Переведите единицы: nm, mm и cm в m, и проверьте, отсчитываются ли углы от нормали.
Проверьте знаки и правдоподобие: у мнимого изображения dᵢ < 0, приближающийся источник звучит выше, у закрытой трубы только нечётные гармоники.
2Тренировочные задачи
1.КинематикаСредняя
Автомобиль, едущий со скоростью 108 km/h, тормозит с постоянным замедлением 7 m/s² до полной остановки. Найдите тормозной путь s.
v₀ = 108 km/ha = −7 m/s²v = 0
s = m
2.КинематикаСложная
Камень без начальной скорости падает в колодец. Всплеск слышен через 1,7 s после того, как камень отпустили. Скорость звука 343 m/s; пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите глубину d колодца.
ttotal = 1,7 svsound = 343 m/sg = 9,81 m/s²
d = m
3.Законы НьютонаСредняя
Ящик скользит по горизонтальному полу с начальной скоростью 4,5 m/s и останавливается через 5,2 m. Примите g = 9,81 m/s². Найдите коэффициент трения скольжения μ.
v₀ = 4,5 m/sd = 5,2 mg = 9,81 m/s²
μ =
4.Законы НьютонаСложная
Брусок массой 2,5 kg на горизонтальном столе соединён лёгкой нитью, перекинутой через блок без трения, с подвешенным грузом массой 0,5 kg. Коэффициент трения скольжения между бруском и столом 0,1. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a системы.
m1 = 2,5 kgm2 = 0,5 kgμ = 0,1g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
Мяч бросают с горизонтальной поверхности под углом 50° к горизонту, и он падает на расстоянии 100 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите начальную скорость v0.
θ = 50°R = 100 mg = 9,81 m/s²
v0 = m/s
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
Мяч бросают под углом 15° к горизонту с вершины скалы высотой 45 m. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите горизонтальное расстояние x, которое мяч пролетает до удара о землю.
v0 = 14 m/sθ = 15°h = 45 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Движение по окружностиСредняя
Автомобиль проходит горизонтальный поворот радиусом 65 m. Коэффициент трения покоя между шинами и дорогой 0,4. Примите g = 9,81 m/s². Найдите наибольшую скорость vmax, с которой автомобиль может пройти поворот без заноса.
r = 65 mμs = 0,4g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Движение по окружностиСложная
Шарик на нити длиной 1,5 m вращают по вертикальной окружности. Примите g = 9,81 m/s². При какой наименьшей скорости vmin в верхней точке нить ещё остаётся натянутой?
r = 1,5 mg = 9,81 m/s²
vmin = m/s
9.Работа и энергияСредняя
Брусок без начальной скорости скользит по наклонной плоскости под углом 45° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,2. Найдите его скорость v после того, как он проскользит 19 m вдоль плоскости.
θ = 45°μ = 0,2d = 19 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
10.Работа и энергияСложная
Тележку массой 5 kg отпускают без начальной скорости на высоте 6,8 m на гладкой трассе, переходящей в вертикальную «мёртвую петлю» радиусом 1,5 m. Найдите скорость v тележки в верхней точке петли.
m = 5 kgh = 6,8 mR = 1,5 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Импульс и столкновенияСредняя
Тележка массой 3,5 kg, движущаяся со скоростью 6 m/s, испытывает абсолютно упругий центральный удар с покоящейся тележкой массой 4 kg на дорожке без трения. Найдите скорость v′2 второй тележки после столкновения.
m1 = 3,5 kgm2 = 4 kgv1 = 6 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.Импульс и столкновенияСложная
На перекрёстке автомобиль массой 1200 kg, едущий на восток со скоростью 21 m/s, сталкивается с автомобилем массой 1500 kg, едущим на север со скоростью 22 m/s. Автомобили сцепляются. Найдите скорость v′ обломков сразу после столкновения.
m1 = 1200 kgv1 = 21 m/s (E)m2 = 1500 kgv2 = 22 m/s (N)
v′ = m/s
13.Пружины и маятникиСредняя
Груз массой 3,3 kg на пружине с k = 300 N/m колеблется на поверхности без трения с амплитудой 9 cm. Найдите его скорость v на расстоянии 1 cm от положения равновесия.
m = 3,3 kgk = 300 N/mA = 9 cmx = 1 cm
v = m/s
14.Пружины и маятникиСложная
Груз массой 2,6 kg на пружине с k = 460 N/m оттягивают на 10 cm от положения равновесия и отпускают. Найдите полную энергию E колебаний.
