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 72 km/h, тормозит с постоянным замедлением 7,5 m/s² до полной остановки. Сколько длится торможение? Найдите t.
v₀ = 72 km/ha = −7,5 m/s²v = 0
t = s
2.КинематикаСложная
Мяч A без начальной скорости падает с высоты 45 m. В тот же момент мяч B бросают вертикально вверх с земли прямо под ним со скоростью 26 m/s. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Когда мячи встретятся? Найдите t.
H = 45 mv0B = 26 m/sg = 9,81 m/s²
t = s
3.Законы НьютонаСредняя
Ящик массой 35 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 = 35 kgθ = 20°μ = 0,25g = 9,81 m/s²
F = N
4.Законы НьютонаСложная
Бруску сообщают толчок, и он начинает скользить вверх по наклонной плоскости под углом 30° со скоростью 8 m/s. Коэффициент трения скольжения равен 0,25. Примите g = 9,81 m/s². Какое расстояние d вдоль плоскости он проскользит до остановки?
v₀ = 8 m/sθ = 30°μ = 0,25g = 9,81 m/s²
d = m
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
Мяч бросают под углом 55° к горизонту с ровной поверхности. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите наибольшую высоту H, которой достигает мяч.
v0 = 20 m/sθ = 55°g = 9,81 m/s²
H = m
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
Мяч бросают под углом 25° к горизонту с вершины скалы высотой 35 m. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите горизонтальное расстояние x, которое мяч пролетает до удара о землю.
v0 = 28 m/sθ = 25°h = 35 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Работа и энергияСредняя
Шарик массой 5 kg висит на лёгкой нити длиной 1 m. Его отводят в сторону, пока нить не составит 40° с вертикалью, и отпускают без начальной скорости. Найдите силу натяжения T нити в момент прохождения шариком нижней точки.
m = 5 kgL = 1 mθ = 40°g = 9,81 m/s²
T = N
8.Работа и энергияСложная
Брусок массой 1 kg отпускают без начальной скорости на высоте 5 m на гладкой рампе. Внизу он пересекает шероховатую горизонтальную полосу длиной 4 m (μ = 0,3), а затем наезжает на пружину (k = 4000 N/m) на гладкой поверхности. Найдите скорость v бруска, когда он достигает пружины.
m = 1 kgh = 5 mL = 4 mμ = 0,3k = 4000 N/mg = 9,81 m/s²
v = m/s
9.Импульс и столкновенияСредняя
Автомобиль массой 2000 kg, движущийся со скоростью 16 m/s, налетает на стоящий автомобиль массой 1400 kg, и они сцепляются. Какой процент ΔK/K исходной кинетической энергии теряется?
m1 = 2000 kgv1 = 16 m/sm2 = 1400 kgv2 = 0
ΔK/K = %
10.Импульс и столкновенияСложная
Мяч массой 0,35 kg ударяется о стену со скоростью 16 m/s и отскакивает прямо назад со скоростью 8 m/s. Контакт длится 5 ms. Найдите модуль импульса силы J, который стена сообщает мячу.
m = 0,35 kgvin = 16 m/svout = 8 m/sΔt = 5 ms
J = N·s
11.Гидростатическое давлениеСредняя
Вертикальный прямоугольный затвор шириной 3 m находится в стенке резервуара с жидкостью (вода), его верхний край на 2 m ниже поверхности. Найдите равнодействующую силу гидростатического давления F на затвор.
d = 2 mH = 1 mb = 3 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 равнодействующую силу гидростатического давления F на затвор.
Вода вытекает из большого открытого резервуара через отверстие с острой кромкой диаметром 40 mm. Уровень воды поддерживается на 5,5 m выше отверстия, коэффициент расхода равен 0,62. Найдите расход Q. Примите g = 9,81 m/s².
d = 40 mmh = 5,5 mCd = 0,62g = 9,81 m/s²
Q = L/s
14.Неразрывность и БернуллиСложная
Сопло фонтана направлено вертикально вверх. Непосредственно под соплом подводящая труба имеет диаметр 50 mm и избыточное давление 70 kPa. Выходной диаметр сопла 25 mm, разностью высот по длине сопла можно пренебречь. Пренебрегая потерями и сопротивлением воздуха, найдите высоту H, на которую струя поднимается над соплом. Примите g = 9,81 m/s².
