Physics For Scientists And Engineers 6E - part 28

 

  Index      Production     Physics For Scientists And Engineers 6E

 

Search            

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Content   ..  26  27  28  29   ..

 

 

Physics For Scientists And Engineers 6E - part 28

 

 

Problems

109

68.

In a television picture tube (a cathode ray tube) electrons
are emitted with velocity v

i

from a source at the origin of

coordinates.  The  initial  velocities  of  different  electrons
make  different  angles  ' with  the  axis.  As  they  move  a
distance along the axis, the electrons are acted on by
a constant  electric  field,  giving  each  a  constant  accelera-
tion  in  the  direction.  At  the  electrons  pass
through a circular aperture, oriented perpendicular to the
axis.  At  the  aperture,  the  velocity  imparted  to  the  elec-
trons by the electric field is much larger than v

i

in magni-

tude.  Show  that  velocities  of  the  electrons  going  through
the  aperture  radiate  from  a  certain  point  on  the  axis,
which  is  not  the  origin.  Determine  the  location  of  this
point. This point is called a virtual source, and it is impor-
tant  in  determining  where  the  electron  beam  hits  the
screen of the tube.

69.

A fisherman sets out upstream from Metaline Falls on the
Pend Oreille River in northwestern Washington State. His
small  boat,  powered  by  an  outboard  motor,  travels  at  a
constant speed in still water. The water flows at a lower
constant speed v

w

. He has traveled upstream for 2.00 km

when  his  ice  chest  falls  out  of  the  boat.  He  notices  that
the  chest  is  missing  only  after  he  has  gone  upstream  for
another 15.0 minutes. At that point he turns around and
heads back downstream, all the time traveling at the same
speed  relative  to  the  water.  He  catches  up  with  the  float-
ing  ice  chest  just  as  it  is  about  to  go  over  the  falls  at  his
starting  point.  How  fast  is  the  river  flowing?  Solve  this

problem  in  two  ways.  (a)  First,  use  the  Earth  as  a  refer-
ence frame. With respect to the Earth, the boat travels up-
stream at speed v

w

and downstream at v

w

. (b) A

second  much  simpler  and  more  elegant  solution  is  ob-
tained by using the water as the reference frame. This ap-
proach has important applications in many more compli-
cated  problems;  examples  are  calculating  the  motion  of
rockets and satellites and analyzing the scattering of sub-
atomic particles from massive targets.

70.

The water in a river flows uniformly at a constant speed
of 2.50 m/s between parallel banks 80.0 m apart. You are
to deliver a package directly across the river, but you can
swim only at 1.50 m/s. (a) If you choose to minimize the
time  you  spend  in  the  water,  in  what  direction  should
you head? (b) How far downstream will you be carried?
(c)  What  If? If  you  choose  to  minimize  the  distance
downstream that the river carries you, in what direction
should  you  head?  (d)  How  far  downstream  will  you  be
carried? 

71.

An  enemy  ship  is  on  the  east  side  of  a  mountain  island,
as shown in Figure P4.71. The enemy ship has maneuvered
to  within  2 500  m  of  the  1 800-m-high  mountain  peak
and can  shoot  projectiles  with  an  initial  speed  of 
250 m/s.  If  the  western  shoreline  is  horizontally  300  m
from  the  peak,  what  are  the  distances  from  the  western
shore at which a ship can be safe from the bombardment
of the enemy ship?

72.

In the What If? section of Example 4.7, it was claimed that
the  maximum  range  of  a  ski-jumper  occurs  for  a  launch
angle ' given by

where . is the angle that the hill makes with the horizontal
in  Figure  4.16.  Prove  this  claim  by  deriving  the  equation
above.

Answers to Quick Quizzes

4.1 (b).  An  object  moving  with  constant  velocity  has 

!

" 0,  so,  according  to  the  definition  of  acceleration, 

" !v/!" 0. Choice (a) is not correct because a parti-
cle  can  move  at  a  constant  speed  and  change  direction.
This possibility also makes (c) an incorrect choice.

4.2 (a).  Because  acceleration  occurs  whenever  the  velocity

changes  in  any  way—with  an  increase  or  decrease  in

' "

45) #

.

2

10.0 m/s

15.0

°

50.0

°

Figure P4.67

2 500 m

300 m

1 800 m

v

i

v

i

 = 250 m/s

θ

H

θ

θ

L

θ

Figure P4.71

110

C H A P T E R   4 •  Motion in Two Dimensions

speed, a change in direction, or both—all three controls
are  accelerators.  The  gas  pedal  causes  the  car  to  speed
up;  the  brake  pedal  causes  the  car  to  slow  down.  The
steering  wheel  changes  the  direction  of  the  velocity
vector. 

4.3 (a). You should simply throw it straight up in the air. Be-

cause  the  ball  is  moving  along  with  you,  it  will  follow  a
parabolic  trajectory  with  a  horizontal  component  of
velocity that is the same as yours.

4.4 (b).  At  only  one  point—the  peak  of  the  trajectory—are

the  velocity  and  acceleration  vectors  perpendicular  to
each other. The velocity vector is horizontal at that point
and the acceleration vector is downward.

4.5 (a). The acceleration vector is always directed downward.

