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 108 km/h, видит препятствие. Время её реакции 1,3 s, после чего автомобиль тормозит с постоянным замедлением 7,5 m/s². Найдите полный остановочный путь d с момента, когда она увидела препятствие.
v₀ = 108 km/htr = 1,3 sa = −7,5 m/s²
d = m
2.КинематикаСложная
Мяч A без начальной скорости падает с высоты 30 m. В тот же момент мяч B бросают вертикально вверх с земли прямо под ним со скоростью 23 m/s. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Когда мячи встретятся? Найдите t.
H = 30 mv0B = 23 m/sg = 9,81 m/s²
t = s
3.Законы НьютонаСредняя
Ящик скользит по горизонтальному полу с начальной скоростью 5 m/s и останавливается через 5,1 m. Примите g = 9,81 m/s². Найдите коэффициент трения скольжения μ.
v₀ = 5 m/sd = 5,1 mg = 9,81 m/s²
μ =
4.Законы НьютонаСложная
Брусок массой 8 kg на горизонтальном столе соединён лёгкой нитью, перекинутой через блок без трения, с подвешенным грузом массой 2,5 kg. Коэффициент трения скольжения между бруском и столом 0,1. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a системы.
m1 = 8 kgm2 = 2,5 kgμ = 0,1g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
Мяч бросают под углом 35° к горизонту с ровной поверхности. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите наибольшую высоту H, которой достигает мяч.
v0 = 18 m/sθ = 35°g = 9,81 m/s²
H = m
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
Мяч бросают с уровня земли со скоростью 33 m/s под углом 65° к горизонту. Он падает на плоскую крышу здания высотой 6 m, уже опускаясь. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите горизонтальное расстояние x от точки броска до места падения.
v₀ = 33 m/sθ = 65°hroof = 6 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Работа и энергияСредняя
Автомобиль массой 1000 kg въезжает на подъём 4° с постоянной скоростью 54 km/h. Сопротивление воздуха и сопротивление качению вместе составляют 650 N. Найдите мощность P, которую должны развивать колёса, в kW.
Брусок массой 4 kg лежит на шероховатом горизонтальном столе (μ = 0,15). От него лёгкая нить идёт через гладкий блок на краю стола к висящему грузу массой 2 kg. Систему отпускают из состояния покоя. Найдите скорость v грузов после того, как висящий груз опустится на 0,5 m.
m1 = 4 kgm2 = 2 kgμ = 0,15d = 0,5 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
9.Импульс и столкновенияСредняя
Снаряд массой 14 kg, движущийся горизонтально со скоростью 29 m/s, разрывается на два осколка, движущихся вдоль той же прямой. Осколок массой 1 kg продолжает движение вперёд со скоростью 64 m/s. Найдите скорость v′2 осколка массой 13 kg (положительна в исходном направлении).
M = 14 kgu = 29 m/sm1 = 1 kgv′1 = 64 m/sm2 = 13 kg
v′2 = m/s
10.Импульс и столкновенияСложная
Мяч массой 0,25 kg ударяется о стену со скоростью 30 m/s и отскакивает прямо назад со скоростью 16 m/s. Контакт длится 25 ms. Найдите модуль импульса силы J, который стена сообщает мячу.
m = 0,25 kgvin = 30 m/svout = 16 m/sΔt = 25 ms
J = N·s
11.Гидростатическое давлениеСредняя
Вертикальный прямоугольный затвор шириной 1 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 1,5 m находится в стенке резервуара с жидкостью (вода), его верхний край на 1,5 m ниже поверхности. Найдите равнодействующую силу гидростатического давления F на затвор.
Вода течёт по горизонтальной трубе, которая сужается с 75 mm до 50 mm. В широкой части давление 320 kPa, а скорость 2,75 m/s. Пренебрегая потерями, найдите давление p2 в узкой части.
Вода поднимается по трубе, которая сужается с 150 mm до 100 mm и поднимается на 7 m. В сечении 1 давление 230 kPa, а скорость 2,5 m/s. Пренебрегая потерями, найдите давление p2 в сечении 2.
Тепловая машина работает между горячим резервуаром при 300 °C и холодным при 35 °C. Найдите наибольший возможный термический КПД ηmax.
TH = 300 °CTL = 35 °C
ηmax = %
18.Тепловые машины и холодильникиСложная
Тепловой насос поддерживает в доме 21 °C, когда на улице -10 °C, и подаёт в дом 7 kW теплоты. Найдите наибольший возможный холодильный коэффициент COPmax.
TH = 21 °CTL = -10 °CQ̇H = 7 kW
COPmax =
19.Волны, звук и оптикаСредняя
Источник частотой 1000 Hz движется со скоростью 25 m/s к неподвижному наблюдателю. Скорость звука равна 343 m/s. Найдите частоту f′, которую слышит наблюдатель.
f = 1000 Hzv = 343 m/svs = 25 m/s
f′ = Hz
20.Волны, звук и оптикаСложная
Свет с длиной волны 656 nm падает под прямым углом на решётку с 500 штрихами на миллиметр. Найдите угол θ2 максимума порядка 2.
