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 120 km/h, тормозит с постоянным замедлением 5 m/s² до полной остановки. Найдите тормозной путь s.
v₀ = 120 km/ha = −5 m/s²v = 0
s = m
2.КинематикаСложная
Мяч бросают вертикально вверх со скоростью 5 m/s с края крыши на высоте 30 m над землёй. Сопротивлением воздуха пренебречь, g = 9,81 m/s². Найдите наибольшую высоту hmax над землёй.
v₀ = 5 m/sh₀ = 30 mg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Законы НьютонаСредняя
Ящик массой 20 kg толкают вверх по наклонной плоскости под углом 20° к горизонту с постоянной скоростью силой, параллельной плоскости. Коэффициент трения скольжения равен 0,1. Примите g = 9,81 m/s². Найдите толкающую силу F.
m = 20 kgθ = 20°μ = 0,1g = 9,81 m/s²
F = N
4.Законы НьютонаСложная
Брусок массой 5,5 kg на горизонтальном столе соединён лёгкой нитью, перекинутой через блок без трения, с подвешенным грузом массой 1 kg. Коэффициент трения скольжения между бруском и столом 0,1. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a системы.
m1 = 5,5 kgm2 = 1 kgμ = 0,1g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
Мяч бросают под углом 45° к горизонту с ровной поверхности. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите горизонтальное расстояние x, которое мяч пролетает до удара о землю.
v0 = 18 m/sθ = 45°g = 9,81 m/s²
x = m
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
Мяч бросают под углом 40° к горизонту с вершины скалы высотой 30 m. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите горизонтальное расстояние x, которое мяч пролетает до удара о землю.
v0 = 30 m/sθ = 40°h = 30 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Работа и энергияСредняя
Брусок массой 10 kg скользит 19 m по наклонной плоскости под углом 35° к горизонту с коэффициентом трения скольжения 0,25. Найдите работу Wf против силы трения.
m = 10 kgθ = 35°μ = 0,25d = 19 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
8.Работа и энергияСложная
Пружину жёсткостью 2000 N/m у основания наклонной плоскости 20° сжимают на 8 cm бруском массой 3 kg и отпускают. Коэффициент трения скольжения между бруском и плоскостью равен 0,15. Какое расстояние d пройдёт брусок вверх по плоскости от точки отпускания до остановки? (Пренебрегите коротким участком, на котором толкает пружина, т. е. учитывайте трение и силу тяжести на всём расстоянии d.)
Пуля массой 10 g, выпущенная горизонтально, попадает в деревянный брусок массой 2 kg, подвешенный на лёгких нитях, и застревает в нём. Брусок отклоняется и поднимается на 5 cm выше начального положения. Примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v пули до удара.
m = 10 gM = 2 kgh = 5 cmg = 9,81 m/s²
v = m/s
10.Импульс и столкновенияСложная
Автомобиль массой 1500 kg врезается в припаркованный автомобиль массой 1700 kg. Сцепившиеся автомобили скользят 10,5 m до остановки. Коэффициент трения скольжения между шинами и дорогой равен 0,8. Примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v1 первого автомобиля непосредственно перед столкновением.
Вертикальный прямоугольный затвор шириной 3 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 3 m находится в стенке резервуара с жидкостью (морская вода), его верхний край на 1,5 m ниже поверхности. Найдите глубину ycp центра давления под поверхностью.
Вода с расходом 24 L/s течёт по горизонтальной трубе, сужающейся с 200 mm до 150 mm. Давление в узком сечении равно 170 kPa. Пренебрегая потерями, найдите давление p1 в широком сечении.
Сопло фонтана направлено вертикально вверх. Непосредственно под соплом подводящая труба имеет диаметр 100 mm и избыточное давление 140 kPa. Выходной диаметр сопла 20 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 625 °C и холодным при 10 °C. Найдите наибольший возможный термический КПД ηmax.
TH = 625 °CTL = 10 °C
ηmax = %
18.Тепловые машины и холодильникиСложная
Холодильник поддерживает в холодной камере -18 °C на кухне при 32 °C, отводя из камеры теплоту 2 kW. Найдите минимальную необходимую мощность Ẇmin.
TH = 32 °CTL = -18 °CQ̇L = 2 kW
Ẇmin = kW
19.Волны, звук и оптикаСредняя
Малый громкоговоритель излучает звуковую мощность 0,1 W одинаково во все стороны. Найдите уровень интенсивности звука β на расстоянии 8 m.
P = 0,1 Wr = 8 mI0 = 10⁻¹² W/m²
β = dB
20.Волны, звук и оптикаСложная
Предмет находится в 5 cm перед выпуклым зеркалом с радиусом кривизны 40 cm. Найдите увеличение m (отрицательное для перевёрнутого изображения).
do = 5 cmR = 40 cm
m =
3Растворы
1.Кинематика
Ответ: s = 111,1 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 = 120/3,6 = 33,33 m/s
Тормозной путь
0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 33,33²/(2·5) = 111,1 m
Ответ
s = 111,1 m
2.Кинематика
Ответ: hmax = 31,27 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.
