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 36 km/h, тормозит с постоянным замедлением 3,5 m/s² до полной остановки. Сколько длится торможение? Найдите t.
v₀ = 36 km/ha = −3,5 m/s²v = 0
t = s
2.КинематикаСложная
Камень без начальной скорости падает в колодец. Всплеск слышен через 4,1 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 = 4,1 svsound = 343 m/sg = 9,81 m/s²
d = m
3.Законы НьютонаСредняя
Ящик скользит по горизонтальному полу с начальной скоростью 7,5 m/s и останавливается через 57 m. Примите g = 9,81 m/s². Найдите коэффициент трения скольжения μ.
v₀ = 7,5 m/sd = 57 mg = 9,81 m/s²
μ =
4.Законы НьютонаСложная
Брусок массой 6,5 kg на горизонтальном столе соединён лёгкой нитью, перекинутой через блок без трения, с подвешенным грузом массой 4 kg. Коэффициент трения скольжения между бруском и столом 0,2. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a системы.
m1 = 6,5 kgm2 = 4 kgμ = 0,2g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
Мяч бросают с горизонтальной поверхности под углом 15° к горизонту, и он падает на расстоянии 145 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите начальную скорость v0.
θ = 15°R = 145 mg = 9,81 m/s²
v0 = m/s
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
Мяч бросают под углом 60° к горизонту с вершины скалы высотой 55 m. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите горизонтальное расстояние x, которое мяч пролетает до удара о землю.
v0 = 28 m/sθ = 60°h = 55 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 0,4. Найдите его скорость v после того, как он проскользит 17 m вдоль плоскости.
θ = 45°μ = 0,4d = 17 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
8.Работа и энергияСложная
Брусок массой 0,5 kg отпускают без начальной скорости на высоте 3 m на гладкой рампе. Внизу он пересекает шероховатую горизонтальную полосу длиной 2 m (μ = 0,15), а затем наезжает на пружину (k = 2500 N/m) на гладкой поверхности. Найдите наибольшее сжатие x пружины.
m = 0,5 kgh = 3 mL = 2 mμ = 0,15k = 2500 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
9.Импульс и столкновенияСредняя
Тележка массой 0,5 kg, движущаяся со скоростью 9 m/s, испытывает абсолютно упругий центральный удар с покоящейся тележкой массой 3 kg на дорожке без трения. Найдите скорость v′2 второй тележки после столкновения.
m1 = 0,5 kgm2 = 3 kgv1 = 9 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
10.Импульс и столкновенияСложная
На перекрёстке автомобиль массой 1200 kg, едущий на восток со скоростью 10 m/s, сталкивается с автомобилем массой 1200 kg, едущим на север со скоростью 11 m/s. Автомобили сцепляются. Найдите скорость v′ обломков сразу после столкновения.
m1 = 1200 kgv1 = 10 m/s (E)m2 = 1200 kgv2 = 11 m/s (N)
v′ = m/s
11.Гидростатическое давлениеСредняя
Вертикальный прямоугольный затвор шириной 2 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.
Вертикальный прямоугольный затвор шириной 3 m находится в стенке резервуара с жидкостью (вода), его верхний край на 2,5 m ниже поверхности. Найдите глубину ycp центра давления под поверхностью.
Вода с расходом 37 L/s течёт по горизонтальной трубе, сужающейся с 150 mm до 75 mm. Давление в узком сечении равно 250 kPa. Пренебрегая потерями, найдите давление p1 в широком сечении.
В закрытом резервуаре над водой находится сжатый воздух с избыточным давлением 20 kPa. Вода вытекает в атмосферу через отверстие диаметром 50 mm, расположенное на 5 m ниже поверхности воды. Пренебрегая потерями, найдите скорость струи v. Примите g = 9,81 m/s².
Тепловая машина работает между горячим резервуаром при 575 °C и холодным при 35 °C. Она получает 800 kJ теплоты. Найдите наибольшую работу Wmax, которую она могла бы совершить.
TH = 575 °CTL = 35 °CQH = 800 kJ
Wmax = kJ
18.Тепловые машины и холодильникиСложная
Тепловой насос поддерживает в доме 21 °C, когда на улице 0 °C, и подаёт в дом 12 kW теплоты. Найдите наибольший возможный холодильный коэффициент COPmax.
TH = 21 °CTL = 0 °CQ̇H = 12 kW
COPmax =
19.Волны, звук и оптикаСредняя
Источник частотой 300 Hz, движущийся со скоростью 34 m/s, и наблюдатель, движущийся со скоростью 5 m/s, удаляются друг от друга. Скорость звука равна 343 m/s. Найдите частоту f′, которую слышит наблюдатель.
f = 300 Hzv = 343 m/svs = 34 m/svo = 5 m/s
f′ = Hz
20.Волны, звук и оптикаСложная
Свет с длиной волны 656 nm падает под прямым углом на решётку с 200 штрихами на миллиметр. Найдите угол θ1 максимума порядка 1.
