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C o n n e x i o n s m o d u l e : m 4 2 1 2 5 1

P r o b l e m - S o l v i n g B a s i c s f o r

O n e - D i m e n s i o n a l K i n e m a t i c s

O p e n S t a x C o l l e g e

T h i s w o r k i s p r o d u c e d b y T h e C o n n e x i o n s P r o j e c t a n d l i c e n s e d u n d e r t h e

C r e a t i v e C o m m o n s A t t r i b u t i o n L i c e n s e

A b s t r a c t

A p p l y p r o b l e m - s o l v i n g s t e p s a n d s t r a t e g i e s t o s o l v e p r o b l e m s o f o n e - d i m e n s i o n a l k i n e m a t i c s .

A p p l y s t r a t e g i e s t o d e t e r m i n e w h e t h e r o r n o t t h e r e s u l t o f a p r o b l e m i s r e a s o n a b l e , a n d i f n o t ,

d e t e r m i n e t h e c a u s e .

F i g u r e 1 : P r o b l e m - s o l v i n g s k i l l s a r e e s s e n t i a l t o y o u r s u c c e s s i n P h y s i c s . ( c r e d i t : s c u i 3 a s t e v e o , F l i c k r )

P r o b l e m - s o l v i n g s k i l l s a r e o b v i o u s l y e s s e n t i a l t o s u c c e s s i n a q u a n t i t a t i v e c o u r s e i n p h y s i c s . M o r e i m p o r -

t a n t l y , t h e a b i l i t y t o a p p l y b r o a d p h y s i c a l p r i n c i p l e s , u s u a l l y r e p r e s e n t e d b y e q u a t i o n s , t o s p e c i c s i t u a t i o n s

V e r s i o n 1 . 2 : J u n 1 3 , 2 0 1 2 4 : 0 1 p m - 0 5 0 0

h t t p : / / c r e a t i v e c o m m o n s . o r g / l i c e n s e s / b y / 3 . 0 /

h t t p : / / c n x . o r g / c o n t e n t / m 4 2 1 2 5 / 1 . 2 /

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i s a v e r y p o w e r f u l f o r m o f k n o w l e d g e . I t i s m u c h m o r e p o w e r f u l t h a n m e m o r i z i n g a l i s t o f f a c t s . A n a l y t -

i c a l s k i l l s a n d p r o b l e m - s o l v i n g a b i l i t i e s c a n b e a p p l i e d t o n e w s i t u a t i o n s , w h e r e a s a l i s t o f f a c t s c a n n o t b e

m a d e l o n g e n o u g h t o c o n t a i n e v e r y p o s s i b l e c i r c u m s t a n c e . S u c h a n a l y t i c a l s k i l l s a r e u s e f u l b o t h f o r s o l v i n g

p r o b l e m s i n t h i s t e x t a n d f o r a p p l y i n g p h y s i c s i n e v e r y d a y a n d p r o f e s s i o n a l l i f e .

1 P r o b l e m - S o l v i n g S t e p s

W h i l e t h e r e i s n o s i m p l e s t e p - b y - s t e p m e t h o d t h a t w o r k s f o r e v e r y p r o b l e m , t h e f o l l o w i n g g e n e r a l p r o c e d u r e s

f a c i l i t a t e p r o b l e m s o l v i n g a n d m a k e i t m o r e m e a n i n g f u l . A c e r t a i n a m o u n t o f c r e a t i v i t y a n d i n s i g h t i s r e q u i r e d

a s w e l l .

1 . 1 S t e p 1

E x a m i n e t h e s i t u a t i o n t o d e t e r m i n e w h i c h p h y s i c a l p r i n c i p l e s a r e i n v o l v e d . I t o f t e n h e l p s t o d r a w a s i m p l e

s k e t c h a t t h e o u t s e t . Y o u w i l l a l s o n e e d t o d e c i d e w h i c h d i r e c t i o n i s p o s i t i v e a n d n o t e t h a t o n y o u r s k e t c h .

O n c e y o u h a v e i d e n t i e d t h e p h y s i c a l p r i n c i p l e s , i t i s m u c h e a s i e r t o n d a n d a p p l y t h e e q u a t i o n s r e p r e s e n t i n g

t h o s e p r i n c i p l e s . A l t h o u g h n d i n g t h e c o r r e c t e q u a t i o n i s e s s e n t i a l , k e e p i n m i n d t h a t e q u a t i o n s r e p r e s e n t

p h y s i c a l p r i n c i p l e s , l a w s o f n a t u r e , a n d r e l a t i o n s h i p s a m o n g p h y s i c a l q u a n t i t i e s . W i t h o u t a c o n c e p t u a l

u n d e r s t a n d i n g o f a p r o b l e m , a n u m e r i c a l s o l u t i o n i s m e a n i n g l e s s .