Подъём над крышей
0 = v₀² − 2·g·Δh → Δh = 5²/(2·9,81) = 1,274 m
Высота над землёй
hmax = 30 + 1,274 = 31,27 m
Ответ
hmax = 31,27 m
3.Законы Ньютона
Ответ: F = 85,54 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 плоскости
Постоянная скорость: силы уравновешены.
F = m·g·sin θ + μ·m·g·cos θ
Толкающая сила
F = 67,1 + 18,44 = 85,54 N
Ответ
F = 85,54 N
4.Законы Ньютона
Ответ: a = 0,6792 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 = 18·cos 45° = 12,73 m/s
vy = v0·sin θ = 18·sin 45° = 12,73 m/s
Время полёта
Старт и приземление на одной высоте: t = 2vy/g.
t = 2·12,73/9,81 = 2,595 s
Горизонтальное расстояние
x = vx·t = 12,73·2,595 = 33,03 m
Ответ
x = 33,03 m
6.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: x = 117,8 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 = 30·cos 40° = 22,98 m/s
vy = v0·sin θ = 30·sin 40° = 19,28 m/s
Время полёта
Решите y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0 и возьмите положительный корень.
0 = 30 + 19,28·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (19,28 + √(371,9 + 588,6))/9,81 = 5,125 s
Горизонтальное расстояние
x = vx·t = 22,98·5,125 = 117,8 m
Ответ
x = 117,8 m
7.Работа и энергия
Ответ: Wf = 381,7 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 = 98,1·0,8192 = 80,36 N
F = μN = 0,25·80,36 = 20,09 N
Работа против трения
Wf = F·d = 20,09·19 = 381,7 J
Ответ
Wf = 381,7 J
8.Работа и энергия
Ответ: d = 0,4503 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 = 8 cm = 0,08 m
½kx² = ½·2000·0,08² = 6,4 J
Энергетический баланс вдоль плоскости
m·g = 3·9,81 = 29,43 N
½kx² = mg·d·(sin θ + μ·cos θ)
d = 6,4/(29,43·(0,342 + 0,15·0,9397)) = 0,4503 m
Ответ
d = 0,4503 m
9.Импульс и столкновения
Ответ: v = 199,1 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.
Отклонение после удара
V = √(2·g·h) = √(2·9,81·0,05) = 0,9905 m/s
Столкновение
m·v = (m + M)·V → v = (0,01 + 2)·0,9905/0,01 = 199,1 m/s
Ответ
v = 199,1 m/s
10.Импульс и столкновения
Ответ: v1 = 27,39 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.
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.
Скорость на выходе
β = 20/100 = 0,2
v2 = √(2p1/(ρ(1 − β⁴))) = √(2·140000/(1000·0,9984)) = 16,75 m/s
Высота струи
Уравнение Бернулли вдоль струи: в верхней точке скорость равна нулю, а давление снова атмосферное.
H = v2²/(2g) = 16,75²/(2·9,81) = 14,29 m
Ответ
H = 14,29 m
15.Уравнение состояния идеального газа
Ответ: V = 56,03 L
Уравнение состояния идеального газа: PV = nRT, где n = m/M.
Моли
n = 500/28,01 = 17,85 mol
T = 10 + 273,15 = 283,1 K
Объём
V = nRT/P = 17,85·8,314·283,1/750 = 56,03 L
Ответ
V = 56,03 L
16.Уравнение состояния идеального газа
Ответ: ρ = 6,648 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 = 800·32/(8,314·463,1) = 6,648 kg/m³
Ответ
ρ = 6,648 kg/m³
17.Тепловые машины и холодильники
Ответ: ηmax = 68,47 %
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 = 625 + 273,15 = 898,1 K
TL = 10 + 273,15 = 283,1 K
КПД Карно
ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 283,1/898,1 = 68,47 %
Ответ
ηmax = 68,47 %
18.Тепловые машины и холодильники
Ответ: Ẇmin = 0,3919 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 = 2/5,103 = 0,3919 kW
Ответ
Ẇmin = 0,3919 kW
19.Волны, звук и оптика
Ответ: β = 80,95 dB
Волны: периодическая волна проходит одну длину волны за один период, поэтому v = fλ при T = 1/f. На натянутой струне v = √(T/μ), где T — сила натяжения, а μ = m/L — масса на метр. Звук в воздухе распространяется со скоростью около 343 m/s при 20 °C, свет в вакууме — со скоростью c = 3,00 × 10⁸ m/s. Громкость измеряется в логарифмическом масштабе: β = 10·log₁₀(I/I₀) dB, где I₀ = 10⁻¹² W/m², поэтому десятикратная интенсивность добавляет 10 dB. Точечный источник распределяет мощность P по сфере: I = P/(4πr²).
Интенсивность
I = P/(4πr²) = 0,0001243 W/m²
Уровень
β = 10·log₁₀(0,0001243/10⁻¹²) = 80,95 dB
Ответ
β = 80,95 dB
20.Волны, звук и оптика
Ответ: m = 0,8
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.