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
Самолёт трогается с места и равноускоренно разгоняется с ускорением 3 m/s² по взлётной полосе. Найдите его скорость v через 1400 m.
v₀ = 0a = 3 m/s²s = 1400 m
v = m/s
2.КинематикаСложная
Мяч A без начальной скорости падает с высоты 10 m. В тот же момент мяч B бросают вертикально вверх с земли прямо под ним со скоростью 29 m/s. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². На какой высоте y над землёй они встретятся?
H = 10 mv0B = 29 m/sg = 9,81 m/s²
y = m
3.Законы НьютонаСредняя
Санки массой 15 kg тянут по горизонтальному снегу верёвкой под углом 40° к горизонту с силой 60 N. Коэффициент трения скольжения равен 0,25. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a санок.
m = 15 kgF = 60 Nθ = 40°μ = 0,25g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
Два бруска на горизонтальном полу связаны лёгкой горизонтальной нитью. Горизонтальная сила 80 N тянет передний брусок массой 10 kg; брусок массой 6 kg тащится сзади. Коэффициент трения скольжения для обоих брусков равен 0,3. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a брусков.
m1 = 6 kgm2 = 10 kgF = 80 Nμ = 0,3g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
Мяч бьют с горизонтальной поверхности со скоростью 28 m/s под углом 70° к горизонту в сторону стены, находящейся на расстоянии 36 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². На какой высоте y мяч пролетает у стены?
v₀ = 28 m/sθ = 70°x = 36 mg = 9,81 m/s²
y = m
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
Мяч бросают под углом 20° к горизонту с вершины скалы высотой 30 m. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите горизонтальное расстояние x, которое мяч пролетает до удара о землю.
v0 = 15 m/sθ = 20°h = 30 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Работа и энергияСредняя
Брусок без начальной скорости скользит по наклонной плоскости под углом 35° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,25. Найдите его скорость v после того, как он проскользит 4 m вдоль плоскости.
θ = 35°μ = 0,25d = 4 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
8.Работа и энергияСложная
Брусок массой 5 kg отпускают без начальной скорости на высоте 2 m на гладкой рампе. Внизу он пересекает шероховатую горизонтальную полосу длиной 3,5 m (μ = 0,2), а затем наезжает на пружину (k = 800 N/m) на гладкой поверхности. Найдите наибольшее сжатие x пружины.
m = 5 kgh = 2 mL = 3,5 mμ = 0,2k = 800 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
9.Импульс и столкновенияСредняя
Снаряд массой 14 kg, движущийся горизонтально со скоростью 24 m/s, разрывается на два осколка, движущихся вдоль той же прямой. Осколок массой 13 kg продолжает движение вперёд со скоростью 40 m/s. Найдите скорость v′2 осколка массой 1 kg (положительна в исходном направлении).
M = 14 kgu = 24 m/sm1 = 13 kgv′1 = 40 m/sm2 = 1 kg
v′2 = m/s
10.Импульс и столкновенияСложная
Пуля массой 10 g, выпущенная горизонтально, попадает в брусок массой 3 kg, подвешенный на лёгких нитях длиной 0,8 m, и застревает в нём. Нити отклоняются на наибольший угол 30° от вертикали. Примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v пули до удара.
m = 10 gM = 3 kgL = 0,8 mθ = 30°g = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Гидростатическое давлениеСредняя
Вертикальный прямоугольный затвор шириной 2 m находится в стенке резервуара с жидкостью (вода), его верхний край на 1 m ниже поверхности. Найдите равнодействующую силу гидростатического давления F на затвор.
d = 1 mH = 3 mb = 2 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 2 m ниже поверхности. Найдите глубину ycp центра давления под поверхностью.
d = 2 mH = 2 mb = 2 mρ = 880 kg/m³g = 9,81 m/s²
ycp = m
13.Неразрывность и БернуллиСредняя
Вода вытекает из большого открытого резервуара через отверстие с острой кромкой диаметром 30 mm. Уровень воды поддерживается на 2 m выше отверстия, коэффициент расхода равен 0,63. Найдите расход Q. Примите g = 9,81 m/s².
d = 30 mmh = 2 mCd = 0,63g = 9,81 m/s²
Q = L/s
14.Неразрывность и БернуллиСложная
Сопло фонтана направлено вертикально вверх. Непосредственно под соплом подводящая труба имеет диаметр 50 mm и избыточное давление 60 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.
Тепловая машина работает между горячим резервуаром при 750 °C и холодным при 30 °C. Она получает 1100 kJ теплоты. Найдите наибольшую работу Wmax, которую она могла бы совершить.
TH = 750 °CTL = 30 °CQH = 1100 kJ
Wmax = kJ
18.Тепловые машины и холодильникиСложная
Холодильник поддерживает в холодной камере -10 °C на кухне при 35 °C, отводя из камеры теплоту 3 kW. Найдите минимальную необходимую мощность Ẇmin.
TH = 35 °CTL = -10 °CQ̇L = 3 kW
Ẇmin = kW
19.Волны, звук и оптикаСредняя
Труба, закрытая с одного конца имеет длину 0,4 m. Скорость звука равна 343 m/s. Найдите частоту f7 для режима: гармоника номер 7.
v = 343 m/sn = 7L = 0,4 m
f7 = Hz
20.Волны, звук и оптикаСложная
У оптического волокна сердцевина с n₁ = 1,5 и оболочка с n₂ = 1,42. Найдите наибольший угол θa к оси волокна, при котором свет из воздуха может войти в торец волокна и всё ещё направляться полным внутренним отражением.
n1 = 1,5n2 = 1,42n0 = 1,00
θa = °
3Растворы
1.Кинематика
Ответ: v = 91,65 m/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.
