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 90 km/h, видит препятствие. Время её реакции 0,7 s, после чего автомобиль тормозит с постоянным замедлением 4 m/s². Найдите полный остановочный путь d с момента, когда она увидела препятствие.
v₀ = 90 km/htr = 0,7 sa = −4 m/s²
d = m
2.КинематикаСложная
Камень без начальной скорости падает в колодец. Всплеск слышен через 1,9 s после того, как камень отпустили. Скорость звука 343 m/s; пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите глубину d колодца.
ttotal = 1,9 svsound = 343 m/sg = 9,81 m/s²
d = m
3.Законы НьютонаСредняя
Ящик скользит по горизонтальному полу с начальной скоростью 7 m/s и останавливается через 17 m. Примите g = 9,81 m/s². Найдите коэффициент трения скольжения μ.
v₀ = 7 m/sd = 17 mg = 9,81 m/s²
μ =
4.Законы НьютонаСложная
Бруску сообщают толчок, и он начинает скользить вверх по наклонной плоскости под углом 20° со скоростью 4 m/s. Коэффициент трения скольжения равен 0,3. Примите g = 9,81 m/s². Какое расстояние d вдоль плоскости он проскользит до остановки?
v₀ = 4 m/sθ = 20°μ = 0,3g = 9,81 m/s²
d = m
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
Мяч бросают с горизонтальной поверхности под углом 40° к горизонту, и он падает на расстоянии 80 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите начальную скорость v0.
θ = 40°R = 80 mg = 9,81 m/s²
v0 = m/s
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
Мяч бросают под углом 25° к горизонту с вершины скалы высотой 50 m. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите горизонтальное расстояние x, которое мяч пролетает до удара о землю.
v0 = 29 m/sθ = 25°h = 50 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Работа и энергияСредняя
Брусок без начальной скорости скользит по наклонной плоскости под углом 45° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,2. Найдите его скорость v после того, как он проскользит 6 m вдоль плоскости.
θ = 45°μ = 0,2d = 6 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
8.Работа и энергияСложная
Брусок массой 5 kg отпускают без начальной скорости на высоте 3 m на гладкой рампе. Внизу он пересекает шероховатую горизонтальную полосу длиной 2 m (μ = 0,2), а затем наезжает на пружину (k = 500 N/m) на гладкой поверхности. Найдите наибольшее сжатие x пружины.
m = 5 kgh = 3 mL = 2 mμ = 0,2k = 500 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
9.Импульс и столкновенияСредняя
Автомобиль массой 1700 kg, движущийся со скоростью 19 m/s, налетает на стоящий автомобиль массой 1100 kg, и они сцепляются. Какой процент ΔK/K исходной кинетической энергии теряется?
m1 = 1700 kgv1 = 19 m/sm2 = 1100 kgv2 = 0
ΔK/K = %
10.Импульс и столкновенияСложная
Автомобиль массой 1500 kg врезается в припаркованный автомобиль массой 1600 kg. Сцепившиеся автомобили скользят 23 m до остановки. Коэффициент трения скольжения между шинами и дорогой равен 0,5. Примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v1 первого автомобиля непосредственно перед столкновением.
Вертикальный прямоугольный затвор шириной 1 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 2 m находится в стенке резервуара с жидкостью (глицерин), его верхний край на 1 m ниже поверхности. Найдите равнодействующую силу гидростатического давления F на затвор.
Трубка Пито — Прандтля в аэродинамической трубе показывает разность 50 Pa между давлением торможения и статическим давлением. Плотность воздуха 1,2 kg/m³. Найдите скорость воздуха v.
p0 − p = 50 Paρ = 1,2 kg/m³
v = m/s
14.Неразрывность и БернуллиСложная
Вода поднимается по трубе, которая сужается с 150 mm до 75 mm и поднимается на 3 m. В сечении 1 давление 160 kPa, а скорость 2,25 m/s. Пренебрегая потерями, найдите давление p2 в сечении 2.
Обратимый холодильник поддерживает в холодильной камере -20 °C, отводя 6,5 kW теплоты, и отдаёт теплоту окружающей среде при 25 °C. Найдите тепловой поток Q̇H, который он отдаёт.
TL = -20 °CTH = 25 °CQ̇L = 6,5 kW
Q̇H = kW
18.Тепловые машины и холодильникиСложная
Холодильник поддерживает в холодной камере -10 °C на кухне при 28 °C, отводя из камеры теплоту 3 kW. Найдите минимальную необходимую мощность Ẇmin.
TH = 28 °CTL = -10 °CQ̇L = 3 kW
Ẇmin = kW
19.Волны, звук и оптикаСредняя
Свет идёт в среде «глицерин» (n = 1,47) к плоской границе со средой «этанол» (n = 1,36). Найдите критический угол θc, за пределом которого происходит полное отражение.
n1 = 1,47n2 = 1,36
θc = °
20.Волны, звук и оптикаСложная
Две тонкие линзы имеют общую ось и находятся на расстоянии 25 cm друг от друга: линза 1 с f₁ = 10 cm и линза 2 с f₂ = −15 cm. Предмет находится в 40 cm перед линзой 1. Найдите положение di2 итогового изображения, отсчитываемое от линзы 2 (положительное за линзой 2, действительное — положительное).
f1 = 10 cmf2 = −15 cms = 25 cmdo = 40 cm
di2 = cm
3Растворы
1.Кинематика
Ответ: d = 95,63 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 = 90/3,6 = 25 m/s
Путь за время реакции
d1 = v₀·tr = 25·0,7 = 17,5 m
Тормозной путь
d2 = v₀²/(2a) = 25²/(2·4) = 78,13 m
Итого
d = 17,5 + 78,13 = 95,63 m
Ответ
d = 95,63 m
2.Кинематика
Ответ: d = 16,81 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.