N = 500 mm⁻¹λ = 656 nmm = 2
θ2 = °
3Растворы
1.Кинематика
Ответ: d = 99 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 = 108/3,6 = 30 m/s
Путь за время реакции
d1 = v₀·tr = 30·1,3 = 39 m
Тормозной путь
d2 = v₀²/(2a) = 30²/(2·7,5) = 60 m
Итого
d = 39 + 60 = 99 m
Ответ
d = 99 m
2.Кинематика
Ответ: t = 1,304 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.
Время встречи
Направление вверх положительно, земля — y = 0.
30 − ½g·t² = 23·t − ½g·t² → t = 30/23 = 1,304 s
Ответ
t = 1,304 s
3.Законы Ньютона
Ответ: μ = 0,2498
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) = 5²/(2·5,1) = 2,451 m/s²
Коэффициент трения
μ·m·g = m·a → μ = a/g = 2,451/9,81 = 0,2498
Ответ
μ = 0,2498
4.Законы Ньютона
Ответ: a = 1,588 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 = 18·cos 35° = 14,74 m/s
vy = v0·sin θ = 18·sin 35° = 10,32 m/s
Высшая точка
В верхней точке вертикальная скорость равна нулю: vy² = 2gH.
H = vy²/(2g) = 10,32²/(2·9,81) = 5,433 m
Ответ
H = 5,433 m
6.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: x = 82,14 m
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 = 13,95 m/s, vy = 29,91 m/s
Время до падения на крышу
Больший корень: мяч опускается.
6 = 29,91·t − 4,905·t²
t = (29,91 + √(29,91² − 2·9,81·6))/9,81 = 5,89 s
Горизонтальное расстояние
x = vx·t = 13,95·5,89 = 82,14 m
Ответ
x = 82,14 m
7.Работа и энергия
Ответ: P = 20,01 kW
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). Мощность — это сила, умноженная на скорость: P = F·v.
Сила тяги
m·g = 1000·9,81 = 9810 N
mg·sin θ = 9810·sin 4° = 684,3 N
F = 684,3 + 650 = 1334 N
Мощность
v = 54/3,6 = 15 m/s
P = F·v = 1334·15 = 20015 W = 20,01 kW
Ответ
P = 20,01 kW
8.Работа и энергия
Ответ: v = 1,513 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 = 19,62·0,5 = 9,81 J
μ·m₁g·d = 0,15·39,24·0,5 = 2,943 J
Кинетическая энергия обоих грузов
½(m₁ + m₂)v² = 6,867 → v = √(2·6,867/6) = 1,513 m/s
Ответ
v = 1,513 m/s
9.Импульс и столкновения
Ответ: v′2 = 26,31 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 = 14·29 = 406 kg·m/s
Импульс после удара
406 = 1·64 + 13·v′2
v′2 = (406 − 64)/13 = 26,31 m/s
Ответ
v′2 = 26,31 m/s
10.Импульс и столкновения
Ответ: J = 11,5 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 = 0,25·(16 + 30) = 11,5 N·s
Ответ
J = 11,5 N·s
11.Гидростатическое давление
Ответ: F = 29,43 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 + 1/2 = 3 m
A = H·b = 1·1 = 1 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·3·1 = 29,43 kN
Ответ
F = 29,43 kN
12.Гидростатическое давление
Ответ: F = 73,58 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 = 1,5 + 2/2 = 2,5 m
A = H·b = 2·1,5 = 3 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·2,5·3 = 73,58 kN
Ответ
F = 73,58 kN
13.Неразрывность и Бернулли
Ответ: p2 = 304,6 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.
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 = 380/39,95 = 9,512 mol
T = 55 + 273,15 = 328,1 K
Объём
V = nRT/P = 9,512·8,314·328,1/750 = 34,6 L
Ответ
V = 34,6 L
16.Уравнение состояния идеального газа
Ответ: V2 = 40,75 L
Объединённый газовый закон: для постоянного количества идеального газа P1V1/T1 = P2V2/T2.
Абсолютные температуры
T1 = 308,1 K, T2 = 523,1 K
Объединённый газовый закон
V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 20·(300/250)·(523,1/308,1) = 40,75 L
Ответ
V2 = 40,75 L
17.Тепловые машины и холодильники
Ответ: ηmax = 46,24 %
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 = 300 + 273,15 = 573,1 K
TL = 35 + 273,15 = 308,1 K
КПД Карно
ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 308,1/573,1 = 46,24 %
Ответ
ηmax = 46,24 %
18.Тепловые машины и холодильники
Ответ: COPmax = 9,489
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.
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|.
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, …