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 60 km/h, видит препятствие. Время её реакции 1,3 s, после чего автомобиль тормозит с постоянным замедлением 8 m/s². Найдите полный остановочный путь d с момента, когда она увидела препятствие.
v₀ = 60 km/htr = 1,3 sa = −8 m/s²
d = m
2.КинематикаСложная
Камень без начальной скорости падает в колодец. Всплеск слышен через 3,5 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 = 3,5 svsound = 343 m/sg = 9,81 m/s²
d = m
3.Законы НьютонаСредняя
Брусок массой 5 kg скользит вниз по гладкой наклонной плоскости под углом 40° к горизонту. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a бруска вдоль плоскости.
m = 5 kgθ = 40°μ = 0g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
Бруску сообщают толчок, и он начинает скользить вверх по наклонной плоскости под углом 35° со скоростью 6 m/s. Коэффициент трения скольжения равен 0,15. Примите g = 9,81 m/s². Какое расстояние d вдоль плоскости он проскользит до остановки?
v₀ = 6 m/sθ = 35°μ = 0,15g = 9,81 m/s²
d = m
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
Мяч бросают под углом 35° к горизонту с ровной поверхности. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите наибольшую высоту H, которой достигает мяч.
v0 = 12 m/sθ = 35°g = 9,81 m/s²
H = m
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
Мяч бросают с уровня земли со скоростью 35 m/s под углом 70° к горизонту. Он падает на плоскую крышу здания высотой 24 m, уже опускаясь. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите горизонтальное расстояние x от точки броска до места падения.
v₀ = 35 m/sθ = 70°hroof = 24 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Работа и энергияСредняя
Шарик массой 0,2 kg висит на лёгкой нити длиной 2 m. Его отводят в сторону, пока нить не составит 90° с вертикалью, и отпускают без начальной скорости. Найдите силу натяжения T нити в момент прохождения шариком нижней точки.
m = 0,2 kgL = 2 mθ = 90°g = 9,81 m/s²
T = N
8.Работа и энергияСложная
Брусок массой 10 kg отпускают без начальной скорости на высоте 3,5 m на гладкой рампе. Внизу он пересекает шероховатую горизонтальную полосу длиной 1 m (μ = 0,1), а затем наезжает на пружину (k = 4000 N/m) на гладкой поверхности. Найдите наибольшее сжатие x пружины.
m = 10 kgh = 3,5 mL = 1 mμ = 0,1k = 4000 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
9.Импульс и столкновенияСредняя
Тележка массой 3 kg, движущаяся со скоростью 3 m/s, испытывает абсолютно упругий центральный удар с покоящейся тележкой массой 4 kg на дорожке без трения. Найдите скорость v′1 первой тележки после столкновения (положительную в направлении её первоначального движения).
m1 = 3 kgm2 = 4 kgv1 = 3 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
10.Импульс и столкновенияСложная
Пуля массой 20 g, выпущенная горизонтально, попадает в брусок массой 4,5 kg, подвешенный на лёгких нитях длиной 1,9 m, и застревает в нём. Нити отклоняются на наибольший угол 35° от вертикали. Примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v пули до удара.
m = 20 gM = 4,5 kgL = 1,9 mθ = 35°g = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Гидростатическое давлениеСредняя
Вертикальный прямоугольный затвор шириной 2 m находится в стенке резервуара с жидкостью (вода), его верхний край на 4 m ниже поверхности. Найдите равнодействующую силу гидростатического давления F на затвор.
d = 4 mH = 1 mb = 2 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
12.Гидростатическое давлениеСложная
Вертикальный прямоугольный затвор шириной 1 m находится в стенке резервуара с жидкостью (глицерин), его верхний край на 0,5 m ниже поверхности. Найдите глубину ycp центра давления под поверхностью.
Вода течёт по горизонтальной трубе, которая сужается с 75 mm до 40 mm. В широкой части давление 380 kPa, а скорость 2 m/s. Пренебрегая потерями, найдите давление p2 в узкой части.
Вода поднимается по трубе, которая сужается с 75 mm до 50 mm и поднимается на 2 m. В сечении 1 давление 250 kPa, а скорость 2,75 m/s. Пренебрегая потерями, найдите давление p2 в сечении 2.
