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 24 m/s и проезжает мимо стоящего полицейского автомобиля. В этот момент полицейский автомобиль трогается и равноускоренно разгоняется с ускорением 4 m/s². Через сколько времени полицейский автомобиль догонит нарушителя? Найдите t.
vcar = 24 m/sapolice = 4 m/s²v0,police = 0
t = s
2.КинематикаСложная
Модель ракеты запускают вертикально вверх из состояния покоя. Двигатель сообщает ей постоянное ускорение 28 m/s², направленное вверх, в течение 3 s, после чего двигатель выключается и ракета движется свободно. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите наибольшую высоту hmax, которой достигает ракета.
a = 28 m/s²t1 = 3 sg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Законы НьютонаСредняя
Брусок массой 5 kg скользит вниз по наклонной плоскости под углом 40° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,15. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a бруска вдоль плоскости.
m = 5 kgθ = 40°μ = 0,15g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
Два бруска на горизонтальном полу связаны лёгкой горизонтальной нитью. Горизонтальная сила 60 N тянет передний брусок массой 12 kg; брусок массой 3 kg тащится сзади. Коэффициент трения скольжения для обоих брусков равен 0,1. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a брусков.
m1 = 3 kgm2 = 12 kgF = 60 Nμ = 0,1g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
Мяч бросают под углом 30° к горизонту с ровной поверхности. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите горизонтальное расстояние x, которое мяч пролетает до удара о землю.
v0 = 40 m/sθ = 30°g = 9,81 m/s²
x = m
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
Мяч бросают под углом 40° к горизонту с вершины скалы высотой 25 m. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите время полёта t до удара мяча о землю.
v0 = 16 m/sθ = 40°h = 25 mg = 9,81 m/s²
t = s
7.Работа и энергияСредняя
Брусок без начальной скорости скользит по наклонной плоскости под углом 35° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,1. Найдите его скорость v после того, как он проскользит 2 m вдоль плоскости.
θ = 35°μ = 0,1d = 2 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
8.Работа и энергияСложная
Брусок массой 2,5 kg отпускают без начальной скорости на высоте 3 m на гладкой рампе. Внизу он пересекает шероховатую горизонтальную полосу длиной 4 m (μ = 0,3), а затем наезжает на пружину (k = 1000 N/m) на гладкой поверхности. Найдите наибольшее сжатие x пружины.
m = 2,5 kgh = 3 mL = 4 mμ = 0,3k = 1000 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
9.Импульс и столкновенияСредняя
Тележка массой 4 kg, движущаяся со скоростью 3 m/s, испытывает абсолютно упругий центральный удар с покоящейся тележкой массой 3,5 kg на дорожке без трения. Найдите скорость v′1 первой тележки после столкновения (положительную в направлении её первоначального движения).
m1 = 4 kgm2 = 3,5 kgv1 = 3 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
10.Импульс и столкновенияСложная
Мяч массой 0,3 kg ударяется о стену со скоростью 13 m/s и отскакивает прямо назад со скоростью 10 m/s. Контакт длится 25 ms. Найдите модуль импульса силы J, который стена сообщает мячу.
m = 0,3 kgvin = 13 m/svout = 10 m/sΔt = 25 ms
J = N·s
11.Гидростатическое давлениеСредняя
Вертикальный прямоугольный затвор шириной 1,5 m находится в стенке резервуара с жидкостью (вода), его верхний край на 0,5 m ниже поверхности. Найдите равнодействующую силу гидростатического давления F на затвор.
Вертикальный прямоугольный затвор шириной 1,5 m находится в стенке резервуара с жидкостью (масло), его верхний край на 4 m ниже поверхности. Найдите равнодействующую силу гидростатического давления F на затвор.
d = 4 mH = 2 mb = 1,5 mρ = 880 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
13.Неразрывность и БернуллиСредняя
Вода течёт по горизонтальной трубе, которая сужается с 100 mm до 50 mm. В широкой части давление 260 kPa, а скорость 2,5 m/s. Пренебрегая потерями, найдите давление p2 в узкой части.
Вода поднимается по трубе, которая сужается с 75 mm до 50 mm и поднимается на 1 m. В сечении 1 давление 290 kPa, а скорость 3 m/s. Пренебрегая потерями, найдите давление p2 в сечении 2.
Тепловая машина работает между горячим резервуаром при 700 °C и холодным при 10 °C. Найдите наибольший возможный термический КПД ηmax.
TH = 700 °CTL = 10 °C
ηmax = %
18.Тепловые машины и холодильникиСложная
Тепловая машина за цикл получает 3600 kJ теплоты от резервуара при 550 °C, совершает 1404 kJ работы, а остаток отдаёт резервуару при 15 °C. Найдите суммарную генерацию энтропии Sgen за цикл.
