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 16 m/s и проезжает мимо стоящего полицейского автомобиля. В этот момент полицейский автомобиль трогается и равноускоренно разгоняется с ускорением 5 m/s². На каком расстоянии от места старта полицейский автомобиль догонит нарушителя? Найдите d.
vcar = 16 m/sapolice = 5 m/s²v0,police = 0
d = m
2.КинематикаСложная
Трамвай трогается с места и разгоняется с ускорением 1 m/s² в течение 7 s, затем движется с постоянной скоростью 26 s и, наконец, тормозит с замедлением 2 m/s² до остановки. Найдите полный путь s между двумя остановками.
a1 = 1 m/s²t1 = 7 st2 = 26 sa3 = −2 m/s²
s = m
3.Законы НьютонаСредняя
Санки массой 40 kg тянут по горизонтальному снегу верёвкой под углом 20° к горизонту с силой 120 N. Коэффициент трения скольжения равен 0,2. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a санок.
m = 40 kgF = 120 Nθ = 20°μ = 0,2g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
Два бруска на горизонтальном полу связаны лёгкой горизонтальной нитью. Горизонтальная сила 120 N тянет передний брусок массой 2 kg; брусок массой 5 kg тащится сзади. Коэффициент трения скольжения для обоих брусков равен 0,2. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T соединительной нити.
m1 = 5 kgm2 = 2 kgF = 120 Nμ = 0,2g = 9,81 m/s²
T = N
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
Мяч бросают с горизонтальной поверхности со скоростью 40 m/s, и он должен упасть на расстоянии 140 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите меньший из двух возможных углов броска θ.
v₀ = 40 m/sR = 140 mg = 9,81 m/s²
θ = °
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
Мяч бросают со скоростью 19 m/s под углом 55° к горизонту с вершины обрыва высотой 35 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите наибольшую высоту H над землёй у подножия обрыва.
v₀ = 19 m/sθ = 55°h = 35 mg = 9,81 m/s²
H = m
7.Работа и энергияСредняя
Брусок без начальной скорости скользит по наклонной плоскости под углом 25° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,1. Найдите его скорость v после того, как он проскользит 12 m вдоль плоскости.
θ = 25°μ = 0,1d = 12 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
8.Работа и энергияСложная
Брусок массой 8 kg начинает движение из состояния покоя у основания наклонной плоскости 20° и тянется вверх по ней постоянной силой 70 N, параллельной плоскости. Коэффициент трения скольжения равен 0,1. Найдите скорость v бруска после того, как он переместится на 2 m вверх по плоскости.
Тележка массой 5 kg, движущаяся со скоростью 10 m/s, испытывает абсолютно упругий центральный удар с покоящейся тележкой массой 1,5 kg на дорожке без трения. Найдите скорость v′2 второй тележки после столкновения.
m1 = 5 kgm2 = 1,5 kgv1 = 10 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
10.Импульс и столкновенияСложная
Мяч массой 0,2 kg ударяется о стену со скоростью 21 m/s и отскакивает прямо назад со скоростью 20 m/s. Контакт длится 25 ms. Найдите модуль импульса силы J, который стена сообщает мячу.
m = 0,2 kgvin = 21 m/svout = 20 m/sΔt = 25 ms
J = N·s
11.Гидростатическое давлениеСредняя
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.
Вертикальный прямоугольный затвор шириной 3 m находится в стенке резервуара с жидкостью (масло), его верхний край на 2,5 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 380 kPa, а скорость 1,5 m/s. Пренебрегая потерями, найдите давление p2 в узкой части.
Шланг с внутренним диаметром 25 mm работает как сифон, отбирая воду из открытого резервуара. Наивысшая точка C шланга находится на 1,5 m выше поверхности воды, а выход (открытый в атмосферу) — на 2,5 m ниже поверхности воды. Пренебрегите потерями и примите g = 9,81 m/s². Найдите расход Q.
d = 25 mmzC = +1,5 mz2 = −2,5 mg = 9,81 m/s²
Q = L/s
15.Уравнение состояния идеального газаСредняя
Какой объём V занимает 280 g газа (Ar) при 750 kPa и 30 °C? Считайте газ идеальным.
Обратимая тепловая машина (машина Карно) за цикл получает 3900 kJ теплоты от резервуара при 725 °C и отдаёт 1302 kJ. Найдите температуру TL холодного резервуара в °C.
TH = 725 °CQH = 3900 kJQL = 1302 kJ
TL = °C
18.Тепловые машины и холодильникиСложная
Тепловая машина за цикл получает 4700 kJ теплоты от резервуара при 400 °C, совершает 2162 kJ работы, а остаток отдаёт резервуару при 15 °C. Найдите суммарную генерацию энтропии Sgen за цикл.
TH = 400 °CTL = 15 °CQH = 4700 kJW = 2162 kJ
Sgen = kJ/K
19.Волны, звук и оптикаСредняя
Предмет высотой 2 cm находится в 6 cm перед тонкой рассеивающей линзой с фокусным расстоянием 12 cm. Найдите высоту изображения hi (отрицательную для перевёрнутого изображения).
ho = 2 cmdo = 6 cmf = −12 cm
hi = cm
20.Волны, звук и оптикаСложная
Свет с длиной волны 532 nm падает под прямым углом на решётку с 200 штрихами на миллиметр. Найдите угол θ2 максимума порядка 2.
N = 200 mm⁻¹λ = 532 nmm = 2
θ2 = °
3Растворы
1.Кинематика
Ответ: d = 102,4 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.
