Fizyka 1: Mechanika: zestaw na powtórkę

Wzory, najważniejsze kroki metod dla każdego tematu i 16 zadań do ćwiczenia, z pełnymi rozwiązaniami na końcu.

Nowe zadaniaWróć do przedmiotu

W oknie drukowania wybierz „Zapisz jako PDF”, aby zachować kopię na swoim urządzeniu.

1Wzory i metody

Kinematyka

Prędkość
v = v0 + a·t
Przemieszczenie
s = v0·t + ½·a·t²
Bez czasu
v² = v0² + 2·a·s
Jednostki
1 m/s = 3,6 km/h

Metoda

  1. Wypisz dane: v₀, v, a, t i s, z jednostkami.
  2. Wybierz równanie, które zawiera trzy znane wielkości i niewiadomą.
  3. Wybierz jeden kierunek dodatni i nadaj wielkościom przeciwnie skierowanym znak minus.
  4. Rozwiąż i sprawdź, czy odpowiedź ma sens fizyczny.

Zasady dynamiki Newtona

Druga zasada
ΣF = m·a
Ciężar
W = m·g
Tarcie kinetyczne
Ff = μ·N
Na równi pochyłej
wzdłuż: m·g·sin θ, prostopadle: m·g·cos θ

Metoda

  1. Narysuj schemat sił ze wszystkimi siłami działającymi na ciało.
  2. Wybierz kierunek dodatni wzdłuż ruchu.
  3. Rozłóż siły na składowe wzdłuż ruchu i prostopadłe do niego (na równi: m·g·sin θ wzdłuż, m·g·cos θ prostopadle do równi).
  4. Zastosuj ΣF = m·a wzdłuż ruchu; tarcie to μ·N przeciwnie do ruchu.

Rzut ukośny

Składowe
vx = v0cos θ, vy = v0sin θ
Położenie
x = vxt, y = h + vyt − ½gt²
Maksymalna wysokość
H = h + vy²/(2g)
Zasięg (teren płaski)
R = v0²·sin 2θ/g

Metoda

  1. Rozłóż prędkość początkową na składowe: vx = v₀·cos θ i vy = v₀·sin θ.
  2. Ruch poziomy ma stałą prędkość; ruch pionowy ma przyspieszenie −g.
  3. Wyznacz czas lotu z ruchu pionowego.
  4. Użyj tego czasu w ruchu poziomym, aby wyznaczyć zasięg.

Ruch po okręgu

Przyspieszenie dośrodkowe
a = v²/r = ω²·r
Siła dośrodkowa
F = m·v²/r
Prędkość kątowa
ω = v/r = 2π/T
Płaski zakręt, tarcie
vmax = √(μ·g·r)

Praca i energia

Energia kinetyczna
Ek = ½mv²
Energia potencjalna
Ep = mgh
Bilans energii
Ek1 + Ep1 + W = Ek2 + Ep2 + losses
Praca tarcia
W = μ·N·d
Moc
P = W/t

Pęd i zderzenia

Pęd
p = m·v
Zasada zachowania
Σm·v (before) = Σm·v (after)
Doskonale niesprężyste
v′ = (m1v1 + m2v2)/(m1 + m2)
Popęd siły
J = F·Δt = m·Δv

Metoda

  1. Wybierz kierunek dodatni i nadaj każdej prędkości znak.
  2. Zapisz całkowity pęd przed zderzeniem: Σm·v.
  3. W zderzeniu doskonale niesprężystym ciała poruszają się potem razem; w zderzeniu sprężystym zachowana jest także energia kinetyczna.
  4. Przyrównaj pęd przed do pędu po i rozwiąż.

