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 60 km/h, тормозит с постоянным замедлением 4,5 m/s² до полной остановки. Найдите тормозной путь s.
v₀ = 60 km/ha = −4,5 m/s²v = 0
s = m
2.КинематикаСложная
Мяч A без начальной скорости падает с высоты 20 m. В тот же момент мяч B бросают вертикально вверх с земли прямо под ним со скоростью 25 m/s. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Когда мячи встретятся? Найдите t.
H = 20 mv0B = 25 m/sg = 9,81 m/s²
t = s
3.Законы НьютонаСредняя
Брусок массой 10 kg скользит вниз по наклонной плоскости под углом 30° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,25. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a бруска вдоль плоскости.
m = 10 kgθ = 30°μ = 0,25g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
Брусок массой 6 kg на горизонтальном столе соединён лёгкой нитью, перекинутой через блок без трения, с подвешенным грузом массой 3 kg. Коэффициент трения скольжения между бруском и столом 0,1. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T нити.
m1 = 6 kgm2 = 3 kgμ = 0,1g = 9,81 m/s²
T = N
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
Мяч бросают под углом 70° к горизонту с ровной поверхности. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите наибольшую высоту H, которой достигает мяч.
v0 = 36 m/sθ = 70°g = 9,81 m/s²
H = m
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
Мяч бросают под углом 20° к горизонту с вершины скалы высотой 10 m. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите горизонтальное расстояние x, которое мяч пролетает до удара о землю.
v0 = 20 m/sθ = 20°h = 10 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Работа и энергияСредняя
Брусок без начальной скорости скользит по наклонной плоскости под углом 35° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,25. Найдите его скорость v после того, как он проскользит 5 m вдоль плоскости.
θ = 35°μ = 0,25d = 5 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
8.Работа и энергияСложная
Брусок массой 2,5 kg отпускают без начальной скорости на высоте 5 m на гладкой рампе. Внизу он пересекает шероховатую горизонтальную полосу длиной 4 m (μ = 0,15), а затем наезжает на пружину (k = 1000 N/m) на гладкой поверхности. Найдите скорость v бруска, когда он достигает пружины.
m = 2,5 kgh = 5 mL = 4 mμ = 0,15k = 1000 N/mg = 9,81 m/s²
v = m/s
9.Импульс и столкновенияСредняя
Снаряд массой 14 kg, движущийся горизонтально со скоростью 32 m/s, разрывается на два осколка, движущихся вдоль той же прямой. Осколок массой 8 kg продолжает движение вперёд со скоростью 46 m/s. Найдите скорость v′2 осколка массой 6 kg (положительна в исходном направлении).
M = 14 kgu = 32 m/sm1 = 8 kgv′1 = 46 m/sm2 = 6 kg
v′2 = m/s
10.Импульс и столкновенияСложная
Пуля массой 20 g, выпущенная горизонтально, попадает в брусок массой 2,5 kg, подвешенный на лёгких нитях длиной 0,7 m, и застревает в нём. Нити отклоняются на наибольший угол 15° от вертикали. Примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v пули до удара.
m = 20 gM = 2,5 kgL = 0,7 mθ = 15°g = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Гидростатическое давлениеСредняя
Вертикальный прямоугольный затвор шириной 1,5 m находится в стенке резервуара с жидкостью (вода), его верхний край на 1 m ниже поверхности. Найдите равнодействующую силу гидростатического давления F на затвор.
Вертикальный прямоугольный затвор шириной 1 m находится в стенке резервуара с жидкостью (вода), его верхний край на 4 m ниже поверхности. Найдите равнодействующую силу гидростатического давления F на затвор.
Вода вытекает из большого открытого резервуара через отверстие с острой кромкой диаметром 20 mm. Уровень воды поддерживается на 4 m выше отверстия, коэффициент расхода равен 0,64. Найдите расход Q. Примите g = 9,81 m/s².
d = 20 mmh = 4 mCd = 0,64g = 9,81 m/s²
Q = L/s
14.Неразрывность и БернуллиСложная
Вода поднимается по трубе, которая сужается с 150 mm до 75 mm и поднимается на 10 m. В сечении 1 давление 210 kPa, а скорость 1,75 m/s. Пренебрегая потерями, найдите давление p2 в сечении 2.
Тепловая машина работает между горячим резервуаром при 625 °C и холодным при 35 °C. Найдите наибольший возможный термический КПД ηmax.
TH = 625 °CTL = 35 °C
ηmax = %
18.Тепловые машины и холодильникиСложная
Две машины Карно работают последовательно. Машина A получает теплоту от резервуара при 1200 °C и отдаёт теплоту промежуточному резервуару при температуре Tm. Машина B забирает всю эту теплоту и отдаёт теплоту резервуару при 30 °C. Обе машины имеют одинаковый термический КПД. Найдите Tm в °C.