Равные пути
v·t = ½·a·t² → t = 2v/a = 2·16/5 = 6,4 s
Путь
d = v·t = 16·6,4 = 102,4 m
Ответ
d = 102,4 m
В этот момент полицейский автомобиль движется со скоростью 2v = 32 m/s.
2.Кинематика
Ответ: s = 218,8 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 = 1·7 = 7 m/s
Путь на каждом этапе
s1 = ½·1·7² = 24,5 m
s2 = 7·26 = 182 m
s3 = 7²/(2·2) = 12,25 m
Полный путь
s = 24,5 + 182 + 12,25 = 218,8 m
Ответ
s = 218,8 m
3.Законы Ньютона
Ответ: a = 1,062 m/s²
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.
Сила нормальной реакции
N = m·g − F·sin θ = 392,4 − 120·sin 20° = 351,4 N
Горизонтальные силы
m·a = F·cos θ − μ·N = 112,8 − 70,27
a = 42,49/40 = 1,062 m/s²
Ответ
a = 1,062 m/s²
4.Законы Ньютона
Ответ: T = 85,71 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.
При одинаковом μ для обоих брусков трение выпадает: T = F·m₁/(m₁ + m₂).
5.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: θ = 29,57 °
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.
Формула дальности
R = v₀²·sin 2θ/g → sin 2θ = 9,81·140/40² = 0,8584
Угол
2θ = 59,13° → θ = 29,57°
Ответ
θ = 29,57°
Второе решение: 90° − θ = 60,43°.
6.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: H = 47,35 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.
Вертикальная начальная скорость
vy = 19·sin 55° = 15,56 m/s
Подъём над обрывом
Δh = vy²/(2g) = 15,56²/(2·9,81) = 12,35 m
Высота над землёй
H = 35 + 12,35 = 47,35 m
Ответ
H = 47,35 m
7.Работа и энергия
Ответ: v = 8,841 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 = √(2·9,81·12·(0,4226 − 0,1·0,9063)) = 8,841 m/s
Ответ
v = 8,841 m/s
8.Работа и энергия
Ответ: v = 4,23 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 = 8·9,81 = 78,48 N
mg·sin θ = 26,84 N
μ·mg·cos θ = 7,375 N
Работа и энергия
½mv² = (70 − 34,22)·2 = 71,57 J
v = √(2·71,57/8) = 4,23 m/s
Ответ
v = 4,23 m/s
9.Импульс и столкновения
Ответ: v′2 = 15,38 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 = (5 − 1,5)/(5 + 1,5)·10 = 5,385 m/s
v′2 = 2·5/(5 + 1,5)·10 = 15,38 m/s
Ответ
v′2 = 15,38 m/s
10.Импульс и столкновения
Ответ: J = 8,2 N·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.
Изменение импульса
J = m·Δv = 0,2·(20 + 21) = 8,2 N·s
Ответ
J = 8,2 N·s
11.Гидростатическое давление
Ответ: F = 128,8 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 + 2,5/2 = 5,25 m
A = H·b = 2,5·1 = 2,5 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·5,25·2,5 = 128,8 kN
Ответ
F = 128,8 kN
12.Гидростатическое давление
Ответ: F = 126,3 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 = 2,5 + 1,5/2 = 3,25 m
A = H·b = 1,5·3 = 4,5 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 880·9,81·3,25·4,5 = 126,3 kN
Ответ
F = 126,3 kN
13.Неразрывность и Бернулли
Ответ: p2 = 290 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.
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 в шланге
Поверхность и выход открыты в атмосферу, поэтому члены с давлением сокращаются.
Уравнение состояния идеального газа: PV = nRT, где n = m/M.
Моли
n = 280/39,95 = 7,009 mol
T = 30 + 273,15 = 303,1 K
Объём
V = nRT/P = 7,009·8,314·303,1/750 = 23,55 L
Ответ
V = 23,55 L
16.Уравнение состояния идеального газа
Ответ: ρ = 1,194 kg/m³
Плотность идеального газа: ρ = PM/(RT).
Преобразуйте газовый закон
PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 150 + 273,15 = 423,1 K
Плотность
ρ = 150·28,01/(8,314·423,1) = 1,194 kg/m³
Ответ
ρ = 1,194 kg/m³
17.Тепловые машины и холодильники
Ответ: TL = 60,08 °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.
Абсолютная температура источника
TH = 725 + 273,15 = 998,1 K
Отношение теплот для обратимого цикла
TL = TH·QL/QH = 998,1·1302/3900 = 333,2 K = 60,08 °C
Ответ
TL = 60,08 °C
18.Тепловые машины и холодильники
Ответ: Sgen = 1,826 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 = 4700 − 2162 = 2538 kJ
Абсолютные температуры
TH = 400 + 273,15 = 673,1 K
TL = 15 + 273,15 = 288,1 K
Изменения энтропии резервуаров
ΔSH = −4700/673,1 = −6,982 kJ/K
ΔSL = 2538/288,1 = 8,808 kJ/K
Sgen = 8,808 − 6,982 = 1,826 kJ/K
Ответ
Sgen = 1,826 kJ/K
Sgen > 0, поэтому машина возможна, но необратима.
19.Волны, звук и оптика
Ответ: hi = 1,333 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/(−12) − 1/6
di = −4 cm
Увеличение и высота
m = −(−4)/6 = 0,6667
hi = 0,6667·2 = 1,333 cm
Ответ
hi = 1,333 cm
20.Волны, звук и оптика
Ответ: θ2 = 12,29 °
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, …