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 90 km/h, тормозит с постоянным замедлением 4 m/s² до полной остановки. Сколько длится торможение? Найдите t.
v₀ = 90 km/ha = −4 m/s²v = 0
t = s
2.КинематикаСложная
Мяч A без начальной скорости падает с высоты 60 m. В тот же момент мяч B бросают вертикально вверх с земли прямо под ним со скоростью 22 m/s. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Когда мячи встретятся? Найдите t.
H = 60 mv0B = 22 m/sg = 9,81 m/s²
t = s
3.Законы НьютонаСредняя
Грузы массами 10 kg и 5 kg висят по обе стороны лёгкого блока без трения и связаны лёгкой нитью. Систему отпускают из состояния покоя. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a грузов.
m1 = 10 kgm2 = 5 kgg = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
Брусок массой 1 kg на наклонной плоскости под углом 25° связан лёгкой нитью, перекинутой через блок без трения на вершине плоскости, с висящим грузом массой 5,5 kg. Висящий груз движется вниз. Коэффициент трения скольжения между бруском и плоскостью равен 0,1. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a системы.
m1 = 1 kgm2 = 5,5 kgθ = 25°μ = 0,1g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
Мяч бросают под углом 30° к горизонту с ровной поверхности. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите наибольшую высоту H, которой достигает мяч.
v0 = 36 m/sθ = 30°g = 9,81 m/s²
H = m
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
Мяч бросают с уровня земли со скоростью 34 m/s под углом 45° к горизонту. Он падает на плоскую крышу здания высотой 7 m, уже опускаясь. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите горизонтальное расстояние x от точки броска до места падения.
v₀ = 34 m/sθ = 45°hroof = 7 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Работа и энергияСредняя
Брусок без начальной скорости скользит по наклонной плоскости под углом 30° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,25. Найдите его скорость v после того, как он проскользит 11 m вдоль плоскости.
θ = 30°μ = 0,25d = 11 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
8.Работа и энергияСложная
Брусок массой 10 kg начинает движение из состояния покоя у основания наклонной плоскости 20° и тянется вверх по ней постоянной силой 85 N, параллельной плоскости. Коэффициент трения скольжения равен 0,2. Найдите скорость v бруска после того, как он переместится на 9 m вверх по плоскости.
Автомобиль массой 1000 kg, движущийся со скоростью 6 m/s, налетает на стоящий автомобиль массой 1000 kg, и они сцепляются. Какая кинетическая энергия ΔK теряется при столкновении?
m1 = 1000 kgv1 = 6 m/sm2 = 1000 kgv2 = 0
ΔK = J
10.Импульс и столкновенияСложная
Пуля массой 12 g, выпущенная горизонтально, попадает в брусок массой 4 kg, подвешенный на лёгких нитях длиной 1,2 m, и застревает в нём. Нити отклоняются на наибольший угол 20° от вертикали. Примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v пули до удара.
m = 12 gM = 4 kgL = 1,2 mθ = 20°g = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Гидростатическое давлениеСредняя
Вертикальный прямоугольный затвор шириной 3 m находится в стенке резервуара с жидкостью (вода), его верхний край на 0,5 m ниже поверхности. Найдите равнодействующую силу гидростатического давления F на затвор.
Вертикальный прямоугольный затвор шириной 1,5 m находится в стенке резервуара с жидкостью (масло), его верхний край на 1,5 m ниже поверхности. Найдите равнодействующую силу гидростатического давления F на затвор.
Вода вытекает из большого открытого резервуара через отверстие с острой кромкой диаметром 30 mm. Уровень воды поддерживается на 6 m выше отверстия, коэффициент расхода равен 0,61. Найдите расход Q. Примите g = 9,81 m/s².
d = 30 mmh = 6 mCd = 0,61g = 9,81 m/s²
Q = L/s
14.Неразрывность и БернуллиСложная
В закрытом резервуаре над водой находится сжатый воздух с избыточным давлением 70 kPa. Вода вытекает в атмосферу через отверстие диаметром 50 mm, расположенное на 1,5 m ниже поверхности воды. Пренебрегая потерями, найдите скорость струи v. Примите g = 9,81 m/s².
Обратимый холодильник поддерживает в холодильной камере 4 °C, отводя 2 kW теплоты, и отдаёт теплоту окружающей среде при 28 °C. Найдите тепловой поток Q̇H, который он отдаёт.
TL = 4 °CTH = 28 °CQ̇L = 2 kW
Q̇H = kW
18.Тепловые машины и холодильникиСложная
Холодильник поддерживает в холодной камере 4 °C на кухне при 35 °C, отводя из камеры теплоту 5 kW. Найдите минимальную необходимую мощность Ẇmin.
TH = 35 °CTL = 4 °CQ̇L = 5 kW
Ẇmin = kW
19.Волны, звук и оптикаСредняя
Свет идёт в среде «глицерин» (n = 1,47) к плоской границе со средой «воздух» (n = 1,00). Найдите критический угол θc, за пределом которого происходит полное отражение.
n1 = 1,47n2 = 1,00
θc = °
20.Волны, звук и оптикаСложная
Свет с длиной волны 633 nm падает под прямым углом на решётку с 600 штрихами на миллиметр. Найдите угол θ1 максимума порядка 1.
N = 600 mm⁻¹λ = 633 nmm = 1
θ1 = °
3Растворы
1.Кинематика
Ответ: t = 6,25 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 = 90/3,6 = 25 m/s
Время торможения
0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 25/4 = 6,25 s
Ответ
t = 6,25 s
2.Кинематика
Ответ: t = 2,727 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.
