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 108 km/h, тормозит с постоянным замедлением 4 m/s² до полной остановки. Сколько длится торможение? Найдите t.
v₀ = 108 km/ha = −4 m/s²v = 0
t = s
2.КинематикаСложная
Трамвай трогается с места и разгоняется с ускорением 1,5 m/s² в течение 9 s, затем движется с постоянной скоростью 30 s и, наконец, тормозит с замедлением 2 m/s² до остановки. Найдите полный путь s между двумя остановками.
a1 = 1,5 m/s²t1 = 9 st2 = 30 sa3 = −2 m/s²
s = m
3.Законы НьютонаСредняя
Брусок массой 6 kg скользит вниз по наклонной плоскости под углом 30° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,15. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a бруска вдоль плоскости.
m = 6 kgθ = 30°μ = 0,15g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
Бруску сообщают толчок, и он начинает скользить вверх по наклонной плоскости под углом 25° со скоростью 7 m/s. Коэффициент трения скольжения равен 0,15. Примите g = 9,81 m/s². Какое расстояние d вдоль плоскости он проскользит до остановки?
v₀ = 7 m/sθ = 25°μ = 0,15g = 9,81 m/s²
d = m
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
Мяч бросают с горизонтальной поверхности со скоростью 40 m/s, и он должен упасть на расстоянии 80 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите меньший из двух возможных углов броска θ.
v₀ = 40 m/sR = 80 mg = 9,81 m/s²
θ = °
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
Мяч бросают под углом 15° к горизонту с вершины скалы высотой 50 m. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите время полёта t до удара мяча о землю.
v0 = 18 m/sθ = 15°h = 50 mg = 9,81 m/s²
t = s
7.Работа и энергияСредняя
Брусок без начальной скорости скользит по наклонной плоскости под углом 35° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,15. Найдите его скорость v после того, как он проскользит 11 m вдоль плоскости.
θ = 35°μ = 0,15d = 11 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
8.Работа и энергияСложная
Брусок массой 10 kg лежит на шероховатом горизонтальном столе (μ = 0,25). От него лёгкая нить идёт через гладкий блок на краю стола к висящему грузу массой 6 kg. Систему отпускают из состояния покоя. Найдите скорость v грузов после того, как висящий груз опустится на 2 m.
m1 = 10 kgm2 = 6 kgμ = 0,25d = 2 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
9.Импульс и столкновенияСредняя
Тележка массой 2 kg, движущаяся со скоростью 2 m/s, испытывает абсолютно упругий центральный удар с покоящейся тележкой массой 4,5 kg на дорожке без трения. Найдите скорость v′1 первой тележки после столкновения (положительную в направлении её первоначального движения).
m1 = 2 kgm2 = 4,5 kgv1 = 2 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
10.Импульс и столкновенияСложная
Мяч массой 0,1 kg ударяется о стену со скоростью 22 m/s и отскакивает прямо назад со скоростью 15 m/s. Контакт длится 10 ms. Найдите модуль импульса силы J, который стена сообщает мячу.
m = 0,1 kgvin = 22 m/svout = 15 m/sΔt = 10 ms
J = N·s
11.Гидростатическое давлениеСредняя
Вертикальный прямоугольный затвор шириной 1,5 m находится в стенке резервуара с жидкостью (вода), его верхний край на 4 m ниже поверхности. Найдите равнодействующую силу гидростатического давления F на затвор.
Вертикальный прямоугольный затвор шириной 1,5 m находится в стенке резервуара с жидкостью (морская вода), его верхний край на 1,5 m ниже поверхности. Найдите глубину ycp центра давления под поверхностью.
Вода течёт по горизонтальной трубе, которая сужается с 75 mm до 50 mm. В широкой части давление 190 kPa, а скорость 2,75 m/s. Пренебрегая потерями, найдите давление p2 в узкой части.
В закрытом резервуаре над водой находится сжатый воздух с избыточным давлением 130 kPa. Вода вытекает в атмосферу через отверстие диаметром 50 mm, расположенное на 2 m ниже поверхности воды. Пренебрегая потерями, найдите скорость струи v. Примите g = 9,81 m/s².
Тепловая машина работает между горячим резервуаром при 750 °C и холодным при 40 °C. Найдите наибольший возможный термический КПД ηmax.
TH = 750 °CTL = 40 °C
ηmax = %
18.Тепловые машины и холодильникиСложная
Две машины Карно работают последовательно. Машина A получает теплоту от резервуара при 950 °C и отдаёт теплоту промежуточному резервуару при температуре Tm. Машина B забирает всю эту теплоту и отдаёт теплоту резервуару при 15 °C. Обе машины совершают одинаковую работу. Найдите Tm в °C.
TH = 950 °CTL = 15 °C
Tm = °C
19.Волны, звук и оптикаСредняя
Свет идёт в среде «алмаз» (n = 2,42) к плоской границе со средой «флинт» (n = 1,62). Найдите критический угол θc, за пределом которого происходит полное отражение.
n1 = 2,42n2 = 1,62
θc = °
20.Волны, звук и оптикаСложная
У оптического волокна сердцевина с n₁ = 1,46 и оболочка с n₂ = 1,43. Найдите наибольший угол θa к оси волокна, при котором свет из воздуха может войти в торец волокна и всё ещё направляться полным внутренним отражением.
n1 = 1,46n2 = 1,43n0 = 1,00
θa = °
3Растворы
1.Кинематика
Ответ: t = 7,5 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 = 108/3,6 = 30 m/s
Время торможения
0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 30/4 = 7,5 s
Ответ
t = 7,5 s
2.Кинематика
Ответ: s = 511,3 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.
