1,b2,…,bmb_1, b_2, \dots, b_m — в нижней. Тогда a1+a2+⋯+am=(a1+am)m/2,b1+b2+⋯+bm=(b1+bm)m/2a_1 + a_2 + \dots + a_m = (a_1 + a_m)m/2, b_1 + b_2 + \dots + b_m = (b_1 + b_m)m/2.

Суммы чисел в столбцах равны (a1+b1)n/2,(a2+b2)n/2,…,(am+bm)n/2(a_1 + b_1)n/2, (a_2 + b_2)n/2, \dots, (a_m + b_m)n/2. Сложив эти суммы, мы получим сумму всех чисел в таблице:
(a1+b1+a2+b2+⋯+am+bm)n/2=(a1+am+b1+bm)mn/4=smn/4.(a_1 + b_1 + a_2 + b_2 + \dots + a_m + b_m)n/2 = (a_1 + a_m + b_1 + b_m)mn/4 = smn/4.
Н. В. Васильев

M1143. Масса каждой из 101 грыbs, расположенных по окружности, — натуральное число, а их общая масса равна 300 г. Доказите, что из этого набора можно выбрать одну из нескольких грыbs, расположенных подряд, с общей массой 200 г.

Отметим на окружности 300 точек, разбивающих ее на 300 равных частей (по 1∘12′1^\circ 12'), и каждой грыб массой mm поставим в соответствие дуг из mm таких частей; концы этих дуг (расположенных по окружности в том же порядке, что и грыbs) называются точками, остальные 300—101=199 точек — черными. Расмотрим все равносторонние треугольники, вписанные в окружность, у которых одна из вершин — красная. Если бы у каждой из них две другие вершины оказались черными, то всего черных точек было бы не менее 2⋅101=2022 \cdot 101 = 202. Поэтому найдет треугольник, у которого две вершины — красные. Бóльшая дуга (в 240∘240^\circ) с концами в этих красных вершинах соответствует грыбам, в сумме имеющим массу 200 г, меньше (210∘210^\circ) — грыбам, имеющим массу 100 г.

В. В. Произвольов

M1144. Пусть a1,a2,…,ana_1, a_2, \dots, a_n — неотрицательные числа. Какое число больше:

a11988+a21988+⋯+an1988\sqrt{a_1^{1988} + a_2^{1988} + \dots + a_n^{1988}}

или

a11989+a21989+⋯+an1989\sqrt{a_1^{1989} + a_2^{1989} + \dots + a_n^{1989}}?

Ответ: Первое число больше, если хотя бы два из чисел aia_i не равны 0 (что мы и будем предполагать в дальнейшем).

Доказем сразу более общие утверждения: функция f(α)=(a1α+⋯+anα)1/αf(\alpha) = (a_1^\alpha + \dots + a_n^\alpha)^{1/\alpha}, многоночная убывает при α>0\alpha > 0, т. е. f(α)>f(β)f(\alpha) > f(\beta) при 0<α<β0 < \alpha < \beta.

Не ограничивая общности, можно считать, что a1a_1 — наиболее общая чисел aia_i, a1>0a_1 > 0. Положим xi=ai/a1x_i = a_i/a_1, тогда при α<β\alpha < \beta

f(α)=a1(1+x2α+⋯+xnα)1/α≥a1(1+x2β+⋯+xnβ)1/β=f(β),f(\alpha) = a_1(1 + x_2^\alpha + \dots + x_n^\alpha)^{1/\alpha} \geq a_1(1 + x_2^\beta + \dots + x_n^\beta)^{1/\beta} = f(\beta),

33

поскольку 0⩽xi⩽10 \leqslant x_i \leqslant 1 при всех ii и суммы в скобках больше 1.

Интересно, что часто рассматриваемая величина (a1α+⋯+anα)/n)1/α(a_1^\alpha + \dots + a_n^\alpha)/n)^{1/\alpha} — так называемое степенное среднее число a1,…,ana_1, \dots, a_n степени α\alpha — возвращает с ростом α\alpha.