Sprężyny i wahadła

Masa na sprężynie
T = 2π·√(m/k)
Wahadło
T = 2π·√(L/g)
Pulsacja
ω = √(k/m) = 2π/T
Maksymalna prędkość i przyspieszenie
vmax = A·ω, amax = A·ω²
Energia
E = ½·k·A²

Fale, dźwięk i optyka

Prędkość fali
v = fλ, T = 1/f
Struna
v = √(T/μ), μ = m/L
Poziom natężenia dźwięku
β = 10·log10(I/I0), I0 = 10⁻¹² W/m²
Źródło punktowe
I = P/(4πr²)
Fale stojące
struna lub rura otwarta fn = n·v/(2L); rura zamknięta fn = n·v/(4L), n nieparzyste
Efekt Dopplera
f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs)
Współczynnik załamania
n = c/v, λ = λ0/n
Prawo Snelliusa
n1sin θ1 = n2sin θ2
Kąt graniczny
sin θc = n2/n1
Światłowód
NA = sin θa = √(n1² − n2²)
Soczewki i zwierciadła
1/f = 1/do + 1/di, m = −di/do, mirror f = R/2
Podwójna szczelina
d·sin θ = mλ, ym = mλL/d
Siatka
d = 1/N, d·sin θ = mλ, mmax ≤ d/λ
Pojedyncza szczelina
a·sin θ = mλ (dark), w = 2λL/a

Metoda

  1. Rozpoznaj rodzaj zadania: prędkość fali, poziom dźwięku, fala stojąca, efekt Dopplera, załamanie, soczewka lub zwierciadło albo interferencja.
  2. Najpierw zapisz zależność: v = fλ, β = 10·log(I/I₀), fₙ = n·v/(2L) lub n·v/(4L), f′ = f(v ± vo)/(v ∓ vs), n₁sin θ₁ = n₂sin θ₂, 1/f = 1/d₀ + 1/dᵢ, d·sin θ = mλ.
  3. Zamień jednostki: nm, mm i cm na m, i sprawdź, czy kąty są mierzone od normalnej.
  4. Sprawdź znaki i wiarygodność: obraz pozorny ma dᵢ < 0, zbliżające się źródło brzmi wyżej, rura zamknięta ma tylko harmoniczne nieparzyste.

2Zadania do ćwiczenia

1.KinematykaŚredni
t (s)v (m/s)2,143 s15

Samochód jadący z prędkością 54 km/h hamuje ze stałym opóźnieniem 7 m/s² aż do zatrzymania. Wyznacz drogę hamowania s.

v₀ = 54 km/ha = −7 m/s²v = 0
s = m
2.KinematykaTrudny
d = ?

Kamień zostaje upuszczony bez prędkości początkowej do studni. Plusk słychać 2 s po puszczeniu kamienia. Prędkość dźwięku wynosi 343 m/s; pomiń opór powietrza i przyjmij g = 9,81 m/s². Wyznacz głębokość d studni.

ttotal = 2 svsound = 343 m/sg = 9,81 m/s²
d = m
3.Zasady dynamiki NewtonaŚredni
θ = 25°a = ?m = 11 kg

Klocek o masie 11 kg zsuwa się po równi nachylonej pod kątem 25° do poziomu. Współczynnik tarcia kinetycznego wynosi 0,3. Przyjmij g = 9,81 m/s². Wyznacz przyspieszenie a klocka wzdłuż równi.

m = 11 kgθ = 25°μ = 0,3g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Zasady dynamiki NewtonaTrudny
m1​ = 5 kg2 kgbez tarcia

Klocek o masie 5 kg na poziomym stole jest połączony lekką nicią przerzuconą przez nieważki bloczek bez tarcia z wiszącym ciężarkiem o masie 2 kg. Stół jest gładki (bez tarcia). Przyjmij g = 9,81 m/s². Wyznacz przyspieszenie a układu.

m1 = 5 kgm2 = 2 kgμ = 0g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Rzut ukośnyŚredni
v0​ = 12 m/s35°zasięg

Piłka zostaje wyrzucona pod kątem 35° do poziomu z płaskiego terenu. Pomiń opór powietrza. Wyznacz czas lotu t, zanim piłka uderzy w ziemię.

v0 = 12 m/sθ = 35°g = 9,81 m/s²
t = s
6.Rzut ukośnyTrudny
h = 25 mv0​ = 23 m/s55°zasięg

Piłka zostaje wyrzucona pod kątem 55° do poziomu ze szczytu klifu o wysokości 25 m. Pomiń opór powietrza. Wyznacz czas lotu t, zanim piłka uderzy w ziemię.

v0 = 23 m/sθ = 55°h = 25 mg = 9,81 m/s²
t = s
7.Ruch po okręguŚredni
r = 125 mvmax​ = ?

