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 19 m/s и проезжает мимо стоящего полицейского автомобиля. В этот момент полицейский автомобиль трогается и равноускоренно разгоняется с ускорением 6 m/s². Через сколько времени полицейский автомобиль догонит нарушителя? Найдите t.
vcar = 19 m/sapolice = 6 m/s²v0,police = 0
t = s
2.КинематикаСложная
Камень без начальной скорости падает в колодец. Всплеск слышен через 1,5 s после того, как камень отпустили. Скорость звука 343 m/s; пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите глубину d колодца.
ttotal = 1,5 svsound = 343 m/sg = 9,81 m/s²
d = 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 4 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 0,2. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a системы.
m1 = 4 kgm2 = 1,5 kgμ = 0,2g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
Мяч бросают с горизонтальной поверхности под углом 65° к горизонту, и он падает на расстоянии 110 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите начальную скорость v0.
θ = 65°R = 110 mg = 9,81 m/s²
v0 = m/s
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
Мяч бросают с уровня земли со скоростью 33 m/s под углом 60° к горизонту. Он падает на плоскую крышу здания высотой 17 m, уже опускаясь. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите горизонтальное расстояние x от точки броска до места падения.
v₀ = 33 m/sθ = 60°hroof = 17 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Работа и энергияСредняя
Брусок массой 0,5 kg скользит 18 m по наклонной плоскости под углом 20° к горизонту с коэффициентом трения скольжения 0,15. Найдите работу Wf против силы трения.
m = 0,5 kgθ = 20°μ = 0,15d = 18 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
8.Работа и энергияСложная
Брусок массой 4 kg отпускают без начальной скорости на высоте 4,5 m на гладкой рампе. Внизу он пересекает шероховатую горизонтальную полосу длиной 1 m (μ = 0,2), а затем наезжает на пружину (k = 1500 N/m) на гладкой поверхности. Найдите наибольшее сжатие x пружины.
m = 4 kgh = 4,5 mL = 1 mμ = 0,2k = 1500 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
9.Импульс и столкновенияСредняя
Тележка массой 3,5 kg, движущаяся со скоростью 6 m/s, испытывает абсолютно упругий центральный удар с покоящейся тележкой массой 3 kg на дорожке без трения. Найдите скорость v′2 второй тележки после столкновения.
m1 = 3,5 kgm2 = 3 kgv1 = 6 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
10.Импульс и столкновенияСложная
На перекрёстке автомобиль массой 1900 kg, едущий на восток со скоростью 22 m/s, сталкивается с автомобилем массой 1600 kg, едущим на север со скоростью 21 m/s. Автомобили сцепляются. Найдите скорость v′ обломков сразу после столкновения.
m1 = 1900 kgv1 = 22 m/s (E)m2 = 1600 kgv2 = 21 m/s (N)
v′ = m/s
11.Гидростатическое давлениеСредняя
Вертикальный прямоугольный затвор шириной 3 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 = 2 mb = 3 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 (вода), его верхний край на 0,5 m ниже поверхности. Найдите глубину ycp центра давления под поверхностью.
Трубка Пито — Прандтля в водопроводной трубе показывает разность 25 kPa между давлением торможения и статическим давлением. Найдите скорость воды v у носика трубки.
p0 − p = 25 kPaρ = 1000 kg/m³
v = m/s
14.Неразрывность и БернуллиСложная
Вода поднимается по трубе, которая сужается с 150 mm до 75 mm и поднимается на 9 m. В сечении 1 давление 360 kPa, а скорость 0,5 m/s. Пренебрегая потерями, найдите давление p2 в сечении 2.
Тепловая машина работает между горячим резервуаром при 400 °C и холодным при 30 °C. Найдите наибольший возможный термический КПД ηmax.
TH = 400 °CTL = 30 °C
ηmax = %
18.Тепловые машины и холодильникиСложная
Две машины Карно работают последовательно. Машина A получает теплоту от резервуара при 1000 °C и отдаёт теплоту промежуточному резервуару при температуре Tm. Машина B забирает всю эту теплоту и отдаёт теплоту резервуару при 35 °C. Обе машины имеют одинаковый термический КПД. Найдите Tm в °C.
TH = 1000 °CTL = 35 °C
Tm = °C
19.Волны, звук и оптикаСредняя
Предмет высотой 1 cm находится в 60 cm перед тонкой собирающей линзой с фокусным расстоянием 5 cm. Найдите высоту изображения hi (отрицательную для перевёрнутого изображения).
ho = 1 cmdo = 60 cmf = 5 cm
hi = cm
20.Волны, звук и оптикаСложная
У оптического волокна сердцевина с n₁ = 1,62 и оболочка с n₂ = 1,52. 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 = 1,62n2 = 1,52n0 = 1,00
θa = °
3Растворы
1.Кинематика
Ответ: t = 6,333 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 = 2·19/6 = 6,333 s
Ответ
t = 6,333 s
В этот момент полицейский автомобиль движется со скоростью 2v = 38 m/s.
