Konvertuokite vienetus: nm, mm ir cm į m, ir patikrinkite, ar kampai matuojami nuo normalės.
Patikrinkite ženklus ir tikėtinumą: menamas vaizdas turi dᵢ < 0, artėjantis šaltinis skamba aukščiau, uždaras vamzdis turi tik nelygines harmonikas.
2Uždaviniai
1.KinematikaVidutinis
108 km/h greičiu važiuojantis automobilis stabdo pastoviu 5 m/s² lėtėjimu, kol sustoja. Raskite stabdymo kelią s.
v₀ = 108 km/ha = −5 m/s²v = 0
s = m
2.KinematikaSunkus
Kamuolys metamas vertikaliai aukštyn 19 m/s greičiu nuo stogo, esančio 20 m virš žemės, krašto. Oro pasipriešinimo nepaisykite, g = 9,81 m/s². Raskite didžiausią aukštį hmax virš žemės.
v₀ = 19 m/sh₀ = 20 mg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Niutono dėsniaiVidutinis
20 kg dėžė pastoviu greičiu stumiama aukštyn 25° kampu į horizontalę pasvirusia rampa jėga, lygiagrečia rampai. Kinetinės trinties koeficientas 0,3. Imkite g = 9,81 m/s². Raskite stūmimo jėgą F.
m = 20 kgθ = 25°μ = 0,3g = 9,81 m/s²
F = N
4.Niutono dėsniaiSunkus
5,5 kg kaladėlė ant 30° rampos lengvu siūlu per skridinį be trinties rampos viršuje sujungta su kabančiu 7,5 kg kroviniu. Kabantis krovinys juda žemyn. Kinetinės trinties tarp kaladėlės ir rampos koeficientas 0,1. Imkite g = 9,81 m/s². Raskite siūlo įtempimo jėgą T.
m1 = 5,5 kgm2 = 7,5 kgθ = 30°μ = 0,1g = 9,81 m/s²
T = N
5.Sviedinio judėjimasVidutinis
Kamuolys metamas 20° kampu į horizontą nuo lygios žemės. Oro pasipriešinimo nepaisykite. Raskite didžiausią aukštį H, kurį pasiekia kamuolys.
v0 = 30 m/sθ = 20°g = 9,81 m/s²
H = m
6.Sviedinio judėjimasSunkus
Kamuolys nuo žemės paviršiaus išmetamas 22 m/s greičiu 70° kampu virš horizontalės. Jis nukrinta ant plokščio 15 m aukščio pastato stogo, jau leisdamasis žemyn. Nepaisykite oro pasipriešinimo ir imkite g = 9,81 m/s². Raskite horizontalųjį atstumą x nuo išmetimo taško iki nusileidimo vietos.
v₀ = 22 m/sθ = 70°hroof = 15 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Judėjimas apskritimuVidutinis
Mažas rutuliukas ant 0,6 m ilgio siūlo juda horizontaliu apskritimu taip, kad siūlas su vertikale sudaro pastovų 30° kampą (kūginė švytuoklė). Imkite g = 9,81 m/s². Raskite rutuliuko greitį v.
L = 0,6 mθ = 30°g = 9,81 m/s²
v = m/s
8.Judėjimas apskritimuSunkus
1,3 kg rutuliukas ant 0,8 m ilgio siūlo sukamas vertikaliu apskritimu. Žemiausiame taške jo greitis 6,5 m/s. Imkite g = 9,81 m/s². Raskite siūlo įtempimo jėgą T žemiausiame taške.
m = 1,3 kgr = 0,8 mv = 6,5 m/sg = 9,81 m/s²
T = N
9.Darbas ir energijaVidutinis
Kūnas be pradinio greičio slysta nuokalne, pasvirusia 30° kampu į horizontą. Kinetinės trinties koeficientas yra 0,1. Raskite jo greitį v, nuslydus 9 m nuokalne.
θ = 30°μ = 0,1d = 9 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
10.Darbas ir energijaSunkus
4 kg kūnas be pradinio greičio paleidžiamas 5 m aukštyje ant lygios rampos. Apačioje jis kerta šiurkščią horizontalią 2 m ilgio juostą (μ = 0,15) ir tada užvažiuoja ant spyruoklės (k = 1000 N/m) lygiu paviršiumi. Raskite kūno greitį v, kai jis pasiekia spyruoklę.
m = 4 kgh = 5 mL = 2 mμ = 0,15k = 1000 N/mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Judesio kiekis ir susidūrimaiVidutinis
19 kg sviedinys, horizontaliai judantis 34 m/s greičiu, sprogsta į dvi skeveldras, kurios juda ta pačia tiese. 1 kg skeveldra toliau juda pirmyn 80 m/s greičiu. Raskite 18 kg skeveldros greitį v′2 (teigiamas pradine kryptimi).
