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 4 m/s² до полной остановки. Сколько длится торможение? Найдите t.
v₀ = 72 km/ha = −4 m/s²v = 0
t = s
2.КинематикаСложная
Мяч бросают вертикально вверх со скоростью 19 m/s с края крыши на высоте 40 m над землёй. Сопротивлением воздуха пренебречь, g = 9,81 m/s². Найдите наибольшую высоту hmax над землёй.
v₀ = 19 m/sh₀ = 40 mg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Законы НьютонаСредняя
Брусок массой 11 kg скользит вниз по наклонной плоскости под углом 20° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,1. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a бруска вдоль плоскости.
m = 11 kgθ = 20°μ = 0,1g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
Бруску сообщают толчок, и он начинает скользить вверх по наклонной плоскости под углом 15° со скоростью 9,5 m/s. Коэффициент трения скольжения равен 0,25. Примите g = 9,81 m/s². Какое расстояние d вдоль плоскости он проскользит до остановки?
v₀ = 9,5 m/sθ = 15°μ = 0,25g = 9,81 m/s²
d = m
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
Мяч бросают под углом 70° к горизонту с ровной поверхности. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите наибольшую высоту H, которой достигает мяч.
v0 = 30 m/sθ = 70°g = 9,81 m/s²
H = m
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
Мяч бросают с уровня земли со скоростью 36 m/s под углом 60° к горизонту. Он падает на плоскую крышу здания высотой 14 m, уже опускаясь. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите горизонтальное расстояние x от точки броска до места падения.
v₀ = 36 m/sθ = 60°hroof = 14 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Работа и энергияСредняя
Брусок без начальной скорости скользит по наклонной плоскости под углом 30° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,2. Найдите его скорость v после того, как он проскользит 13 m вдоль плоскости.
θ = 30°μ = 0,2d = 13 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
8.Работа и энергияСложная
Брусок массой 20 kg начинает движение из состояния покоя у основания наклонной плоскости 35° и тянется вверх по ней постоянной силой 210 N, параллельной плоскости. Коэффициент трения скольжения равен 0,1. Найдите скорость v бруска после того, как он переместится на 9 m вверх по плоскости.
Тележка массой 4 kg, движущаяся со скоростью 8 m/s, испытывает абсолютно упругий центральный удар с покоящейся тележкой массой 3,5 kg на дорожке без трения. Найдите скорость v′2 второй тележки после столкновения.
m1 = 4 kgm2 = 3,5 kgv1 = 8 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
10.Импульс и столкновенияСложная
Мяч массой 0,25 kg ударяется о стену со скоростью 18 m/s и отскакивает прямо назад со скоростью 5 m/s. Контакт длится 10 ms. Найдите модуль импульса силы J, который стена сообщает мячу.
m = 0,25 kgvin = 18 m/svout = 5 m/sΔt = 10 ms
J = N·s
11.Гидростатическое давлениеСредняя
Вертикальный прямоугольный затвор шириной 3 m находится в стенке резервуара с жидкостью (вода), его верхний край на 4 m ниже поверхности. Найдите равнодействующую силу гидростатического давления F на затвор.
d = 4 mH = 2 mb = 3 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
12.Гидростатическое давлениеСложная
Вертикальный прямоугольный затвор шириной 2 m находится в стенке резервуара с жидкостью (масло), его верхний край на 1,5 m ниже поверхности. Найдите равнодействующую силу гидростатического давления F на затвор.
d = 1,5 mH = 1 mb = 2 mρ = 880 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
13.Неразрывность и БернуллиСредняя
Вода течёт по горизонтальной трубе, которая сужается с 75 mm до 50 mm. В широкой части давление 110 kPa, а скорость 1,5 m/s. Пренебрегая потерями, найдите давление p2 в узкой части.
Сопло фонтана направлено вертикально вверх. Непосредственно под соплом подводящая труба имеет диаметр 50 mm и избыточное давление 40 kPa. Выходной диаметр сопла 30 mm, разностью высот по длине сопла можно пренебречь. Пренебрегая потерями и сопротивлением воздуха, найдите высоту H, на которую струя поднимается над соплом. Примите g = 9,81 m/s².
Обратимый холодильник поддерживает в холодильной камере -18 °C, отводя 1,5 kW теплоты, и отдаёт теплоту окружающей среде при 20 °C. Найдите тепловой поток Q̇H, который он отдаёт.
TL = -18 °CTH = 20 °CQ̇L = 1,5 kW
Q̇H = kW
18.Тепловые машины и холодильникиСложная
Тепловой насос поддерживает в доме 22 °C, когда на улице 7 °C, и подаёт в дом 9 kW теплоты. Найдите наибольший возможный холодильный коэффициент COPmax.
TH = 22 °CTL = 7 °CQ̇H = 9 kW
COPmax =
19.Волны, звук и оптикаСредняя
Предмет находится в 15 cm перед тонкой собирающей линзой с фокусным расстоянием 25 cm. Найдите увеличение m (отрицательное для перевёрнутого изображения).
do = 15 cmf = 25 cm
m =
20.Волны, звук и оптикаСложная
Неподвижный парковочный датчик посылает ультразвук 30 kHz на автомобиль, приближающийся со скоростью 5 m/s. Найдите частоту f″ эха, принятого обратно датчиком (скорость звука 343 m/s).
f = 30 kHzu = 5 m/sv = 343 m/s
f″ = Hz
3Растворы
1.Кинематика
Ответ: t = 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 = 72/3,6 = 20 m/s
Время торможения
0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 20/4 = 5 s
Ответ
t = 5 s
2.Кинематика
Ответ: hmax = 58,4 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.
