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 50 km/h, тормозит с постоянным замедлением 6 m/s² до полной остановки. Найдите тормозной путь s.
v₀ = 50 km/ha = −6 m/s²v = 0
s = m
2.КинематикаСложная
Трамвай трогается с места и разгоняется с ускорением 1 m/s² в течение 7 s, затем движется с постоянной скоростью 27 s и, наконец, тормозит с замедлением 3,5 m/s² до остановки. Найдите полное время движения t.
a1 = 1 m/s²t1 = 7 st2 = 27 sa3 = −3,5 m/s²
t = s
3.Законы НьютонаСредняя
Санки массой 30 kg тянут по горизонтальному снегу верёвкой под углом 25° к горизонту с силой 180 N. Коэффициент трения скольжения равен 0,4. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a санок.
m = 30 kgF = 180 Nθ = 25°μ = 0,4g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
Брусок массой 7,5 kg на наклонной плоскости под углом 20° связан лёгкой нитью, перекинутой через блок без трения на вершине плоскости, с висящим грузом массой 8 kg. Висящий груз движется вниз. Коэффициент трения скольжения между бруском и плоскостью равен 0,15. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T нити.
m1 = 7,5 kgm2 = 8 kgθ = 20°μ = 0,15g = 9,81 m/s²
T = N
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
Мяч бросают с горизонтальной поверхности со скоростью 26 m/s, и он должен упасть на расстоянии 45 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите меньший из двух возможных углов броска θ.
v₀ = 26 m/sR = 45 mg = 9,81 m/s²
θ = °
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
Мяч бросают со скоростью 19 m/s под углом 25° к горизонту с вершины обрыва высотой 45 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Под каким углом α к горизонту (ниже горизонта) он ударяется о землю?
v₀ = 19 m/sθ = 25°h = 45 mg = 9,81 m/s²
α = °
7.Работа и энергияСредняя
Брусок массой 2,5 kg скользит 15 m по наклонной плоскости под углом 25° к горизонту с коэффициентом трения скольжения 0,1. Найдите работу Wf против силы трения.
m = 2,5 kgθ = 25°μ = 0,1d = 15 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
8.Работа и энергияСложная
Тележку массой 2 kg отпускают без начальной скорости на высоте 7 m на гладкой трассе, переходящей в вертикальную «мёртвую петлю» радиусом 2,5 m. Найдите скорость v тележки в верхней точке петли.
m = 2 kgh = 7 mR = 2,5 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
9.Импульс и столкновенияСредняя
Тележка массой 4 kg, движущаяся со скоростью 6 m/s, испытывает абсолютно упругий центральный удар с покоящейся тележкой массой 4,5 kg на дорожке без трения. Найдите скорость v′2 второй тележки после столкновения.
m1 = 4 kgm2 = 4,5 kgv1 = 6 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
10.Импульс и столкновенияСложная
Мяч массой 0,3 kg ударяется о стену со скоростью 11 m/s и отскакивает прямо назад со скоростью 20 m/s. Контакт длится 5 ms. Найдите среднюю силу Favg, с которой стена действует на мяч.
m = 0,3 kgvin = 11 m/svout = 20 m/sΔt = 5 ms
Favg = N
11.Гидростатическое давлениеСредняя
Вертикальный прямоугольный затвор шириной 2 m находится в стенке резервуара с жидкостью (вода), его верхний край на 0,5 m ниже поверхности. Найдите равнодействующую силу гидростатического давления F на затвор.
Вертикальный прямоугольный затвор шириной 1 m находится в стенке резервуара с жидкостью (морская вода), его верхний край на 1 m ниже поверхности. Найдите глубину ycp центра давления под поверхностью.
d = 1 mH = 2 mb = 1 mρ = 1025 kg/m³g = 9,81 m/s²
ycp = m
13.Неразрывность и БернуллиСредняя
Вода течёт по горизонтальной трубе, которая сужается с 100 mm до 75 mm. В широкой части давление 130 kPa, а скорость 2,75 m/s. Пренебрегая потерями, найдите давление p2 в узкой части.
