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 6,5 m/s² до полной остановки. Найдите тормозной путь s.
v₀ = 60 km/ha = −6,5 m/s²v = 0
s = m
2.КинематикаСложная
Мяч бросают вертикально вверх со скоростью 11 m/s с края крыши на высоте 25 m над землёй. Сопротивлением воздуха пренебречь, g = 9,81 m/s². Через какое время после броска он упадёт на землю? Найдите t.
v₀ = 11 m/sh₀ = 25 mg = 9,81 m/s²
t = s
3.Законы НьютонаСредняя
Брусок массой 2 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 = 2 kgθ = 30°μ = 0,25g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
Брусок массой 7 kg на горизонтальном столе соединён лёгкой нитью, перекинутой через блок без трения, с подвешенным грузом массой 5 kg. Коэффициент трения скольжения между бруском и столом 0,25. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a системы.
m1 = 7 kgm2 = 5 kgμ = 0,25g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
Мяч бросают под углом 40° к горизонту с ровной поверхности. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите горизонтальное расстояние x, которое мяч пролетает до удара о землю.
v0 = 20 m/sθ = 40°g = 9,81 m/s²
x = m
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
Мяч бросают под углом 45° к горизонту с вершины скалы высотой 50 m. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите горизонтальное расстояние x, которое мяч пролетает до удара о землю.
v0 = 34 m/sθ = 45°h = 50 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Работа и энергияСредняя
Брусок массой 10 kg скользит 13 m по наклонной плоскости под углом 40° к горизонту с коэффициентом трения скольжения 0,1. Найдите работу Wf против силы трения.
m = 10 kgθ = 40°μ = 0,1d = 13 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
8.Работа и энергияСложная
Пружину жёсткостью 5000 N/m у основания наклонной плоскости 25° сжимают на 12 cm бруском массой 5 kg и отпускают. Коэффициент трения скольжения между бруском и плоскостью равен 0,2. Какое расстояние d пройдёт брусок вверх по плоскости от точки отпускания до остановки? (Пренебрегите коротким участком, на котором толкает пружина, т. е. учитывайте трение и силу тяжести на всём расстоянии d.)
Пуля массой 8 g, выпущенная горизонтально, попадает в деревянный брусок массой 5 kg, подвешенный на лёгких нитях, и застревает в нём. Брусок отклоняется и поднимается на 23 cm выше начального положения. Примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v пули до удара.
m = 8 gM = 5 kgh = 23 cmg = 9,81 m/s²
v = m/s
10.Импульс и столкновенияСложная
Мяч массой 0,35 kg ударяется о стену со скоростью 20 m/s и отскакивает прямо назад со скоростью 6 m/s. Контакт длится 50 ms. Найдите среднюю силу Favg, с которой стена действует на мяч.
m = 0,35 kgvin = 20 m/svout = 6 m/sΔt = 50 ms
Favg = N
11.Гидростатическое давлениеСредняя
Вертикальный прямоугольный затвор шириной 1,5 m находится в стенке резервуара с жидкостью (вода), его верхний край на 2,5 m ниже поверхности. Найдите равнодействующую силу гидростатического давления F на затвор.
Вертикальный прямоугольный затвор шириной 3 m находится в стенке резервуара с жидкостью (морская вода), его верхний край на 4 m ниже поверхности. Найдите равнодействующую силу гидростатического давления F на затвор.
d = 4 mH = 1 mb = 3 mρ = 1025 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
13.Неразрывность и БернуллиСредняя
Трубка Пито — Прандтля в водопроводной трубе показывает разность 4 kPa между давлением торможения и статическим давлением. Найдите скорость воды v у носика трубки.
p0 − p = 4 kPaρ = 1000 kg/m³
v = m/s
14.Неразрывность и БернуллиСложная
По горизонтальному расходомеру Вентури (вход 80 mm, горловина 40 mm) течёт вода. Ртутный U-образный манометр, подключённый между входом и горловиной, показывает разность уровней 310 mm. Коэффициент расхода равен 0,99. Найдите расход Q. Примите ρ = 1000 kg/m³ для воды, 13 600 kg/m³ для ртути и g = 9,81 m/s².
Обратимая тепловая машина (машина Карно) за цикл получает 700 kJ теплоты от резервуара при 225 °C и отдаёт 454 kJ. Найдите температуру TL холодного резервуара в °C.
TH = 225 °CQH = 700 kJQL = 454 kJ
TL = °C
18.Тепловые машины и холодильникиСложная
Тепловая машина Карно получает 170 kW теплоты от источника при 800 °C и отдаёт теплоту окружающей среде при 20 °C. Вся её работа приводит холодильную машину Карно, которая отводит теплоту из морозильной камеры при -30 °C и тоже отдаёт теплоту окружающей среде при 20 °C. Найдите тепловой поток Q̇L, отводимый из морозильной камеры.
TH = 800 °CT0 = 20 °CTL = -30 °CQ̇H = 170 kW
Q̇L = kW
19.Волны, звук и оптикаСредняя
Малый источник посылает звук одинаково во все стороны. Уровень на расстоянии 10 m от него равен 85 dB. Найдите уровень β2 на расстоянии 20 m, пренебрегая поглощением и отражениями.
β1 = 85 dBr1 = 10 mr2 = 20 m
β2 = dB
20.Волны, звук и оптикаСложная
Свет с длиной волны 532 nm падает под прямым углом на решётку с 500 штрихами на миллиметр. Найдите угол θ2 максимума порядка 2.
N = 500 mm⁻¹λ = 532 nmm = 2
θ2 = °
3Растворы
1.Кинематика
Ответ: s = 21,37 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/(2·6,5) = 21,37 m
Ответ
s = 21,37 m
2.Кинематика
Ответ: t = 3,642 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.
