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 36 km/h, видит препятствие. Время её реакции 1,4 s, после чего автомобиль тормозит с постоянным замедлением 7 m/s². Найдите полный остановочный путь d с момента, когда она увидела препятствие.
v₀ = 36 km/htr = 1,4 sa = −7 m/s²
d = m
2.КинематикаСложная
Модель ракеты запускают вертикально вверх из состояния покоя. Двигатель сообщает ей постоянное ускорение 24 m/s², направленное вверх, в течение 2,5 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 = 24 m/s²t1 = 2,5 sg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Законы НьютонаСредняя
Санки массой 15 kg тянут по горизонтальному снегу верёвкой под углом 15° к горизонту с силой 100 N. Коэффициент трения скольжения равен 0,4. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a санок.
m = 15 kgF = 100 Nθ = 15°μ = 0,4g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
Брусок массой 2,5 kg на наклонной плоскости под углом 30° связан лёгкой нитью, перекинутой через блок без трения на вершине плоскости, с висящим грузом массой 4 kg. Висящий груз движется вниз. Наклонная плоскость гладкая (без трения). Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a системы.
m1 = 2,5 kgm2 = 4 kgθ = 30°μ = 0g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
Мяч бросают под углом 20° к горизонту с ровной поверхности. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите время полёта t до удара мяча о землю.
v0 = 20 m/sθ = 20°g = 9,81 m/s²
t = s
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
Мяч бросают под углом 45° к горизонту с вершины скалы высотой 50 m. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите время полёта t до удара мяча о землю.
v0 = 34 m/sθ = 45°h = 50 mg = 9,81 m/s²
t = s
7.Работа и энергияСредняя
Брусок без начальной скорости скользит по наклонной плоскости под углом 45° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,15. Найдите его скорость v после того, как он проскользит 15 m вдоль плоскости.
θ = 45°μ = 0,15d = 15 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
8.Работа и энергияСложная
Брусок массой 1 kg отпускают без начальной скорости на высоте 4 m на гладкой рампе. Внизу он пересекает шероховатую горизонтальную полосу длиной 2,5 m (μ = 0,2), а затем наезжает на пружину (k = 800 N/m) на гладкой поверхности. Найдите наибольшее сжатие x пружины.
m = 1 kgh = 4 mL = 2,5 mμ = 0,2k = 800 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
9.Импульс и столкновенияСредняя
Автомобиль массой 1500 kg, движущийся со скоростью 9 m/s, налетает на стоящий автомобиль массой 1300 kg, и они сцепляются. Какой процент ΔK/K исходной кинетической энергии теряется?
m1 = 1500 kgv1 = 9 m/sm2 = 1300 kgv2 = 0
ΔK/K = %
10.Импульс и столкновенияСложная
Мяч массой 0,35 kg ударяется о стену со скоростью 18 m/s и отскакивает прямо назад со скоростью 8 m/s. Контакт длится 25 ms. Найдите среднюю силу Favg, с которой стена действует на мяч.
m = 0,35 kgvin = 18 m/svout = 8 m/sΔt = 25 ms
Favg = N
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 0,5 m ниже поверхности. Найдите равнодействующую силу гидростатического давления F на затвор.
Вода течёт по горизонтальной трубе, которая сужается с 100 mm до 50 mm. В широкой части давление 180 kPa, а скорость 1,25 m/s. Пренебрегая потерями, найдите давление p2 в узкой части.
Вода поднимается по трубе, которая сужается с 75 mm до 50 mm и поднимается на 9 m. В сечении 1 давление 370 kPa, а скорость 2,25 m/s. Пренебрегая потерями, найдите давление p2 в сечении 2.
Тепловая машина получает теплоту от источника при 500 °C и отдаёт теплоту окружающей среде при 25 °C. Её действительный термический КПД равен 46%. Найдите её эксергетический КПД (КПД по второму закону) ηII — отношение действительного КПД к КПД Карно.
TH = 500 °CTL = 25 °Cη = 46%
ηII = %
18.Тепловые машины и холодильникиСложная
Тепловая машина Карно получает 110 kW теплоты от источника при 950 °C и отдаёт теплоту окружающей среде при 30 °C. Вся её работа приводит холодильную машину Карно, которая отводит теплоту из морозильной камеры при -30 °C и тоже отдаёт теплоту окружающей среде при 30 °C. Найдите тепловой поток Q̇L, отводимый из морозильной камеры.
TH = 950 °CT0 = 30 °CTL = -30 °CQ̇H = 110 kW
Q̇L = kW
19.Волны, звук и оптикаСредняя
Предмет находится в 30 cm перед тонкой собирающей линзой с фокусным расстоянием 20 cm. Найдите расстояние до изображения di. Используйте правило знаков 1/f = 1/do + 1/di (f < 0 для рассеивающей линзы, di < 0 для мнимого изображения).
do = 30 cmf = 20 cm
di = cm
20.Волны, звук и оптикаСложная
Две тонкие линзы имеют общую ось и находятся на расстоянии 20 cm друг от друга: линза 1 с f₁ = 12 cm и линза 2 с f₂ = 12 cm. Предмет находится в 50 cm перед линзой 1. Найдите положение di2 итогового изображения, отсчитываемое от линзы 2 (положительное за линзой 2, действительное — положительное).
f1 = 12 cmf2 = 12 cms = 20 cmdo = 50 cm
di2 = cm
3Растворы
1.Кинематика
Ответ: d = 21,14 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 = 36/3,6 = 10 m/s
Путь за время реакции
d1 = v₀·tr = 10·1,4 = 14 m
Тормозной путь
d2 = v₀²/(2a) = 10²/(2·7) = 7,143 m
Итого
d = 14 + 7,143 = 21,14 m
Ответ
d = 21,14 m
2.Кинематика
Ответ: hmax = 258,5 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 = 24·2,5 = 60 m/s
h₁ = ½·24·2,5² = 75 m
Свободный полёт вверх
В наивысшей точке скорость равна нулю.