Тепловая машина работает между горячим резервуаром при 725 °C и холодным при 30 °C. Найдите наибольший возможный термический КПД ηmax.
TH = 725 °CTL = 30 °C
ηmax = %
18.Тепловые машины и холодильникиСложная
Тепловой насос поддерживает в доме 21 °C, когда на улице 7 °C, и подаёт в дом 12 kW теплоты. Найдите минимальную необходимую мощность Ẇmin.
TH = 21 °CTL = 7 °CQ̇H = 12 kW
Ẇmin = kW
19.Волны, звук и оптикаСредняя
Предмет находится в 18 cm перед тонкой собирающей линзой с фокусным расстоянием 15 cm. Найдите расстояние до изображения di. Используйте правило знаков 1/f = 1/do + 1/di (f < 0 для рассеивающей линзы, di < 0 для мнимого изображения).
do = 18 cmf = 15 cm
di = cm
20.Волны, звук и оптикаСложная
Предмет находится в 50 cm перед вогнутым зеркалом с радиусом кривизны 10 cm. Найдите расстояние до изображения di: положительное для изображения перед зеркалом (действительного) и отрицательное для изображения за ним (мнимого).
do = 50 cmR = 10 cm
di = cm
3Растворы
1.Кинематика
Ответ: d = 39,03 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 = 60/3,6 = 16,67 m/s
Путь за время реакции
d1 = v₀·tr = 16,67·1,3 = 21,67 m
Тормозной путь
d2 = v₀²/(2a) = 16,67²/(2·8) = 17,36 m
Итого
d = 21,67 + 17,36 = 39,03 m
Ответ
d = 39,03 m
2.Кинематика
Ответ: d = 54,73 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·(3,5 − t₁)
4,905·t₁² + 343·t₁ − 1201 = 0
Время падения
Физический смысл имеет только положительный корень.
t₁ = (−343 + √(343² + 4·4,905·1201))/(2·4,905) = 3,34 s
Глубина
d = ½·9,81·3,34² = 54,73 m
Ответ
d = 54,73 m
3.Законы Ньютона
Ответ: a = 6,306 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.
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
Обе силы направлены вниз по склону; масса сокращается.
a = 9,81·(sin 35° + 0,15·cos 35°) = 6,832 m/s²
Путь
d = v₀²/(2a) = 6²/(2·6,832) = 2,635 m
Ответ
d = 2,635 m
5.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: H = 2,415 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 = 12·cos 35° = 9,83 m/s
vy = v0·sin θ = 12·sin 35° = 6,883 m/s
Высшая точка
В верхней точке вертикальная скорость равна нулю: vy² = 2gH.
H = vy²/(2g) = 6,883²/(2·9,81) = 2,415 m
Ответ
H = 2,415 m
6.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: x = 70,29 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.
Разложите начальную скорость
vx = 11,97 m/s, vy = 32,89 m/s
Время до падения на крышу
Больший корень: мяч опускается.
24 = 32,89·t − 4,905·t²
t = (32,89 + √(32,89² − 2·9,81·24))/9,81 = 5,872 s
Горизонтальное расстояние
x = vx·t = 11,97·5,872 = 70,29 m
Ответ
x = 70,29 m
7.Работа и энергия
Ответ: T = 5,886 N
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 нижней точке
v² = 2gL(1 − cos θ) = 2·9,81·2·(1 − cos 90°) = 39,24 m²/s²
Силы в нижней точке
m·g = 0,2·9,81 = 1,962 N
T = mg + mv²/L = 1,962 + 0,2·39,24/2 = 5,886 N
Ответ
T = 5,886 N
Проверка: T = mg(3 − 2cos θ) = 5,886 N.
8.Работа и энергия
Ответ: x = 40,84 cm
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 = 98,1·(3,5 − 0,1·1) = 333,5 J
Наибольшее сжатие
½kx² = 333,5 → x = √(2·333,5/4000) = 0,4084 m = 40,84 cm
Ответ
x = 40,84 cm
9.Импульс и столкновения
Ответ: v′1 = −0,4286 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 − 4)/(3 + 4)·3 = −0,4286 m/s
v′2 = 2·3/(3 + 4)·3 = 2,571 m/s
Ответ
v′1 = −0,4286 m/s
Знак минус означает, что первая тележка отскакивает назад.