M = 19 kgu = 34 m/sm1 = 1 kgv′1 = 80 m/sm2 = 18 kg
v′2 = m/s
12.Judesio kiekis ir susidūrimaiSunkus
1100 kg automobilis atsitrenkia į stovintį 1200 kg automobilį. Sukibę automobiliai nuslysta 17 m ir sustoja. Kinetinės trinties tarp padangų ir kelio koeficientas 0,6. Imkite g = 9,81 m/s². Raskite pirmojo automobilio greitį v1 prieš pat susidūrimą.
Matematinės švytuoklės ilgis – 0,2 m. Imkite g = 9,81 m/s². Raskite jos periodą T, kai svyravimai maži.
L = 0,2 mg = 9,81 m/s²
T = s
14.Spyruoklės ir švytuoklėsSunkus
Krovinys ant spyruoklės, kurios k = 270 N/m, svyruoja ant paviršiaus be trinties 15 cm amplitude. Raskite spyruoklėje sukauptą energiją U, kai krovinys yra 12 cm atstumu nuo pusiausvyros padėties.
k = 270 N/mA = 15 cmx = 12 cm
U = J
15.Bangos, garsas ir optikaVidutinis
Daiktas yra 30 cm atstumu prieš ploną lęšį (sklaidomasis), kurio židinio nuotolis 8 cm. Raskite vaizdo atstumą di. Naudokite ženklų susitarimą 1/f = 1/do + 1/di (f < 0 sklaidomajam lęšiui, di < 0 menamam vaizdui).
do = 30 cmf = −8 cm
di = cm
16.Bangos, garsas ir optikaSunkus
Difrakcinė gardelė turi 300 linijų milimetrui. Šviesa, kurios bangos ilgis 550 nm, krinta į ją statmenai. Kokia didžiausia matoma šviesaus maksimumo eilė mmax?
N = 300 mm⁻¹λ = 550 nm
mmax =
3Tirpalai
1.Kinematika
Atsakymas: s = 90 m
Judėjimas pastoviu pagreičiu: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² ir v² = v₀² + 2·a·s. Pasirinkite lygtį, į kurią įeina trys žinomi dydžiai ir ieškomasis, ir ženklus derinkite su viena teigiama kryptimi.
Vienetai
v₀ = 108/3,6 = 30 m/s
Stabdymo kelias
0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 30²/(2·5) = 90 m
Atsakymas
s = 90 m
2.Kinematika
Atsakymas: hmax = 38,4 m
Judėjimas pastoviu pagreičiu: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² ir v² = v₀² + 2·a·s. Pasirinkite lygtį, į kurią įeina trys žinomi dydžiai ir ieškomasis, ir ženklus derinkite su viena teigiama kryptimi.
Pakilimas virš stogo
0 = v₀² − 2·g·Δh → Δh = 19²/(2·9,81) = 18,4 m
Aukštis virš žemės
hmax = 20 + 18,4 = 38,4 m
Atsakymas
hmax = 38,4 m
3.Niutono dėsniai
Atsakymas: F = 136,3 N
Newton’s second law: the net force on a body equals its mass times its acceleration, ΣF = m·a. Draw a free-body diagram, choose a positive direction along the motion, and add every force in that direction: applied forces, friction μ·N against the motion, and the components of gravity.
Jėgos išilgai nuokalnės
Pastovus greitis: jėgos atsveria viena kitą.
F = m·g·sin θ + μ·m·g·cos θ
Stūmimo jėga
F = 82,92 + 53,35 = 136,3 N
Atsakymas
F = 136,3 N
4.Niutono dėsniai
Atsakymas: T = 49,39 N
Newton’s second law: the net force on a body equals its mass times its acceleration, ΣF = m·a. Draw a free-body diagram, choose a positive direction along the motion, and add every force in that direction: applied forces, friction μ·N against the motion, and the components of gravity.
