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, превышающий скорость, движется с постоянной скоростью 24 m/s и проезжает мимо стоящего полицейского автомобиля. В этот момент полицейский автомобиль трогается и равноускоренно разгоняется с ускорением 4 m/s². Через сколько времени полицейский автомобиль догонит нарушителя? Найдите t.
vcar = 24 m/sapolice = 4 m/s²v0,police = 0
t = s
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 12 m/s. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². На какой высоте y над землёй они встретятся?
H = 20 mv0B = 12 m/sg = 9,81 m/s²
y = m
3.Законы НьютонаСредняя
Брусок массой 9 kg скользит вниз по наклонной плоскости под углом 30° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,15. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a бруска вдоль плоскости.
m = 9 kgθ = 30°μ = 0,15g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
Брусок массой 4,5 kg на горизонтальном столе соединён лёгкой нитью, перекинутой через блок без трения, с подвешенным грузом массой 3,5 kg. Коэффициент трения скольжения между бруском и столом 0,2. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T нити.
m1 = 4,5 kgm2 = 3,5 kgμ = 0,2g = 9,81 m/s²
T = N
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
Мяч бросают с горизонтальной поверхности под углом 55° к горизонту, и он падает на расстоянии 15 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите начальную скорость v0.
θ = 55°R = 15 mg = 9,81 m/s²
v0 = m/s
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
Мяч бросают со скоростью 26 m/s под углом 60° к горизонту с вершины обрыва высотой 10 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Под каким углом α к горизонту (ниже горизонта) он ударяется о землю?
v₀ = 26 m/sθ = 60°h = 10 mg = 9,81 m/s²
α = °
7.Работа и энергияСредняя
Брусок массой 0,5 kg скользит 16 m по наклонной плоскости под углом 45° к горизонту с коэффициентом трения скольжения 0,35. Найдите работу Wf против силы трения.
m = 0,5 kgθ = 45°μ = 0,35d = 16 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
8.Работа и энергияСложная
Тележку массой 2 kg отпускают без начальной скорости на высоте 7 m на гладкой трассе, переходящей в вертикальную «мёртвую петлю» радиусом 2,5 m. Найдите скорость v тележки в верхней точке петли.
m = 2 kgh = 7 mR = 2,5 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
9.Импульс и столкновенияСредняя
Автомобиль массой 1000 kg, движущийся со скоростью 17 m/s, налетает на стоящий автомобиль массой 1500 kg, и они сцепляются. Какая кинетическая энергия ΔK теряется при столкновении?
m1 = 1000 kgv1 = 17 m/sm2 = 1500 kgv2 = 0
ΔK = J
10.Импульс и столкновенияСложная
Пуля массой 5 g, выпущенная горизонтально, попадает в брусок массой 3,5 kg, подвешенный на лёгких нитях длиной 0,7 m, и застревает в нём. Нити отклоняются на наибольший угол 25° от вертикали. Примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v пули до удара.
m = 5 gM = 3,5 kgL = 0,7 mθ = 25°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 1 m ниже поверхности. Найдите равнодействующую силу гидростатического давления F на затвор.
Вертикальный прямоугольный затвор шириной 2 m находится в стенке резервуара с жидкостью (масло), его верхний край на 1,5 m ниже поверхности. Найдите глубину ycp центра давления под поверхностью.
Трубка Пито — Прандтля в водопроводной трубе показывает разность 27 kPa между давлением торможения и статическим давлением. Найдите скорость воды v у носика трубки.
p0 − p = 27 kPaρ = 1000 kg/m³
v = m/s
14.Неразрывность и БернуллиСложная
Вода поднимается по трубе, которая сужается с 75 mm до 50 mm и поднимается на 10 m. В сечении 1 давление 310 kPa, а скорость 2,75 m/s. Пренебрегая потерями, найдите давление p2 в сечении 2.
Тепловая машина работает между горячим резервуаром при 400 °C и холодным при 40 °C. Найдите наибольший возможный термический КПД ηmax.
TH = 400 °CTL = 40 °C
ηmax = %
18.Тепловые машины и холодильникиСложная
Тепловая машина за цикл получает 5000 kJ теплоты от резервуара при 450 °C, совершает 1850 kJ работы, а остаток отдаёт резервуару при 10 °C. Найдите суммарную генерацию энтропии Sgen за цикл.
TH = 450 °CTL = 10 °CQH = 5000 kJW = 1850 kJ
Sgen = kJ/K
19.Волны, звук и оптикаСредняя
Источник частотой 400 Hz движется со скоростью 15 m/s к неподвижному наблюдателю. Скорость звука равна 343 m/s. Найдите частоту f′, которую слышит наблюдатель.
f = 400 Hzv = 343 m/svs = 15 m/s
f′ = Hz
20.Волны, звук и оптикаСложная
Предмет находится в 5 cm перед вогнутым зеркалом с радиусом кривизны 60 cm. Найдите расстояние до изображения di: положительное для изображения перед зеркалом (действительного) и отрицательное для изображения за ним (мнимого).
do = 5 cmR = 60 cm
di = cm
3Растворы
1.Кинематика
Ответ: t = 12 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.