1 . 2 S t e p 2

M a k e a l i s t o f w h a t i s g i v e n o r c a n b e i n f e r r e d f r o m t h e p r o b l e m a s s t a t e d ( i d e n t i f y t h e k n o w n s ) . M a n y

p r o b l e m s a r e s t a t e d v e r y s u c c i n c t l y a n d r e q u i r e s o m e i n s p e c t i o n t o d e t e r m i n e w h a t i s k n o w n . A s k e t c h c a n

a l s o b e v e r y u s e f u l a t t h i s p o i n t . F o r m a l l y i d e n t i f y i n g t h e k n o w n s i s o f p a r t i c u l a r i m p o r t a n c e i n a p p l y i n g

p h y s i c s t o r e a l - w o r l d s i t u a t i o n s . R e m e m b e r , s t o p p e d m e a n s v e l o c i t y i s z e r o , a n d w e o f t e n c a n t a k e i n i t i a l

t i m e a n d p o s i t i o n a s z e r o .

1 . 3 S t e p 3

I d e n t i f y e x a c t l y w h a t n e e d s t o b e d e t e r m i n e d i n t h e p r o b l e m ( i d e n t i f y t h e u n k n o w n s ) . I n c o m p l e x p r o b l e m s ,

e s p e c i a l l y , i t i s n o t a l w a y s o b v i o u s w h a t n e e d s t o b e f o u n d o r i n w h a t s e q u e n c e . M a k i n g a l i s t c a n h e l p .

1 . 4 S t e p 4

F i n d a n e q u a t i o n o r s e t o f e q u a t i o n s t h a t c a n h e l p y o u s o l v e t h e p r o b l e m . Y o u r l i s t o f k n o w n s a n d u n k n o w n s

c a n h e l p h e r e . I t i s e a s i e s t i f y o u c a n n d e q u a t i o n s t h a t c o n t a i n o n l y o n e u n k n o w n t h a t i s , a l l o f t h e

o t h e r v a r i a b l e s a r e k n o w n , s o y o u c a n e a s i l y s o l v e f o r t h e u n k n o w n . I f t h e e q u a t i o n c o n t a i n s m o r e t h a n o n e

u n k n o w n , t h e n a n a d d i t i o n a l e q u a t i o n i s n e e d e d t o s o l v e t h e p r o b l e m . I n s o m e p r o b l e m s , s e v e r a l u n k n o w n s

m u s t b e d e t e r m i n e d t o g e t a t t h e o n e n e e d e d m o s t . I n s u c h p r o b l e m s i t i s e s p e c i a l l y i m p o r t a n t t o k e e p

p h y s i c a l p r i n c i p l e s i n m i n d t o a v o i d g o i n g a s t r a y i n a s e a o f e q u a t i o n s . Y o u m a y h a v e t o u s e t w o ( o r m o r e )

d i e r e n t e q u a t i o n s t o g e t t h e n a l a n s w e r .

1 . 5 S t e p 5

S u b s t i t u t e t h e k n o w n s a l o n g w i t h t h e i r u n i t s i n t o t h e a p p r o p r i a t e e q u a t i o n , a n d o b t a i n n u m e r i c a l s o l u t i o n s

c o m p l e t e w i t h u n i t s . T h i s s t e p p r o d u c e s t h e n u m e r i c a l a n s w e r ; i t a l s o p r o v i d e s a c h e c k o n u n i t s t h a t c a n

h e l p y o u n d e r r o r s . I f t h e u n i t s o f t h e a n s w e r a r e i n c o r r e c t , t h e n a n e r r o r h a s b e e n m a d e . H o w e v e r , b e

w a r n e d t h a t c o r r e c t u n i t s d o n o t g u a r a n t e e t h a t t h e n u m e r i c a l p a r t o f t h e a n s w e r i s a l s o c o r r e c t .