Samochód pokonuje płaski zakręt o promieniu 125 m. Współczynnik tarcia statycznego między oponami a jezdnią wynosi 0,7. Przyjmij g = 9,81 m/s². Wyznacz największą prędkość vmax, z jaką samochód może pokonać zakręt bez poślizgu.

r = 125 mμs = 0,7g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Ruch po okręguTrudny
θ = 25°do środkavmin​ = ?

Zakręt o promieniu 170 m ma przechyłkę 25°, a współczynnik tarcia statycznego między oponami a drogą wynosi 0,2. Przyjmij g = 9,81 m/s². Wyznacz najmniejszą prędkość vmin, z jaką samochód może pokonać zakręt, nie zsuwając się w dół skarpy.

r = 170 mθ = 25°μs = 0,2g = 9,81 m/s²
vmin = m/s
9.Praca i energiaŚredni
0,5 kgk = 1500 N/mh = ?

Zabawkowa wyrzutnia ma pionową sprężynę o sztywności 1500 N/m. Kładzie się na niej kulkę o masie 0,5 kg, ściska sprężynę o 5 cm, a następnie ją zwalnia. Pomijając opór powietrza i masę sprężyny, wyznacz wysokość h, na jaką wzniesie się kulka, mierzoną od jej położenia przy ściśniętej sprężynie.

m = 0,5 kgk = 1500 N/mx = 5 cmg = 9,81 m/s²
h = m
10.Praca i energiaTrudny
F = 40 N15°μ = 0,25 kg

Klocek o masie 5 kg rusza ze spoczynku u podstawy zbocza nachylonego pod kątem 15° i jest ciągnięty w górę zbocza stałą siłą 40 N równoległą do zbocza. Współczynnik tarcia kinetycznego wynosi 0,2. Wyznacz prędkość v klocka po przebyciu 4 m w górę zbocza.

m = 5 kgF = 40 Nθ = 15°μ = 0,2d = 4 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Pęd i zderzeniaŚredni
4,5 kg11 m/s3,5 kg

Wózek o masie 4,5 kg jadący z prędkością 11 m/s zderza się czołowo i doskonale sprężyście ze spoczywającym wózkiem o masie 3,5 kg na torze bez tarcia. Wyznacz prędkość v′2 drugiego wózka po zderzeniu.

m1 = 4,5 kgm2 = 3,5 kgv1 = 11 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.Pęd i zderzeniaTrudny
18 m/s6 m/s

Piłka o masie 0,25 kg uderza w ścianę z prędkością 18 m/s i odbija się prosto do tyłu z prędkością 6 m/s. Kontakt trwa 20 ms. Wyznacz wartość popędu J, który ściana przekazuje piłce.

m = 0,25 kgvin = 18 m/svout = 6 m/sΔt = 20 ms
J = N·s
13.Sprężyny i wahadłaŚredni
3 kgk = 200 N/mA = 8 cmx = 7 cm

Ciężarek o masie 3 kg na sprężynie o k = 200 N/m drga na powierzchni bez tarcia z amplitudą 8 cm. Wyznacz jego prędkość v, gdy znajduje się 7 cm od położenia równowagi.

m = 3 kgk = 200 N/mA = 8 cmx = 7 cm
v = m/s
14.Sprężyny i wahadłaTrudny
2,7 kgk = 190 N/mA = 19 cm

Masę 2,7 kg na sprężynie o k = 190 N/m odciągnięto o 19 cm od położenia równowagi i puszczono. Wyznacz jej maksymalną prędkość vmax.

m = 2,7 kgk = 190 N/mA = 19 cm
vmax = m/s
15.Fale, dźwięk i optykaŚredni
FFdo​ = 4 cmf = −15 cm

Przedmiot stoi 4 cm przed cienką soczewką (typ: rozpraszająca) o ogniskowej 15 cm. Znajdź odległość obrazu di. Użyj konwencji znaków 1/f = 1/do + 1/di (f < 0 dla soczewki rozpraszającej, di < 0 dla obrazu pozornego).

do = 4 cmf = −15 cm
di = cm
16.Fale, dźwięk i optykaTrudny
λ = ?51,9°

Siatka o 1200 liniach na milimetr pokazuje maksimum rzędu 1 linii widmowej pod kątem 51,9° od kierunku prostego. Znajdź długość fali λ tej linii.

