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 50 km/h, тормозит с постоянным замедлением 8 m/s² до полной остановки. Найдите тормозной путь s.
v₀ = 50 km/ha = −8 m/s²v = 0
s = m
2.КинематикаСложная
Мяч бросают вертикально вверх со скоростью 13 m/s с края крыши на высоте 10 m над землёй. Сопротивлением воздуха пренебречь, g = 9,81 m/s². Через какое время после броска он упадёт на землю? Найдите t.
v₀ = 13 m/sh₀ = 10 mg = 9,81 m/s²
t = s
3.Законы НьютонаСредняя
Брусок массой 11 kg скользит вниз по наклонной плоскости под углом 40° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,1. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a бруска вдоль плоскости.
m = 11 kgθ = 40°μ = 0,1g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
Бруску сообщают толчок, и он начинает скользить вверх по наклонной плоскости под углом 25° со скоростью 5,5 m/s. Коэффициент трения скольжения равен 0,3. Примите g = 9,81 m/s². Какое расстояние d вдоль плоскости он проскользит до остановки?
v₀ = 5,5 m/sθ = 25°μ = 0,3g = 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 время полёта t до удара мяча о землю.
v0 = 38 m/sθ = 35°g = 9,81 m/s²
t = s
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
Мяч бросают под углом 20° к горизонту с вершины скалы высотой 25 m. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите горизонтальное расстояние x, которое мяч пролетает до удара о землю.
v0 = 30 m/sθ = 20°h = 25 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Работа и энергияСредняя
Автомобиль массой 800 kg въезжает на подъём 8° с постоянной скоростью 72 km/h. Сопротивление воздуха и сопротивление качению вместе составляют 500 N. Найдите мощность P, которую должны развивать колёса, в kW.
Брусок массой 10 kg отпускают без начальной скорости на высоте 3,5 m на гладкой рампе. Внизу он пересекает шероховатую горизонтальную полосу длиной 3 m (μ = 0,1), а затем наезжает на пружину (k = 1000 N/m) на гладкой поверхности. Найдите наибольшее сжатие x пружины.
m = 10 kgh = 3,5 mL = 3 mμ = 0,1k = 1000 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
9.Импульс и столкновенияСредняя
Автомобиль массой 800 kg, движущийся со скоростью 15 m/s, налетает на стоящий автомобиль массой 1400 kg, и они сцепляются. Какая кинетическая энергия ΔK теряется при столкновении?
m1 = 800 kgv1 = 15 m/sm2 = 1400 kgv2 = 0
ΔK = J
10.Импульс и столкновенияСложная
На перекрёстке автомобиль массой 2000 kg, едущий на восток со скоростью 14 m/s, сталкивается с автомобилем массой 800 kg, едущим на север со скоростью 12 m/s. Автомобили сцепляются. Найдите направление θ движения обломков сразу после столкновения, отсчитанное от востока к северу.
m1 = 2000 kgv1 = 14 m/s (E)m2 = 800 kgv2 = 12 m/s (N)
θ = °
11.Гидростатическое давлениеСредняя
Вертикальный прямоугольный затвор шириной 1,5 m находится в стенке резервуара с жидкостью (вода), его верхний край на 4 m ниже поверхности. Найдите равнодействующую силу гидростатического давления F на затвор.
Вертикальный прямоугольный затвор шириной 1 m находится в стенке резервуара с жидкостью (глицерин), его верхний край на 3 m ниже поверхности. Найдите равнодействующую силу гидростатического давления F на затвор.
d = 3 mH = 1 mb = 1 mρ = 1260 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
13.Неразрывность и БернуллиСредняя
Вода течёт по горизонтальной трубе, которая сужается с 75 mm до 50 mm. В широкой части давление 130 kPa, а скорость 1 m/s. Пренебрегая потерями, найдите давление p2 в узкой части.
Шланг с внутренним диаметром 32 mm работает как сифон, отбирая воду из открытого резервуара. Наивысшая точка C шланга находится на 1 m выше поверхности воды, а выход (открытый в атмосферу) — на 3 m ниже поверхности воды. Пренебрегите потерями и примите g = 9,81 m/s². Найдите расход Q.
d = 32 mmzC = +1 mz2 = −3 mg = 9,81 m/s²
Q = L/s
15.Уравнение состояния идеального газаСредняя
Резервуар объёмом 10 L содержит 350 g газа (O₂) при 0 °C. Считайте газ идеальным и найдите давление P.
Тепловая машина работает между горячим резервуаром при 350 °C и холодным при 35 °C. Найдите наибольший возможный термический КПД ηmax.
TH = 350 °CTL = 35 °C
ηmax = %
18.Тепловые машины и холодильникиСложная
Холодильник поддерживает в холодной камере -25 °C на кухне при 28 °C, отводя из камеры теплоту 3,5 kW. Найдите наибольший возможный холодильный коэффициент COPmax.
TH = 28 °CTL = -25 °CQ̇L = 3,5 kW
COPmax =
19.Волны, звук и оптикаСредняя
Предмет находится в 18 cm перед тонкой собирающей линзой с фокусным расстоянием 5 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 = 5 cm
di = cm
20.Волны, звук и оптикаСложная
Решётка с 200 штрихами на миллиметр даёт максимум порядка 3 для спектральной линии под углом 17,5° к направлению прямого прохождения. Найдите длину волны λ линии.
N = 200 mm⁻¹θ3 = 17,5°m = 3
λ = nm
3Растворы
1.Кинематика
Ответ: s = 12,06 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 = 50/3,6 = 13,89 m/s
Тормозной путь
0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 13,89²/(2·8) = 12,06 m
Ответ
s = 12,06 m
2.Кинематика
Ответ: t = 3,273 s
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.