Δh = v₁²/(2g) = 60²/(2·9,81) = 183,5 m
hmax = 75 + 183,5 = 258,5 m
Ответ
hmax = 258,5 m
3.Законы Ньютона
Ответ: a = 3,206 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 = 147,2 − 100·sin 15° = 121,3 N
Горизонтальные силы
m·a = F·cos θ − μ·N = 96,59 − 48,51
a = 48,09/15 = 3,206 m/s²
Ответ
a = 3,206 m/s²
4.Законы Ньютона
Ответ: a = 4,15 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.
Силы вдоль нити
m₂·g = 39,24 N
m₁·g·sin θ = 12,26 N
μ·m₁·g·cos θ = 0 N
Ускорение системы
a = (39,24 − 12,26 − 0)/6,5 = 4,15 m/s²
Ответ
a = 4,15 m/s²
5.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: t = 1,395 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 = 20·cos 20° = 18,79 m/s
vy = v0·sin θ = 20·sin 20° = 6,84 m/s
Время полёта
Старт и приземление на одной высоте: t = 2vy/g.
t = 2·6,84/9,81 = 1,395 s
Ответ
t = 1,395 s
6.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: t = 6,476 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 = 34·cos 45° = 24,04 m/s
vy = v0·sin θ = 34·sin 45° = 24,04 m/s
Время полёта
Решите y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0 и возьмите положительный корень.
0 = 50 + 24,04·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (24,04 + √(578 + 981))/9,81 = 6,476 s
Ответ
t = 6,476 s
7.Работа и энергия
Ответ: v = 13,3 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 = √(2·9,81·15·(0,7071 − 0,15·0,7071)) = 13,3 m/s
Ответ
v = 13,3 m/s
8.Работа и энергия
Ответ: x = 29,3 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 = 9,81·(4 − 0,2·2,5) = 34,34 J
Наибольшее сжатие
½kx² = 34,34 → x = √(2·34,34/800) = 0,293 m = 29,3 cm
Ответ
x = 29,3 cm
9.Импульс и столкновения
Ответ: ΔK/K = 46,43 %
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) = 1500·9/2800 = 4,821 m/s
Кинетическая энергия до и после
Kbefore = ½·1500·9² = 60750 J
Kafter = ½·2800·4,821² = 32545 J
Потерянная доля
ΔK/K = 28205/60750 = 46,43 %
Ответ
ΔK/K = 46,43 %
Потерянная энергия идёт на деформацию, теплоту и звук.
10.Импульс и столкновения
Ответ: Favg = 364 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 = 0,35·(8 + 18) = 9,1 N·s
Средняя сила
Favg = J/Δt = 9,1/0,025 = 364 N
Ответ
Favg = 364 N
11.Гидростатическое давление
Ответ: F = 47,82 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 + 1,5/2 = 3,25 m
A = H·b = 1,5·1 = 1,5 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·3,25·1,5 = 47,82 kN
Ответ
F = 47,82 kN
12.Гидростатическое давление
Ответ: F = 27,59 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 + 1,5/2 = 1,25 m
A = H·b = 1,5·1,5 = 2,25 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·1,25·2,25 = 27,59 kN
Ответ
F = 27,59 kN
13.Неразрывность и Бернулли
Ответ: p2 = 168,3 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 = 50/28,01 = 1,785 mol
T = 70 + 273,15 = 343,1 K
Объём
V = nRT/P = 1,785·8,314·343,1/700 = 7,275 L
Ответ
V = 7,275 L
16.Уравнение состояния идеального газа
Ответ: V2 = 11,51 L
Объединённый газовый закон: для постоянного количества идеального газа P1V1/T1 = P2V2/T2.
Абсолютные температуры
T1 = 298,1 K, T2 = 343,1 K
Объединённый газовый закон
V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 10·(100/100)·(343,1/298,1) = 11,51 L
Ответ
V2 = 11,51 L
17.Тепловые машины и холодильники
Ответ: ηII = 74,87 %
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 = 500 + 273,15 = 773,1 K
TL = 25 + 273,15 = 298,1 K
КПД Карно
ηCarnot = 1 − 298,1/773,1 = 61,44 %
КПД по второму закону
ηII = η/ηCarnot = 46/61,44 = 74,87 %
Ответ
ηII = 74,87 %
18.Тепловые машины и холодильники
Ответ: Q̇L = 335,3 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 = 950 + 273,15 = 1223 K
T0 = 30 + 273,15 = 303,1 K
TL = -30 + 273,15 = 243,1 K
Работа машины
η = 1 − 303,1/1223 = 0,7522
Ẇ = 0,7522·110 = 82,74 kW
Теплота, отводимая холодильником
COPR = 243,1/(303,1 − 243,1) = 4,052
Q̇L = 4,052·82,74 = 335,3 kW
Ответ
Q̇L = 335,3 kW
19.Волны, звук и оптика
Ответ: di = 60 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.
Формула тонкой линзы
1/di = 1/f − 1/do = 1/20 − 1/30
di = 60 cm
Ход лучей
действительное, по другую сторону линзы
Ответ
di = 60 cm
20.Волны, звук и оптика
Ответ: di2 = −6,486 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.