N = 1200 mm⁻¹θ1 = 51,9°m = 1
λ = nm

3Roztwory

1.Kinematyka

Odpowiedź: s = 16,07 m

Ruch ze stałym przyspieszeniem: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² i v² = v₀² + 2·a·s. Wybierz równanie, które zawiera trzy znane wielkości i tę szukaną, i trzymaj się znaków zgodnych z jednym kierunkiem dodatnim.

Jednostki

v₀ = 54/3,6 = 15 m/s

Droga hamowania

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 15²/(2·7) = 16,07 m

Odpowiedź

s = 16,07 m
2.Kinematyka

Odpowiedź: d = 18,57 m

Motion with constant acceleration: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² and v² = v₀² + 2·a·s. Pick the equation that contains the three things you know and the one you want, and keep the signs consistent with one positive direction.

Dwie części czasu

½·9,81·t₁² = 343·(2 − t₁)
4,905·t₁² + 343·t₁ − 686 = 0

Czas spadania

Sens fizyczny ma tylko dodatni pierwiastek.

t₁ = (−343 + √(343² + 4·4,905·686))/(2·4,905) = 1,946 s

Głębokość

d = ½·9,81·1,946² = 18,57 m

Odpowiedź

d = 18,57 m
3.Zasady dynamiki Newtona

Odpowiedź: a = 1,479 m/s²

Druga zasada dynamiki Newtona: siła wypadkowa działająca na ciało jest równa iloczynowi jego masy i przyspieszenia, ΣF = m·a. Narysuj schemat sił, wybierz kierunek dodatni wzdłuż ruchu i dodaj wszystkie siły w tym kierunku: siły przyłożone, tarcie μ·N przeciwne do ruchu i składowe siły ciężkości.

Siły wzdłuż równi

Kierunek w dół równi jest dodatni.

m·a = m·g·sin θ − μ·m·g·cos θ

Przyspieszenie

a = 9,81·(sin 25° − 0,3·cos 25°) = 9,81·(0,4226 − 0,2719) = 1,479 m/s²

Odpowiedź

a = 1,479 m/s²
4.Zasady dynamiki Newtona

Odpowiedź: a = 2,803 m/s²

Druga zasada dynamiki Newtona: siła wypadkowa działająca na ciało jest równa iloczynowi jego masy i przyspieszenia, ΣF = m·a. Narysuj schemat sił, wybierz kierunek dodatni wzdłuż ruchu i dodaj wszystkie siły w tym kierunku: siły przyłożone, tarcie μ·N przeciwne do ruchu i składowe siły ciężkości.

Przyspieszenie układu

a = (m2·g − μ·m1·g)/(m1 + m2) = (19,62 − 0)/7 = 2,803 m/s²

Odpowiedź

a = 2,803 m/s²
5.Rzut ukośny

Odpowiedź: t = 1,403 s

Rzut ukośny: bez oporu powietrza x = vxt i y = h + vyt − ½gt². Oba kierunki są niezależne, łączy je tylko ten sam czas.

Rozłóż prędkość początkową

Prędkość pozioma jest stała; ruch pionowy ma stałe przyspieszenie g = 9,81 m/s² w dół.

vx = v0·cos θ = 12·cos 35° = 9,83 m/s
vy = v0·sin θ = 12·sin 35° = 6,883 m/s

Czas lotu

Start i lądowanie na tej samej wysokości: t = 2vy/g.

t = 2·6,883/9,81 = 1,403 s

Odpowiedź

t = 1,403 s
6.Rzut ukośny

Odpowiedź: t = 4,885 s

Rzut ukośny: bez oporu powietrza x = vxt i y = h + vyt − ½gt². Oba kierunki są niezależne, łączy je tylko ten sam czas.