Тепловая машина работает между горячим резервуаром при 750 °C и холодным при 5 °C. Она получает 5000 kJ теплоты. Найдите наибольшую работу Wmax, которую она могла бы совершить.
TH = 750 °CTL = 5 °CQH = 5000 kJ
Wmax = kJ
18.Тепловые машины и холодильникиСложная
Тепловой насос подаёт 17,5 kW теплоты в систему отопления при 20 °C, забирая теплоту от источника при 2 °C. Его действительный COP составляет 45% от COP Карно между этими температурами. Найдите потребляемую им электрическую мощность Ẇ.
TH = 20 °CTL = 2 °CηII = 45%Q̇H = 17,5 kW
Ẇ = kW
19.Волны, звук и оптикаСредняя
Одна машина создаёт уровень звука 80 dB в некоторой точке. Найдите уровень β в этой точке, когда одновременно работают 2 одинаковых машин (некогерентные источники).
β1 = 80 dBn = 2
β = dB
20.Волны, звук и оптикаСложная
Свет с длиной волны 550 nm падает на две щели на расстоянии 0,4 mm друг от друга. Экран находится на расстоянии 1 m. Найдите расстояние Δy между соседними светлыми полосами.
λ = 550 nmd = 0,4 mmL = 1 m
Δy = mm
3Растворы
1.Кинематика
Ответ: t = 2,667 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.
Единицы
v₀ = 72/3,6 = 20 m/s
Время торможения
0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 20/7,5 = 2,667 s
Ответ
t = 2,667 s
2.Кинематика
Ответ: t = 1,731 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.
45 − ½g·t² = 26·t − ½g·t² → t = 45/26 = 1,731 s
Ответ
t = 1,731 s
3.Законы Ньютона
Ответ: F = 198,1 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 = 117,4 + 80,66 = 198,1 N
Ответ
F = 198,1 N
4.Законы Ньютона
Ответ: d = 4,553 m
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 30° + 0,25·cos 30°) = 7,029 m/s²
Путь
d = v₀²/(2a) = 8²/(2·7,029) = 4,553 m
Ответ
d = 4,553 m
5.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: H = 13,68 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 55° = 11,47 m/s
vy = v0·sin θ = 20·sin 55° = 16,38 m/s
Высшая точка
В верхней точке вертикальная скорость равна нулю: vy² = 2gH.
H = vy²/(2g) = 16,38²/(2·9,81) = 13,68 m
Ответ
H = 13,68 m
6.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: x = 105 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 = 28·cos 25° = 25,38 m/s
vy = v0·sin θ = 28·sin 25° = 11,83 m/s
Время полёта
Решите y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0 и возьмите положительный корень.
0 = 35 + 11,83·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (11,83 + √(140 + 686,7))/9,81 = 4,137 s
Горизонтальное расстояние
x = vx·t = 25,38·4,137 = 105 m
Ответ
x = 105 m
7.Работа и энергия
Ответ: T = 72 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) = 2·9,81·1·(1 − cos 40°) = 4,59 m²/s²
Силы в нижней точке
m·g = 5·9,81 = 49,05 N
T = mg + mv²/L = 49,05 + 5·4,59/1 = 72 N
Ответ
T = 72 N
Проверка: T = mg(3 − 2cos θ) = 72 N.
8.Работа и энергия
Ответ: v = 8,635 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 = 9,81·(5 − 0,3·4) = 37,28 J
Скорость у пружины
½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9,81·3,8) = 8,635 m/s
Ответ
v = 8,635 m/s
9.Импульс и столкновения
Ответ: ΔK/K = 41,18 %
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) = 2000·16/3400 = 9,412 m/s
Кинетическая энергия до и после
Kbefore = ½·2000·16² = 256000 J
Kafter = ½·3400·9,412² = 150588 J
Потерянная доля
ΔK/K = 105412/256000 = 41,18 %
Ответ
ΔK/K = 41,18 %
Потерянная энергия идёт на деформацию, теплоту и звук.
