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, превышающий скорость, движется с постоянной скоростью 21 m/s и проезжает мимо стоящего полицейского автомобиля. В этот момент полицейский автомобиль трогается и равноускоренно разгоняется с ускорением 5,5 m/s². Через сколько времени полицейский автомобиль догонит нарушителя? Найдите t.
vcar = 21 m/sapolice = 5,5 m/s²v0,police = 0
t = s
2.КинематикаСложная
Трамвай трогается с места и разгоняется с ускорением 1,5 m/s² в течение 9 s, затем движется с постоянной скоростью 12 s и, наконец, тормозит с замедлением 3 m/s² до остановки. Найдите полный путь s между двумя остановками.
a1 = 1,5 m/s²t1 = 9 st2 = 12 sa3 = −3 m/s²
s = m
3.Законы НьютонаСредняя
Брусок массой 17 kg скользит вниз по гладкой наклонной плоскости под углом 40° к горизонту. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a бруска вдоль плоскости.
m = 17 kgθ = 40°μ = 0g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
Брусок массой 5,5 kg на горизонтальном столе соединён лёгкой нитью, перекинутой через блок без трения, с подвешенным грузом массой 4,5 kg. Трения о стол нет. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T нити.
m1 = 5,5 kgm2 = 4,5 kgμ = 0g = 9,81 m/s²
T = N
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
Мяч бросают под углом 65° к горизонту с ровной поверхности. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите время полёта t до удара мяча о землю.
v0 = 38 m/sθ = 65°g = 9,81 m/s²
t = s
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
Мяч бросают под углом 45° к горизонту с вершины скалы высотой 20 m. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите время полёта t до удара мяча о землю.
v0 = 11 m/sθ = 45°h = 20 mg = 9,81 m/s²
t = s
7.Работа и энергияСредняя
Брусок без начальной скорости скользит по наклонной плоскости под углом 20° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,2. Найдите его скорость v после того, как он проскользит 13 m вдоль плоскости.
θ = 20°μ = 0,2d = 13 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
8.Работа и энергияСложная
Брусок массой 2 kg лежит на шероховатом горизонтальном столе (μ = 0,4). От него лёгкая нить идёт через гладкий блок на краю стола к висящему грузу массой 4 kg. Систему отпускают из состояния покоя. Найдите скорость v грузов после того, как висящий груз опустится на 0,5 m.
m1 = 2 kgm2 = 4 kgμ = 0,4d = 0,5 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
9.Импульс и столкновенияСредняя
Тележка массой 1 kg, движущаяся со скоростью 8 m/s, испытывает абсолютно упругий центральный удар с покоящейся тележкой массой 4,5 kg на дорожке без трения. Найдите скорость v′2 второй тележки после столкновения.
m1 = 1 kgm2 = 4,5 kgv1 = 8 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
10.Импульс и столкновенияСложная
Автомобиль массой 1200 kg врезается в припаркованный автомобиль массой 1100 kg. Сцепившиеся автомобили скользят 16 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 1 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 = 1 mb = 1 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
12.Гидростатическое давлениеСложная
Вертикальный прямоугольный затвор шириной 3 m находится в стенке резервуара с жидкостью (глицерин), его верхний край на 4 m ниже поверхности. Найдите равнодействующую силу гидростатического давления F на затвор.
d = 4 mH = 3 mb = 3 mρ = 1260 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
13.Неразрывность и БернуллиСредняя
Вода течёт по горизонтальной трубе, которая сужается с 75 mm до 40 mm. В широкой части давление 130 kPa, а скорость 2 m/s. Пренебрегая потерями, найдите давление p2 в узкой части.
Вода поднимается по трубе, которая сужается с 75 mm до 40 mm и поднимается на 2 m. В сечении 1 давление 340 kPa, а скорость 0,5 m/s. Пренебрегая потерями, найдите давление p2 в сечении 2.
Тепловая машина работает между горячим резервуаром при 800 °C и холодным при 30 °C. Найдите наибольший возможный термический КПД ηmax.
TH = 800 °CTL = 30 °C
ηmax = %
18.Тепловые машины и холодильникиСложная
Две машины Карно работают последовательно. Машина A получает теплоту от резервуара при 850 °C и отдаёт теплоту промежуточному резервуару при температуре Tm. Машина B забирает всю эту теплоту и отдаёт теплоту резервуару при 25 °C. Обе машины имеют одинаковый термический КПД. Найдите Tm в °C.