Rozłóż prędkość początkową

Prędkość pozioma jest stała; ruch pionowy ma stałe przyspieszenie g = 9,81 m/s² w dół.

vx = v0·cos θ = 23·cos 55° = 13,19 m/s
vy = v0·sin θ = 23·sin 55° = 18,84 m/s

Czas lotu

Rozwiąż y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0, biorąc dodatni pierwiastek.

0 = 25 + 18,84·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (18,84 + √(355 + 490,5))/9,81 = 4,885 s

Odpowiedź

t = 4,885 s
7.Ruch po okręgu

Odpowiedź: vmax = 29,3 m/s

Ruch jednostajny po okręgu: ciało poruszające się z prędkością v po okręgu o promieniu r ma przyspieszenie skierowane do środka a = v²/r, więc potrzebuje wypadkowej siły skierowanej do środka F = m·v²/r. Tę siłę zapewnia coś rzeczywistego: tarcie, naciąg nici, grawitacja albo siła reakcji.

Tarcie pełni rolę siły dośrodkowej

m·v²/r = μ·m·g
v = √(μ·g·r) = √(0,7·9,81·125) = 29,3 m/s

Odpowiedź

vmax = 29,3 m/s (105,5 km/h)
8.Ruch po okręgu

Odpowiedź: vmin = 20,16 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.

Równowaga sił

Tarcie jest skierowane w górę zbocza.

N·(sin θ − μ·cos θ) = m·v²/r
N·(cos θ + μ·sin θ) = m·g

Prędkość

v = √(170·9,81·0,2414/0,9908) = 20,16 m/s

Odpowiedź

vmin = 20,16 m/s
(72,56 km/h)
9.Praca i energia

Odpowiedź: h = 0,3823 m

Zasada pracy i energii: zmiana energii kinetycznej równa się pracy wszystkich sił. Zapisanie grawitacji i sprężyn jako energii potencjalnej (mgh i ½kx²) daje bilans: energia początkowa = energia końcowa + energia stracona na tarcie (μN·d).

Energia sprężyny

x = 5 cm = 0,05 m
½kx² = ½·1500·0,05² = 1,875 J

Wysokość

m·g = 0,5·9,81 = 4,905 N
h = ½kx²/(mg) = 1,875/4,905 = 0,3823 m

Odpowiedź

h = 0,3823 m
10.Praca i energia

Odpowiedź: v = 5,341 m/s

Zasada pracy i energii: zmiana energii kinetycznej równa się pracy wszystkich sił. Zapisanie grawitacji i sprężyn jako energii potencjalnej (mgh i ½kx²) daje bilans: energia początkowa = energia końcowa + energia stracona na tarcie (μN·d).

Siły wzdłuż równi

m·g = 5·9,81 = 49,05 N
mg·sin θ = 12,7 N
μ·mg·cos θ = 9,476 N

Praca i energia

½mv² = (40 − 22,17)·4 = 71,32 J
v = √(2·71,32/5) = 5,341 m/s

Odpowiedź

v = 5,341 m/s
11.Pęd i zderzenia

Odpowiedź: v′2 = 12,38 m/s

Zasada zachowania pędu: gdy podczas zderzenia nie działa żadna siła zewnętrzna, całkowity pęd Σm·v przed zderzeniem równa się całkowitemu pędowi po nim. Prędkości mają kierunek, więc wybierz kierunek dodatni i prędkościom o przeciwnym zwrocie nadaj znak minus. W zderzeniu sprężystym zachowana jest też energia kinetyczna; w doskonale niesprężystym ciała łączą się ze sobą.