m = 2,6 kgk = 460 N/mA = 10 cm
E = J
15.Волны, звук и оптикаСредняя
Свет идёт в среде «крон» (n = 1,50) к плоской границе со средой «вода» (n = 1,33). Найдите критический угол θc, за пределом которого происходит полное отражение.
n1 = 1,50n2 = 1,33
θc = °
16.Волны, звук и оптикаСложная
Неподвижный парковочный датчик посылает ультразвук 20 kHz на автомобиль, удаляющийся со скоростью 15 m/s. Найдите частоту f″ эха, принятого обратно датчиком (скорость звука 343 m/s).
f = 20 kHzu = 15 m/sv = 343 m/s
f″ = Hz
3Растворы
1.Кинематика
Ответ: s = 64,29 m
Движение с постоянным ускорением: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² и v² = v₀² + 2·a·s. Выберите уравнение, в которое входят три известные величины и искомая, и следите за знаками относительно одного положительного направления.
Единицы
v₀ = 108/3,6 = 30 m/s
Тормозной путь
0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 30²/(2·7) = 64,29 m
Ответ
s = 64,29 m
2.Кинематика
Ответ: d = 13,53 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.
Две части времени
½·9,81·t₁² = 343·(1,7 − t₁)
4,905·t₁² + 343·t₁ − 583,1 = 0
Время падения
Физический смысл имеет только положительный корень.
t₁ = (−343 + √(343² + 4·4,905·583,1))/(2·4,905) = 1,661 s
Глубина
d = ½·9,81·1,661² = 13,53 m
Ответ
d = 13,53 m
3.Законы Ньютона
Ответ: μ = 0,1985
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.
Замедление
a = v₀²/(2d) = 4,5²/(2·5,2) = 1,947 m/s²
Коэффициент трения
μ·m·g = m·a → μ = a/g = 1,947/9,81 = 0,1985
Ответ
μ = 0,1985
4.Законы Ньютона
Ответ: a = 0,8175 m/s²
Второй закон Ньютона: равнодействующая сил, действующих на тело, равна произведению его массы на ускорение, ΣF = m·a. Нарисуйте расчётную схему, выберите положительное направление вдоль движения и сложите все силы в этом направлении: приложенные силы, трение μ·N против движения и составляющие силы тяжести.
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.
Выражаем v₀ из формулы дальности
v₀ = √(g·R/sin 2θ) = √(9,81·100/sin 100°) = 31,56 m/s
Ответ
v0 = 31,56 m/s
6.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: x = 46,26 m
Движение тела, брошенного под углом: без сопротивления воздуха x = vxt и y = h + vyt − ½gt². Оба направления независимы, их связывает только общее время.
Разложите начальную скорость
Горизонтальная скорость постоянна; вертикальное движение имеет постоянное ускорение g = 9,81 m/s² вниз.
vx = v0·cos θ = 14·cos 15° = 13,52 m/s
vy = v0·sin θ = 14·sin 15° = 3,623 m/s
Время полёта
Решите y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0 и возьмите положительный корень.
0 = 45 + 3,623·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (3,623 + √(13,13 + 882,9))/9,81 = 3,421 s
Горизонтальное расстояние
x = vx·t = 13,52·3,421 = 46,26 m
Ответ
x = 46,26 m
7.Движение по окружности
Ответ: vmax = 15,97 m/s
Равномерное движение по окружности: тело, движущееся со скоростью v по окружности радиуса r, имеет ускорение a = v²/r, направленное к центру, поэтому на него должна действовать направленная к центру равнодействующая сила F = m·v²/r. Эту силу создаёт что-то реальное: трение, натяжение, сила тяжести или сила нормальной реакции.
Трение создаёт центростремительную силу
m·v²/r = μ·m·g
v = √(μ·g·r) = √(0,4·9,81·65) = 15,97 m/s
Ответ
vmax = 15,97 m/s (57,49 km/h)
8.Движение по окружности
Ответ: vmin = 3,836 m/s
Равномерное движение по окружности: тело, движущееся со скоростью v по окружности радиуса r, имеет ускорение a = v²/r, направленное к центру, поэтому на него должна действовать направленная к центру равнодействующая сила F = m·v²/r. Эту силу создаёт что-то реальное: трение, натяжение, сила тяжести или сила нормальной реакции.
Нулевое натяжение в верхней точке
m·g = m·v²/r → v = √(g·r) = √(9,81·1,5) = 3,836 m/s
Ответ
vmin = 3,836 m/s
9.Работа и энергия
Ответ: v = 14,52 m/s
Теорема об изменении кинетической энергии: изменение кинетической энергии равно работе всех сил. Если записать тяжесть и пружины как потенциальную энергию (mgh и ½kx²), получается баланс: начальная энергия = конечная энергия + энергия, потерянная на трение (μN·d).
