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 120 km/h, тормозит с постоянным замедлением 5 m/s² до полной остановки. Сколько длится торможение? Найдите t.
v₀ = 120 km/ha = −5 m/s²v = 0
t = s
2.КинематикаСложная
Трамвай трогается с места и разгоняется с ускорением 2,5 m/s² в течение 8 s, затем движется с постоянной скоростью 19 s и, наконец, тормозит с замедлением 4,5 m/s² до остановки. Найдите полный путь s между двумя остановками.
a1 = 2,5 m/s²t1 = 8 st2 = 19 sa3 = −4,5 m/s²
s = m
3.Законы НьютонаСредняя
Санки массой 5 kg тянут по горизонтальному снегу верёвкой под углом 35° к горизонту с силой 50 N. Коэффициент трения скольжения равен 0,2. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a санок.
m = 5 kgF = 50 Nθ = 35°μ = 0,2g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
Два бруска на горизонтальном полу связаны лёгкой горизонтальной нитью. Горизонтальная сила 55 N тянет передний брусок массой 3 kg; брусок массой 1 kg тащится сзади. Коэффициент трения скольжения для обоих брусков равен 0,1. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a брусков.
m1 = 1 kgm2 = 3 kgF = 55 Nμ = 0,1g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
Мяч бросают под углом 20° к горизонту с ровной поверхности. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите горизонтальное расстояние x, которое мяч пролетает до удара о землю.
v0 = 20 m/sθ = 20°g = 9,81 m/s²
x = m
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
Мяч бросают с уровня земли со скоростью 37 m/s под углом 65° к горизонту. Он падает на плоскую крышу здания высотой 4 m, уже опускаясь. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите горизонтальное расстояние x от точки броска до места падения.
v₀ = 37 m/sθ = 65°hroof = 4 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Работа и энергияСредняя
Шарик массой 0,2 kg висит на лёгкой нити длиной 3 m. Его отводят в сторону, пока нить не составит 70° с вертикалью, и отпускают без начальной скорости. Найдите силу натяжения T нити в момент прохождения шариком нижней точки.
m = 0,2 kgL = 3 mθ = 70°g = 9,81 m/s²
T = N
8.Работа и энергияСложная
Пружину жёсткостью 3000 N/m у основания наклонной плоскости 35° сжимают на 5 cm бруском массой 1 kg и отпускают. Коэффициент трения скольжения между бруском и плоскостью равен 0,15. 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 3,5 kg, движущаяся со скоростью 12 m/s, испытывает абсолютно упругий центральный удар с покоящейся тележкой массой 4 kg на дорожке без трения. Найдите скорость v′1 первой тележки после столкновения (положительную в направлении её первоначального движения).
m1 = 3,5 kgm2 = 4 kgv1 = 12 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
10.Импульс и столкновенияСложная
Мяч массой 0,25 kg ударяется о стену со скоростью 8 m/s и отскакивает прямо назад со скоростью 12 m/s. Контакт длится 10 ms. Найдите среднюю силу Favg, с которой стена действует на мяч.
m = 0,25 kgvin = 8 m/svout = 12 m/sΔt = 10 ms
Favg = N
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.
Вертикальный прямоугольный затвор шириной 2 m находится в стенке резервуара с жидкостью (масло), его верхний край на 4 m ниже поверхности. Найдите равнодействующую силу гидростатического давления F на затвор.
d = 4 mH = 3 mb = 2 mρ = 880 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
13.Неразрывность и БернуллиСредняя
Вода вытекает из большого открытого резервуара через отверстие с острой кромкой диаметром 20 mm. Уровень воды поддерживается на 1 m выше отверстия, коэффициент расхода равен 0,62. Найдите расход Q. Примите g = 9,81 m/s².
d = 20 mmh = 1 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 100 mm и избыточное давление 40 kPa. Выходной диаметр сопла 30 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.
Обратимая тепловая машина (машина Карно) за цикл получает 3600 kJ теплоты от резервуара при 275 °C и отдаёт 1794 kJ. Найдите температуру TL холодного резервуара в °C.
TH = 275 °CQH = 3600 kJQL = 1794 kJ
TL = °C
18.Тепловые машины и холодильникиСложная
Холодильник поддерживает в холодной камере 5 °C на кухне при 28 °C, отводя из камеры теплоту 3 kW. Найдите минимальную необходимую мощность Ẇmin.
TH = 28 °CTL = 5 °CQ̇L = 3 kW
Ẇmin = kW
19.Волны, звук и оптикаСредняя
Струна, закреплённая с обоих концов имеет длину 1,5 m; волны бегут по ней со скоростью 300 m/s. Найдите частоту f2 для режима: гармоника номер 2.
v = 300 m/sn = 2L = 1,5 m
f2 = Hz
20.Волны, звук и оптикаСложная
Предмет находится в 10 cm перед вогнутым зеркалом с радиусом кривизны 24 cm. Найдите расстояние до изображения di: положительное для изображения перед зеркалом (действительного) и отрицательное для изображения за ним (мнимого).
do = 10 cmR = 24 cm
di = cm
3Растворы
1.Кинематика
Ответ: t = 6,667 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 = 120/3,6 = 33,33 m/s
Время торможения
0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 33,33/5 = 6,667 s
Ответ
t = 6,667 s
2.Кинематика
Ответ: s = 504,4 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.