Две части времени
½·9,81·t₁² = 343·(1,9 − t₁)
4,905·t₁² + 343·t₁ − 651,7 = 0
Время падения
Физический смысл имеет только положительный корень.
t₁ = (−343 + √(343² + 4·4,905·651,7))/(2·4,905) = 1,851 s
Глубина
d = ½·9,81·1,851² = 16,81 m
Ответ
d = 16,81 m
3.Законы Ньютона
Ответ: μ = 0,1469
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) = 7²/(2·17) = 1,441 m/s²
Коэффициент трения
μ·m·g = m·a → μ = a/g = 1,441/9,81 = 0,1469
Ответ
μ = 0,1469
4.Законы Ньютона
Ответ: d = 1,307 m
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 20° + 0,3·cos 20°) = 6,121 m/s²
Путь
d = v₀²/(2a) = 4²/(2·6,121) = 1,307 m
Ответ
d = 1,307 m
5.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: v0 = 28,23 m/s
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) = √(9,81·80/sin 80°) = 28,23 m/s
Ответ
v0 = 28,23 m/s
6.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: x = 122,9 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
Горизонтальная скорость постоянна; вертикальное движение имеет постоянное ускорение g = 9,81 m/s² вниз.
vx = v0·cos θ = 29·cos 25° = 26,28 m/s
vy = v0·sin θ = 29·sin 25° = 12,26 m/s
Время полёта
Решите y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0 и возьмите положительный корень.
0 = 50 + 12,26·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (12,26 + √(150,2 + 981))/9,81 = 4,678 s
Горизонтальное расстояние
x = vx·t = 26,28·4,678 = 122,9 m
Ответ
x = 122,9 m
7.Работа и энергия
Ответ: v = 8,16 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 = √(2·9,81·6·(0,7071 − 0,2·0,7071)) = 8,16 m/s
Ответ
v = 8,16 m/s
8.Работа и энергия
Ответ: x = 71,42 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 = 49,05·(3 − 0,2·2) = 127,5 J
Наибольшее сжатие
½kx² = 127,5 → x = √(2·127,5/500) = 0,7142 m = 71,42 cm
Ответ
x = 71,42 cm
9.Импульс и столкновения
Ответ: ΔK/K = 39,29 %
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.
Общая скорость
v′ = m1·v1/(m1 + m2) = 1700·19/2800 = 11,54 m/s
Кинетическая энергия до и после
Kbefore = ½·1700·19² = 306850 J
Kafter = ½·2800·11,54² = 186302 J
Потерянная доля
ΔK/K = 120548/306850 = 39,29 %
Ответ
ΔK/K = 39,29 %
Потерянная энергия идёт на деформацию, теплоту и звук.
10.Импульс и столкновения
Ответ: v1 = 31,04 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 = 4 + 1,5/2 = 4,75 m
A = H·b = 1,5·1 = 1,5 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·4,75·1,5 = 69,9 kN
Ответ
F = 69,9 kN
12.Гидростатическое давление
Ответ: F = 64,89 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 + 1,5/2 = 1,75 m
A = H·b = 1,5·2 = 3 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 1260·9,81·1,75·3 = 64,89 kN
Ответ
F = 64,89 kN
13.Неразрывность и Бернулли
Ответ: v = 9,129 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 = √(2·50/1,2) = 9,129 m/s
Ответ
v = 9,129 m/s
14.Неразрывность и Бернулли
Ответ: p2 = 92,6 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.
Уравнение состояния идеального газа: PV = nRT, где n = m/M.
Моли
n = 360/44,01 = 8,18 mol
T = 75 + 273,15 = 348,1 K
Объём
V = nRT/P = 8,18·8,314·348,1/350 = 67,65 L
Ответ
V = 67,65 L
16.Уравнение состояния идеального газа
Ответ: ρ = 3,828 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 = 800·16,04/(8,314·403,1) = 3,828 kg/m³
Ответ
ρ = 3,828 kg/m³
17.Тепловые машины и холодильники
Ответ: Q̇H = 7,655 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 = 25 + 273,15 = 298,1 K
TL = -20 + 273,15 = 253,1 K
Отношение теплот для обратимого цикла
Q̇H = Q̇L·TH/TL = 6,5·298,1/253,1 = 7,655 kW
Ответ
Q̇H = 7,655 kW
Потребляемая мощность: Ẇ = 1,155 kW.
18.Тепловые машины и холодильники
Ответ: Ẇmin = 0,4332 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 = 3/6,925 = 0,4332 kW
Ответ
Ẇmin = 0,4332 kW
19.Волны, звук и оптика
Ответ: θc = 67,69 °
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 = 1,36/1,47 = 0,9252
Критический угол
θc = arcsin(0,9252) = 67,69°
Ответ
θc = 67,69°
20.Волны, звук и оптика
Ответ: di2 = −6,563 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.