Энергетический баланс вдоль плоскости
Брусок опускается на высоту d·sin θ, а трение забирает μmg·cos θ·d. Масса сокращается.
½v² = g·d·(sin θ − μ·cos θ)
v = √(2·9,81·19·(0,7071 − 0,2·0,7071)) = 14,52 m/s
Ответ
v = 14,52 m/s
10.Работа и энергия
Ответ: v = 8,635 m/s
Теорема об изменении кинетической энергии: изменение кинетической энергии равно работе всех сил. Если записать тяжесть и пружины как потенциальную энергию (mgh и ½kx²), получается баланс: начальная энергия = конечная энергия + энергия, потерянная на трение (μN·d). При движении по окружности равнодействующая, направленная к центру, должна быть равна mv²/r.
Скорость в верхней точке
v² = 2g(h − 2R) = 2·9,81·(6,8 − 3) = 74,56 m²/s²
v = 8,635 m/s
Ответ
v = 8,635 m/s
Тележка едва проходит петлю при h = 2,5R; тогда в верхней точке N = 0.
11.Импульс и столкновения
Ответ: v′2 = 5,6 m/s
Закон сохранения импульса: если во время столкновения внешние силы не действуют, суммарный импульс Σm·v до столкновения равен суммарному импульсу после. Скорость имеет направление, поэтому выберите положительное направление и скорости, направленные в противоположную сторону, берите со знаком минус. При упругом столкновении сохраняется и кинетическая энергия; при абсолютно неупругом тела слипаются.
Упругий удар о покоящееся тело
Совместное решение уравнений сохранения импульса и энергии даёт эти два результата.
v′1 = (3,5 − 4)/(3,5 + 4)·6 = −0,4 m/s
v′2 = 2·3,5/(3,5 + 4)·6 = 5,6 m/s
Ответ
v′2 = 5,6 m/s
12.Импульс и столкновения
Ответ: v′ = 15,38 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.
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.
Угловая частота
ω = √(300/3,3) = 9,535 rad/s
Скорость в точке x
v = ω·√(A² − x²) = 9,535·√(0,09² − 0,01²) = 0,8528 m/s
Ответ
v = 0,8528 m/s
14.Пружины и маятники
Ответ: E = 2,3 J
Гармонические колебания: груз массой m на пружине жёсткостью k колеблется с угловой частотой ω = √(k/m) и периодом T = 2π/ω = 2π·√(m/k). Математический маятник длиной L имеет период T = 2π·√(L/g). При амплитуде A наибольшая скорость равна A·ω, наибольшее ускорение — A·ω², а энергия — ½·k·A².
Угловая частота
ω = √(460/2,6) = 13,3 rad/s
Энергия
E = ½·k·A² = ½·460·0,1² = 2,3 J
Ответ
E = 2,3 J
15.Волны, звук и оптика
Ответ: θc = 62,46 °
Геометрическая оптика: на границе n₁·sin θ₁ = n₂·sin θ₂ (закон Снеллиуса), углы отсчитываются от нормали, а n = c/v. При входе в более медленную среду луч приближается к нормали. Из более плотной среды (n₁ > n₂) за пределом критического угла θc = arcsin(n₂/n₁) весь свет отражается: полное внутреннее отражение. Тонкие линзы и сферические зеркала подчиняются уравнению 1/f = 1/do + 1/di с увеличением m = −di/do. Правило знаков: f > 0 для собирающей линзы и вогнутого зеркала (f = R/2), f < 0 для рассеивающей линзы и выпуклого зеркала; di > 0 для действительного изображения, di < 0 для мнимого, а m < 0 для перевёрнутого изображения.
Преломление под 90°
sin θc = n₂/n₁ = 1,33/1,50 = 0,8867
Критический угол
θc = arcsin(0,8867) = 62,46°
Ответ
θc = 62,46°
16.Волны, звук и оптика
Ответ: f″ = 18324 Hz
Стоячие волны и эффект Доплера: в струне, закреплённой с обоих концов, или в трубе, открытой с обоих концов, укладывается целое число полуволн: L = nλ/2, fn = n·v/(2L), n = 1, 2, 3, … У трубы, закрытой с одного конца, на закрытом конце узел, а на открытом пучность: L = nλ/4 только при нечётных n, fn = n·v/(4L). Когда источник или наблюдатель движутся вдоль линии между ними, f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs): верхние знаки берите для движения навстречу друг другу. Две волны почти равной частоты дают биения с частотой |f₁ − f₂|.