TH = 850 °CTL = 25 °C
Tm = °C
19.Волны, звук и оптикаСредняя
Предмет высотой 3 cm находится в 8 cm перед тонкой рассеивающей линзой с фокусным расстоянием 10 cm. Найдите высоту изображения hi (отрицательную для перевёрнутого изображения).
ho = 3 cmdo = 8 cmf = −10 cm
hi = cm
20.Волны, звук и оптикаСложная
Предмет находится в 15 cm перед вогнутым зеркалом с радиусом кривизны 40 cm. Найдите расстояние до изображения di: положительное для изображения перед зеркалом (действительного) и отрицательное для изображения за ним (мнимого).
do = 15 cmR = 40 cm
di = cm
3Растворы
1.Кинематика
Ответ: t = 7,636 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.
Равные пути
v·t = ½·a·t² → t = 2v/a = 2·21/5,5 = 7,636 s
Ответ
t = 7,636 s
В этот момент полицейский автомобиль движется со скоростью 2v = 42 m/s.
2.Кинематика
Ответ: s = 253,1 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.
Наибольшая скорость
v = a1·t1 = 1,5·9 = 13,5 m/s
Путь на каждом этапе
s1 = ½·1,5·9² = 60,75 m
s2 = 13,5·12 = 162 m
s3 = 13,5²/(2·3) = 30,38 m
Полный путь
s = 60,75 + 162 + 30,38 = 253,1 m
Ответ
s = 253,1 m
3.Законы Ньютона
Ответ: a = 6,306 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 = 38·cos 65° = 16,06 m/s
vy = v0·sin θ = 38·sin 65° = 34,44 m/s
Время полёта
Старт и приземление на одной высоте: t = 2vy/g.
t = 2·34,44/9,81 = 7,021 s
Ответ
t = 7,021 s
6.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: t = 2,962 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 = 11·cos 45° = 7,778 m/s
vy = v0·sin θ = 11·sin 45° = 7,778 m/s
Время полёта
Решите y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0 и возьмите положительный корень.
0 = 20 + 7,778·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (7,778 + √(60,5 + 392,4))/9,81 = 2,962 s
Ответ
t = 2,962 s
7.Работа и энергия
Ответ: v = 6,269 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 = √(2·9,81·13·(0,342 − 0,2·0,9397)) = 6,269 m/s
Ответ
v = 6,269 m/s
8.Работа и энергия
Ответ: v = 2,287 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).
Выделившаяся и потерянная энергия
m₂g·d = 39,24·0,5 = 19,62 J
μ·m₁g·d = 0,4·19,62·0,5 = 3,924 J
Кинетическая энергия обоих грузов
½(m₁ + m₂)v² = 15,7 → v = √(2·15,7/6) = 2,287 m/s
Ответ
v = 2,287 m/s
9.Импульс и столкновения
Ответ: v′2 = 2,909 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)·8 = −5,091 m/s
v′2 = 2·1/(1 + 4,5)·8 = 2,909 m/s
Ответ
v′2 = 2,909 m/s
10.Импульс и столкновения
Ответ: v1 = 30,37 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 = 4 + 1/2 = 4,5 m
A = H·b = 1·1 = 1 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·4,5·1 = 44,15 kN
Ответ
F = 44,15 kN
12.Гидростатическое давление
Ответ: F = 611,8 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 + 3/2 = 5,5 m
A = H·b = 3·3 = 9 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 1260·9,81·5,5·9 = 611,8 kN
Ответ
F = 611,8 kN
13.Неразрывность и Бернулли
Ответ: p2 = 107,3 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 = 190/44,01 = 4,317 mol
T = 70 + 273,15 = 343,1 K
Давление
P = nRT/V = 4,317·8,314·343,1/0,005 = 2463 kPa
Ответ
P = 2463 kPa
16.Уравнение состояния идеального газа
Ответ: V2 = 8,194 L
Объединённый газовый закон: для постоянного количества идеального газа P1V1/T1 = P2V2/T2.
Абсолютные температуры
T1 = 293,1 K, T2 = 343,1 K
Объединённый газовый закон
V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 2·(350/100)·(343,1/293,1) = 8,194 L
Ответ
V2 = 8,194 L
17.Тепловые машины и холодильники
Ответ: ηmax = 71,75 %
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 = 800 + 273,15 = 1073 K
TL = 30 + 273,15 = 303,1 K
КПД Карно
ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 303,1/1073 = 71,75 %
Ответ
ηmax = 71,75 %
18.Тепловые машины и холодильники
Ответ: Tm = 305,5 °C
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 = 850 + 273,15 = 1123 K
TL = 25 + 273,15 = 298,1 K
Равные КПД
1 − Tm/TH = 1 − TL/Tm даёт Tm² = TH·TL.
Tm = √(1123·298,1) = 578,7 K = 305,5 °C
Ответ
Tm = 305,5 °C
19.Волны, звук и оптика
Ответ: hi = 1,667 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) − 1/8
di = −4,444 cm
Увеличение и высота
m = −(−4,444)/8 = 0,5556
hi = 0,5556·3 = 1,667 cm
Ответ
hi = 1,667 cm
20.Волны, звук и оптика
Ответ: di = −60 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.