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 100 km/h, тормозит с постоянным замедлением 6 m/s² до полной остановки. Найдите тормозной путь s.
v₀ = 100 km/ha = −6 m/s²v = 0
s = m
2.КинематикаСложная
Мяч бросают вертикально вверх со скоростью 10 m/s с края крыши на высоте 40 m над землёй. Сопротивлением воздуха пренебречь, g = 9,81 m/s². Найдите наибольшую высоту hmax над землёй.
v₀ = 10 m/sh₀ = 40 mg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Законы НьютонаСредняя
Брусок массой 12 kg скользит вниз по наклонной плоскости под углом 40° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,3. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a бруска вдоль плоскости.
m = 12 kgθ = 40°μ = 0,3g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
Брусок массой 1,5 kg на горизонтальном столе соединён лёгкой нитью, перекинутой через блок без трения, с подвешенным грузом массой 1,5 kg. Коэффициент трения скольжения между бруском и столом 0,3. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T нити.
m1 = 1,5 kgm2 = 1,5 kgμ = 0,3g = 9,81 m/s²
T = N
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
Мяч бросают под углом 45° к горизонту с ровной поверхности. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите наибольшую высоту H, которой достигает мяч.
v0 = 36 m/sθ = 45°g = 9,81 m/s²
H = m
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
Мяч бросают со скоростью 12 m/s под углом 45° к горизонту с вершины обрыва высотой 45 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Под каким углом α к горизонту (ниже горизонта) он ударяется о землю?
v₀ = 12 m/sθ = 45°h = 45 mg = 9,81 m/s²
α = °
7.Работа и энергияСредняя
Игрушечная пусковая установка имеет вертикальную пружину жёсткостью 400 N/m. На неё кладут мяч массой 0,2 kg, сжимают пружину на 5 cm и отпускают. Пренебрегая сопротивлением воздуха и массой пружины, найдите высоту h, на которую поднимется мяч, отсчитывая от его положения при сжатой пружине.
m = 0,2 kgk = 400 N/mx = 5 cmg = 9,81 m/s²
h = m
8.Работа и энергияСложная
Тележку массой 2 kg отпускают без начальной скорости на высоте 11,3 m на гладкой трассе, переходящей в вертикальную «мёртвую петлю» радиусом 2,5 m. Найдите скорость v тележки в верхней точке петли.
m = 2 kgh = 11,3 mR = 2,5 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
9.Импульс и столкновенияСредняя
Тележка массой 1 kg, движущаяся со скоростью 10 m/s, испытывает абсолютно упругий центральный удар с покоящейся тележкой массой 4,5 kg на дорожке без трения. Найдите скорость v′1 первой тележки после столкновения (положительную в направлении её первоначального движения).
m1 = 1 kgm2 = 4,5 kgv1 = 10 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
10.Импульс и столкновенияСложная
Мяч массой 0,4 kg ударяется о стену со скоростью 16 m/s и отскакивает прямо назад со скоростью 13 m/s. Контакт длится 40 ms. Найдите среднюю силу Favg, с которой стена действует на мяч.
m = 0,4 kgvin = 16 m/svout = 13 m/sΔt = 40 ms
Favg = N
11.Гидростатическое давлениеСредняя
Вертикальный прямоугольный затвор шириной 2 m находится в стенке резервуара с жидкостью (вода), его верхний край на 4 m ниже поверхности. Найдите равнодействующую силу гидростатического давления F на затвор.
d = 4 mH = 2 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 (глицерин), его верхний край на 2,5 m ниже поверхности. Найдите глубину ycp центра давления под поверхностью.
Вода течёт через горизонтальный расходомер Вентури с входным диаметром 100 mm и диаметром горловины 60 mm. Давление на входе на 59 kPa выше, чем в горловине. Пренебрегая потерями, найдите расход Q.
Сопло фонтана направлено вертикально вверх. Непосредственно под соплом подводящая труба имеет диаметр 100 mm и избыточное давление 50 kPa. Выходной диаметр сопла 40 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.