2.Кинематика
Ответ: d = 10,59 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.
Две части времени
½·9,81·t₁² = 343·(1,5 − t₁)
4,905·t₁² + 343·t₁ − 514,5 = 0
Время падения
Физический смысл имеет только положительный корень.
t₁ = (−343 + √(343² + 4·4,905·514,5))/(2·4,905) = 1,469 s
Глубина
d = ½·9,81·1,469² = 10,59 m
Ответ
d = 10,59 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.
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.
Выражаем v₀ из формулы дальности
v₀ = √(g·R/sin 2θ) = √(9,81·110/sin 130°) = 37,53 m/s
Ответ
v0 = 37,53 m/s
6.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: x = 85,04 m
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 = 16,5 m/s, vy = 28,58 m/s
Время до падения на крышу
Больший корень: мяч опускается.
17 = 28,58·t − 4,905·t²
t = (28,58 + √(28,58² − 2·9,81·17))/9,81 = 5,154 s
Горизонтальное расстояние
x = vx·t = 16,5·5,154 = 85,04 m
Ответ
x = 85,04 m
7.Работа и энергия
Ответ: Wf = 12,44 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 = 4,905·0,9397 = 4,609 N
F = μN = 0,15·4,609 = 0,6914 N
Работа против трения
Wf = F·d = 0,6914·18 = 12,44 J
Ответ
Wf = 12,44 J
8.Работа и энергия
Ответ: x = 47,43 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 = 39,24·(4,5 − 0,2·1) = 168,7 J
Наибольшее сжатие
½kx² = 168,7 → x = √(2·168,7/1500) = 0,4743 m = 47,43 cm
Ответ
x = 47,43 cm
9.Импульс и столкновения
Ответ: v′2 = 6,462 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 = (3,5 − 3)/(3,5 + 3)·6 = 0,4615 m/s
v′2 = 2·3,5/(3,5 + 3)·6 = 6,462 m/s
Ответ
v′2 = 6,462 m/s
10.Импульс и столкновения
Ответ: v′ = 15,32 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 = 1 + 2/2 = 2 m
A = H·b = 2·3 = 6 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·2·6 = 117,7 kN
Ответ
F = 117,7 kN
12.Гидростатическое давление
Ответ: ycp = 2,375 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 = 0,5 + 3/2 = 2 m
A = H·b = 3·2 = 6 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·2·6 = 117,7 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) = 2 + 4,5/(2·6) = 2,375 m
Ответ
ycp = 2,375 m
13.Неразрывность и Бернулли
Ответ: v = 7,071 m/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.
Уравнение Бернулли до точки торможения
У носика поток останавливается, поэтому его кинетическая энергия проявляется как дополнительное давление.
p0 − p = ½ρv²
v = √(2·25000/1000) = 7,071 m/s
Ответ
v = 7,071 m/s
14.Неразрывность и Бернулли
Ответ: p2 = 269,8 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 = 370/44,01 = 8,407 mol
T = 55 + 273,15 = 328,1 K
Давление
P = nRT/V = 8,407·8,314·328,1/0,03 = 764,6 kPa
Ответ
P = 764,6 kPa
16.Уравнение состояния идеального газа
Ответ: ρ = 0,2806 kg/m³
Плотность идеального газа: ρ = PM/(RT).
Преобразуйте газовый закон
PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 70 + 273,15 = 343,1 K
Плотность
ρ = 200·4,003/(8,314·343,1) = 0,2806 kg/m³
Ответ
ρ = 0,2806 kg/m³
17.Тепловые машины и холодильники
Ответ: ηmax = 54,97 %
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 = 400 + 273,15 = 673,1 K
TL = 30 + 273,15 = 303,1 K
КПД Карно
ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 303,1/673,1 = 54,97 %
Ответ
ηmax = 54,97 %
18.Тепловые машины и холодильники
Ответ: Tm = 353,2 °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 = 1000 + 273,15 = 1273 K
TL = 35 + 273,15 = 308,1 K
Равные КПД
1 − Tm/TH = 1 − TL/Tm даёт Tm² = TH·TL.
Tm = √(1273·308,1) = 626,4 K = 353,2 °C
Ответ
Tm = 353,2 °C
19.Волны, звук и оптика
Ответ: hi = −0,09091 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 = 1/5 − 1/60
di = 5,455 cm
Увеличение и высота
m = −5,455/60 = −0,09091
hi = −0,09091·1 = −0,09091 cm
Ответ
hi = −0,09091 cm
20.Волны, звук и оптика
Ответ: θa = 34,08 °
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.