А. И. Шехорский

M1145*. Из точки PP проведены две касательные PB и PC к окружности, причем ∠BPC>90∘\angle BPC > 90^\circ. На меньше дуги BC взята точка A. Докажите, что площать треугольника, отсекаемого от угла BPC касательной к окружности в точке A, не превысходит площади треугольника ABC.

Рис. 1.

Рис. 2.

Обозначим отсекаемый от угла BPC треугольник через KPL (рис. 1), центр его вписанной окружности через I. Треугольники ABC и ILK подобыны. Действительно, каждый из углов ABC, CAL и ACL равен половине угловой величины дуги AC (первый угол вписан в окружность и опирается на эту дуг, два других образованны хордой, стягивающей эту дуг и касательными в ее концах). Поэтому

2∠ILK=∠PLK=∠LAC+∠LCA=2∠ABC,2\angle ILK = \angle PLK = \angle LAC + \angle LCA = 2\angle ABC,

т. е. ∠ILK=∠ABC\angle ILK = \angle ABC. Аналогично, ∠IKL=∠ACB\angle IKL = \angle ACB. Коэффициент подобия треугольников ILK и ABC равен KL/BCKL/BC, следовательно, отношение их площадей равно SILK/SABC=KL2/BC2S_{ILK}/S_{ABC} = KL^2/BC^2.

Пусть, далее, pp — полуперimetр, SS — площадь, rr — радиус вписанной окружности и hh — высота, опущенная из вершины PP треугольника PKL (рис. 2). Тогда

SPKLSILK=hr=2SKL⋅pS=2pKL=2BPKL,\frac{S_{PKL}}{S_{ILK}} = \frac{h}{r} = \frac{2S}{KL} \cdot \frac{p}{S} = \frac{2p}{KL} = \frac{2BP}{KL},

поскольку BP=CPBP = CP и BP+CP=AK+KP+PL+LA=2pBP + CP = AK + KP + PL + LA = 2p (мы пользовемся здесь равенством касательных к окружности, проведенных из точки PP, KK, LL). Итак, SPLK/SABC=2BP⋅KL/BC2S_{PLK}/S_{ABC} = 2BP \cdot KL/BC^2. Остается доказать, что последнее отношение меньше 1.

По неравенству треугольника 2KL<KL+KP+PL=2p=2BP2KL < KL + KP + PL = 2p = 2BP, т. е. 2BP⋅KL<2BP22BP \cdot KL < 2BP^2. Но в случае, когда ∠BPC>90∘\angle BPC > 90^\circ, имеем 2BP2<BC22BP^2 < BC^2, т. е. 2BP⋅KL/BC2<2BP2/BC2<12BP \cdot KL/BC^2 < 2BP^2/BC^2 < 1, что и требовалось доказать.

Эту задачу можно решать и с помощью тригонометрики. Если α,β,γ\alpha, \beta, \gamma — углы при вершинах A,B,CA, B, C треугольника ABC, то BC=KLBC = KL cos β\beta cos γ\gamma; нужно неравенство приводится к виду 2 cos (π−α)(\pi - \alpha) cos β\beta cos γ>1\gamma > 1 и вытекает из того, что π−α=β+γ<π/4\pi - \alpha = \beta + \gamma < \pi/4.

В. Ю. Прогасов

Ф1153. Жидкий расчет бетона на纵ли в кузов самосвала доверху. Оценить, какая доля растора останется в кузове после резко торможения. Предполагается, что вы хорошо представляют явление, мо-

34

Жете сами задать необходимые для решения величины, выбрать достаточно размерные их числовые значения и получить числовой результат.

Рис. 1.

Рис. 2.

При резком торможении колеса автоматически не钙ятся, а скольяет (только так можно быстро затормить). Тогда из второго закона Ньютона следует

ma=Fтр=μmg,т. е. a=μg,ma = F_{\text{тр}} = \mu mg, \quad \text{т. е. } a = \mu g,

где μ\mu — коэффициент треня скольжения.

