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
Самолёт трогается с места и равноускоренно разгоняется с ускорением 3,5 m/s² по взлётной полосе. Найдите его скорость v через 1300 m.
v₀ = 0a = 3,5 m/s²s = 1300 m
v = m/s
2.КинематикаСложная
Модель ракеты запускают вертикально вверх из состояния покоя. Двигатель сообщает ей постоянное ускорение 30 m/s², направленное вверх, в течение 2,5 s, после чего двигатель выключается и ракета движется свободно. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите наибольшую высоту hmax, которой достигает ракета.
a = 30 m/s²t1 = 2,5 sg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Законы НьютонаСредняя
Ящик скользит по горизонтальному полу с начальной скоростью 10 m/s и останавливается через 51 m. Примите g = 9,81 m/s². Найдите коэффициент трения скольжения μ.
v₀ = 10 m/sd = 51 mg = 9,81 m/s²
μ =
4.Законы НьютонаСложная
Бруску сообщают толчок, и он начинает скользить вверх по наклонной плоскости под углом 15° со скоростью 10,5 m/s. Коэффициент трения скольжения равен 0,1. Примите g = 9,81 m/s². Какое расстояние d вдоль плоскости он проскользит до остановки?
v₀ = 10,5 m/sθ = 15°μ = 0,1g = 9,81 m/s²
d = m
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
Мяч бросают с горизонтальной поверхности под углом 75° к горизонту, и он падает на расстоянии 30 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите начальную скорость v0.
θ = 75°R = 30 mg = 9,81 m/s²
v0 = m/s
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
Мяч бросают под углом 35° к горизонту с вершины скалы высотой 60 m. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите время полёта t до удара мяча о землю.
v0 = 19 m/sθ = 35°h = 60 mg = 9,81 m/s²
t = s
7.Работа и энергияСредняя
Автомобиль, движущийся со скоростью 90 km/h по горизонтальной дороге, резко тормозит и с заблокированными колёсами скользит до остановки. Коэффициент трения скольжения между шинами и дорогой равен 0,7. Найдите тормозной путь d.
v = 90 km/hμ = 0,7g = 9,81 m/s²
d = m
8.Работа и энергияСложная
Пружину жёсткостью 5000 N/m у основания наклонной плоскости 25° сжимают на 5 cm бруском массой 3 kg и отпускают. Коэффициент трения скольжения между бруском и плоскостью равен 0,3. 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.)
Тележка массой 2 kg, движущаяся со скоростью 2 m/s, испытывает абсолютно упругий центральный удар с покоящейся тележкой массой 5 kg на дорожке без трения. Найдите скорость v′1 первой тележки после столкновения (положительную в направлении её первоначального движения).
m1 = 2 kgm2 = 5 kgv1 = 2 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
10.Импульс и столкновенияСложная
Мяч массой 0,1 kg ударяется о стену со скоростью 12 m/s и отскакивает прямо назад со скоростью 19 m/s. Контакт длится 50 ms. Найдите среднюю силу Favg, с которой стена действует на мяч.
m = 0,1 kgvin = 12 m/svout = 19 m/sΔt = 50 ms
Favg = N
11.Гидростатическое давлениеСредняя
Вертикальный прямоугольный затвор шириной 2 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 = 2 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
12.Гидростатическое давлениеСложная
Вертикальный прямоугольный затвор шириной 3 m находится в стенке резервуара с жидкостью (масло), его верхний край на 3 m ниже поверхности. Найдите равнодействующую силу гидростатического давления F на затвор.
d = 3 mH = 2 mb = 3 mρ = 880 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
13.Неразрывность и БернуллиСредняя
Трубка Пито — Прандтля в водопроводной трубе показывает разность 17 kPa между давлением торможения и статическим давлением. Найдите скорость воды v у носика трубки.
p0 − p = 17 kPaρ = 1000 kg/m³
v = m/s
14.Неразрывность и БернуллиСложная
Вода поднимается по трубе, которая сужается с 150 mm до 75 mm и поднимается на 7 m. В сечении 1 давление 360 kPa, а скорость 1 m/s. Пренебрегая потерями, найдите давление p2 в сечении 2.
Тепловая машина работает между горячим резервуаром при 775 °C и холодным при 20 °C. Она получает 1100 kJ теплоты. Найдите наибольшую работу Wmax, которую она могла бы совершить.
TH = 775 °CTL = 20 °CQH = 1100 kJ
Wmax = kJ
18.Тепловые машины и холодильникиСложная
Две машины Карно работают последовательно. Машина A получает теплоту от резервуара при 800 °C и отдаёт теплоту промежуточному резервуару при температуре Tm. Машина B забирает всю эту теплоту и отдаёт теплоту резервуару при 20 °C. Обе машины совершают одинаковую работу. Найдите Tm в °C.
TH = 800 °CTL = 20 °C
Tm = °C
19.Волны, звук и оптикаСредняя
Струна, закреплённая с обоих концов имеет длину 0,75 m; волны бегут по ней со скоростью 150 m/s. Найдите частоту f4 для режима: гармоника номер 4.
v = 150 m/sn = 4L = 0,75 m
f4 = Hz
20.Волны, звук и оптикаСложная
Две тонкие линзы имеют общую ось и находятся на расстоянии 25 cm друг от друга: линза 1 с f₁ = 20 cm и линза 2 с f₂ = 20 cm. Предмет находится в 12 cm перед линзой 1. Найдите положение di2 итогового изображения, отсчитываемое от линзы 2 (положительное за линзой 2, действительное — положительное).
f1 = 20 cmf2 = 20 cms = 25 cmdo = 12 cm
di2 = cm
3Растворы
1.Кинематика
Ответ: v = 95,39 m/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.