Обратимый холодильник поддерживает в холодильной камере -10 °C, отводя 5 kW теплоты, и отдаёт теплоту окружающей среде при 20 °C. Найдите тепловой поток Q̇H, который он отдаёт.
TL = -10 °CTH = 20 °CQ̇L = 5 kW
Q̇H = kW
18.Тепловые машины и холодильникиСложная
Тепловая машина за цикл получает 3300 kJ теплоты от резервуара при 750 °C, совершает 1881 kJ работы, а остаток отдаёт резервуару при 20 °C. Найдите суммарную генерацию энтропии Sgen за цикл.
TH = 750 °CTL = 20 °CQH = 3300 kJW = 1881 kJ
Sgen = kJ/K
19.Волны, звук и оптикаСредняя
Предмет находится в 6 cm перед тонкой рассеивающей линзой с фокусным расстоянием 10 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 = 6 cmf = −10 cm
di = cm
20.Волны, звук и оптикаСложная
Предмет находится в 8 cm перед выпуклым зеркалом с радиусом кривизны 20 cm. Найдите расстояние до изображения di: положительное для изображения перед зеркалом (действительного) и отрицательное для изображения за ним (мнимого).
do = 8 cmR = 20 cm
di = cm
3Растворы
1.Кинематика
Ответ: s = 64,3 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 = 100/3,6 = 27,78 m/s
Тормозной путь
0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 27,78²/(2·6) = 64,3 m
Ответ
s = 64,3 m
2.Кинематика
Ответ: hmax = 45,1 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.
Подъём над крышей
0 = v₀² − 2·g·Δh → Δh = 10²/(2·9,81) = 5,097 m
Высота над землёй
hmax = 40 + 5,097 = 45,1 m
Ответ
hmax = 45,1 m
3.Законы Ньютона
Ответ: a = 4,051 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.
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 = 36·cos 45° = 25,46 m/s
vy = v0·sin θ = 36·sin 45° = 25,46 m/s
Высшая точка
В верхней точке вертикальная скорость равна нулю: vy² = 2gH.
H = vy²/(2g) = 25,46²/(2·9,81) = 33,03 m
Ответ
H = 33,03 m
6.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: α = 74,65 °
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.
Разложите начальную скорость
vx = 12·cos 45° = 8,485 m/s
vy0 = 12·sin 45° = 8,485 m/s
Вертикальная скорость при ударе
Закон сохранения энергии или v² = v₀² + 2as по вертикали.
vy = √(8,485² + 2·9,81·45) = 30,9 m/s
Угол падения
tan α = vy/vx = 30,9/8,485 → α = 74,65°
Ответ
α = 74,65°
7.Работа и энергия
Ответ: h = 0,2548 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 = 5 cm = 0,05 m
½kx² = ½·400·0,05² = 0,5 J
Высота
m·g = 0,2·9,81 = 1,962 N
h = ½kx²/(mg) = 0,5/1,962 = 0,2548 m
Ответ
h = 0,2548 m
8.Работа и энергия
Ответ: v = 11,12 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). При движении по окружности равнодействующая, направленная к центру, должна быть равна mv²/r.
Скорость в верхней точке
v² = 2g(h − 2R) = 2·9,81·(11,3 − 5) = 123,6 m²/s²
v = 11,12 m/s
Ответ
v = 11,12 m/s
Тележка едва проходит петлю при h = 2,5R; тогда в верхней точке N = 0.
9.Импульс и столкновения
Ответ: v′1 = −6,364 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 = (1 − 4,5)/(1 + 4,5)·10 = −6,364 m/s
v′2 = 2·1/(1 + 4,5)·10 = 3,636 m/s
Ответ
v′1 = −6,364 m/s
Знак минус означает, что первая тележка отскакивает назад.
