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 m/s² до полной остановки. Найдите тормозной путь s.
v₀ = 72 km/ha = −7 m/s²v = 0
s = m
2.КинематикаСложная
Модель ракеты запускают вертикально вверх из состояния покоя. Двигатель сообщает ей постоянное ускорение 20 m/s², направленное вверх, в течение 2 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 = 20 m/s²t1 = 2 sg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Законы НьютонаСредняя
Брусок массой 5 kg скользит вниз по наклонной плоскости под углом 40° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,1. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a бруска вдоль плоскости.
m = 5 kgθ = 40°μ = 0,1g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
Брусок массой 1 kg на горизонтальном столе соединён лёгкой нитью, перекинутой через блок без трения, с подвешенным грузом массой 0,5 kg. Трения о стол нет. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a системы.
m1 = 1 kgm2 = 0,5 kgμ = 0g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
Мяч бросают с горизонтальной поверхности под углом 20° к горизонту, и он падает на расстоянии 40 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите начальную скорость v0.
θ = 20°R = 40 mg = 9,81 m/s²
v0 = m/s
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
Мяч бросают со скоростью 19 m/s под углом 45° к горизонту с вершины обрыва высотой 50 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Под каким углом α к горизонту (ниже горизонта) он ударяется о землю?
v₀ = 19 m/sθ = 45°h = 50 mg = 9,81 m/s²
α = °
7.Работа и энергияСредняя
Брусок без начальной скорости скользит по наклонной плоскости под углом 35° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,25. Найдите его скорость v после того, как он проскользит 18 m вдоль плоскости.
θ = 35°μ = 0,25d = 18 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
8.Работа и энергияСложная
Брусок массой 10 kg отпускают без начальной скорости на высоте 2,5 m на гладкой рампе. Внизу он пересекает шероховатую горизонтальную полосу длиной 3 m (μ = 0,1), а затем наезжает на пружину (k = 5000 N/m) на гладкой поверхности. Найдите наибольшее сжатие x пружины.
m = 10 kgh = 2,5 mL = 3 mμ = 0,1k = 5000 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
9.Импульс и столкновенияСредняя
Тележка массой 2 kg, движущаяся со скоростью 7 m/s, испытывает абсолютно упругий центральный удар с покоящейся тележкой массой 1 kg на дорожке без трения. Найдите скорость v′2 второй тележки после столкновения.
m1 = 2 kgm2 = 1 kgv1 = 7 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
10.Импульс и столкновенияСложная
Мяч массой 0,4 kg ударяется о стену со скоростью 14 m/s и отскакивает прямо назад со скоростью 10 m/s. Контакт длится 10 ms. Найдите среднюю силу Favg, с которой стена действует на мяч.
m = 0,4 kgvin = 14 m/svout = 10 m/sΔt = 10 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 m ниже поверхности. Найдите равнодействующую силу гидростатического давления F на затвор.
Вертикальный прямоугольный затвор шириной 3 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.
Вода течёт по горизонтальной трубе, которая сужается с 200 mm до 100 mm. В широкой части давление 380 kPa, а скорость 2,5 m/s. Пренебрегая потерями, найдите давление p2 в узкой части.
По горизонтальному расходомеру Вентури (вход 250 mm, горловина 125 mm) течёт вода. Ртутный U-образный манометр, подключённый между входом и горловиной, показывает разность уровней 320 mm. Коэффициент расхода равен 0,97. 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 3700 kJ теплоты от резервуара при 500 °C и отдаёт 1403 kJ. Найдите температуру TL холодного резервуара в °C.
TH = 500 °CQH = 3700 kJQL = 1403 kJ
TL = °C
18.Тепловые машины и холодильникиСложная
Тепловая машина Карно получает 140 kW теплоты от источника при 450 °C и отдаёт теплоту окружающей среде при 25 °C. Вся её работа приводит холодильную машину Карно, которая отводит теплоту из морозильной камеры при 0 °C и тоже отдаёт теплоту окружающей среде при 25 °C. Найдите тепловой поток Q̇L, отводимый из морозильной камеры.