TH = 1200 °CTL = 30 °C
Tm = °C
19.Волны, звук и оптикаСредняя
Предмет находится в 15 cm перед тонкой собирающей линзой с фокусным расстоянием 20 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 = 15 cmf = 20 cm
di = cm
20.Волны, звук и оптикаСложная
Предмет находится в 5 cm перед вогнутым зеркалом с радиусом кривизны 40 cm. Найдите увеличение m (отрицательное для перевёрнутого изображения).
do = 5 cmR = 40 cm
m =
3Растворы
1.Кинематика
Ответ: s = 30,86 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 = 60/3,6 = 16,67 m/s
Тормозной путь
0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 16,67²/(2·4,5) = 30,86 m
Ответ
s = 30,86 m
2.Кинематика
Ответ: t = 0,8 s
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.
Время встречи
Направление вверх положительно, земля — y = 0.
20 − ½g·t² = 25·t − ½g·t² → t = 20/25 = 0,8 s
Ответ
t = 0,8 s
3.Законы Ньютона
Ответ: a = 2,781 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.
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.
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 = 36·cos 70° = 12,31 m/s
vy = v0·sin θ = 36·sin 70° = 33,83 m/s
Высшая точка
В верхней точке вертикальная скорость равна нулю: vy² = 2gH.
H = vy²/(2g) = 33,83²/(2·9,81) = 58,33 m
Ответ
H = 58,33 m
6.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: x = 42,97 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 = 20·cos 20° = 18,79 m/s
vy = v0·sin θ = 20·sin 20° = 6,84 m/s
Время полёта
Решите y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0 и возьмите положительный корень.
0 = 10 + 6,84·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (6,84 + √(46,79 + 196,2))/9,81 = 2,286 s
Горизонтальное расстояние
x = vx·t = 18,79·2,286 = 42,97 m
Ответ
x = 42,97 m
7.Работа и энергия
Ответ: v = 6,015 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 = √(2·9,81·5·(0,5736 − 0,25·0,8192)) = 6,015 m/s
Ответ
v = 6,015 m/s
8.Работа и энергия
Ответ: v = 9,291 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 = 24,53·(5 − 0,15·4) = 107,9 J
Скорость у пружины
½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9,81·4,4) = 9,291 m/s
Ответ
v = 9,291 m/s
9.Импульс и столкновения
Ответ: v′2 = 13,33 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.
Импульс до удара
p = M·u = 14·32 = 448 kg·m/s
Импульс после удара
448 = 8·46 + 6·v′2
v′2 = (448 − 368)/6 = 13,33 m/s
Ответ
v′2 = 13,33 m/s
10.Импульс и столкновения
Ответ: v = 86,19 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) = 0,7·(1 − cos 15°) = 0,02385 m
Скорость после удара
V = √(2·9,81·0,02385) = 0,6841 m/s
Столкновение
v = (m + M)·V/m = 2,52·0,6841/0,02 = 86,19 m/s
Ответ
v = 86,19 m/s
11.Гидростатическое давление
Ответ: F = 38,63 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 = 1 + 1,5/2 = 1,75 m
A = H·b = 1,5·1,5 = 2,25 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·1,75·2,25 = 38,63 kN
Ответ
F = 38,63 kN
12.Гидростатическое давление
Ответ: F = 128,8 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 = 2,5 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·5,25·2,5 = 128,8 kN
Ответ
F = 128,8 kN
13.Неразрывность и Бернулли
Ответ: Q = 1,781 L/s
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.
Идеальная скорость струи
√(2gh) = √(2·9,81·4) = 8,859 m/s
Действительный расход
Коэффициент расхода учитывает сжатие струи и трение у кромки.
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 = 230/16,04 = 14,34 mol
T = 45 + 273,15 = 318,1 K
Давление
P = nRT/V = 14,34·8,314·318,1/0,03 = 1264 kPa
Ответ
P = 1264 kPa
16.Уравнение состояния идеального газа
Ответ: V2 = 4,848 L
Объединённый газовый закон: для постоянного количества идеального газа P1V1/T1 = P2V2/T2.
Абсолютные температуры
T1 = 283,1 K, T2 = 343,1 K
Объединённый газовый закон
V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 2·(300/150)·(343,1/283,1) = 4,848 L
Ответ
V2 = 4,848 L
17.Тепловые машины и холодильники
Ответ: ηmax = 65,69 %
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 = 625 + 273,15 = 898,1 K
TL = 35 + 273,15 = 308,1 K
КПД Карно
ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 308,1/898,1 = 65,69 %
Ответ
ηmax = 65,69 %
18.Тепловые машины и холодильники
Ответ: Tm = 395,1 °C
Second-law limits: no cycle working between reservoirs at absolute temperatures TH and TL can beat the reversible (Carnot) cycle: ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL) and COPHP,max = TH/(TH − TL). Energy is always conserved: QH = W + QL.
Абсолютные температуры
TH = 1200 + 273,15 = 1473 K
TL = 30 + 273,15 = 303,1 K
Равные КПД
1 − Tm/TH = 1 − TL/Tm даёт Tm² = TH·TL.
Tm = √(1473·303,1) = 668,3 K = 395,1 °C
Ответ
Tm = 395,1 °C
19.Волны, звук и оптика
Ответ: di = −60 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 = 1/20 − 1/15
di = −60 cm
Ход лучей
мнимое, по ту же сторону, что и предмет
Ответ
di = −60 cm
20.Волны, звук и оптика
Ответ: m = 1,333
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.