Возможны два случая, изображенные на рисунках 1 и 2 соответственно. Первый случай: ускорение a1a_1 таково, что часть дна открывается. При оценке будем считать, что кузов прямогольный. Тогда масса бетона в кузове до торможения

M=ρLHd,M = \rho L H d,

где ρ\rho — плотность раствора, а dd, HH и LL — ширина, высота и длина кузова. Как видно из рисунка 1, H/l=tgα=a1/gH/l = tg \alpha = a_1/g, открывается l=Hg/a1≤Ll = Hg/a_1 \leq L, т. е.

a1=μ1g≥HLg.a_1 = \mu_1 g \geq \frac{H}{L} g.

Масса оставшегося в кузове бетона

m1=ρlH2d=ρH2d2a1g.m_1 = \rho l \frac{H}{2} d = \rho \frac{H^2 d}{2 a_1} g.

Таким образом, доля оставшегося бетона

η1=m1M=ρH2d2a1ρLHd=HLg2a1=HL12μ1\eta_1 = \frac{m_1}{M} = \frac{\rho H^2 d}{2 a_1 \rho L H d} = \frac{H}{L} \frac{g}{2 a_1} = \frac{H}{L} \frac{1}{2 \mu_1}

при μ1≥HL\mu_1 \geq \frac{H}{L}.

Второй случай (см. рис. 2): ускорение a2a_2 таково, что задний борт освобождается от раствора на глубину h=Ltgα=La2/gh = L tg \alpha = La_2/g, а глубина слоя раствора там H−h=H−La2/gH - h = H - La_2/g. Масса оставшегося в кузове раствора

m2=ρL(H−La22g)d,m_2 = \rho L \left( H - L \frac{a_2}{2 g} \right) d,

и доля оставшегося раствора

η2=m2M=ρL(H−La2/(2g))dρLH=1−LHa22g=1−LHμ22\eta_2 = \frac{m_2}{M} = \frac{\rho L \left( H - La_2/(2 g) \right) d}{\rho L H} = 1 - \frac{L}{H} \frac{a_2}{2 g} = 1 - \frac{L}{H} \frac{\mu_2}{2}

при μ2<HL\mu_2 < \frac{H}{L}.

Сделаем численные оценки. Положим H=1H = 1 м, L=5L = 5 м, т. е. H/L=0,2H/L = 0,2. Тогда при μ1≥H/L=0,2\mu_1 \geq H/L = 0,2, например при μ1=0,5\mu_1 = 0,5, имеем

η1=HL12μ1=15=20%.\eta_1 = \frac{H}{L} \frac{1}{2 \mu_1} = \frac{1}{5} = 20 \%.

При μ2<H/L=0,2\mu_2 < H/L = 0,2, например при μ2=0,1\mu_2 = 0,1, имеем

η2=1−LHμ22=34=75%.\eta_2 = 1 - \frac{L}{H} \frac{\mu_2}{2} = \frac{3}{4} = 75 \%.

Если же торможение не резкое, т. е. колеса钙ятся, тогда торможение обусловлено тренем качения. В этом случае μ≈0,02\mu \approx 0,02 и

η1=1−LHμ2≈1920≈95%.\eta_1 = 1 - \frac{L}{H} \frac{\mu}{2} \approx \frac{19}{20} \approx 95 \%.

Итак, в любом случае доверку кузов наполнять нельзя: потери неизбежны.

Г. В. Меледин

35

Ф1154. На главном горизонтальном столе лежат два одинаковых кубика массой m каждый. Один из кубков приклеен к столе (см. рис.нок). Кубик отрывается от стола, если к нему приложить горизонтальный силу F. Между кубиками имеется неиссомая свободная пружина жесткость k. Незакрепленному кубику сообщили скорость v. С каким скоростью разлетятся кубики после столковения?

Обозначим скорости кубков после столковения через v1v_1 и v2v_2. Из закона сохранения энергии имеем

mv22=mv122+mv222.\frac{mv^2}{2} = \frac{mv_1^2}{2} + \frac{mv_2^2}{2}.

Сразу после отрыва второго кубика от стола система двух кубков (между которых находится неиссомая пружина) становится замкнутой. Запишем для нее закон сохранения импульса. Обозначим через u скорость первого кубика непосредственного после отрыва от стола второго. Тогда получаем

mu=mv2−mv1.mu = mv_2 - mv_1.