Jėgos išilgai siūlo
m₂·g = 73,58 N
m₁·g·sin θ = 26,98 N
μ·m₁·g·cos θ = 4,673 N
Sistemos pagreitis
a = (73,58 − 26,98 − 4,673)/13 = 3,225 m/s²
Siūlo įtempimo jėga iš kabančio krovinio
m2·g − T = m2·a → T = 7,5·(9,81 − 3,225) = 49,39 N
Atsakymas
T = 49,39 N
5.Sviedinio judėjimas
Atsakymas: H = 5,366 m
Sviedinio judėjimas: be oro pasipriešinimo x = vxt ir y = h + vyt − ½gt². Abi kryptys nepriklausomos, jas sieja tik tas pats laikas.
Išskaidykite pradinį greitį
Horizontalusis greitis pastovus; vertikalusis judėjimas turi pastovų pagreitį g = 9,81 m/s² žemyn.
vx = v0·cos θ = 30·cos 20° = 28,19 m/s
vy = v0·sin θ = 30·sin 20° = 10,26 m/s
Aukščiausias taškas
Viršuje vertikalusis greitis lygus nuliui: vy² = 2gH.
H = vy²/(2g) = 10,26²/(2·9,81) = 5,366 m
Atsakymas
H = 5,366 m
6.Sviedinio judėjimas
Atsakymas: x = 24,71 m
Projectile motion: with no air resistance, x = vxt and y = h + vyt − ½gt². The two directions are independent except that they share the same time.
Išskaidykite pradinį greitį
vx = 7,524 m/s, vy = 20,67 m/s
Laikas iki nusileidimo ant stogo
Didesnioji šaknis: kamuolys leidžiasi.
15 = 20,67·t − 4,905·t²
t = (20,67 + √(20,67² − 2·9,81·15))/9,81 = 3,283 s
Horizontalus atstumas
x = vx·t = 7,524·3,283 = 24,71 m
Atsakymas
x = 24,71 m
7.Judėjimas apskritimu
Atsakymas: v = 1,304 m/s
Uniform circular motion: an object moving at speed v on a circle of radius r accelerates towards the centre with a = v²/r, so it needs a net inward force F = m·v²/r. That force is supplied by something real: friction, tension, gravity or a normal force.
Apskritimo spindulys
r = L·sin θ = 0,6·sin 30° = 0,3 m
Greitis
Įtempimo ir sunkio jėgos kartu duoda į centrą nukreiptą jėgą: tan θ = v²/(r·g).
v = √(r·g·tan θ) = √(0,3·9,81·tan 30°) = 1,304 m/s
Atsakymas
v = 1,304 m/s
8.Judėjimas apskritimu
Atsakymas: T = 81,41 N
Tolygus judėjimas apskritimu: kūnas, judantis v greičiu r spindulio apskritimu, įgyja į centrą nukreiptą pagreitį a = v²/r, todėl jį turi veikti į centrą nukreipta atstojamoji jėga F = m·v²/r. Šią jėgą sukuria kas nors realaus: trintis, siūlo įtempimas, sunkio jėga arba normalinė jėga.
Jėgos žemiausiame taške
Į centrą (aukštyn) – teigiama kryptis.
T − m·g = m·v²/r
T = 1,3·9,81 + 1,3·6,5²/0,8 = 12,75 + 68,66 = 81,41 N
Atsakymas
T = 81,41 N
9.Darbas ir energija
Atsakymas: v = 8,544 m/s
Darbo ir energijos principas: kinetinės energijos pokytis lygus visų jėgų darbui. Sunkį ir spyruokles užrašius kaip potencinę energiją (mgh ir ½kx²), gaunamas balansas: pradinė energija = galutinė energija + trinčiai prarasta energija (μN·d).
Energijos balansas nuokalne
Kūnas nusileidžia d·sin θ aukščiu, o trintis atima μmg·cos θ·d. Masė susiprastina.
½v² = g·d·(sin θ − μ·cos θ)
v = √(2·9,81·9·(0,5 − 0,1·0,866)) = 8,544 m/s
Atsakymas
v = 8,544 m/s
10.Darbas ir energija
Atsakymas: v = 9,603 m/s
Darbo ir energijos principas: kinetinės energijos pokytis lygus visų jėgų darbui. Sunkį ir spyruokles užrašius kaip potencinę energiją (mgh ir ½kx²), gaunamas balansas: pradinė energija = galutinė energija + trinčiai prarasta energija (μN·d).