10.Импульс и столкновения
Ответ: J = 8,4 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 = 0,35·(8 + 16) = 8,4 N·s
Ответ
J = 8,4 N·s
11.Гидростатическое давление
Ответ: F = 73,58 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 = 2 + 1/2 = 2,5 m
A = H·b = 1·3 = 3 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·2,5·3 = 73,58 kN
Ответ
F = 73,58 kN
12.Гидростатическое давление
Ответ: F = 12,36 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 = 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
Ответ
F = 12,36 kN
13.Неразрывность и Бернулли
Ответ: Q = 8,093 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) = √(2·9,81·5,5) = 10,39 m/s
Действительный расход
Коэффициент расхода учитывает сжатие струи и трение у кромки.
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 на выходе
β = 25/50 = 0,5
v2 = √(2p1/(ρ(1 − β⁴))) = √(2·70000/(1000·0,9375)) = 12,22 m/s
Высота струи
Уравнение Бернулли вдоль струи: в верхней точке скорость равна нулю, а давление снова атмосферное.
H = v2²/(2g) = 12,22²/(2·9,81) = 7,611 m
Ответ
H = 7,611 m
15.Уравнение состояния идеального газа
Ответ: V = 16,89 L
Уравнение состояния идеального газа: PV = nRT, где n = m/M.
Моли
n = 60/39,95 = 1,502 mol
T = 65 + 273,15 = 338,1 K
Объём
V = nRT/P = 1,502·8,314·338,1/250 = 16,89 L
Ответ
V = 16,89 L
16.Уравнение состояния идеального газа
Ответ: V2 = 11,27 L
Объединённый газовый закон: для постоянного количества идеального газа P1V1/T1 = P2V2/T2.
Абсолютные температуры
T1 = 298,1 K, T2 = 403,1 K
Объединённый газовый закон
V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 10·(250/300)·(403,1/298,1) = 11,27 L
Ответ
V2 = 11,27 L
17.Тепловые машины и холодильники
Ответ: Wmax = 3641 kJ
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 = 750 + 273,15 = 1023 K
TL = 5 + 273,15 = 278,1 K
КПД Карно
ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 278,1/1023 = 72,81 %
Наибольшая работа
Wmax = ηmax·QH = 0,7281·5000 = 3641 kJ
Ответ
Wmax = 3641 kJ
18.Тепловые машины и холодильники
Ответ: Ẇ = 2,388 kW
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 = 20 + 273,15 = 293,1 K
TL = 2 + 273,15 = 275,1 K
COP Карно и действительный COP
COPmax = 293,1/(293,1 − 275,1) = 16,29
COP = 0,45·16,29 = 7,329
Потребляемая мощность
Ẇ = Q̇H/COP = 17,5/7,329 = 2,388 kW
Ответ
Ẇ = 2,388 kW
19.Волны, звук и оптика
Ответ: β = 83,01 dB
Волны: периодическая волна проходит одну длину волны за один период, поэтому v = fλ при T = 1/f. На натянутой струне v = √(T/μ), где T — сила натяжения, а μ = m/L — масса на метр. Звук в воздухе распространяется со скоростью около 343 m/s при 20 °C, свет в вакууме — со скоростью c = 3,00 × 10⁸ m/s. Громкость измеряется в логарифмическом масштабе: β = 10·log₁₀(I/I₀) dB, где I₀ = 10⁻¹² W/m², поэтому десятикратная интенсивность добавляет 10 dB. Точечный источник распределяет мощность P по сфере: I = P/(4πr²).
Суммарная интенсивность
I = 2·I₁
Уровень
β = 80 + 10·log₁₀(2) = 83,01 dB
Ответ
β = 83,01 dB
20.Волны, звук и оптика
Ответ: Δy = 1,375 mm
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, …