Скорость после пройденного пути
v = √(2·a·s) = √(2·3,5·1300) = 95,39 m/s
Ответ
v = 95,39 m/s
(343,4 km/h)
2.Кинематика
Ответ: hmax = 380,4 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.
Активный участок
v₁ = 30·2,5 = 75 m/s
h₁ = ½·30·2,5² = 93,75 m
Свободный полёт вверх
В наивысшей точке скорость равна нулю.
Δh = v₁²/(2g) = 75²/(2·9,81) = 286,7 m
hmax = 93,75 + 286,7 = 380,4 m
Ответ
hmax = 380,4 m
3.Законы Ньютона
Ответ: μ = 0,09994
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
a = v₀²/(2d) = 10²/(2·51) = 0,9804 m/s²
Коэффициент трения
μ·m·g = m·a → μ = a/g = 0,9804/9,81 = 0,09994
Ответ
μ = 0,09994
4.Законы Ньютона
Ответ: d = 15,81 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 15° + 0,1·cos 15°) = 3,487 m/s²
Путь
d = v₀²/(2a) = 10,5²/(2·3,487) = 15,81 m
Ответ
d = 15,81 m
5.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: v0 = 24,26 m/s
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) = √(9,81·30/sin 150°) = 24,26 m/s
Ответ
v0 = 24,26 m/s
6.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: t = 4,781 s
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 = 19·cos 35° = 15,56 m/s
vy = v0·sin θ = 19·sin 35° = 10,9 m/s
Время полёта
Решите y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0 и возьмите положительный корень.
0 = 60 + 10,9·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (10,9 + √(118,8 + 1177))/9,81 = 4,781 s
Ответ
t = 4,781 s
7.Работа и энергия
Ответ: d = 45,51 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).
Скорость в основных единицах
v = 90/3,6 = 25 m/s
Энергетический баланс
½mv² = μmg·d → d = v²/(2μg) = 25²/(2·0,7·9,81) = 45,51 m
Ответ
d = 45,51 m
При удвоении скорости тормозной путь увеличивается в четыре раза.
8.Работа и энергия
Ответ: d = 0,3058 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 = 5 cm = 0,05 m
½kx² = ½·5000·0,05² = 6,25 J
Энергетический баланс вдоль плоскости
m·g = 3·9,81 = 29,43 N
½kx² = mg·d·(sin θ + μ·cos θ)
d = 6,25/(29,43·(0,4226 + 0,3·0,9063)) = 0,3058 m
Ответ
d = 0,3058 m
9.Импульс и столкновения
Ответ: v′1 = −0,8571 m/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.
Упругий удар о покоящееся тело
Совместное решение уравнений сохранения импульса и энергии даёт эти два результата.
v′1 = (2 − 5)/(2 + 5)·2 = −0,8571 m/s
v′2 = 2·2/(2 + 5)·2 = 1,143 m/s
Ответ
v′1 = −0,8571 m/s
Знак минус означает, что первая тележка отскакивает назад.
10.Импульс и столкновения
Ответ: Favg = 62 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 = 0,1·(19 + 12) = 3,1 N·s
Средняя сила
Favg = J/Δt = 3,1/0,05 = 62 N
Ответ
Favg = 62 N
11.Гидростатическое давление
Ответ: F = 49,05 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 = 1·2 = 2 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·2,5·2 = 49,05 kN
Ответ
F = 49,05 kN
12.Гидростатическое давление
Ответ: F = 207,2 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 = 3 + 2/2 = 4 m
A = H·b = 2·3 = 6 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 880·9,81·4·6 = 207,2 kN
Ответ
F = 207,2 kN
13.Неразрывность и Бернулли
Ответ: v = 5,831 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 = √(2·17000/1000) = 5,831 m/s
Ответ
v = 5,831 m/s
14.Неразрывность и Бернулли
Ответ: p2 = 283,8 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 = 230/39,95 = 5,757 mol
T = 45 + 273,15 = 318,1 K
Объём
V = nRT/P = 5,757·8,314·318,1/300 = 50,76 L
Ответ
V = 50,76 L
16.Уравнение состояния идеального газа
Ответ: ρ = 6,691 kg/m³
Плотность идеального газа: ρ = PM/(RT).
Преобразуйте газовый закон
PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 50 + 273,15 = 323,1 K
Плотность
ρ = 450·39,95/(8,314·323,1) = 6,691 kg/m³
Ответ
ρ = 6,691 kg/m³
17.Тепловые машины и холодильники
Ответ: Wmax = 792,3 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 = 775 + 273,15 = 1048 K
TL = 20 + 273,15 = 293,1 K
КПД Карно
ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 293,1/1048 = 72,03 %
Наибольшая работа
Wmax = ηmax·QH = 0,7203·1100 = 792,3 kJ
Ответ
Wmax = 792,3 kJ
18.Тепловые машины и холодильники
Ответ: Tm = 410 °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 = 800 + 273,15 = 1073 K
TL = 20 + 273,15 = 293,1 K
Равная работа
W = Q·(1 − Tlow/Thigh), а Q/T одинаково для всех резервуаров, поэтому W пропорциональна перепаду температур.
Tm = (1073 + 293,1)/2 = 683,2 K = 410 °C
Ответ
Tm = 410 °C
19.Волны, звук и оптика
Ответ: f4 = 400 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|.
Длина волны этого режима
λ = 2L/n = 2·0,75/4 = 0,375 m
Частота
f = v/λ = 150/0,375 = 400 Hz
Ответ
f4 = 400 Hz
20.Волны, звук и оптика
Ответ: di2 = 31,43 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.