TH = 550 °CTL = 15 °CQH = 3600 kJW = 1404 kJ
Sgen = kJ/K
19.Волны, звук и оптикаСредняя
Предмет находится в 25 cm перед тонкой рассеивающей линзой с фокусным расстоянием 5 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 = 25 cmf = −5 cm
di = cm
20.Волны, звук и оптикаСложная
Предмет находится в 6 cm перед выпуклым зеркалом с радиусом кривизны 16 cm. Найдите расстояние до изображения di: положительное для изображения перед зеркалом (действительного) и отрицательное для изображения за ним (мнимого).
do = 6 cmR = 16 cm
di = cm
3Растворы
1.Кинематика
Ответ: t = 12 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 = 2·24/4 = 12 s
Ответ
t = 12 s
В этот момент полицейский автомобиль движется со скоростью 2v = 48 m/s.
2.Кинематика
Ответ: hmax = 485,6 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.
Активный участок
v₁ = 28·3 = 84 m/s
h₁ = ½·28·3² = 126 m
Свободный полёт вверх
В наивысшей точке скорость равна нулю.
Δh = v₁²/(2g) = 84²/(2·9,81) = 359,6 m
hmax = 126 + 359,6 = 485,6 m
Ответ
hmax = 485,6 m
3.Законы Ньютона
Ответ: a = 5,179 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.
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.
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 = 40·cos 30° = 34,64 m/s
vy = v0·sin θ = 40·sin 30° = 20 m/s
Время полёта
Старт и приземление на одной высоте: t = 2vy/g.
t = 2·20/9,81 = 4,077 s
Горизонтальное расстояние
x = vx·t = 34,64·4,077 = 141,2 m
Ответ
x = 141,2 m
6.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: t = 3,538 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 = 16·cos 40° = 12,26 m/s
vy = v0·sin θ = 16·sin 40° = 10,28 m/s
Время полёта
Решите y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0 и возьмите положительный корень.
0 = 25 + 10,28·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (10,28 + √(105,8 + 490,5))/9,81 = 3,538 s
Ответ
t = 3,538 s
7.Работа и энергия
Ответ: v = 4,392 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 = √(2·9,81·2·(0,5736 − 0,1·0,8192)) = 4,392 m/s
Ответ
v = 4,392 m/s
8.Работа и энергия
Ответ: x = 29,71 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 = 24,53·(3 − 0,3·4) = 44,15 J
Наибольшее сжатие
½kx² = 44,15 → x = √(2·44,15/1000) = 0,2971 m = 29,71 cm
Ответ
x = 29,71 cm
9.Импульс и столкновения
Ответ: v′1 = 0,2 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 = (4 − 3,5)/(4 + 3,5)·3 = 0,2 m/s
v′2 = 2·4/(4 + 3,5)·3 = 3,2 m/s
Ответ
v′1 = 0,2 m/s
10.Импульс и столкновения
Ответ: J = 6,9 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 = 0,3·(10 + 13) = 6,9 N·s
Ответ
J = 6,9 N·s
11.Гидростатическое давление
Ответ: F = 64,38 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 = 0,5 + 2,5/2 = 1,75 m
A = H·b = 2,5·1,5 = 3,75 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·1,75·3,75 = 64,38 kN
Ответ
F = 64,38 kN
12.Гидростатическое давление
Ответ: F = 129,5 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 = 2·1,5 = 3 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 880·9,81·5·3 = 129,5 kN
Ответ
F = 129,5 kN
13.Неразрывность и Бернулли
Ответ: p2 = 213,1 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 = 370/39,95 = 9,262 mol
T = 0 + 273,15 = 273,1 K
Давление
P = nRT/V = 9,262·8,314·273,1/0,02 = 1052 kPa
Ответ
P = 1052 kPa
16.Уравнение состояния идеального газа
Ответ: ρ = 2,568 kg/m³
Плотность идеального газа: ρ = PM/(RT).
Преобразуйте газовый закон
PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 140 + 273,15 = 413,1 K
Плотность
ρ = 550·16,04/(8,314·413,1) = 2,568 kg/m³
Ответ
ρ = 2,568 kg/m³
17.Тепловые машины и холодильники
Ответ: ηmax = 70,9 %
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 = 700 + 273,15 = 973,1 K
TL = 10 + 273,15 = 283,1 K
КПД Карно
ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 283,1/973,1 = 70,9 %
Ответ
ηmax = 70,9 %
18.Тепловые машины и холодильники
Ответ: Sgen = 3,248 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 = 3600 − 1404 = 2196 kJ
Абсолютные температуры
TH = 550 + 273,15 = 823,1 K
TL = 15 + 273,15 = 288,1 K
Изменения энтропии резервуаров
ΔSH = −3600/823,1 = −4,373 kJ/K
ΔSL = 2196/288,1 = 7,621 kJ/K
Sgen = 7,621 − 4,373 = 3,248 kJ/K
Ответ
Sgen = 3,248 kJ/K
Sgen > 0, поэтому машина возможна, но необратима.
19.Волны, звук и оптика
Ответ: di = −4,167 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) − 1/25
di = −4,167 cm
Ход лучей
мнимое, по ту же сторону, что и предмет
Ответ
di = −4,167 cm
20.Волны, звук и оптика
Ответ: di = −3,429 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.