Скорость после пройденного пути
v = √(2·a·s) = √(2·3·1400) = 91,65 m/s
Ответ
v = 91,65 m/s
(329,9 km/h)
2.Кинематика
Ответ: y = 9,417 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.
Время встречи
Направление вверх положительно, земля — y = 0.
10 − ½g·t² = 29·t − ½g·t² → t = 10/29 = 0,3448 s
Высота встречи
y = 29·0,3448 − ½·9,81·0,3448² = 9,417 m
Ответ
y = 9,417 m
3.Законы Ньютона
Ответ: a = 1,254 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 − 60·sin 40° = 108,6 N
Горизонтальные силы
m·a = F·cos θ − μ·N = 45,96 − 27,15
a = 18,82/15 = 1,254 m/s²
Ответ
a = 1,254 m/s²
4.Законы Ньютона
Ответ: a = 2,057 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.
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.
Время до стены
vx = 28·cos 70° = 9,577 m/s
t = x/vx = 36/9,577 = 3,759 s
Высота в этот момент
y = 26,31·3,759 − ½·9,81·3,759² = 29,59 m
Ответ
y = 29,59 m
У стены мяч уже опускается.
6.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: x = 43 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 = 15·cos 20° = 14,1 m/s
vy = v0·sin θ = 15·sin 20° = 5,13 m/s
Время полёта
Решите y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0 и возьмите положительный корень.
0 = 30 + 5,13·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (5,13 + √(26,32 + 588,6))/9,81 = 3,051 s
Горизонтальное расстояние
x = vx·t = 14,1·3,051 = 43 m
Ответ
x = 43 m
7.Работа и энергия
Ответ: v = 5,38 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 = √(2·9,81·4·(0,5736 − 0,25·0,8192)) = 5,38 m/s
Ответ
v = 5,38 m/s
8.Работа и энергия
Ответ: x = 39,93 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·(2 − 0,2·3,5) = 63,76 J
Наибольшее сжатие
½kx² = 63,76 → x = √(2·63,76/800) = 0,3993 m = 39,93 cm
Ответ
x = 39,93 cm
9.Импульс и столкновения
Ответ: v′2 = −184 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.
Импульс до удара
p = M·u = 14·24 = 336 kg·m/s
Импульс после удара
336 = 13·40 + 1·v′2
v′2 = (336 − 520)/1 = −184 m/s
Ответ
v′2 = −184 m/s
Знак минус означает, что второй осколок летит назад.
10.Импульс и столкновения
Ответ: v = 436,5 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.
Подъём бруска
h = L·(1 − cos θ) = 0,8·(1 − cos 30°) = 0,1072 m
Скорость после удара
V = √(2·9,81·0,1072) = 1,45 m/s
Столкновение
v = (m + M)·V/m = 3,01·1,45/0,01 = 436,5 m/s
Ответ
v = 436,5 m/s
11.Гидростатическое давление
Ответ: F = 147,2 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 + 3/2 = 2,5 m
A = H·b = 3·2 = 6 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·2,5·6 = 147,2 kN
Ответ
F = 147,2 kN
12.Гидростатическое давление
Ответ: ycp = 3,111 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 + 2/2 = 3 m
A = H·b = 2·2 = 4 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 880·9,81·3·4 = 103,6 kN
Центр давления
Давление растёт с глубиной, поэтому равнодействующая приложена ниже центра тяжести.
Ic = b·H³/12 = 2·2³/12 = 1,333 m⁴
ycp = yc + Ic/(yc·A) = 3 + 1,333/(3·4) = 3,111 m
Ответ
ycp = 3,111 m
13.Неразрывность и Бернулли
Ответ: Q = 2,79 L/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.
Идеальная скорость струи
√(2gh) = √(2·9,81·2) = 6,264 m/s
Действительный расход
Коэффициент расхода учитывает сжатие струи и трение у кромки.
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))) = √(2·60000/(1000·0,8704)) = 11,74 m/s
Высота струи
Уравнение Бернулли вдоль струи: в верхней точке скорость равна нулю, а давление снова атмосферное.
H = v2²/(2g) = 11,74²/(2·9,81) = 7,027 m
Ответ
H = 7,027 m
15.Уравнение состояния идеального газа
Ответ: V = 123,5 L
Уравнение состояния идеального газа: PV = nRT, где n = m/M.
Моли
n = 450/44,01 = 10,22 mol
T = 90 + 273,15 = 363,1 K
Объём
V = nRT/P = 10,22·8,314·363,1/250 = 123,5 L
Ответ
V = 123,5 L
16.Уравнение состояния идеального газа
Ответ: ρ = 13,7 kg/m³
Плотность идеального газа: ρ = PM/(RT).
Преобразуйте газовый закон
PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 60 + 273,15 = 333,1 K
Плотность
ρ = 950·39,95/(8,314·333,1) = 13,7 kg/m³
Ответ
ρ = 13,7 kg/m³
17.Тепловые машины и холодильники
Ответ: Wmax = 774,1 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 = 750 + 273,15 = 1023 K
TL = 30 + 273,15 = 303,1 K
КПД Карно
ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 303,1/1023 = 70,37 %
Наибольшая работа
Wmax = ηmax·QH = 0,7037·1100 = 774,1 kJ
Ответ
Wmax = 774,1 kJ
18.Тепловые машины и холодильники
Ответ: Ẇmin = 0,513 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 = 3/5,848 = 0,513 kW
Ответ
Ẇmin = 0,513 kW
19.Волны, звук и оптика
Ответ: f7 = 1501 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 = 4L/n = 4·0,4/7 = 0,2286 m
Частота
f = v/λ = 343/0,2286 = 1501 Hz
Ответ
f7 = 1501 Hz
20.Волны, звук и оптика
Ответ: θa = 28,9 °
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.