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 4,5 m/s² до полной остановки. Найдите тормозной путь s.
v₀ = 36 km/ha = −4,5 m/s²v = 0
s = m
2.КинематикаСложная
Модель ракеты запускают вертикально вверх из состояния покоя. Двигатель сообщает ей постоянное ускорение 40 m/s², направленное вверх, в течение 2 s, после чего двигатель выключается и ракета движется свободно. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Через сколько времени после старта она упадёт на землю? Найдите t.
a = 40 m/s²t1 = 2 sg = 9,81 m/s²
t = s
3.Законы НьютонаСредняя
Ящик скользит по горизонтальному полу с начальной скоростью 10 m/s и останавливается через 34 m. Примите g = 9,81 m/s². Найдите коэффициент трения скольжения μ.
v₀ = 10 m/sd = 34 mg = 9,81 m/s²
μ =
4.Законы НьютонаСложная
Брусок массой 2,5 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 0,1. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a системы.
m1 = 2,5 kgm2 = 4 kgμ = 0,1g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
Мяч бросают под углом 65° к горизонту с ровной поверхности. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите наибольшую высоту H, которой достигает мяч.
v0 = 14 m/sθ = 65°g = 9,81 m/s²
H = m
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
Мяч бросают под углом 35° к горизонту с вершины скалы высотой 15 m. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите время полёта t до удара мяча о землю.
v0 = 22 m/sθ = 35°h = 15 mg = 9,81 m/s²
t = s
7.Работа и энергияСредняя
Игрушечная пусковая установка имеет вертикальную пружину жёсткостью 1500 N/m. На неё кладут мяч массой 0,05 kg, сжимают пружину на 6 cm и отпускают. Пренебрегая сопротивлением воздуха и массой пружины, найдите высоту h, на которую поднимется мяч, отсчитывая от его положения при сжатой пружине.
m = 0,05 kgk = 1500 N/mx = 6 cmg = 9,81 m/s²
h = m
8.Работа и энергияСложная
Брусок массой 10 kg начинает движение из состояния покоя у основания наклонной плоскости 35° и тянется вверх по ней постоянной силой 140 N, параллельной плоскости. Коэффициент трения скольжения равен 0,15. Найдите скорость v бруска после того, как он переместится на 3 m вверх по плоскости.
Тележка массой 2 kg, движущаяся со скоростью 11 m/s, испытывает абсолютно упругий центральный удар с покоящейся тележкой массой 3,5 kg на дорожке без трения. Найдите скорость v′1 первой тележки после столкновения (положительную в направлении её первоначального движения).
m1 = 2 kgm2 = 3,5 kgv1 = 11 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
10.Импульс и столкновенияСложная
Мяч массой 0,35 kg ударяется о стену со скоростью 13 m/s и отскакивает прямо назад со скоростью 4 m/s. Контакт длится 20 ms. Найдите среднюю силу Favg, с которой стена действует на мяч.
m = 0,35 kgvin = 13 m/svout = 4 m/sΔt = 20 ms
Favg = N
11.Гидростатическое давлениеСредняя
Вертикальный прямоугольный затвор шириной 3 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 3 m находится в стенке резервуара с жидкостью (вода), его верхний край на 2 m ниже поверхности. Найдите равнодействующую силу гидростатического давления F на затвор.
Вода течёт по горизонтальной трубе, которая сужается с 75 mm до 25 mm. В широкой части давление 280 kPa, а скорость 0,75 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 5 m. В сечении 1 давление 390 kPa, а скорость 1,5 m/s. Пренебрегая потерями, найдите давление p2 в сечении 2.
Тепловая машина работает между горячим резервуаром при 725 °C и холодным при 30 °C. Она получает 2200 kJ теплоты. Найдите наибольшую работу Wmax, которую она могла бы совершить.
TH = 725 °CTL = 30 °CQH = 2200 kJ
Wmax = kJ
18.Тепловые машины и холодильникиСложная
Холодильник поддерживает в холодной камере -20 °C на кухне при 35 °C, отводя из камеры теплоту 4 kW. Найдите наибольший возможный холодильный коэффициент COPmax.
TH = 35 °CTL = -20 °CQ̇L = 4 kW
COPmax =
19.Волны, звук и оптикаСредняя
Труба, закрытая с одного конца имеет длину 0,8 m. Скорость звука равна 343 m/s. Найдите частоту f5 для режима: гармоника номер 5.
v = 343 m/sn = 5L = 0,8 m
f5 = Hz
20.Волны, звук и оптикаСложная
Решётка с 300 штрихами на миллиметр даёт максимум порядка 2 для спектральной линии под углом 19,3° к направлению прямого прохождения. Найдите длину волны λ линии.