10.Импульс и столкновения
Ответ: v = 586,8 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.
Подъём бруска
h = L·(1 − cos θ) = 1,9·(1 − cos 35°) = 0,3436 m
Скорость после удара
V = √(2·9,81·0,3436) = 2,596 m/s
Столкновение
v = (m + M)·V/m = 4,52·2,596/0,02 = 586,8 m/s
Ответ
v = 586,8 m/s
11.Гидростатическое давление
Ответ: F = 88,29 kN
Сила давления на плоскую поверхность: F = ρ·g·yc·A. Она приложена в центре давления, ycp = yc + Ic/(ycA), который всегда лежит ниже центра тяжести.
Глубина центра тяжести и площадь
yc = d + H/2 = 4 + 1/2 = 4,5 m
A = H·b = 1·2 = 2 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·4,5·2 = 88,29 kN
Ответ
F = 88,29 kN
12.Гидростатическое давление
Ответ: ycp = 1,083 m
Сила давления на плоскую поверхность: F = ρ·g·yc·A. Она приложена в центре давления, ycp = yc + Ic/(ycA), который всегда лежит ниже центра тяжести.
Глубина центра тяжести и площадь
yc = d + H/2 = 0,5 + 1/2 = 1 m
A = H·b = 1·1 = 1 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 1260·9,81·1·1 = 12,36 kN
Центр давления
Давление растёт с глубиной, поэтому равнодействующая приложена ниже центра тяжести.
Неразрывность и Бернулли: для несжимаемой жидкости расход одинаков в каждом сечении, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Вдоль линии тока без потерь p + ½ρv² + ρgz постоянно, поэтому там, где жидкость быстрее или выше, давление ниже.
Неразрывность и Бернулли
Считайте в Pa, затем разделите на 1000, чтобы получить kPa.
Неразрывность и Бернулли: для несжимаемой жидкости расход одинаков в каждом сечении, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Вдоль линии тока без потерь p + ½ρv² + ρgz постоянно, поэтому там, где жидкость быстрее или выше, давление ниже.
Неразрывность и Бернулли
Считайте в Pa, затем разделите на 1000, чтобы получить kPa.
Уравнение состояния идеального газа: PV = nRT, где n = m/M.
Моли
n = m/M = 330/39,95 = 8,26 mol
T = 40 + 273,15 = 313,1 K
Давление
P = nRT/V = 8,26·8,314·313,1/0,005 = 4301 kPa
Ответ
P = 4301 kPa
16.Уравнение состояния идеального газа
Ответ: ρ = 8,596 kg/m³
Плотность идеального газа: ρ = PM/(RT).
Преобразуйте газовый закон
PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 60 + 273,15 = 333,1 K
Плотность
ρ = 850·28,01/(8,314·333,1) = 8,596 kg/m³
Ответ
ρ = 8,596 kg/m³
17.Тепловые машины и холодильники
Ответ: ηmax = 69,63 %
Ограничения второго закона: ни один цикл между резервуарами с абсолютными температурами TH и TL не может превзойти обратимый цикл (Карно): ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL) и COPHP,max = TH/(TH − TL). Энергия всегда сохраняется: QH = W + QL.
Абсолютные температуры
TH = 725 + 273,15 = 998,1 K
TL = 30 + 273,15 = 303,1 K
КПД Карно
ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 303,1/998,1 = 69,63 %
Ответ
ηmax = 69,63 %
18.Тепловые машины и холодильники
Ответ: Ẇmin = 0,5711 kW
Ограничения второго закона: ни один цикл между резервуарами с абсолютными температурами TH и TL не может превзойти обратимый цикл (Карно): ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL) и COPHP,max = TH/(TH − TL). Энергия всегда сохраняется: QH = W + QL.
Меньше всего работы нужно обратимой машине, у которой наибольший COP.
Ẇmin = Q̇H/COP = 12/21,01 = 0,5711 kW
Ответ
Ẇmin = 0,5711 kW
19.Волны, звук и оптика
Ответ: di = 90 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.
Формула тонкой линзы
1/di = 1/f − 1/do = 1/15 − 1/18
di = 90 cm
Ход лучей
действительное, по другую сторону линзы
Ответ
di = 90 cm
20.Волны, звук и оптика
Ответ: di = 5,556 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.