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
Водитель, едущий со скоростью 54 km/h, видит препятствие. Время её реакции 0,6 s, после чего автомобиль тормозит с постоянным замедлением 7 m/s². Найдите полный остановочный путь d с момента, когда она увидела препятствие.
v₀ = 54 km/htr = 0,6 sa = −7 m/s²
d = m
2.КинематикаСложная
Модель ракеты запускают вертикально вверх из состояния покоя. Двигатель сообщает ей постоянное ускорение 38 m/s², направленное вверх, в течение 1 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 = 38 m/s²t1 = 1 sg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Законы НьютонаСредняя
Грузы массами 1,5 kg и 1 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 силу натяжения T нити.
m1 = 1,5 kgm2 = 1 kgg = 9,81 m/s²
T = N
4.Законы НьютонаСложная
Брусок массой 8,5 kg на горизонтальном столе соединён лёгкой нитью, перекинутой через блок без трения, с подвешенным грузом массой 1,5 kg. Коэффициент трения скольжения между бруском и столом 0,1. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T нити.
m1 = 8,5 kgm2 = 1,5 kgμ = 0,1g = 9,81 m/s²
T = N
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
Мяч бросают с горизонтальной поверхности со скоростью 40 m/s, и он должен упасть на расстоянии 105 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите меньший из двух возможных углов броска θ.
v₀ = 40 m/sR = 105 mg = 9,81 m/s²
θ = °
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
Мяч бросают под углом 50° к горизонту с вершины скалы высотой 5 m. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите время полёта t до удара мяча о землю.
v0 = 29 m/sθ = 50°h = 5 mg = 9,81 m/s²
t = s
7.Работа и энергияСредняя
Брусок массой 4 kg скользит 10 m по наклонной плоскости под углом 35° к горизонту с коэффициентом трения скольжения 0,3. Найдите работу Wf против силы трения.
m = 4 kgθ = 35°μ = 0,3d = 10 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
8.Работа и энергияСложная
Брусок массой 5 kg отпускают без начальной скорости на высоте 2 m на гладкой рампе. Внизу он пересекает шероховатую горизонтальную полосу длиной 1,5 m (μ = 0,3), а затем наезжает на пружину (k = 500 N/m) на гладкой поверхности. Найдите скорость v бруска, когда он достигает пружины.
m = 5 kgh = 2 mL = 1,5 mμ = 0,3k = 500 N/mg = 9,81 m/s²
v = m/s
9.Импульс и столкновенияСредняя
Снаряд массой 17 kg, движущийся горизонтально со скоростью 31 m/s, разрывается на два осколка, движущихся вдоль той же прямой. Осколок массой 6 kg продолжает движение вперёд со скоростью 83 m/s. Найдите скорость v′2 осколка массой 11 kg (положительна в исходном направлении).
M = 17 kgu = 31 m/sm1 = 6 kgv′1 = 83 m/sm2 = 11 kg
v′2 = m/s
10.Импульс и столкновенияСложная
Автомобиль массой 800 kg врезается в припаркованный автомобиль массой 800 kg. Сцепившиеся автомобили скользят 8 m до остановки. Коэффициент трения скольжения между шинами и дорогой равен 0,6. Примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v1 первого автомобиля непосредственно перед столкновением.
m1 = 800 kgm2 = 800 kgd = 8 mμ = 0,6g = 9,81 m/s²
v1 = m/s
11.Гидростатическое давлениеСредняя
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.
Вертикальный прямоугольный затвор шириной 1 m находится в стенке резервуара с жидкостью (глицерин), его верхний край на 1 m ниже поверхности. Найдите равнодействующую силу гидростатического давления F на затвор.
d = 1 mH = 2 mb = 1 mρ = 1260 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
13.Неразрывность и БернуллиСредняя
Трубка Пито — Прандтля в аэродинамической трубе показывает разность 200 Pa между давлением торможения и статическим давлением. Плотность воздуха 1,2 kg/m³. Найдите скорость воздуха v.
p0 − p = 200 Paρ = 1,2 kg/m³
v = m/s
14.Неразрывность и БернуллиСложная
Вода поднимается по трубе, которая сужается с 75 mm до 50 mm и поднимается на 8 m. В сечении 1 давление 370 kPa, а скорость 2 m/s. Пренебрегая потерями, найдите давление p2 в сечении 2.
Тепловая машина работает между горячим резервуаром при 650 °C и холодным при 40 °C. Найдите наибольший возможный термический КПД ηmax.
TH = 650 °CTL = 40 °C
ηmax = %
18.Тепловые машины и холодильникиСложная
Тепловой насос поддерживает в доме 20 °C, когда на улице 2 °C, и подаёт в дом 9 kW теплоты. Найдите минимальную необходимую мощность Ẇmin.
TH = 20 °CTL = 2 °CQ̇H = 9 kW
Ẇmin = kW
19.Волны, звук и оптикаСредняя
Свет внутри прозрачного блока полностью отражается на границе со средой «воздух» (n = 1,00) при любом угле падения больше 40°. Найдите показатель преломления n1 блока.
