physics 111 spring 2006 exam # 1

Report 15 Downloads 135 Views
1/8 PHYSICS 1307  FALL  2007 EXAM # 2 March 4 , 2008 SOLUTIONS

CONCEPTUAL QUESTIONS 1. Why can't we define a potential energy associated with friction? Potential energy is associated with conservative forces, where the amount of work is independent   of the path followed by the particle. Since the work done by the friction force depends of the  trajectory followed thus we cannot assign a potential to this force. 

2. A pendulum bob swings back and forth on the end of a string, describing a circular arc. Does the  tension force in the string do any work? Explain.  From basic geometry we know that the radius of a circle is perpendicular to the tangent of the   circle at the same point. Hence the force of tension  of a string, which is in the direction of any   radius, is  perpendicular to the displacement, which is tangent to the circle. Thus no work is   performed by the force of tension. 

3. If the potential energy is zero at a point, must the force be also zero at that point? Give an  example The answer is no. We can assign the zero of potential energy to any point. In particular we   generally have chosen the ground to be the zero of potential energy. At this level the force of   gravity still acts, but in this point it cannot perform any work.  4. The momentum of a system of pool balls is the same before and after they are hit by the cue  ball. Is it still the same after one of the balls strikes the edge of the table? Explain.

2/8 When the ball strikes the edge, the edge strikes back the ball by Newton's third law. Therefore  there is a   change of momentum of magnitude  F ext  t= p .  This is the reason that momentum  is not conserved when when the ball hits the edge of the table. 

5. Two identical satellites are going in opposite directions in the same circular orbit when they  collide head­on. Describe their subsequent motion if the collision is elastic.  Since the two identical satellites have the same mass, we know (as it was discussed in class) the   final velocities, for each one of the satellites, are going to have the same magnitude that the initial   ones  but  in opposite directions, i.e.  They  collide and then they  recede  from each  other  with   inverted relative velocity. 

NUMERICAL QUESTIONS 6. A meteorite plunges to Earth, embedding itself 75 cm in the ground. If it does 140 MJ of work  in the process. The magnitude of the average force exerted on the ground is ____MN A. 227 

B. 187

C.57

D. 5.7

E. 1.87

W =Fdcos  140×10 6 J =F ave 0.75 m 8

1.87×10 N=F ave

7. A 60­kg skateboarder comes over the top of a hill at 5.0 m/s and reaches 10.0 m/s at  the bottom  of the hill. The work done on the skater is____J A. 2250 

B. 1250

C.570

D. 250

E. 167

Using the work­energy theorem we have: 1 1 1 2 2 2 2 W ext = KE = m v f − m v i = 60 kg  10 m / s  − 5 m / s =2250 J 2 2 2

3/8 8. A Navy jet of mass 10,000 kg lands on an aircraft carrier and snags a cable to slow it down. The  cable is attached to a spring with spring constant 40,000 N/m. If the spring stretches 25 m to stop  the plane,  the landing speed of the plane is ____km/h A. 50  

C. 180

B. 100

D. 270

E. 300

Using the conservation of  energy we can write:  KE=− PE 1 1 1 1 2 2 2 2 m v f − m vi = k x i − k x f 2 2 2 2 1 1 10,000 kg vi 2= 40,000 N / m25 m 2 2 2 v i =50 m/ s=180 km/ h

9. A popcorn kernel in a hot pan burst into two pieces, with masses of 91 mg and 64 mg. The more  massive piece moves horizontally at 47 cm/s along the positive y­direction. The velocity of the  second piece of popcorn is ___cm/s  

A.  67 i

B.  −67 i

Pi=0 y

D.  −67 j

C. 0 v1 m1

Pf=0

m2 v2 Using conservation of linear momentum along the y­axis we obtain: 0 = m 1 v1 m2 v2 −m 1 v 1 m2

= v2

−91 mg 47 cm / s =−67 cm / s= v2 64 cm / s

E.  67 j

4/8 10. A glass ball is traveling directly at a steel ball. An observer at rest in the lab sees the glass ball  moving east at 10 m/s and the steel ball moving west at 20.0 m/s. The velocity at which the two  balls approach or recede from each other after undergoing an elastic collision is ____m/s. Assume  east as positive direction. A. 10 m/s

B. 20 m/s

C. 0

E. ­30 m/s

D. ­10 m/s

  Using the fact that after a elastic collision the relative velocity switches direction: v1 i −v2 i =− v1 f − v 2 f 

we get,

10 m/s−−20 m/ s=−v1 f −v2 f  1

2

−30 m/ s=v f −v f 

This means that the balls recede from each other with a speed of 30 m/s. 

11. Two objects collide and after the collision they stick together. Each  particle has a mass of 0.25  kg. The initial speed of A is 20 m/s and  B is initially at rest. The collision lasts for 8.0 ms. The  magnitude of the average force of each particle on the other during this time is ___ N.