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1 . 6 S t e p 6

C h e c k t h e a n s w e r t o s e e i f i t i s r e a s o n a b l e : D o e s i t m a k e s e n s e ? T h i s n a l s t e p i s e x t r e m e l y i m p o r t a n t t h e

g o a l o f p h y s i c s i s t o a c c u r a t e l y d e s c r i b e n a t u r e . T o s e e i f t h e a n s w e r i s r e a s o n a b l e , c h e c k b o t h i t s m a g n i t u d e

a n d i t s s i g n , i n a d d i t i o n t o i t s u n i t s . Y o u r j u d g m e n t w i l l i m p r o v e a s y o u s o l v e m o r e a n d m o r e p h y s i c s

p r o b l e m s , a n d i t w i l l b e c o m e p o s s i b l e f o r y o u t o m a k e n e r a n d n e r j u d g m e n t s r e g a r d i n g w h e t h e r n a t u r e

i s a d e q u a t e l y d e s c r i b e d b y t h e a n s w e r t o a p r o b l e m . T h i s s t e p b r i n g s t h e p r o b l e m b a c k t o i t s c o n c e p t u a l

m e a n i n g . I f y o u c a n j u d g e w h e t h e r t h e a n s w e r i s r e a s o n a b l e , y o u h a v e a d e e p e r u n d e r s t a n d i n g o f p h y s i c s

t h a n j u s t b e i n g a b l e t o m e c h a n i c a l l y s o l v e a p r o b l e m .

W h e n s o l v i n g p r o b l e m s , w e o f t e n p e r f o r m t h e s e s t e p s i n d i e r e n t o r d e r , a n d w e a l s o t e n d t o d o s e v e r a l

s t e p s s i m u l t a n e o u s l y . T h e r e i s n o r i g i d p r o c e d u r e t h a t w i l l w o r k e v e r y t i m e . C r e a t i v i t y a n d i n s i g h t g r o w

w i t h e x p e r i e n c e , a n d t h e b a s i c s o f p r o b l e m s o l v i n g b e c o m e a l m o s t a u t o m a t i c . O n e w a y t o g e t p r a c t i c e i s t o

w o r k o u t t h e t e x t ' s e x a m p l e s f o r y o u r s e l f a s y o u r e a d . A n o t h e r i s t o w o r k a s m a n y e n d - o f - s e c t i o n p r o b l e m s

a s p o s s i b l e , s t a r t i n g w i t h t h e e a s i e s t t o b u i l d c o n d e n c e a n d p r o g r e s s i n g t o t h e m o r e d i c u l t . O n c e y o u

b e c o m e i n v o l v e d i n p h y s i c s , y o u w i l l s e e i t a l l a r o u n d y o u , a n d y o u c a n b e g i n t o a p p l y i t t o s i t u a t i o n s y o u

e n c o u n t e r o u t s i d e t h e c l a s s r o o m , j u s t a s i s d o n e i n m a n y o f t h e a p p l i c a t i o n s i n t h i s t e x t .

2 U n r e a s o n a b l e R e s u l t s

P h y s i c s m u s t d e s c r i b e n a t u r e a c c u r a t e l y . S o m e p r o b l e m s h a v e r e s u l t s t h a t a r e u n r e a s o n a b l e b e c a u s e o n e

p r e m i s e i s u n r e a s o n a b l e o r b e c a u s e c e r t a i n p r e m i s e s a r e i n c o n s i s t e n t w i t h o n e a n o t h e r . T h e p h y s i c a l p r i n -

c i p l e a p p l i e d c o r r e c t l y t h e n p r o d u c e s a n u n r e a s o n a b l e r e s u l t . F o r e x a m p l e , i f a p e r s o n s t a r t i n g a f o o t r a c e

a c c e l e r a t e s a t 0 . 4 0 m / s 2

f o r 1 0 0 s , h i s n a l s p e e d w i l l b e 4 0 m / s ( a b o u t 1 5 0 k m / h ) c l e a r l y u n r e a s o n a b l e

b e c a u s e t h e t i m e o f 1 0 0 s i s a n u n r e a s o n a b l e p r e m i s e . T h e p h y s i c s i s c o r r e c t i n a s e n s e , b u t t h e r e i s m o r e

t o d e s c r i b i n g n a t u r e t h a n j u s t m a n i p u l a t i n g e q u a t i o n s c o r r e c t l y . C h e c k i n g t h e r e s u l t o f a p r o b l e m t o s e e i f

i t i s r e a s o n a b l e d o e s m o r e t h a n h e l p u n c o v e r e r r o r s i n p r o b l e m s o l v i n g i t a l s o b u i l d s i n t u i t i o n i n j u d g i n g

w h e t h e r n a t u r e i s b e i n g a c c u r a t e l y d e s c r i b e d .

U s e t h e f o l l o w i n g s t r a t e g i e s t o d e t e r m i n e w h e t h e r a n a n s w e r i s r e a s o n a b l e a n d , i f i t i s n o t , t o d e t e r m i n e

w h a t i s t h e c a u s e .

2 . 1 S t e p 1

S o l v e t h e p r o b l e m u s i n g s t r a t e g i e s a s o u t l i n e d a n d i n t h e f o r m a t f o l l o w e d i n t h e w o r k e d e x a m p l e s i n t h e t e x t .