10.Импульс и столкновения
Ответ: Favg = 290 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 = 0,4·(13 + 16) = 11,6 N·s
Средняя сила
Favg = J/Δt = 11,6/0,04 = 290 N
Ответ
Favg = 290 N
11.Гидростатическое давление
Ответ: F = 196,2 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 = 4 + 2/2 = 5 m
A = H·b = 2·2 = 4 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·5·4 = 196,2 kN
Ответ
F = 196,2 kN
12.Гидростатическое давление
Ответ: ycp = 4,188 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 + 3/2 = 4 m
A = H·b = 3·2 = 6 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 1260·9,81·4·6 = 296,7 kN
Центр давления
Давление растёт с глубиной, поэтому равнодействующая приложена ниже центра тяжести.
Ic = b·H³/12 = 2·3³/12 = 4,5 m⁴
ycp = yc + Ic/(yc·A) = 4 + 4,5/(4·6) = 4,188 m
Ответ
ycp = 4,188 m
13.Неразрывность и Бернулли
Ответ: Q = 32,92 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.
Неразрывность
v1 = v2·(60/100)² = 0,36·v2
Уравнение Бернулли между входом и горловиной
Труба горизонтальна, поэтому меняются только давление и скорость.
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 = 40/100 = 0,4
v2 = √(2p1/(ρ(1 − β⁴))) = √(2·50000/(1000·0,9744)) = 10,13 m/s
Высота струи
Уравнение Бернулли вдоль струи: в верхней точке скорость равна нулю, а давление снова атмосферное.
H = v2²/(2g) = 10,13²/(2·9,81) = 5,231 m
Ответ
H = 5,231 m
15.Уравнение состояния идеального газа
Ответ: V = 3,831 L
Уравнение состояния идеального газа: PV = nRT, где n = m/M.
Моли
n = 20/39,95 = 0,5006 mol
T = 95 + 273,15 = 368,1 K
Объём
V = nRT/P = 0,5006·8,314·368,1/400 = 3,831 L
Ответ
V = 3,831 L
16.Уравнение состояния идеального газа
Ответ: V2 = 11,83 L
Объединённый газовый закон: для постоянного количества идеального газа P1V1/T1 = P2V2/T2.
Абсолютные температуры
T1 = 303,1 K, T2 = 493,1 K
Объединённый газовый закон
V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 10·(400/550)·(493,1/303,1) = 11,83 L
Ответ
V2 = 11,83 L
17.Тепловые машины и холодильники
Ответ: Q̇H = 5,57 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 = 20 + 273,15 = 293,1 K
TL = -10 + 273,15 = 263,1 K
Отношение теплот для обратимого цикла
Q̇H = Q̇L·TH/TL = 5·293,1/263,1 = 5,57 kW
Ответ
Q̇H = 5,57 kW
Потребляемая мощность: Ẇ = 0,57 kW.
18.Тепловые машины и холодильники
Ответ: Sgen = 1,615 kJ/K
Генерация энтропии: за полный цикл энтропия рабочего тела в итоге не меняется. Горячий резервуар теряет QH/TH, а холодный получает QL/TL. Их сумма — это генерируемая энтропия, равная нулю для обратимого цикла и положительная для любого реального.
Отводимая теплота
QL = QH − W = 3300 − 1881 = 1419 kJ
Абсолютные температуры
TH = 750 + 273,15 = 1023 K
TL = 20 + 273,15 = 293,1 K
Изменения энтропии резервуаров
ΔSH = −3300/1023 = −3,225 kJ/K
ΔSL = 1419/293,1 = 4,841 kJ/K
Sgen = 4,841 − 3,225 = 1,615 kJ/K
Ответ
Sgen = 1,615 kJ/K
Sgen > 0, поэтому машина возможна, но необратима.
19.Волны, звук и оптика
Ответ: di = −3,75 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/(−10) − 1/6
di = −3,75 cm
Ход лучей
мнимое, по ту же сторону, что и предмет
Ответ
di = −3,75 cm
20.Волны, звук и оптика
Ответ: di = −4,444 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.