The velocity vector is never vertical if the object follows a
path such as that in Figure 4.8. 

4.6 15°, 30°, 45°, 60°, 75°. The greater the maximum height,

the  longer  it  takes  the  projectile  to  reach  that  altitude
and then fall back down from it. So, as the launch angle
increases, the time of flight increases.

4.7 (c). We cannot choose (a) or (b) because the centripetal

acceleration  vector  is  not  constant—it  continuously
changes  in  direction.  Of  the  remaining  choices,  only  (c)
gives  the  correct  perpendicular  relationship  between  a

c

and v.

4.8 (d). Because the centripetal acceleration is proportional

to the square of the speed, doubling the speed increases
the acceleration by a factor of 4.

4.9 (b). The velocity vector is tangent to the path. If the ac-

celeration vector is to be parallel to the velocity vector, it
must also be tangent to the path. This requires that the
acceleration  vector  have  no  component  perpendicular
to  the  path.  If  the  path  were  to  change  direction,  the
acceleration  vector  would  have  a  radial  component,
perpendicular to the path. Thus, the path must remain
straight.

4.10 (d). The velocity vector is tangent to the path. If the ac-

celeration  vector  is  to  be  perpendicular  to  the  velocity
vector,  it  must  have  no  component  tangent  to  the  path.
On the other hand, if the speed is changing, there must
be a component of the acceleration tangent to the path.
Thus, the velocity and acceleration vectors are never per-
pendicular in this situation. They can only be perpendic-
ular if there is no change in the speed.

4.11 (c).  Passenger  A sees the  coffee pouring  in a  “normal”

parabolic  path,  just  as  if  she  were  standing  on  the
ground  pouring  it.  The  stationary  observer  B  sees  the
coffee moving in a parabolic path that is extended hori-
zontally  due  to  the  constant  horizontal  velocity  of 
60 mi/h.

The Laws of Motion

A small tugboat exerts a force on a large ship, causing it to move. How can such a small

boat move such a large object? (Steve Raymer/CORBIS)

Chapter 5

111

C H A P T E R   O U T L I N E

5.1 The Concept of Force

5.2 Newton’s First Law and

Inertial Frames

5.3 Mass

5.4 Newton’s Second Law

5.5 The Gravitational Force and

Weight

5.6 Newton’s Third Law

5.7 Some Applications of

Newton’s Laws

5.8 Forces of Friction

112

I

n Chapters 2 and 4, we described motion in terms of position, velocity, and accelera-

tion without considering what might cause that motion. Now we consider the cause—
what might cause one object to remain at rest and another object to accelerate? The
two main factors we need to consider are the forces acting on an object and the mass
of  the  object.  We  discuss  the  three  basic  laws  of  motion,  which  deal  with  forces  and
masses and were formulated more than three centuries ago by Isaac Newton. Once we
understand  these  laws,  we  can  answer  such  questions  as  “What  mechanism  changes
motion?” and “Why do some objects accelerate more than others?”

5.1 The Concept of Force

Everyone has a basic understanding of the concept of force from everyday experience.
When you push your empty dinner plate away, you exert a force on it. Similarly, you ex-
ert a force on a ball when you throw or kick it. In these examples, the word force is asso-
ciated with muscular activity and some change in the velocity of an object. Forces do
not always cause motion, however. For example, as you sit reading this book, a gravita-
tional force acts on your body and yet you remain stationary. As a second example, you
can push (in other words, exert a force) on a large boulder and not be able to move it.

What force (if any) causes the Moon to orbit the Earth? Newton answered this and

related questions by stating that forces are what cause any change in the velocity of an
object. The Moon’s velocity is not constant because it moves in a nearly circular orbit
around the Earth. We now know that this change in velocity is caused by the gravita-
tional  force  exerted  by  the  Earth  on  the  Moon.  Because  only  a  force  can  cause  a
change in velocity, we can think of force as that which causes an object to accelerate. In this
chapter, we are concerned with the relationship between the force exerted on an ob-
ject and the acceleration of that object.

What happens when several forces act simultaneously on an object? In this case, the

object accelerates only if the net force acting on it is not equal to zero. The 

net force

acting on an object is defined as the vector sum of all forces acting on the object. (We
sometimes refer to the net force as the total force, the resultant force, or the unbalanced
force
.) 

If the net force exerted on an object is zero, the acceleration of the object

is zero and its velocity remains constant. That is, if the net force acting on the ob-
ject is zero, the object either remains at rest or continues to move with constant veloc-
ity. When the velocity of an object is constant (including when the object is at rest), the
object is said to be in 

equilibrium.

When a coiled spring is pulled, as in Figure 5.1a, the spring stretches. When a sta-

tionary cart is pulled sufficiently hard that friction is overcome, as in Figure 5.1b, the
cart moves. When a football is kicked, as in Figure 5.1c, it is both deformed and set in
motion. These situations are all examples of a class of forces called contact forces. That
is, they involve physical contact between two objects. Other examples of contact forces
are  the  force  exerted  by  gas  molecules  on  the  walls  of  a  container  and  the  force  ex-
erted by your feet on the floor.

An object accelerates due to an

external force

Definition of equilibrium

 

 

 

 

 

 

 

Content   ..  26  27  28  29   ..