N = 200 mm⁻¹λ = 656 nmm = 1
θ1 = °
3Растворы
1.Кинематика
Ответ: t = 2,857 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 = 36/3,6 = 10 m/s
Время торможения
0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 10/3,5 = 2,857 s
Ответ
t = 2,857 s
2.Кинематика
Ответ: d = 74 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·(4,1 − t₁)
4,905·t₁² + 343·t₁ − 1406 = 0
Время падения
Физический смысл имеет только положительный корень.
t₁ = (−343 + √(343² + 4·4,905·1406))/(2·4,905) = 3,884 s
Глубина
d = ½·9,81·3,884² = 74 m
Ответ
d = 74 m
3.Законы Ньютона
Ответ: μ = 0,0503
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) = 7,5²/(2·57) = 0,4934 m/s²
Коэффициент трения
μ·m·g = m·a → μ = a/g = 0,4934/9,81 = 0,0503
Ответ
μ = 0,0503
4.Законы Ньютона
Ответ: a = 2,523 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.
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) = √(9,81·145/sin 30°) = 53,34 m/s
Ответ
v0 = 53,34 m/s
6.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: x = 92,88 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 = 28·cos 60° = 14 m/s
vy = v0·sin θ = 28·sin 60° = 24,25 m/s
Время полёта
Решите y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0 и возьмите положительный корень.
0 = 55 + 24,25·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (24,25 + √(588 + 1079))/9,81 = 6,634 s
Горизонтальное расстояние
x = vx·t = 14·6,634 = 92,88 m
Ответ
x = 92,88 m
7.Работа и энергия
Ответ: v = 11,9 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 = √(2·9,81·17·(0,7071 − 0,4·0,7071)) = 11,9 m/s
Ответ
v = 11,9 m/s
8.Работа и энергия
Ответ: x = 10,29 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 = 4,905·(3 − 0,15·2) = 13,24 J
Наибольшее сжатие
½kx² = 13,24 → x = √(2·13,24/2500) = 0,1029 m = 10,29 cm
Ответ
x = 10,29 cm
9.Импульс и столкновения
Ответ: v′2 = 2,571 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 = (0,5 − 3)/(0,5 + 3)·9 = −6,429 m/s
v′2 = 2·0,5/(0,5 + 3)·9 = 2,571 m/s
Ответ
v′2 = 2,571 m/s
10.Импульс и столкновения
Ответ: v′ = 7,433 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 = 1,5 + 2/2 = 2,5 m
A = H·b = 2·2 = 4 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·2,5·4 = 98,1 kN
Ответ
F = 98,1 kN
12.Гидростатическое давление
Ответ: ycp = 3,028 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 = 2,5 + 1/2 = 3 m
A = H·b = 1·3 = 3 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·3·3 = 88,29 kN
Центр давления
Давление растёт с глубиной, поэтому равнодействующая приложена ниже центра тяжести.
Ic = b·H³/12 = 3·1³/12 = 0,25 m⁴
ycp = yc + Ic/(yc·A) = 3 + 0,25/(3·3) = 3,028 m
Ответ
ycp = 3,028 m
13.Неразрывность и Бернулли
Ответ: p1 = 282,9 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.
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 от поверхности до струи
v = √(2·(20000/1000 + 9,81·5)) = 11,75 m/s
Ответ
v = 11,75 m/s
15.Уравнение состояния идеального газа
Ответ: V = 80,12 L
Уравнение состояния идеального газа: PV = nRT, где n = m/M.
Моли
n = 310/32 = 9,688 mol
T = 75 + 273,15 = 348,1 K
Объём
V = nRT/P = 9,688·8,314·348,1/350 = 80,12 L
Ответ
V = 80,12 L
16.Уравнение состояния идеального газа
Ответ: ρ = 5,092 kg/m³
Плотность идеального газа: ρ = PM/(RT).
Преобразуйте газовый закон
PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 190 + 273,15 = 463,1 K
Плотность
ρ = 700·28,01/(8,314·463,1) = 5,092 kg/m³
Ответ
ρ = 5,092 kg/m³
17.Тепловые машины и холодильники
Ответ: Wmax = 509,3 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 = 575 + 273,15 = 848,1 K
TL = 35 + 273,15 = 308,1 K
КПД Карно
ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 308,1/848,1 = 63,67 %
Наибольшая работа
Wmax = ηmax·QH = 0,6367·800 = 509,3 kJ
Ответ
Wmax = 509,3 kJ
18.Тепловые машины и холодильники
Ответ: COPmax = 14,01
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, …