θc = 40°n2 = 1,00
n1 =
20.Волны, звук и оптикаСложная
Свет с длиной волны 633 nm проходит через одиночную щель шириной 0,05 mm. Найдите угол θ3 тёмной полосы номер 3 относительно направления прямого прохождения.
λ = 633 nma = 0,05 mmm = 3
θ3 = °
3Растворы
1.Кинематика
Ответ: d = 25,07 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.
Единицы
v₀ = 54/3,6 = 15 m/s
Путь за время реакции
d1 = v₀·tr = 15·0,6 = 9 m
Тормозной путь
d2 = v₀²/(2a) = 15²/(2·7) = 16,07 m
Итого
d = 9 + 16,07 = 25,07 m
Ответ
d = 25,07 m
2.Кинематика
Ответ: hmax = 92,6 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 = 38·1 = 38 m/s
h₁ = ½·38·1² = 19 m
Свободный полёт вверх
В наивысшей точке скорость равна нулю.
Δh = v₁²/(2g) = 38²/(2·9,81) = 73,6 m
hmax = 19 + 73,6 = 92,6 m
Ответ
hmax = 92,6 m
3.Законы Ньютона
Ответ: T = 11,77 N
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 = (1,5 − 1)·9,81/(1,5 + 1) = 1,962 m/s²
Натяжение по лёгкому грузу
T − m2·g = m2·a → T = 1·(9,81 + 1,962) = 11,77 N
Ответ
T = 11,77 N
4.Законы Ньютона
Ответ: T = 13,76 N
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.
Формула дальности
R = v₀²·sin 2θ/g → sin 2θ = 9,81·105/40² = 0,6438
Угол
2θ = 40,07° → θ = 20,04°
Ответ
θ = 20,04°
Второе решение: 90° − θ = 69,96°.
6.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: t = 4,744 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 = 29·cos 50° = 18,64 m/s
vy = v0·sin θ = 29·sin 50° = 22,22 m/s
Время полёта
Решите y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0 и возьмите положительный корень.
0 = 5 + 22,22·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (22,22 + √(493,5 + 98,1))/9,81 = 4,744 s
Ответ
t = 4,744 s
7.Работа и энергия
Ответ: Wf = 96,43 J
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).
Сила трения
N = mg·cos θ = 39,24·0,8192 = 32,14 N
F = μN = 0,3·32,14 = 9,643 N
Работа против трения
Wf = F·d = 9,643·10 = 96,43 J
Ответ
Wf = 96,43 J
8.Работа и энергия
Ответ: v = 5,515 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).
Энергия после шероховатой полосы
Рампа гладкая, поэтому энергию забирает только полоса.
mgh − μmgL = 49,05·(2 − 0,3·1,5) = 76,03 J
Скорость у пружины
½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9,81·1,55) = 5,515 m/s
Ответ
v = 5,515 m/s
9.Импульс и столкновения
Ответ: v′2 = 2,636 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.
Импульс до удара
p = M·u = 17·31 = 527 kg·m/s
Импульс после удара
527 = 6·83 + 11·v′2
v′2 = (527 − 498)/11 = 2,636 m/s
Ответ
v′2 = 2,636 m/s
10.Импульс и столкновения
Ответ: v1 = 19,41 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.
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
12.Гидростатическое давление
Ответ: F = 49,44 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 + 2/2 = 2 m
A = H·b = 2·1 = 2 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 1260·9,81·2·2 = 49,44 kN
Ответ
F = 49,44 kN
13.Неразрывность и Бернулли
Ответ: v = 18,26 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 = √(2·200/1,2) = 18,26 m/s
Ответ
v = 18,26 m/s
14.Неразрывность и Бернулли
Ответ: p2 = 283,4 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 = m/M = 240/28,01 = 8,568 mol
T = 70 + 273,15 = 343,1 K
Давление
P = nRT/V = 8,568·8,314·343,1/0,005 = 4889 kPa
Ответ
P = 4889 kPa
16.Уравнение состояния идеального газа
Ответ: V2 = 13,32 L
Объединённый газовый закон: для постоянного количества идеального газа P1V1/T1 = P2V2/T2.
Абсолютные температуры
T1 = 303,1 K, T2 = 323,1 K
Объединённый газовый закон
V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 5·(250/100)·(323,1/303,1) = 13,32 L
Ответ
V2 = 13,32 L
17.Тепловые машины и холодильники
Ответ: ηmax = 66,08 %
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 = 650 + 273,15 = 923,1 K
TL = 40 + 273,15 = 313,1 K
КПД Карно
ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 313,1/923,1 = 66,08 %
Ответ
ηmax = 66,08 %
18.Тепловые машины и холодильники
Ответ: Ẇmin = 0,5526 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 = Q̇H/COP = 9/16,29 = 0,5526 kW
Ответ
Ẇmin = 0,5526 kW
19.Волны, звук и оптика
Ответ: n1 = 1,556
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.
Показатель преломления блока
n₁ = n₂/sin θc = 1,00/0,6428 = 1,556
Ответ
n1 = 1,556
20.Волны, звук и оптика
Ответ: θ3 = 2,177 °
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, …