−25 = 11·t − ½·9,81·t²
4,905·t² − 11·t − 25 = 0
Решите квадратное уравнение
Физический смысл имеет только положительный корень.
t = (11 + √(11² + 2·9,81·25))/9,81 = 3,642 s
Ответ
t = 3,642 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 = 20·cos 40° = 15,32 m/s
vy = v0·sin θ = 20·sin 40° = 12,86 m/s
Время полёта
Старт и приземление на одной высоте: t = 2vy/g.
t = 2·12,86/9,81 = 2,621 s
Горизонтальное расстояние
x = vx·t = 15,32·2,621 = 40,16 m
Ответ
x = 40,16 m
6.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: x = 155,7 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 = 34·cos 45° = 24,04 m/s
vy = v0·sin θ = 34·sin 45° = 24,04 m/s
Время полёта
Решите y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0 и возьмите положительный корень.
0 = 50 + 24,04·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (24,04 + √(578 + 981))/9,81 = 6,476 s
Горизонтальное расстояние
x = vx·t = 24,04·6,476 = 155,7 m
Ответ
x = 155,7 m
7.Работа и энергия
Ответ: Wf = 97,69 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 = 98,1·0,766 = 75,15 N
F = μN = 0,1·75,15 = 7,515 N
Работа против трения
Wf = F·d = 7,515·13 = 97,69 J
Ответ
Wf = 97,69 J
8.Работа и энергия
Ответ: d = 1,215 m
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 пружины
x = 12 cm = 0,12 m
½kx² = ½·5000·0,12² = 36 J
Энергетический баланс вдоль плоскости
m·g = 5·9,81 = 49,05 N
½kx² = mg·d·(sin θ + μ·cos θ)
d = 36/(49,05·(0,4226 + 0,2·0,9063)) = 1,215 m
Ответ
d = 1,215 m
9.Импульс и столкновения
Ответ: v = 1330 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.
Отклонение после удара
V = √(2·g·h) = √(2·9,81·0,23) = 2,124 m/s
Столкновение
m·v = (m + M)·V → v = (0,008 + 5)·2,124/0,008 = 1330 m/s
Ответ
v = 1330 m/s
10.Импульс и столкновения
Ответ: Favg = 182 N
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·(6 + 20) = 9,1 N·s
Средняя сила
Favg = J/Δt = 9,1/0,05 = 182 N
Ответ
Favg = 182 N
11.Гидростатическое давление
Ответ: F = 44,15 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 = 2,5 + 1/2 = 3 m
A = H·b = 1·1,5 = 1,5 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·3·1,5 = 44,15 kN
Ответ
F = 44,15 kN
12.Гидростатическое давление
Ответ: F = 135,7 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 = 1·3 = 3 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 1025·9,81·4,5·3 = 135,7 kN
Ответ
F = 135,7 kN
13.Неразрывность и Бернулли
Ответ: v = 2,828 m/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.
Уравнение Бернулли до точки торможения
У носика поток останавливается, поэтому его кинетическая энергия проявляется как дополнительное давление.
p0 − p = ½ρv²
v = √(2·4000/1000) = 2,828 m/s
Ответ
v = 2,828 m/s
14.Неразрывность и Бернулли
Ответ: Q = 11,25 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.
Разность давлений по манометру
Δp = (13600 − 1000)·9,81·0,31 = 38318 Pa
Скорость в горловине
Уравнения неразрывности и Бернулли вместе дают идеальную скорость в горловине.
Уравнение состояния идеального газа: PV = nRT, где n = m/M.
Моли
n = 20/44,01 = 0,4544 mol
T = 45 + 273,15 = 318,1 K
Объём
V = nRT/P = 0,4544·8,314·318,1/650 = 1,849 L
Ответ
V = 1,849 L
16.Уравнение состояния идеального газа
Ответ: V2 = 0,5271 L
Объединённый газовый закон: для постоянного количества идеального газа P1V1/T1 = P2V2/T2.
Абсолютные температуры
T1 = 308,1 K, T2 = 433,1 K
Объединённый газовый закон
V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 2·(150/800)·(433,1/308,1) = 0,5271 L
Ответ
V2 = 0,5271 L
17.Тепловые машины и холодильники
Ответ: TL = 49,94 °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.
Абсолютная температура источника
TH = 225 + 273,15 = 498,1 K
Отношение теплот для обратимого цикла
TL = TH·QL/QH = 498,1·454/700 = 323,1 K = 49,94 °C
Ответ
TL = 49,94 °C
18.Тепловые машины и холодильники
Ответ: Q̇L = 600,9 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 = 800 + 273,15 = 1073 K
T0 = 20 + 273,15 = 293,1 K
TL = -30 + 273,15 = 243,1 K
Работа машины
η = 1 − 293,1/1073 = 0,7268
Ẇ = 0,7268·170 = 123,6 kW
Теплота, отводимая холодильником
COPR = 243,1/(293,1 − 243,1) = 4,863
Q̇L = 4,863·123,6 = 600,9 kW
Ответ
Q̇L = 600,9 kW
19.Волны, звук и оптика
Ответ: β2 = 78,98 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).
Отношение интенсивностей
I₂/I₁ = (10/20)² = 0,25
Новый уровень
β₂ = 85 + 10·log₁₀(0,25) = 78,98 dB
Ответ
β2 = 78,98 dB
Каждое удвоение расстояния снижает уровень примерно на 6 dB.
20.Волны, звук и оптика
Ответ: θ2 = 32,14 °
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, …