По горизонтальному расходомеру Вентури (вход 200 mm, горловина 150 mm) течёт вода. Ртутный U-образный манометр, подключённый между входом и горловиной, показывает разность уровней 370 mm. Коэффициент расхода равен 0,97. Найдите расход Q. Примите ρ = 1000 kg/m³ для воды, 13 600 kg/m³ для ртути и g = 9,81 m/s².
Тепловая машина работает между горячим резервуаром при 500 °C и холодным при 35 °C. Она получает 1400 kJ теплоты. Найдите наибольшую работу Wmax, которую она могла бы совершить.
TH = 500 °CTL = 35 °CQH = 1400 kJ
Wmax = kJ
18.Тепловые машины и холодильникиСложная
Тепловой насос поддерживает в доме 20 °C, когда на улице 0 °C, и подаёт в дом 8 kW теплоты. Найдите минимальную необходимую мощность Ẇmin.
TH = 20 °CTL = 0 °CQ̇H = 8 kW
Ẇmin = kW
19.Волны, звук и оптикаСредняя
Труба, открытая с обоих концов имеет длину 0,75 m. Скорость звука равна 343 m/s. Найдите частоту f3 для режима: гармоника номер 3.
v = 343 m/sn = 3L = 0,75 m
f3 = Hz
20.Волны, звук и оптикаСложная
Свет с длиной волны 589 nm проходит через одиночную щель шириной 0,05 mm. Найдите угол θ3 тёмной полосы номер 3 относительно направления прямого прохождения.
λ = 589 nma = 0,05 mmm = 3
θ3 = °
3Растворы
1.Кинематика
Ответ: s = 16,08 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.
Единицы
v₀ = 50/3,6 = 13,89 m/s
Тормозной путь
0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 13,89²/(2·6) = 16,08 m
Ответ
s = 16,08 m
2.Кинематика
Ответ: t = 36 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.
Наибольшая скорость
v = a1·t1 = 1·7 = 7 m/s
Время торможения
t3 = v/a3 = 7/3,5 = 2 s
Общее время
t = 7 + 27 + 2 = 36 s
Ответ
t = 36 s
3.Законы Ньютона
Ответ: a = 2,528 m/s²
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.
Сила нормальной реакции
N = m·g − F·sin θ = 294,3 − 180·sin 25° = 218,2 N
Горизонтальные силы
m·a = F·cos θ − μ·N = 163,1 − 87,29
a = 75,84/30 = 2,528 m/s²
Ответ
a = 2,528 m/s²
4.Законы Ньютона
Ответ: T = 56,31 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.
Силы вдоль нити
m₂·g = 78,48 N
m₁·g·sin θ = 25,16 N
μ·m₁·g·cos θ = 10,37 N
Ускорение системы
a = (78,48 − 25,16 − 10,37)/15,5 = 2,771 m/s²
Натяжение по висящему грузу
m2·g − T = m2·a → T = 8·(9,81 − 2,771) = 56,31 N
Ответ
T = 56,31 N
5.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: θ = 20,39 °
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 = 9,81·45/26² = 0,653
Угол
2θ = 40,77° → θ = 20,39°
Ответ
θ = 20,39°
Второе решение: 90° − θ = 69,61°.
6.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: α = 60,77 °
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 = 19·cos 25° = 17,22 m/s
vy0 = 19·sin 25° = 8,03 m/s
Вертикальная скорость при ударе
Закон сохранения энергии или v² = v₀² + 2as по вертикали.
vy = √(8,03² + 2·9,81·45) = 30,78 m/s
Угол падения
tan α = vy/vx = 30,78/17,22 → α = 60,77°
Ответ
α = 60,77°
7.Работа и энергия
Ответ: Wf = 33,34 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 = 24,53·0,9063 = 22,23 N
F = μN = 0,1·22,23 = 2,223 N
Работа против трения
Wf = F·d = 2,223·15 = 33,34 J
Ответ
Wf = 33,34 J
8.Работа и энергия
Ответ: v = 6,264 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). При движении по окружности равнодействующая, направленная к центру, должна быть равна mv²/r.