TH = 450 °CT0 = 25 °CTL = 0 °CQ̇H = 140 kW
Q̇L = kW
19.Волны, звук и оптикаСредняя
Источник частотой 440 Hz движется со скоростью 25 m/s от неподвижного наблюдателя. Скорость звука равна 343 m/s. Найдите частоту f′, которую слышит наблюдатель.
f = 440 Hzv = 343 m/svs = 25 m/s
f′ = Hz
20.Волны, звук и оптикаСложная
Предмет находится в 25 cm перед выпуклым зеркалом с радиусом кривизны 16 cm. Найдите увеличение m (отрицательное для перевёрнутого изображения).
do = 25 cmR = 16 cm
m =
3Растворы
1.Кинематика
Ответ: s = 28,57 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 = 72/3,6 = 20 m/s
Тормозной путь
0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 20²/(2·7) = 28,57 m
Ответ
s = 28,57 m
2.Кинематика
Ответ: hmax = 121,5 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 = 20·2 = 40 m/s
h₁ = ½·20·2² = 40 m
Свободный полёт вверх
В наивысшей точке скорость равна нулю.
Δh = v₁²/(2g) = 40²/(2·9,81) = 81,55 m
hmax = 40 + 81,55 = 121,5 m
Ответ
hmax = 121,5 m
3.Законы Ньютона
Ответ: a = 5,554 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.
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) = √(9,81·40/sin 40°) = 24,71 m/s
Ответ
v0 = 24,71 m/s
6.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: α = 68,49 °
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 = 19·cos 45° = 13,44 m/s
vy0 = 19·sin 45° = 13,44 m/s
Вертикальная скорость при ударе
Закон сохранения энергии или v² = v₀² + 2as по вертикали.
vy = √(13,44² + 2·9,81·50) = 34,08 m/s
Угол падения
tan α = vy/vx = 34,08/13,44 → α = 68,49°
Ответ
α = 68,49°
7.Работа и энергия
Ответ: v = 11,41 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 = √(2·9,81·18·(0,5736 − 0,25·0,8192)) = 11,41 m/s
Ответ
v = 11,41 m/s
8.Работа и энергия
Ответ: x = 29,38 cm
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 = 98,1·(2,5 − 0,1·3) = 215,8 J
Наибольшее сжатие
½kx² = 215,8 → x = √(2·215,8/5000) = 0,2938 m = 29,38 cm
Ответ
x = 29,38 cm
9.Импульс и столкновения
Ответ: v′2 = 9,333 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 − 1)/(2 + 1)·7 = 2,333 m/s
v′2 = 2·2/(2 + 1)·7 = 9,333 m/s
Ответ
v′2 = 9,333 m/s
10.Импульс и столкновения
Ответ: Favg = 960 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 = 0,4·(10 + 14) = 9,6 N·s
Средняя сила
Favg = J/Δt = 9,6/0,01 = 960 N
Ответ
Favg = 960 N
11.Гидростатическое давление
Ответ: F = 36,79 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 = 1·1,5 = 1,5 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·2,5·1,5 = 36,79 kN
Ответ
F = 36,79 kN
12.Гидростатическое давление
Ответ: F = 353,2 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 = 2,5 + 3/2 = 4 m
A = H·b = 3·3 = 9 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·4·9 = 353,2 kN
Ответ
F = 353,2 kN
13.Неразрывность и Бернулли
Ответ: p2 = 333,1 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.
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)·9,81·0,32 = 39554 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 = 160/32 = 5 mol
T = 25 + 273,15 = 298,1 K
Объём
V = nRT/P = 5·8,314·298,1/100 = 123,9 L
Ответ
V = 123,9 L
16.Уравнение состояния идеального газа
Ответ: ρ = 1,192 kg/m³
Плотность идеального газа: ρ = PM/(RT).
Преобразуйте газовый закон
PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 130 + 273,15 = 403,1 K
Плотность
ρ = 100·39,95/(8,314·403,1) = 1,192 kg/m³
Ответ
ρ = 1,192 kg/m³
17.Тепловые машины и холодильники
Ответ: TL = 20,02 °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 = 500 + 273,15 = 773,1 K
Отношение теплот для обратимого цикла
TL = TH·QL/QH = 773,1·1403/3700 = 293,2 K = 20,02 °C
Ответ
TL = 20,02 °C
18.Тепловые машины и холодильники
Ответ: Q̇L = 899 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 = 450 + 273,15 = 723,1 K
T0 = 25 + 273,15 = 298,1 K
TL = 0 + 273,15 = 273,1 K
Работа машины
η = 1 − 298,1/723,1 = 0,5877
Ẇ = 0,5877·140 = 82,28 kW
Теплота, отводимая холодильником
COPR = 273,1/(298,1 − 273,1) = 10,93
Q̇L = 10,93·82,28 = 899 kW
Ответ
Q̇L = 899 kW
19.Волны, звук и оптика
Ответ: f′ = 410,1 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|.
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.