Energija po šiurkščios juostos
Rampa lygi, todėl energiją atima tik juosta.
mgh − μmgL = 39,24·(5 − 0,15·2) = 184,4 J
Greitis prie spyruoklės
½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9,81·4,7) = 9,603 m/s
Atsakymas
v = 9,603 m/s
11.Judesio kiekis ir susidūrimai
Atsakymas: v′2 = 31,44 m/s
Conservation of momentum: when no external force acts during a collision, the total momentum Σm·v before equals the total after. Velocities have a direction, so pick a positive direction and give velocities the other way a minus sign. In an elastic collision kinetic energy is conserved too; in a perfectly inelastic one the bodies stick together.
Judesio kiekis prieš
p = M·u = 19·34 = 646 kg·m/s
Judesio kiekis po
646 = 1·80 + 18·v′2
v′2 = (646 − 80)/18 = 31,44 m/s
Atsakymas
v′2 = 31,44 m/s
12.Judesio kiekis ir susidūrimai
Atsakymas: v1 = 29,58 m/s
Conservation of momentum: when no external force acts during a collision, the total momentum Σm·v before equals the total after. Velocities have a direction, so pick a positive direction and give velocities the other way a minus sign. In an elastic collision kinetic energy is conserved too; in a perfectly inelastic one the bodies stick together.
Harmoniniai svyravimai: m masės svarelis ant k standumo spyruoklės svyruoja kampiniu dažniu ω = √(k/m), o jo periodas T = 2π/ω = 2π·√(m/k). L ilgio matematinės švytuoklės periodas T = 2π·√(L/g). Kai amplitudė A, didžiausias greitis yra A·ω, didžiausias pagreitis A·ω², o energija ½·k·A².
Švytuoklės periodas
T = 2π·√(0,2/9,81) = 0,8971 s
Atsakymas
T = 0,8971 s
14.Spyruoklės ir švytuoklės
Atsakymas: U = 1,944 J
Simple harmonic motion: a mass m on a spring of stiffness k oscillates with angular frequency ω = √(k/m) and period T = 2π/ω = 2π·√(m/k). A simple pendulum of length L has T = 2π·√(L/g). With amplitude A, the largest speed is A·ω, the largest acceleration A·ω² and the energy ½·k·A².
Visa energija
E = ½·k·A² = ½·270·0,15² = 3,038 J
Spyruoklės energija taške x
U = ½·k·x² = ½·270·0,12² = 1,944 J
Atsakymas
U = 1,944 J
15.Bangos, garsas ir optika
Atsakymas: di = −6,316 cm
Geometrinė optika: ties riba n₁·sin θ₁ = n₂·sin θ₂ (Snelio dėsnis), kampai matuojami nuo normalės, o n = c/v. Patekęs į lėtesnę terpę spindulys lūžta normalės link. Iš tankesnės terpės (n₁ > n₂) už ribinio kampo θc = arcsin(n₂/n₁) visa šviesa atsispindi: visiškasis vidaus atspindys. Plonieji lęšiai ir sferiniai veidrodžiai paklūsta lygčiai 1/f = 1/do + 1/di su didinimu m = −di/do. Ženklų susitarimas: f > 0 glaudžiamajam lęšiui ir įgaubtam veidrodžiui (f = R/2), f < 0 sklaidomajam lęšiui ir iškiliam veidrodžiui; di > 0 tikrajam vaizdui, di < 0 menamajam, o m < 0 apverstam vaizdui.
Plonojo lęšio lygtis
1/di = 1/f − 1/do = 1/(−8) − 1/30
di = −6,316 cm
Spindulių diagrama
menamasis, toje pačioje pusėje kaip daiktas
Atsakymas
di = −6,316 cm
16.Bangos, garsas ir optika
Atsakymas: mmax = 6
Interferencija ir difrakcija: šviesa iš dviejų plyšių, nutolusių per atstumą d, pasiekia ekrano tašką su kelių skirtumu d·sin θ. Šviesūs ruožai atsiranda ten, kur d·sin θ = mλ (m = 0, ±1, ±2, …). Ekranui esant atstumu L ≫ d, m-tasis šviesus ruožas yra ties y = mλL/d, o ruožų tarpas Δy = λL/d. Gardelė su N linijų milimetrui turi d = 1/N ir aštrius maksimumus ties d·sin θ = mλ; kadangi sin θ ≤ 1, aukščiausia eilė yra didžiausias sveikasis m ≤ d/λ. Vieno a pločio plyšio tamsūs ruožai yra ties a·sin θ = mλ, m = ±1, ±2, …