Скорость u найдем из закона сохранения энергии

mv22=mu22+kx22,\frac{mv^2}{2} = \frac{mu^2}{2} + \frac{kx^2}{2},

где x=F/kx = F/k — величины силы пружины в момент отрыва.

Решая систему уравнения (1)—(3), находим

v1=12(v2+F2/(km)−v2−F2/(km)),v_1 = \frac{1}{2}(\sqrt{v^2 + F^2}/(km) - \sqrt{v^2 - F^2}/(km)),

v2=12(v2+F2/(km)+v2−F2/(km)).v_2 = \frac{1}{2}(\sqrt{v^2 + F^2}/(km) + \sqrt{v^2 - F^2}/(km)).

Интересно рассмотреть неокоторые частиные случаи.

Пусть, например, mv2/2<F2/(2k)mv^2/2 < F^2/(2k). Тогда максимального скатания пружины будет недостаточно для отрыва второго кубика от стола и первый кубик после столковения будет двигаться влево с первоначальной величины скорости v.

Если mv2/2=F2/(2k)mv^2/2 = F^2/(2k), то после разлега кубики будут двигаться в противоположные стороны с одинаковыми по величины скоростими, равными v/2v/\sqrt{2}.

Если же mv2/2≫F2/(2k)mv^2/2 \gg F^2/(2k) (случай очень жесткой пружины, когда k→∞k \to \infty), то v1→0v_1 \to 0, а v2→vv_2 \to v.

Г. В. Федотович

Ф1155. Тяжелый поршень массой M может свободно перемешаться внутри вертикального теллоизолюрованного цилиндра сечение S, верхний конец которого закрыт, а нижний открыт в атмосферу (см. рис.нок). Внутри цилиндра имеется горизонтальная перегородка с маленьким отвергением, отсекающая от атмосферы один mole воздуха, занимающий объем V и имеющий атмосферное давление pap_a. Поршень, которой вначале прижат силу к перегородке, от

36

пускают. Приимая, что внутренняя энергия газа равна сТ, найти, на сколько опустится поршень.

Задаем энергия его уменшается. Будем считать, что перегородка между образовавшимся в цилиндре отсеками не пряятствует теплобмену между ними, так что температуры воздуха в них все время одинаковы. Обозначив температуру воздуха в начальной момент через T0T_0, а в момент остановки через TT, получаем

cT0=cT+A.cT_0 = cT + A.

Запишем также уравнение состояния газа для этих моментов:

paV=RT0,p_aV = RT_0,
p(V+Sx)=RT.p(V + Sx) = RT.

Полученных уравнений достаточно для определения величины xx:

x=VScc+RMgpaS−Mgx = \frac{V}{S} \frac{c}{c + R} \frac{Mg}{p_aS - Mg} при Mg<paSMg < p_aS.

Г. Л. Коткин

Ф1156. Два одинаковых электромагнита L1L_1 и L2L_2 включены последовательно в цепь постояного тока (рис. 1). С помощью ключа K1K_1 параллельно одному из них может в непроводящем направлении подключаться диод DD. При замкнутом ключа K2K_2 к электромагнитам притянут железная плastинка. Если ключа K1K_1 разомкнут, то при размыкании K2K_2 пластинка отрывается от обозначенного одновременного и nadaет, сохраняя горизонтальное положение. Если ключа K1K_1 разомкнут, то при размыкании K2K_2 пластинка вначале отрывается от магнита L1L_1, а потом от L2L_2, что приводит к ее вращению. Объяснить раз-В первом слуае, когда ключа K1K_1 разомкнут, при размыкании ключа K2K_2 ток в обих электромагнитах прекращается одновременно, и так же одновременно происходит «отпускание» обих концов железной плastинки.