Скорость в верхней точке
v² = 2g(h − 2R) = 2·9,81·(7 − 5) = 39,24 m²/s²
v = 6,264 m/s
Ответ
v = 6,264 m/s
Тележка едва проходит петлю при h = 2,5R; тогда в верхней точке N = 0.
9.Импульс и столкновения
Ответ: v′2 = 5,647 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 − 4,5)/(4 + 4,5)·6 = −0,3529 m/s
v′2 = 2·4/(4 + 4,5)·6 = 5,647 m/s
Ответ
v′2 = 5,647 m/s
10.Импульс и столкновения
Ответ: Favg = 1860 N
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 = 0,3·(20 + 11) = 9,3 N·s
Средняя сила
Favg = J/Δt = 9,3/0,005 = 1860 N
Ответ
Favg = 1860 N
11.Гидростатическое давление
Ответ: F = 117,7 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 = 0,5 + 3/2 = 2 m
A = H·b = 3·2 = 6 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·2·6 = 117,7 kN
Ответ
F = 117,7 kN
12.Гидростатическое давление
Ответ: ycp = 2,167 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 + 2/2 = 2 m
A = H·b = 2·1 = 2 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 1025·9,81·2·2 = 40,22 kN
Центр давления
Давление растёт с глубиной, поэтому равнодействующая приложена ниже центра тяжести.
Ic = b·H³/12 = 1·2³/12 = 0,6667 m⁴
ycp = yc + Ic/(yc·A) = 2 + 0,6667/(2·2) = 2,167 m
Ответ
ycp = 2,167 m
13.Неразрывность и Бернулли
Ответ: p2 = 121,8 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.
Разность давлений по манометру
Δp = (13600 − 1000)·9,81·0,37 = 45734 Pa
Скорость в горловине
Уравнения неразрывности и Бернулли вместе дают идеальную скорость в горловине.
Уравнение состояния идеального газа: PV = nRT, где n = m/M.
Моли
n = m/M = 370/44,01 = 8,407 mol
T = 70 + 273,15 = 343,1 K
Давление
P = nRT/V = 8,407·8,314·343,1/0,02 = 1199 kPa
Ответ
P = 1199 kPa
16.Уравнение состояния идеального газа
Ответ: V2 = 1,642 L
Объединённый газовый закон: для постоянного количества идеального газа P1V1/T1 = P2V2/T2.
Абсолютные температуры
T1 = 288,1 K, T2 = 473,1 K
Объединённый газовый закон
V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 2·(100/200)·(473,1/288,1) = 1,642 L
Ответ
V2 = 1,642 L
17.Тепловые машины и холодильники
Ответ: Wmax = 842 kJ
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 = 500 + 273,15 = 773,1 K
TL = 35 + 273,15 = 308,1 K
КПД Карно
ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 308,1/773,1 = 60,14 %
Наибольшая работа
Wmax = ηmax·QH = 0,6014·1400 = 842 kJ
Ответ
Wmax = 842 kJ
18.Тепловые машины и холодильники
Ответ: Ẇmin = 0,5458 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 = 8/14,66 = 0,5458 kW
Ответ
Ẇmin = 0,5458 kW
19.Волны, звук и оптика
Ответ: f3 = 686 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|.
Длина волны этого режима
λ = 2L/n = 2·0,75/3 = 0,5 m
Частота
f = v/λ = 343/0,5 = 686 Hz
Ответ
f3 = 686 Hz
20.Волны, звук и оптика
Ответ: θ3 = 2,025 °
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, …