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
Водитель, едущий со скоростью 108 km/h, видит препятствие. Время её реакции 0,6 s, после чего автомобиль тормозит с постоянным замедлением 5 m/s². Найдите полный остановочный путь d с момента, когда она увидела препятствие.
v₀ = 108 km/htr = 0,6 sa = −5 m/s²
d = m
2.КинематикаСложная
Камень без начальной скорости падает в колодец. Всплеск слышен через 4,9 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 = 4,9 svsound = 343 m/sg = 9,81 m/s²
d = m
3.Законы НьютонаСредняя
Ящик массой 15 kg толкают вверх по наклонной плоскости под углом 20° к горизонту с постоянной скоростью силой, параллельной плоскости. Коэффициент трения скольжения равен 0,25. Примите g = 9,81 m/s². Найдите толкающую силу F.
m = 15 kgθ = 20°μ = 0,25g = 9,81 m/s²
F = N
4.Законы НьютонаСложная
Брусок массой 4 kg на наклонной плоскости под углом 30° связан лёгкой нитью, перекинутой через блок без трения на вершине плоскости, с висящим грузом массой 7 kg. Висящий груз движется вниз. Наклонная плоскость гладкая (без трения). Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T нити.
m1 = 4 kgm2 = 7 kgθ = 30°μ = 0g = 9,81 m/s²
T = N
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
Мяч бросают под углом 30° к горизонту с ровной поверхности. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите горизонтальное расстояние x, которое мяч пролетает до удара о землю.
v0 = 24 m/sθ = 30°g = 9,81 m/s²
x = m
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
Мяч бросают со скоростью 12 m/s под углом 20° к горизонту с вершины обрыва высотой 45 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Под каким углом α к горизонту (ниже горизонта) он ударяется о землю?
v₀ = 12 m/sθ = 20°h = 45 mg = 9,81 m/s²
α = °
7.Движение по окружностиСредняя
Автомобиль проходит горизонтальный поворот радиусом 150 m. Коэффициент трения покоя между шинами и дорогой 0,3. Примите g = 9,81 m/s². Найдите наибольшую скорость vmax, с которой автомобиль может пройти поворот без заноса.
r = 150 mμs = 0,3g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Движение по окружностиСложная
Шарик на нити длиной 0,6 m вращают по вертикальной окружности. Примите g = 9,81 m/s². При какой наименьшей скорости vmin в верхней точке нить ещё остаётся натянутой?
r = 0,6 mg = 9,81 m/s²
vmin = m/s
9.Работа и энергияСредняя
Брусок массой 5 kg скользит 2 m по наклонной плоскости под углом 35° к горизонту с коэффициентом трения скольжения 0,35. Найдите работу Wf против силы трения.
m = 5 kgθ = 35°μ = 0,35d = 2 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
10.Работа и энергияСложная
Брусок массой 5 kg отпускают без начальной скорости на высоте 4 m на гладкой рампе. Внизу он пересекает шероховатую горизонтальную полосу длиной 4,5 m (μ = 0,3), а затем наезжает на пружину (k = 1500 N/m) на гладкой поверхности. Найдите скорость v бруска, когда он достигает пружины.
m = 5 kgh = 4 mL = 4,5 mμ = 0,3k = 1500 N/mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Импульс и столкновенияСредняя
Тележка массой 4,5 kg, движущаяся со скоростью 6 m/s, испытывает абсолютно упругий центральный удар с покоящейся тележкой массой 3 kg на дорожке без трения. Найдите скорость v′2 второй тележки после столкновения.
m1 = 4,5 kgm2 = 3 kgv1 = 6 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.Импульс и столкновенияСложная
Мяч массой 0,2 kg ударяется о стену со скоростью 25 m/s и отскакивает прямо назад со скоростью 8 m/s. Контакт длится 50 ms. Найдите модуль импульса силы J, который стена сообщает мячу.
m = 0,2 kgvin = 25 m/svout = 8 m/sΔt = 50 ms
J = N·s
13.Пружины и маятникиСредняя
Длина математического маятника 0,2 m. Примите g = 9,81 m/s². Найдите его период T при малых колебаниях.
L = 0,2 mg = 9,81 m/s²
T = s
14.Пружины и маятникиСложная
Груз массой 1 kg на пружине с k = 150 N/m оттягивают на 16 cm от положения равновесия и отпускают. Найдите его наибольшее ускорение amax.
m = 1 kgk = 150 N/mA = 16 cm
amax = m/s²
15.Волны, звук и оптикаСредняя
Свет идёт в среде «алмаз» (n = 2,42) к плоской границе со средой «вода» (n = 1,33). Найдите критический угол θc, за пределом которого происходит полное отражение.
n1 = 2,42n2 = 1,33
θc = °
16.Волны, звук и оптикаСложная
Предмет находится в 10 cm перед вогнутым зеркалом с радиусом кривизны 30 cm. Найдите расстояние до изображения di: положительное для изображения перед зеркалом (действительного) и отрицательное для изображения за ним (мнимого).
do = 10 cmR = 30 cm
di = cm
3Растворы
1.Кинематика
Ответ: d = 108 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.