Рассмотрим теперь второй слуаей, когда ключа K1K_1 разомкнут. При замкнутом ключа K2K_2 (рис. 2) через последовательно включенные обмотки электромагнитов протекают одинаковые точки I0I_0, так как через включенный в непроводящем направлении диод DD ток не течение. Разомкнем ключа K2K_2 (рис. 3). Ток через электромагнит L1L_1 прекращается практическим мгновенно, так как цель для него разомкнута. Ток же через электромагнит L2L_2 в первый момент вообще не изменяется. Это происходит из-за того, что ЭДС самонидукини, возникшая в обмотке L2L_2, оказывается приложенной к диоду DD в проводящем направлении, и через него начинает протекать ток I0I_0. В дальнейшем ток через L2L_2 постепенно затухает, в соответствии с законами Фарадея и Ома:

−L2ΔIΔt=IR,I=I0e−Rt/L2,-L_2 \frac{\Delta I}{\Delta t} = IR, \quad I = I_0 e^{-Rt/L_2},

где RR включает в себя сопротивление диода DD в про-

37

лице в повреждении пластинки в первом и втором случаях.

водящем направления и обмотки L2L_2. Видно, что чем меньше RR, тем больше затухает ток в L2L_2.

Таким образом, при замкнутом ключе K1K_1 ток в L2L_2 затухает медленнее, чем в L1L_1, и электромагнит L2L_2 должен удерживать свой конец пластины.

В. В. Голубев

Ф1157. Имеются два полупрозрачных зеркала, каждый из которых, как показывает измерения, пропускает приблизительно 1/5 часть светового потока, а остальной свет отражает. Если на пути параллельного пучка свет становится оба зеркала так, чтобы их плоскости были перепendlukулярными пучку, то, казалось бы, они должны пропускать 1/25 часть падающего потока свет, тогда как на самом деле свет ослабляется не в 25 раз, а заметно меньше (примерно в 10 раз). Объяснить является тем, что лучи света, отраженные вторым зерком, снова возвращаются на первое зерком, частично отражаются от него и, попадая на второе, увечивают интенсивность прошедшего пучка.

Пусть II — интенсивность исходного светового пучка (см. рисунок; падающий световой пучок для нагладности изображен наклонным). Тогда интенсивность света, прошедшего через первое зерком, будет равна i0=I/ki_0 = I/k, где kk — коэффициент ослабления зерком (k=5k = 5 по условию задачи). При последовательных отражениях интенсивность «захваченного» между зерками света постепенно падает из-за частной проэнергности зеркал, и через достаточно большое число отражений нарушу выйдет практические все «захваченный» свет, причем почти поровну вправо и вплево. Таким образом, полная интенсивность прошедшего света будет равна

I′≈i02=I2k=I10.I' \approx \frac{i_0}{2} = \frac{I}{2k} = \frac{I}{10}.

Задча допускает и точное решение. Запишем, как меняется интенсивность «захваченного» между зерками света при последовательных отражениях:

i1=i0(1−1k)2,i2=i1(1−1k)2=i0(1−1k)4,i_1 = i_0 \left(1 - \frac{1}{k}\right)^2, \quad i_2 = i_1 \left(1 - \frac{1}{k}\right)^2 = i_0 \left(1 - \frac{1}{k}\right)^4,

При каждом padении на зеркло 2 свет частично выходит вправо:

I1=i0k,I2=i1k,I3=i2k,I_1 = \frac{i_0}{k}, \quad I_2 = \frac{i_1}{k}, \quad I_3 = \frac{i_2}{k},

Полная интенсивность прошедшего света

I′=I1+I2+I3+⋯=1k(i0+i1+i2+… )=i0k(1+(1−1k)2+(1−1k)4+… )I' = I_1 + I_2 + I_3 + \dots = \frac{1}{k} \left(i_0 + i_1 + i_2 + \dots\right) = \frac{i_0}{k} \left(1 + \left(1 - \frac{1}{k}\right)^2 + \left(1 - \frac{1}{k}\right)^4 + \dots\right)

представляет собой сумму бесконечной убывающей геометрической прогрессии со значением q=(1−1/k)2q = (1 - 1/k)^2, поэтому

I′=i0k11−q=i0kk2k2−(k−1)2=i0k2k−1=I2k−1=I9.I' = \frac{i_0}{k} \frac{1}{1 - q} = \frac{i_0}{k} \frac{k^2}{k^2 - (k - 1)^2} = \frac{i_0 k}{2k - 1} = \frac{I}{2k - 1} = \frac{I}{9}.

При k=5k = 5 точное решение всего на 10% отличается от приближенного.

В. В. Голубев