I n t h e e x a m p l e g i v e n i n t h e p r e c e d i n g p a r a g r a p h , y o u w o u l d i d e n t i f y t h e g i v e n s a s t h e a c c e l e r a t i o n a n d t i m e

a n d u s e t h e e q u a t i o n b e l o w t o n d t h e u n k n o w n n a l v e l o c i t y . T h a t i s ,

v = v0 + a t = 0 +

0 . 4 0 m / s 2

( 1 0 0 s ) = 4 0 m / s . ( 1 )

2 . 2 S t e p 2

C h e c k t o s e e i f t h e a n s w e r i s r e a s o n a b l e . I s i t t o o l a r g e o r t o o s m a l l , o r d o e s i t h a v e t h e w r o n g s i g n , i m p r o p e r

u n i t s ,

. . .? I n t h i s c a s e , y o u m a y n e e d t o c o n v e r t m e t e r s p e r s e c o n d i n t o a m o r e f a m i l i a r u n i t , s u c h a s m i l e s

p e r h o u r .

4 0 m

s

3 . 2 8 f t

m

1 m i

5 2 8 0 f t

6 0 s

m i n

6 0 m i n

1 h

= 89mph ( 2 )

T h i s v e l o c i t y i s a b o u t f o u r t i m e s g r e a t e r t h a n a p e r s o n c a n r u n s o i t i s t o o l a r g e .


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2 . 3 S t e p 3

I f t h e a n s w e r i s u n r e a s o n a b l e , l o o k f o r w h a t s p e c i c a l l y c o u l d c a u s e t h e i d e n t i e d d i c u l t y . I n t h e e x a m p l e

o f t h e r u n n e r , t h e r e a r e o n l y t w o a s s u m p t i o n s t h a t a r e s u s p e c t . T h e a c c e l e r a t i o n c o u l d b e t o o g r e a t o r t h e

t i m e t o o l o n g . F i r s t l o o k a t t h e a c c e l e r a t i o n a n d t h i n k a b o u t w h a t t h e n u m b e r m e a n s . I f s o m e o n e a c c e l e r a t e s

a t 0 . 4 0 m / s 2

, t h e i r v e l o c i t y i s i n c r e a s i n g b y 0 . 4 m / s e a c h s e c o n d . D o e s t h i s s e e m r e a s o n a b l e ? I f s o , t h e t i m e

m u s t b e t o o l o n g . I t i s n o t p o s s i b l e f o r s o m e o n e t o a c c e l e r a t e a t a c o n s t a n t r a t e o f 0 . 4 0 m / s 2

f o r 1 0 0 s

( a l m o s t t w o m i n u t e s ) .

3 S e c t i o n S u m m a r y

T h e s i x b a s i c p r o b l e m s o l v i n g s t e p s f o r p h y s i c s a r e : S t e p 1 . E x a m i n e t h e s i t u a t i o n t o d e t e r m i n e w h i c h

p h y s i c a l p r i n c i p l e s a r e i n v o l v e d .

S t e p 2 . M a k e a l i s t o f w h a t i s g i v e n o r c a n b e i n f e r r e d f r o m t h e p r o b l e m a s s t a t e d ( i d e n t i f y t h e k n o w n s ) .

S t e p 3 . I d e n t i f y e x a c t l y w h a t n e e d s t o b e d e t e r m i n e d i n t h e p r o b l e m ( i d e n t i f y t h e u n k n o w n s ) .

S t e p 4 . F i n d a n e q u a t i o n o r s e t o f e q u a t i o n s t h a t c a n h e l p y o u s o l v e t h e p r o b l e m .

S t e p 5 . S u b s t i t u t e t h e k n o w n s a l o n g w i t h t h e i r u n i t s i n t o t h e a p p r o p r i a t e e q u a t i o n , a n d o b t a i n n u -

m e r i c a l s o l u t i o n s c o m p l e t e w i t h u n i t s .

S t e p 6 . C h e c k t h e a n s w e r t o s e e i f i t i s r e a s o n a b l e : D o e s i t m a k e s e n s e ?

4 C o n c e p t u a l Q u e s t i o n s

E x e r c i s e 1

W h a t i n f o r m a t i o n d o y o u n e e d i n o r d e r t o c h o o s e w h i c h e q u a t i o n o r e q u a t i o n s t o u s e t o s o l v e a

p r o b l e m ? E x p l a i n .

E x e r c i s e 2

W h a t i s t h e l a s t t h i n g y o u s h o u l d d o w h e n s o l v i n g a p r o b l e m ? E x p l a i n .


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