Уравнение движения
Вверх — положительное направление, земля находится на h₀ ниже точки броска.
−10 = 13·t − ½·9,81·t²
4,905·t² − 13·t − 10 = 0
Решите квадратное уравнение
Физический смысл имеет только положительный корень.
t = (13 + √(13² + 2·9,81·10))/9,81 = 3,273 s
Ответ
t = 3,273 s
3.Законы Ньютона
Ответ: a = 5,554 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 25° + 0,3·cos 25°) = 6,813 m/s²
Путь
d = v₀²/(2a) = 5,5²/(2·6,813) = 2,22 m
Ответ
d = 2,22 m
5.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: t = 4,444 s
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 = 38·cos 35° = 31,13 m/s
vy = v0·sin θ = 38·sin 35° = 21,8 m/s
Время полёта
Старт и приземление на одной высоте: t = 2vy/g.
t = 2·21,8/9,81 = 4,444 s
Ответ
t = 4,444 s
6.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: x = 99,63 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 = 30·cos 20° = 28,19 m/s
vy = v0·sin θ = 30·sin 20° = 10,26 m/s
Время полёта
Решите y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0 и возьмите положительный корень.
0 = 25 + 10,26·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (10,26 + √(105,3 + 490,5))/9,81 = 3,534 s
Горизонтальное расстояние
x = vx·t = 28,19·3,534 = 99,63 m
Ответ
x = 99,63 m
7.Работа и энергия
Ответ: P = 31,84 kW
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). Мощность — это сила, умноженная на скорость: P = F·v.
Сила тяги
m·g = 800·9,81 = 7848 N
mg·sin θ = 7848·sin 8° = 1092 N
F = 1092 + 500 = 1592 N
Мощность
v = 72/3,6 = 20 m/s
P = F·v = 1592·20 = 31845 W = 31,84 kW
Ответ
P = 31,84 kW
8.Работа и энергия
Ответ: x = 79,24 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 − 0,1·3) = 313,9 J
Наибольшее сжатие
½kx² = 313,9 → x = √(2·313,9/1000) = 0,7924 m = 79,24 cm
Ответ
x = 79,24 cm
9.Импульс и столкновения
Ответ: ΔK = 57273 J
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.
Общая скорость
v′ = m1·v1/(m1 + m2) = 800·15/2200 = 5,455 m/s
Кинетическая энергия до и после
Kbefore = ½·800·15² = 90000 J
Kafter = ½·2200·5,455² = 32727 J
Потерянная энергия
ΔK = 90000 − 32727 = 57273 J
Ответ
ΔK = 57273 J
Потерянная энергия идёт на деформацию, теплоту и звук.
10.Импульс и столкновения
Ответ: θ = 18,92 °
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.
Составляющие импульса
px = 2000·14 = 28000 kg·m/s
py = 800·12 = 9600 kg·m/s
Направление
tan θ = py/px = 0,3429 → θ = 18,92°
Ответ
θ = 18,92°
11.Гидростатическое давление
Ответ: F = 193,1 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 + 2,5/2 = 5,25 m
A = H·b = 2,5·1,5 = 3,75 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·5,25·3,75 = 193,1 kN
Ответ
F = 193,1 kN
12.Гидростатическое давление
Ответ: F = 43,26 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 = 3 + 1/2 = 3,5 m
A = H·b = 1·1 = 1 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 1260·9,81·3,5·1 = 43,26 kN
Ответ
F = 43,26 kN
13.Неразрывность и Бернулли
Ответ: p2 = 128 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.
Continuity and Bernoulli: for an incompressible fluid the flow rate is the same at every section, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Along a streamline without losses, p + ½ρv² + ρgz is constant, so where the fluid is faster or higher its pressure is lower.
Скорость в шланге
Поверхность и выход открыты в атмосферу, поэтому члены с давлением сокращаются.
Уравнение состояния идеального газа: PV = nRT, где n = m/M.
Моли
n = m/M = 350/32 = 10,94 mol
T = 0 + 273,15 = 273,1 K
Давление
P = nRT/V = 10,94·8,314·273,1/0,01 = 2484 kPa
Ответ
P = 2484 kPa
16.Уравнение состояния идеального газа
Ответ: ρ = 4,009 kg/m³
Плотность идеального газа: ρ = PM/(RT).
Преобразуйте газовый закон
PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 160 + 273,15 = 433,1 K
Плотность
ρ = 900·16,04/(8,314·433,1) = 4,009 kg/m³
Ответ
ρ = 4,009 kg/m³
17.Тепловые машины и холодильники
Ответ: ηmax = 50,55 %
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 = 350 + 273,15 = 623,1 K
TL = 35 + 273,15 = 308,1 K
КПД Карно
ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 308,1/623,1 = 50,55 %
Ответ
ηmax = 50,55 %
18.Тепловые машины и холодильники
Ответ: COPmax = 4,682
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.
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 = 1/5 − 1/18
di = 6,923 cm
Ход лучей
действительное, по другую сторону линзы
Ответ
di = 6,923 cm
20.Волны, звук и оптика
Ответ: λ = 501,2 nm
Интерференция и дифракция: свет от двух щелей на расстоянии d друг от друга приходит в точку на экране с разностью хода d·sin θ. Светлые полосы появляются там, где d·sin θ = mλ (m = 0, ±1, ±2, …). Для экрана на расстоянии L ≫ d m-я светлая полоса находится при y = mλL/d, а расстояние между полосами равно Δy = λL/d. У решётки с N штрихами на миллиметр d = 1/N, а резкие максимумы находятся при d·sin θ = mλ; так как sin θ ≤ 1, наивысший порядок — наибольшее целое число m ≤ d/λ. У одной щели шириной a тёмные полосы находятся при a·sin θ = mλ, m = ±1, ±2, …