Наибольшая скорость
v = a1·t1 = 1,5·9 = 13,5 m/s
Путь на каждом этапе
s1 = ½·1,5·9² = 60,75 m
s2 = 13,5·30 = 405 m
s3 = 13,5²/(2·2) = 45,56 m
Полный путь
s = 60,75 + 405 + 45,56 = 511,3 m
Ответ
s = 511,3 m
3.Законы Ньютона
Ответ: a = 3,631 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.
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 25° + 0,15·cos 25°) = 5,48 m/s²
Путь
d = v₀²/(2a) = 7²/(2·5,48) = 4,471 m
Ответ
d = 4,471 m
5.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: θ = 14,69 °
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.
Формула дальности
R = v₀²·sin 2θ/g → sin 2θ = 9,81·80/40² = 0,4905
Угол
2θ = 29,37° → θ = 14,69°
Ответ
θ = 14,69°
Второе решение: 90° − θ = 75,31°.
6.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: t = 3,703 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 = 18·cos 15° = 17,39 m/s
vy = v0·sin θ = 18·sin 15° = 4,659 m/s
Время полёта
Решите y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0 и возьмите положительный корень.
0 = 50 + 4,659·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (4,659 + √(21,7 + 981))/9,81 = 3,703 s
Ответ
t = 3,703 s
7.Работа и энергия
Ответ: v = 9,863 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·(0,5736 − 0,15·0,8192)) = 9,863 m/s
Ответ
v = 9,863 m/s
8.Работа и энергия
Ответ: v = 2,93 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).
Выделившаяся и потерянная энергия
m₂g·d = 58,86·2 = 117,7 J
μ·m₁g·d = 0,25·98,1·2 = 49,05 J
Кинетическая энергия обоих грузов
½(m₁ + m₂)v² = 68,67 → v = √(2·68,67/16) = 2,93 m/s
Ответ
v = 2,93 m/s
9.Импульс и столкновения
Ответ: v′1 = −0,7692 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 − 4,5)/(2 + 4,5)·2 = −0,7692 m/s
v′2 = 2·2/(2 + 4,5)·2 = 1,231 m/s
Ответ
v′1 = −0,7692 m/s
Знак минус означает, что первая тележка отскакивает назад.
10.Импульс и столкновения
Ответ: J = 3,7 N·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.
Изменение импульса
J = m·Δv = 0,1·(15 + 22) = 3,7 N·s
Ответ
J = 3,7 N·s
11.Гидростатическое давление
Ответ: F = 147,2 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 = 4 + 2/2 = 5 m
A = H·b = 2·1,5 = 3 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·5·3 = 147,2 kN
Ответ
F = 147,2 kN
12.Гидростатическое давление
Ответ: ycp = 2,633 m
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 + 2/2 = 2,5 m
A = H·b = 2·1,5 = 3 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 1025·9,81·2,5·3 = 75,41 kN
Центр давления
Давление растёт с глубиной, поэтому равнодействующая приложена ниже центра тяжести.
Ic = b·H³/12 = 1,5·2³/12 = 1 m⁴
ycp = yc + Ic/(yc·A) = 2,5 + 1/(2,5·3) = 2,633 m
Ответ
ycp = 2,633 m
13.Неразрывность и Бернулли
Ответ: p2 = 174,6 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.
Уравнение Бернулли от поверхности до струи
v = √(2·(130000/1000 + 9,81·2)) = 17,3 m/s
Ответ
v = 17,3 m/s
15.Уравнение состояния идеального газа
Ответ: V = 117,1 L
Уравнение состояния идеального газа: PV = nRT, где n = m/M.
Моли
n = 480/39,95 = 12,02 mol
T = 20 + 273,15 = 293,1 K
Объём
V = nRT/P = 12,02·8,314·293,1/250 = 117,1 L
Ответ
V = 117,1 L
16.Уравнение состояния идеального газа
Ответ: ρ = 1,714 kg/m³
Плотность идеального газа: ρ = PM/(RT).
Преобразуйте газовый закон
PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 190 + 273,15 = 463,1 K
Плотность
ρ = 150·44,01/(8,314·463,1) = 1,714 kg/m³
Ответ
ρ = 1,714 kg/m³
17.Тепловые машины и холодильники
Ответ: ηmax = 69,39 %
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 = 750 + 273,15 = 1023 K
TL = 40 + 273,15 = 313,1 K
КПД Карно
ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 313,1/1023 = 69,39 %
Ответ
ηmax = 69,39 %
18.Тепловые машины и холодильники
Ответ: Tm = 482,5 °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 = 950 + 273,15 = 1223 K
TL = 15 + 273,15 = 288,1 K
Равная работа
W = Q·(1 − Tlow/Thigh), а Q/T одинаково для всех резервуаров, поэтому W пропорциональна перепаду температур.
Tm = (1223 + 288,1)/2 = 755,7 K = 482,5 °C
Ответ
Tm = 482,5 °C
19.Волны, звук и оптика
Ответ: θc = 42,02 °
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 = 1,62/2,42 = 0,6694
Критический угол
θc = arcsin(0,6694) = 42,02°
Ответ
θc = 42,02°
20.Волны, звук и оптика
Ответ: θa = 17,12 °
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.