Наибольшая скорость
v = a1·t1 = 2,5·8 = 20 m/s
Путь на каждом этапе
s1 = ½·2,5·8² = 80 m
s2 = 20·19 = 380 m
s3 = 20²/(2·4,5) = 44,44 m
Полный путь
s = 80 + 380 + 44,44 = 504,4 m
Ответ
s = 504,4 m
3.Законы Ньютона
Ответ: a = 7,377 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.
Сила нормальной реакции
N = m·g − F·sin θ = 49,05 − 50·sin 35° = 20,37 N
Горизонтальные силы
m·a = F·cos θ − μ·N = 40,96 − 4,074
a = 36,88/5 = 7,377 m/s²
Ответ
a = 7,377 m/s²
4.Законы Ньютона
Ответ: a = 12,77 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.
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 20° = 18,79 m/s
vy = v0·sin θ = 20·sin 20° = 6,84 m/s
Время полёта
Старт и приземление на одной высоте: t = 2vy/g.
t = 2·6,84/9,81 = 1,395 s
Горизонтальное расстояние
x = vx·t = 18,79·1,395 = 26,21 m
Ответ
x = 26,21 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
vx = 15,64 m/s, vy = 33,53 m/s
Время до падения на крышу
Больший корень: мяч опускается.
4 = 33,53·t − 4,905·t²
t = (33,53 + √(33,53² − 2·9,81·4))/9,81 = 6,715 s
Горизонтальное расстояние
x = vx·t = 15,64·6,715 = 105 m
Ответ
x = 105 m
7.Работа и энергия
Ответ: T = 4,544 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) = 2·9,81·3·(1 − cos 70°) = 38,73 m²/s²
Силы в нижней точке
m·g = 0,2·9,81 = 1,962 N
T = mg + mv²/L = 1,962 + 0,2·38,73/3 = 4,544 N
Ответ
T = 4,544 N
Проверка: T = mg(3 − 2cos θ) = 4,544 N.
8.Работа и энергия
Ответ: d = 0,5489 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 = ½·3000·0,05² = 3,75 J
Энергетический баланс вдоль плоскости
m·g = 1·9,81 = 9,81 N
½kx² = mg·d·(sin θ + μ·cos θ)
d = 3,75/(9,81·(0,5736 + 0,15·0,8192)) = 0,5489 m
Ответ
d = 0,5489 m
9.Импульс и столкновения
Ответ: v′1 = −0,8 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 = (3,5 − 4)/(3,5 + 4)·12 = −0,8 m/s
v′2 = 2·3,5/(3,5 + 4)·12 = 11,2 m/s
Ответ
v′1 = −0,8 m/s
Знак минус означает, что первая тележка отскакивает назад.
10.Импульс и столкновения
Ответ: Favg = 500 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 = 0,25·(12 + 8) = 5 N·s
Средняя сила
Favg = J/Δt = 5/0,01 = 500 N
Ответ
Favg = 500 N
11.Гидростатическое давление
Ответ: F = 121,4 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 = 2 + 1,5/2 = 2,75 m
A = H·b = 1,5·3 = 4,5 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·2,75·4,5 = 121,4 kN
Ответ
F = 121,4 kN
12.Гидростатическое давление
Ответ: F = 284,9 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 + 3/2 = 5,5 m
A = H·b = 3·2 = 6 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 880·9,81·5,5·6 = 284,9 kN
Ответ
F = 284,9 kN
13.Неразрывность и Бернулли
Ответ: Q = 0,8628 L/s
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.
Идеальная скорость струи
√(2gh) = √(2·9,81·1) = 4,429 m/s
Действительный расход
Коэффициент расхода учитывает сжатие струи и трение у кромки.
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.
Скорость на выходе
β = 30/100 = 0,3
v2 = √(2p1/(ρ(1 − β⁴))) = √(2·40000/(1000·0,9919)) = 8,981 m/s
Высота струи
Уравнение Бернулли вдоль струи: в верхней точке скорость равна нулю, а давление снова атмосферное.
H = v2²/(2g) = 8,981²/(2·9,81) = 4,111 m
Ответ
H = 4,111 m
15.Уравнение состояния идеального газа
Ответ: P = 1468 kPa
Уравнение состояния идеального газа: PV = nRT, где n = m/M.
Моли
n = m/M = 190/16,04 = 11,85 mol
T = 25 + 273,15 = 298,1 K
Давление
P = nRT/V = 11,85·8,314·298,1/0,02 = 1468 kPa
Ответ
P = 1468 kPa
16.Уравнение состояния идеального газа
Ответ: V2 = 0,7515 L
Объединённый газовый закон: для постоянного количества идеального газа P1V1/T1 = P2V2/T2.
Абсолютные температуры
T1 = 308,1 K, T2 = 463,1 K
Объединённый газовый закон
V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 2·(150/600)·(463,1/308,1) = 0,7515 L
Ответ
V2 = 0,7515 L
17.Тепловые машины и холодильники
Ответ: TL = 0,01142 °C
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.
Абсолютная температура источника
TH = 275 + 273,15 = 548,1 K
Отношение теплот для обратимого цикла
TL = TH·QL/QH = 548,1·1794/3600 = 273,2 K = 0,01142 °C
Ответ
TL = 0,01142 °C
18.Тепловые машины и холодильники
Ответ: Ẇmin = 0,2481 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 = 3/12,09 = 0,2481 kW
Ответ
Ẇmin = 0,2481 kW
19.Волны, звук и оптика
Ответ: f2 = 200 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 = 2·1,5/2 = 1,5 m
Частота
f = v/λ = 300/1,5 = 200 Hz
Ответ
f2 = 200 Hz
20.Волны, звук и оптика
Ответ: di = −60 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.