A.  250

B.  312

C.  125

D.  500

E. 625

We need first to find the impulse or the change in momentum of any of the two colliding particles.  m m =5 kg s s the final momentum is  P f =m Am B  v f =0.25 kg 0.25 kg  v f . Equating these two   expressions and solving for the final velocity we obtain: v f =10 m/ s . The initial momentum of the system is P i=mA v A=0.25 kg 20

Now we are ready. Initial momentum for the particle A  P iA=m A v A=0.25 kg 20

m m =5 kg s s

m . Thus the impulse   s m m m experienced by A is  P fA−P iA=m A v fA −v fB =0.25 kg 10 −20 =−2.5 kg . The average   s s s m −2.5 kg  P s force is   F= = =−312.5 N t 0.008 s final momentum for the particle A  P fA= mA  v fA =0.25 kg 10

5/8 12. A force   F =67 i 23 j  55 k N is applied to a body as it moves in a straight line from  r 1= 16 i  31 j to  r 2 =21 i10 j14 k m . The work done by the force is _____J. A.  622

B.  1785

C.  2407

D.  4192

E. 5785

W = F⋅ d = F⋅r 2 −r 1  W = 67 i  23 j 55 k N ⋅ 5 i −21 j 14 k m =622 J

The ballistic pendulum is a device used to measure the speed of a projectile. A projectile with mass  100 g is fired into a large block with mass 10 kg suspended like a pendulum. As a result of the  collision the pendulum­projectile system swings up to a maximum height of 25 cm.  13. The initial velocity of the projectile is ____m/s A.  2.2

B.  22

C.  125

D.  224

E. 350

Using the result derived in class we can write: M m m  10 kg0.100 kg 

vi = 2 g h vi = 2× 9.8 m / s2 ×0.25 m



0.100 kg

=224 m / s

14. The loss of kinetic energy during the collision is _____J A. 0

B. 125

C.596

D. 1254

E. 2484

Using conservation of linear momentum before and after the collision we obtain: m vi =M m v f m vi

=v f M m 0.1 kg224 m/ s =2.22 m/ s 10.1 kg

6/8

thus the difference in kinetic energy is : 1 1 2 2 KE f − KE i =  M m  v f − m v i =−2484 J 2 2

15. How long (in seconds) will it take a 1750­W motor to lift a 300­kg piano to a sixth­story  window 10.0 m above? A. 25

 

B.  10

C. 17

Work mg  h P= = . Thus the time taken  is t t

D.20

E.30 2

mg  h 300 kg×9.8 m/ s ×10 m  t= = =16.8 s P 1750 W

16. A 1000 kg racing car starts from rest in the pit area and accelerates at uniform rate to a speed  of 35 m/s. The average power delivered by the engine is ____kW. Assume that the coefficient of  kinetic friction is equal to 0.3.  A. 51 P= F⋅v= F f

B. 40 v f  vi

  2

=

 mg v f 2

C. 35

D. 12

E. 2.0

= 0.3×1000 kg× 9.8 m / s2 ×17.5 m / s =51450 W

17. A 5 kg box is sliding down a 10° incline at constant velocity. After 5 m down the incline the  work done by the force of friction acting on the box is  ____  J .  A. 0

B. 241

C. ­241

D. ­43

E. 43

W Ext = K  PE=mg  h=−5kg×9.8 m/ s2 ×5×sin 10 0 =−42.54 J .   Note  that   since   the  box  is  

sliding down with constant velocity the change in kinetic energy is zero.

7/8 18. The angle between the two vectors   A= 2 i 3 j ,   B=−3 i 6 j  is ____¡ A. 0

B. 30

C. 45

D. 60

E. 90

Using the definition of the scalar product we can write  A⋅B=∣A∣∣B∣cos  then: A⋅ B =cos   ∣A∣∣ B∣ 12

 49  936

=0.50=cos

so the angle is 60¡. 

A billiard ball moving with speed v=5.0 m/s along the positive x­axis strikes head­on an equal  mass ball initially at rest. After the collision the balls are observed to scatter according with the  picture below. 

v i =5.0 m/s

y 1

1

x

2

2

65¡ 30¡

19. The speed after the collision of the first ball is ____m/s A. 0

B. 2.5

C. 3.4

D. 4.0

E. 4.5

Using a result given in class  (written in more elegant way) : v1 tan  2  5.00 m / s tan  30 0  f vi = = =2.51 m / s tan 2  cos  1 sin  1  tan  30 0  cos  65  sin  65 

20. The speed of the second ball after the collision is  ____m/s. A. 0

B. 2.5

C. 3.4

D. 4.0

E. 4.5

8/8 Using conservation of momentum along the y­axis (also given in class) we write: v 1 f sin  1 = v2 f sin  2  2.51

m s

sin  650 

sin  30 0 

= 4.55 m / s

Write your answers here: 6. B

7. A

8. C

9.D

10.E

11.B

12.A

13.D

14.E

15.C

16. A

17.D

18.D

19.B

20.E