Единицы
v₀ = 108/3,6 = 30 m/s
Путь за время реакции
d1 = v₀·tr = 30·0,6 = 18 m
Тормозной путь
d2 = v₀²/(2a) = 30²/(2·5) = 90 m
Итого
d = 18 + 90 = 108 m
Ответ
d = 108 m
2.Кинематика
Ответ: d = 103,7 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·(4,9 − t₁)
4,905·t₁² + 343·t₁ − 1681 = 0
Время падения
Физический смысл имеет только положительный корень.
t₁ = (−343 + √(343² + 4·4,905·1681))/(2·4,905) = 4,598 s
Глубина
d = ½·9,81·4,598² = 103,7 m
Ответ
d = 103,7 m
3.Законы Ньютона
Ответ: F = 84,9 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.
Силы вдоль плоскости
Постоянная скорость: силы уравновешены.
F = m·g·sin θ + μ·m·g·cos θ
Толкающая сила
F = 50,33 + 34,57 = 84,9 N
Ответ
F = 84,9 N
4.Законы Ньютона
Ответ: T = 37,46 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.
Силы вдоль нити
m₂·g = 68,67 N
m₁·g·sin θ = 19,62 N
μ·m₁·g·cos θ = 0 N
Ускорение системы
a = (68,67 − 19,62 − 0)/11 = 4,459 m/s²
Натяжение по висящему грузу
m2·g − T = m2·a → T = 7·(9,81 − 4,459) = 37,46 N
Ответ
T = 37,46 N
5.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: x = 50,85 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 = 24·cos 30° = 20,78 m/s
vy = v0·sin θ = 24·sin 30° = 12 m/s
Время полёта
Старт и приземление на одной высоте: t = 2vy/g.
t = 2·12/9,81 = 2,446 s
Горизонтальное расстояние
x = vx·t = 20,78·2,446 = 50,85 m
Ответ
x = 50,85 m
6.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: α = 69,4 °
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.
Разложите начальную скорость
vx = 12·cos 20° = 11,28 m/s
vy0 = 12·sin 20° = 4,104 m/s
Вертикальная скорость при ударе
Закон сохранения энергии или v² = v₀² + 2as по вертикали.
vy = √(4,104² + 2·9,81·45) = 30 m/s
Угол падения
tan α = vy/vx = 30/11,28 → α = 69,4°
Ответ
α = 69,4°
7.Движение по окружности
Ответ: vmax = 21,01 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) = √(0,3·9,81·150) = 21,01 m/s
Ответ
vmax = 21,01 m/s (75,64 km/h)
8.Движение по окружности
Ответ: vmin = 2,426 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) = √(9,81·0,6) = 2,426 m/s
Ответ
vmin = 2,426 m/s
9.Работа и энергия
Ответ: Wf = 28,13 J
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).
Сила трения
N = mg·cos θ = 49,05·0,8192 = 40,18 N
F = μN = 0,35·40,18 = 14,06 N
Работа против трения
Wf = F·d = 14,06·2 = 28,13 J
Ответ
Wf = 28,13 J
10.Работа и энергия
Ответ: v = 7,211 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).
Энергия после шероховатой полосы
Рампа гладкая, поэтому энергию забирает только полоса.
mgh − μmgL = 49,05·(4 − 0,3·4,5) = 130 J
Скорость у пружины
½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9,81·2,65) = 7,211 m/s
Ответ
v = 7,211 m/s
11.Импульс и столкновения
Ответ: v′2 = 7,2 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 = (4,5 − 3)/(4,5 + 3)·6 = 1,2 m/s
v′2 = 2·4,5/(4,5 + 3)·6 = 7,2 m/s
Ответ
v′2 = 7,2 m/s
12.Импульс и столкновения
Ответ: J = 6,6 N·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.
Изменение импульса
J = m·Δv = 0,2·(8 + 25) = 6,6 N·s
Ответ
J = 6,6 N·s
13.Пружины и маятники
Ответ: T = 0,8971 s
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.
Период маятника
T = 2π·√(0,2/9,81) = 0,8971 s
Ответ
T = 0,8971 s
14.Пружины и маятники
Ответ: amax = 24 m/s²
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 = √(150/1) = 12,25 rad/s
Наибольшее ускорение
amax = A·ω² = 0,16·12,25² = 24 m/s²
Ответ
amax = 24 m/s²
15.Волны, звук и оптика
Ответ: θc = 33,34 °
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 = 1,33/2,42 = 0,5496
Критический угол
θc = arcsin(0,5496) = 33,34°
Ответ
θc = 33,34°
16.Волны, звук и оптика
Ответ: di = −30 cm
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.