N = 300 mm⁻¹θ2 = 19,3°m = 2
λ = nm
3Растворы
1.Кинематика
Ответ: s = 11,11 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 = 36/3,6 = 10 m/s
Тормозной путь
0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 10²/(2·4,5) = 11,11 m
Ответ
s = 11,11 m
2.Кинематика
Ответ: t = 19,26 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.
Активный участок
v₁ = 40·2 = 80 m/s
h₁ = ½·40·2² = 80 m
Свободный полёт до земли
Решите −h₁ = v₁·t₂ − ½·g·t₂² и возьмите положительный корень.
t₂ = (80 + √(80² + 2·9,81·80))/9,81 = 17,26 s
t = 2 + 17,26 = 19,26 s
Ответ
t = 19,26 s
3.Законы Ньютона
Ответ: μ = 0,1499
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) = 10²/(2·34) = 1,471 m/s²
Коэффициент трения
μ·m·g = m·a → μ = a/g = 1,471/9,81 = 0,1499
Ответ
μ = 0,1499
4.Законы Ньютона
Ответ: a = 5,66 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.
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 = 14·cos 65° = 5,917 m/s
vy = v0·sin θ = 14·sin 65° = 12,69 m/s
Высшая точка
В верхней точке вертикальная скорость равна нулю: vy² = 2gH.
H = vy²/(2g) = 12,69²/(2·9,81) = 8,206 m
Ответ
H = 8,206 m
6.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: t = 3,457 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 = 22·cos 35° = 18,02 m/s
vy = v0·sin θ = 22·sin 35° = 12,62 m/s
Время полёта
Решите y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0 и возьмите положительный корень.
0 = 15 + 12,62·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (12,62 + √(159,2 + 294,3))/9,81 = 3,457 s
Ответ
t = 3,457 s
7.Работа и энергия
Ответ: h = 5,505 m
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 пружины
x = 6 cm = 0,06 m
½kx² = ½·1500·0,06² = 2,7 J
Высота
m·g = 0,05·9,81 = 0,4905 N
h = ½kx²/(mg) = 2,7/0,4905 = 5,505 m
Ответ
h = 5,505 m
8.Работа и энергия
Ответ: v = 6,558 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 = 10·9,81 = 98,1 N
mg·sin θ = 56,27 N
μ·mg·cos θ = 12,05 N
Работа и энергия
½mv² = (140 − 68,32)·3 = 215 J
v = √(2·215/10) = 6,558 m/s
Ответ
v = 6,558 m/s
9.Импульс и столкновения
Ответ: v′1 = −3 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 = (2 − 3,5)/(2 + 3,5)·11 = −3 m/s
v′2 = 2·2/(2 + 3,5)·11 = 8 m/s
Ответ
v′1 = −3 m/s
Знак минус означает, что первая тележка отскакивает назад.
10.Импульс и столкновения
Ответ: Favg = 297,5 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·(4 + 13) = 5,95 N·s
Средняя сила
Favg = J/Δt = 5,95/0,02 = 297,5 N
Ответ
Favg = 297,5 N
11.Гидростатическое давление
Ответ: F = 176,6 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 = 3·3 = 9 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·2·9 = 176,6 kN
Ответ
F = 176,6 kN
12.Гидростатическое давление
Ответ: F = 239,1 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 + 2,5/2 = 3,25 m
A = H·b = 2,5·3 = 7,5 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·3,25·7,5 = 239,1 kN
Ответ
F = 239,1 kN
13.Неразрывность и Бернулли
Ответ: p2 = 257,5 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 = m/M = 140/16,04 = 8,728 mol
T = 85 + 273,15 = 358,1 K
Давление
P = nRT/V = 8,728·8,314·358,1/0,005 = 5198 kPa
Ответ
P = 5198 kPa
16.Уравнение состояния идеального газа
Ответ: V2 = 20,75 L
Объединённый газовый закон: для постоянного количества идеального газа P1V1/T1 = P2V2/T2.
Абсолютные температуры
T1 = 313,1 K, T2 = 433,1 K
Объединённый газовый закон
V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 10·(150/100)·(433,1/313,1) = 20,75 L
Ответ
V2 = 20,75 L
17.Тепловые машины и холодильники
Ответ: Wmax = 1532 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 = 725 + 273,15 = 998,1 K
TL = 30 + 273,15 = 303,1 K
КПД Карно
ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 303,1/998,1 = 69,63 %
Наибольшая работа
Wmax = ηmax·QH = 0,6963·2200 = 1532 kJ
Ответ
Wmax = 1532 kJ
18.Тепловые машины и холодильники
Ответ: COPmax = 4,603
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|.
Длина волны этого режима
λ = 4L/n = 4·0,8/5 = 0,64 m
Частота
f = v/λ = 343/0,64 = 535,9 Hz
Ответ
f5 = 535,9 Hz
20.Волны, звук и оптика
Ответ: λ = 550,9 nm
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, …