Zderzenie sprężyste ze spoczywającym ciałem

Rozwiązanie razem zasad zachowania pędu i energii daje te dwa wyniki.

v′1 = (4,5 − 3,5)/(4,5 + 3,5)·11 = 1,375 m/s
v′2 = 2·4,5/(4,5 + 3,5)·11 = 12,38 m/s

Odpowiedź

v′2 = 12,38 m/s
12.Pęd i zderzenia

Odpowiedź: J = 6 N·s

Zasada zachowania pędu: gdy podczas zderzenia nie działa żadna siła zewnętrzna, całkowity pęd Σm·v przed zderzeniem równa się całkowitemu pędowi po nim. Prędkości mają kierunek, więc wybierz kierunek dodatni i prędkościom o przeciwnym zwrocie nadaj znak minus. W zderzeniu sprężystym zachowana jest też energia kinetyczna; w doskonale niesprężystym ciała łączą się ze sobą.

Zmiana pędu

J = m·Δv = 0,25·(6 + 18) = 6 N·s

Odpowiedź

J = 6 N·s
13.Sprężyny i wahadła

Odpowiedź: v = 0,3162 m/s

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.

Pulsacja

ω = √(200/3) = 8,165 rad/s

Prędkość w x

v = ω·√(A² − x²) = 8,165·√(0,08² − 0,07²) = 0,3162 m/s

Odpowiedź

v = 0,3162 m/s
14.Sprężyny i wahadła

Odpowiedź: vmax = 1,594 m/s

Ruch harmoniczny prosty: masa m na sprężynie o współczynniku sprężystości k drga z częstością kołową ω = √(k/m) i okresem T = 2π/ω = 2π·√(m/k). Wahadło matematyczne o długości L ma T = 2π·√(L/g). Przy amplitudzie A największa prędkość wynosi A·ω, największe przyspieszenie A·ω², a energia ½·k·A².

Pulsacja

ω = √(190/2,7) = 8,389 rad/s

Maksymalna prędkość

vmax = A·ω = 0,19·8,389 = 1,594 m/s

Odpowiedź

vmax = 1,594 m/s
15.Fale, dźwięk i optyka

Odpowiedź: di = −3,158 cm

Optyka geometryczna: na granicy ośrodków n₁·sin θ₁ = n₂·sin θ₂ (prawo Snelliusa), kąty mierzy się od normalnej, a n = c/v. Przy wejściu do wolniejszego ośrodka promień załamuje się ku normalnej. Przy przejściu z ośrodka gęstszego (n₁ > n₂), powyżej kąta granicznego θc = arcsin(n₂/n₁), całe światło zostaje odbite: całkowite wewnętrzne odbicie. Cienkie soczewki i zwierciadła sferyczne spełniają 1/f = 1/do + 1/di z powiększeniem m = −di/do. Konwencja znaków: f > 0 dla soczewki skupiającej i zwierciadła wklęsłego (f = R/2), f < 0 dla soczewki rozpraszającej i zwierciadła wypukłego; di > 0 dla obrazu rzeczywistego, di < 0 dla pozornego, a m < 0 dla obrazu odwróconego.

Równanie cienkiej soczewki

1/di = 1/f − 1/do = 1/(−15) − 1/4
di = −3,158 cm
FF4 cmf = −15 cm

Diagram promieni

pozorny, po tej samej stronie co przedmiot

Odpowiedź

di = −3,158 cm
16.Fale, dźwięk i optyka

Odpowiedź: λ = 655,8 nm

Interferencja i dyfrakcja: światło z dwóch szczelin odległych o d dociera do punktu na ekranie z różnicą dróg d·sin θ. Jasne prążki pojawiają się tam, gdzie d·sin θ = mλ (m = 0, ±1, ±2, …). Dla ekranu w odległości L ≫ d m-ty jasny prążek leży w y = mλL/d, a odstęp między prążkami wynosi Δy = λL/d. Siatka z N liniami na milimetr ma d = 1/N i ostre maksima dla d·sin θ = mλ; ponieważ sin θ ≤ 1, najwyższy rząd to największa liczba całkowita m ≤ d/λ. Pojedyncza szczelina o szerokości a ma ciemne prążki dla a·sin θ = mλ, m = ±1, ±2, …

Długość fali

λ = d·sin θ/m = 8,333 × 10⁻⁷·sin 51,9°/1 = 655,8 nm

Odpowiedź

λ = 655,8 nm

ExamProblems · examproblems.com/courses/physics-1-mechanics