Подъём над крышей
0 = v₀² − 2·g·Δh → Δh = 19²/(2·9,81) = 18,4 m
Высота над землёй
hmax = 40 + 18,4 = 58,4 m
Ответ
hmax = 58,4 m
3.Законы Ньютона
Ответ: a = 2,433 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 15° + 0,25·cos 15°) = 4,908 m/s²
Путь
d = v₀²/(2a) = 9,5²/(2·4,908) = 9,194 m
Ответ
d = 9,194 m
5.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: H = 40,51 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 = 30·cos 70° = 10,26 m/s
vy = v0·sin θ = 30·sin 70° = 28,19 m/s
Высшая точка
В верхней точке вертикальная скорость равна нулю: vy² = 2gH.
H = vy²/(2g) = 28,19²/(2·9,81) = 40,51 m
Ответ
H = 40,51 m
6.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: x = 105,7 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 = 18 m/s, vy = 31,18 m/s
Время до падения на крышу
Больший корень: мяч опускается.
14 = 31,18·t − 4,905·t²
t = (31,18 + √(31,18² − 2·9,81·14))/9,81 = 5,87 s
Горизонтальное расстояние
x = vx·t = 18·5,87 = 105,7 m
Ответ
x = 105,7 m
7.Работа и энергия
Ответ: v = 9,13 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 = √(2·9,81·13·(0,5 − 0,2·0,866)) = 9,13 m/s
Ответ
v = 9,13 m/s
8.Работа и энергия
Ответ: v = 8,559 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).
Силы вдоль плоскости
m·g = 20·9,81 = 196,2 N
mg·sin θ = 112,5 N
μ·mg·cos θ = 16,07 N
Работа и энергия
½mv² = (210 − 128,6)·9 = 732,5 J
v = √(2·732,5/20) = 8,559 m/s
Ответ
v = 8,559 m/s
9.Импульс и столкновения
Ответ: v′2 = 8,533 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 = (4 − 3,5)/(4 + 3,5)·8 = 0,5333 m/s
v′2 = 2·4/(4 + 3,5)·8 = 8,533 m/s
Ответ
v′2 = 8,533 m/s
10.Импульс и столкновения
Ответ: J = 5,75 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·(5 + 18) = 5,75 N·s
Ответ
J = 5,75 N·s
11.Гидростатическое давление
Ответ: F = 294,3 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 = 2·3 = 6 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·5·6 = 294,3 kN
Ответ
F = 294,3 kN
12.Гидростатическое давление
Ответ: F = 34,53 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 + 1/2 = 2 m
A = H·b = 1·2 = 2 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 880·9,81·2·2 = 34,53 kN
Ответ
F = 34,53 kN
13.Неразрывность и Бернулли
Ответ: p2 = 105,4 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.
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.
Скорость на выходе
β = 30/50 = 0,6
v2 = √(2p1/(ρ(1 − β⁴))) = √(2·40000/(1000·0,8704)) = 9,587 m/s
Высота струи
Уравнение Бернулли вдоль струи: в верхней точке скорость равна нулю, а давление снова атмосферное.
H = v2²/(2g) = 9,587²/(2·9,81) = 4,685 m
Ответ
H = 4,685 m
15.Уравнение состояния идеального газа
Ответ: V = 50,28 L
Уравнение состояния идеального газа: PV = nRT, где n = m/M.
Моли
n = 470/44,01 = 10,68 mol
T = 10 + 273,15 = 283,1 K
Объём
V = nRT/P = 10,68·8,314·283,1/500 = 50,28 L
Ответ
V = 50,28 L
16.Уравнение состояния идеального газа
Ответ: ρ = 3,747 kg/m³
Плотность идеального газа: ρ = PM/(RT).
Преобразуйте газовый закон
PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 80 + 273,15 = 353,1 K
Плотность
ρ = 250·44,01/(8,314·353,1) = 3,747 kg/m³
Ответ
ρ = 3,747 kg/m³
17.Тепловые машины и холодильники
Ответ: Q̇H = 1,723 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 = 20 + 273,15 = 293,1 K
TL = -18 + 273,15 = 255,1 K
Отношение теплот для обратимого цикла
Q̇H = Q̇L·TH/TL = 1,5·293,1/255,1 = 1,723 kW
Ответ
Q̇H = 1,723 kW
Потребляемая мощность: Ẇ = 0,2234 kW.
18.Тепловые машины и холодильники
Ответ: COPmax = 19,68
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.
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.
Формула тонкой линзы
1/di = 1/f − 1/do = 1/25 − 1/15
di = −37,5 cm
Увеличение
m = −di/do = −(−37,5)/15 = 2,5
Ответ
m = 2,5
20.Волны, звук и оптика
Ответ: f″ = 30888 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|.