60 − ½g·t² = 22·t − ½g·t² → t = 60/22 = 2,727 s
Ответ
t = 2,727 s
3.Законы Ньютона
Ответ: a = 3,27 m/s²
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.
Ускорение
Движущая равнодействующая — это разность весов; она разгоняет полную массу.
a = (10 − 5)·9,81/(10 + 5) = 3,27 m/s²
Ответ
a = 3,27 m/s²
4.Законы Ньютона
Ответ: a = 7,526 m/s²
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 нити
m₂·g = 53,96 N
m₁·g·sin θ = 4,146 N
μ·m₁·g·cos θ = 0,8891 N
Ускорение системы
a = (53,96 − 4,146 − 0,8891)/6,5 = 7,526 m/s²
Ответ
a = 7,526 m/s²
5.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: H = 16,51 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 = 36·cos 30° = 31,18 m/s
vy = v0·sin θ = 36·sin 30° = 18 m/s
Высшая точка
В верхней точке вертикальная скорость равна нулю: vy² = 2gH.
H = vy²/(2g) = 18²/(2·9,81) = 16,51 m
Ответ
H = 16,51 m
6.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: x = 110,4 m
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 = 24,04 m/s, vy = 24,04 m/s
Время до падения на крышу
Больший корень: мяч опускается.
7 = 24,04·t − 4,905·t²
t = (24,04 + √(24,04² − 2·9,81·7))/9,81 = 4,591 s
Горизонтальное расстояние
x = vx·t = 24,04·4,591 = 110,4 m
Ответ
x = 110,4 m
7.Работа и энергия
Ответ: v = 7,822 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 = √(2·9,81·11·(0,5 − 0,25·0,866)) = 7,822 m/s
Ответ
v = 7,822 m/s
8.Работа и энергия
Ответ: v = 7,708 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).
Силы вдоль плоскости
m·g = 10·9,81 = 98,1 N
mg·sin θ = 33,55 N
μ·mg·cos θ = 18,44 N
Работа и энергия
½mv² = (85 − 51,99)·9 = 297,1 J
v = √(2·297,1/10) = 7,708 m/s
Ответ
v = 7,708 m/s
9.Импульс и столкновения
Ответ: ΔK = 9000 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) = 1000·6/2000 = 3 m/s
Кинетическая энергия до и после
Kbefore = ½·1000·6² = 18000 J
Kafter = ½·2000·3² = 9000 J
Потерянная энергия
ΔK = 18000 − 9000 = 9000 J
Ответ
ΔK = 9000 J
Потерянная энергия идёт на деформацию, теплоту и звук.
10.Импульс и столкновения
Ответ: v = 398,4 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) = 1,2·(1 − cos 20°) = 0,07237 m
Скорость после удара
V = √(2·9,81·0,07237) = 1,192 m/s
Столкновение
v = (m + M)·V/m = 4,012·1,192/0,012 = 398,4 m/s
Ответ
v = 398,4 m/s
11.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 = 0,5 + 2,5/2 = 1,75 m
A = H·b = 2,5·3 = 7,5 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·1,75·7,5 = 128,8 kN
Ответ
F = 128,8 kN
12.Гидростатическое давление
Ответ: F = 89,03 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 = 1,5 + 2,5/2 = 2,75 m
A = H·b = 2,5·1,5 = 3,75 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 880·9,81·2,75·3,75 = 89,03 kN
Ответ
F = 89,03 kN
13.Неразрывность и Бернулли
Ответ: Q = 4,678 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) = √(2·9,81·6) = 10,85 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.
Уравнение Бернулли от поверхности до струи
v = √(2·(70000/1000 + 9,81·1,5)) = 13,02 m/s
Ответ
v = 13,02 m/s
15.Уравнение состояния идеального газа
Ответ: P = 332,3 kPa
Уравнение состояния идеального газа: PV = nRT, где n = m/M.
Моли
n = m/M = 30/28,01 = 1,071 mol
T = 100 + 273,15 = 373,1 K
Давление
P = nRT/V = 1,071·8,314·373,1/0,01 = 332,3 kPa
Ответ
P = 332,3 kPa
16.Уравнение состояния идеального газа
Ответ: ρ = 4,845 kg/m³
Плотность идеального газа: ρ = PM/(RT).
Преобразуйте газовый закон
PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 0 + 273,15 = 273,1 K
Плотность
ρ = 250·44,01/(8,314·273,1) = 4,845 kg/m³
Ответ
ρ = 4,845 kg/m³
17.Тепловые машины и холодильники
Ответ: Q̇H = 2,173 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 = 28 + 273,15 = 301,1 K
TL = 4 + 273,15 = 277,1 K
Отношение теплот для обратимого цикла
Q̇H = Q̇L·TH/TL = 2·301,1/277,1 = 2,173 kW
Ответ
Q̇H = 2,173 kW
Потребляемая мощность: Ẇ = 0,1732 kW.
18.Тепловые машины и холодильники
Ответ: Ẇmin = 0,5593 kW
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.
Меньше всего работы нужно обратимой машине, у которой наибольший COP.
Ẇmin = Q̇L/COP = 5/8,94 = 0,5593 kW
Ответ
Ẇmin = 0,5593 kW
19.Волны, звук и оптика
Ответ: θc = 42,86 °
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.
Преломление под 90°
sin θc = n₂/n₁ = 1,00/1,47 = 0,6803
Критический угол
θc = arcsin(0,6803) = 42,86°
Ответ
θc = 42,86°
20.Волны, звук и оптика
Ответ: θ1 = 22,32 °
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, …