Равные пути
v·t = ½·a·t² → t = 2v/a = 2·24/4 = 12 s
Ответ
t = 12 s
В этот момент полицейский автомобиль движется со скоростью 2v = 48 m/s.
2.Кинематика
Ответ: y = 6,375 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.
Время встречи
Направление вверх положительно, земля — y = 0.
20 − ½g·t² = 12·t − ½g·t² → t = 20/12 = 1,667 s
Высота встречи
y = 12·1,667 − ½·9,81·1,667² = 6,375 m
Ответ
y = 6,375 m
3.Законы Ньютона
Ответ: a = 3,631 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.
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) = √(9,81·15/sin 110°) = 12,51 m/s
Ответ
v0 = 12,51 m/s
6.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: α = 63,88 °
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 = 26·cos 60° = 13 m/s
vy0 = 26·sin 60° = 22,52 m/s
Вертикальная скорость при ударе
Закон сохранения энергии или v² = v₀² + 2as по вертикали.
vy = √(22,52² + 2·9,81·10) = 26,52 m/s
Угол падения
tan α = vy/vx = 26,52/13 → α = 63,88°
Ответ
α = 63,88°
7.Работа и энергия
Ответ: Wf = 19,42 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 = 4,905·0,7071 = 3,468 N
F = μN = 0,35·3,468 = 1,214 N
Работа против трения
Wf = F·d = 1,214·16 = 19,42 J
Ответ
Wf = 19,42 J
8.Работа и энергия
Ответ: v = 6,264 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·(7 − 5) = 39,24 m²/s²
v = 6,264 m/s
Ответ
v = 6,264 m/s
Тележка едва проходит петлю при h = 2,5R; тогда в верхней точке N = 0.
9.Импульс и столкновения
Ответ: ΔK = 86700 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) = 1000·17/2500 = 6,8 m/s
Кинетическая энергия до и после
Kbefore = ½·1000·17² = 144500 J
Kafter = ½·2500·6,8² = 57800 J
Потерянная энергия
ΔK = 144500 − 57800 = 86700 J
Ответ
ΔK = 86700 J
Потерянная энергия идёт на деформацию, теплоту и звук.
10.Импульс и столкновения
Ответ: v = 795,2 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 25°) = 0,06558 m
Скорость после удара
V = √(2·9,81·0,06558) = 1,134 m/s
Столкновение
v = (m + M)·V/m = 3,505·1,134/0,005 = 795,2 m/s
Ответ
v = 795,2 m/s
11.Гидростатическое давление
Ответ: F = 110,4 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 + 2,5/2 = 2,25 m
A = H·b = 2,5·2 = 5 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·2,25·5 = 110,4 kN
Ответ
F = 110,4 kN
12.Гидростатическое давление
Ответ: ycp = 2,333 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 = 1,5 + 1,5/2 = 2,25 m
A = H·b = 1,5·2 = 3 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 880·9,81·2,25·3 = 58,27 kN
Центр давления
Давление растёт с глубиной, поэтому равнодействующая приложена ниже центра тяжести.
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.
Уравнение Бернулли до точки торможения
У носика поток останавливается, поэтому его кинетическая энергия проявляется как дополнительное давление.
p0 − p = ½ρv²
v = √(2·27000/1000) = 7,348 m/s
Ответ
v = 7,348 m/s
14.Неразрывность и Бернулли
Ответ: p2 = 196,5 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 = 10/32 = 0,3125 mol
T = 40 + 273,15 = 313,1 K
Давление
P = nRT/V = 0,3125·8,314·313,1/0,01 = 81,36 kPa
Ответ
P = 81,36 kPa
16.Уравнение состояния идеального газа
Ответ: V2 = 0,8824 L
Объединённый газовый закон: для постоянного количества идеального газа P1V1/T1 = P2V2/T2.
Абсолютные температуры
T1 = 283,1 K, T2 = 333,1 K
Объединённый газовый закон
V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 2·(300/800)·(333,1/283,1) = 0,8824 L
Ответ
V2 = 0,8824 L
17.Тепловые машины и холодильники
Ответ: ηmax = 53,48 %
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 = 400 + 273,15 = 673,1 K
TL = 40 + 273,15 = 313,1 K
КПД Карно
ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 313,1/673,1 = 53,48 %
Ответ
ηmax = 53,48 %
18.Тепловые машины и холодильники
Ответ: Sgen = 4,211 kJ/K
Генерация энтропии: за полный цикл энтропия рабочего тела в итоге не меняется. Горячий резервуар теряет QH/TH, а холодный получает QL/TL. Их сумма — это генерируемая энтропия, равная нулю для обратимого цикла и положительная для любого реального.
Отводимая теплота
QL = QH − W = 5000 − 1850 = 3150 kJ
Абсолютные температуры
TH = 450 + 273,15 = 723,1 K
TL = 10 + 273,15 = 283,1 K
Изменения энтропии резервуаров
ΔSH = −5000/723,1 = −6,914 kJ/K
ΔSL = 3150/283,1 = 11,12 kJ/K
Sgen = 11,12 − 6,914 = 4,211 kJ/K
Ответ
Sgen = 4,211 kJ/K
Sgen > 0, поэтому машина возможна, но необратима.
19.Волны, звук и оптика
Ответ: f′ = 418,3 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|.
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.