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 90 km/h, тормозит с постоянным замедлением 5,5 m/s² до полной остановки. Найдите тормозной путь s.
v₀ = 90 km/ha = −5,5 m/s²v = 0
s = m
2.КинематикаСложная
Камень без начальной скорости падает в колодец. Всплеск слышен через 1,7 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 = 1,7 svsound = 343 m/sg = 9,81 m/s²
d = m
3.Законы НьютонаСредняя
Ящик скользит по горизонтальному полу с начальной скоростью 4 m/s и останавливается через 4,1 m. Примите g = 9,81 m/s². Найдите коэффициент трения скольжения μ.
v₀ = 4 m/sd = 4,1 mg = 9,81 m/s²
μ =
4.Законы НьютонаСложная
Брусок массой 7,5 kg на горизонтальном столе соединён лёгкой нитью, перекинутой через блок без трения, с подвешенным грузом массой 5 kg. Коэффициент трения скольжения между бруском и столом 0,3. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a системы.
m1 = 7,5 kgm2 = 5 kgμ = 0,3g = 9,81 m/s²
a = m/s²
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 = 22 m/sθ = 45°g = 9,81 m/s²
H = m
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
Мяч бросают под углом 55° к горизонту с вершины скалы высотой 60 m. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите время полёта t до удара мяча о землю.
v0 = 15 m/sθ = 55°h = 60 mg = 9,81 m/s²
t = s
7.Работа и энергияСредняя
Автомобиль массой 800 kg въезжает на подъём 3° с постоянной скоростью 54 km/h. Сопротивление воздуха и сопротивление качению вместе составляют 800 N. Найдите мощность P, которую должны развивать колёса, в kW.
Тележку массой 10 kg отпускают без начальной скорости на высоте 7,5 m на гладкой трассе, переходящей в вертикальную «мёртвую петлю» радиусом 2,5 m. Найдите силу нормальной реакции N, с которой трасса действует на тележку в верхней точке петли.
m = 10 kgh = 7,5 mR = 2,5 mg = 9,81 m/s²
N = N
9.Импульс и столкновенияСредняя
Снаряд массой 15 kg, движущийся горизонтально со скоростью 36 m/s, разрывается на два осколка, движущихся вдоль той же прямой. Осколок массой 3 kg продолжает движение вперёд со скоростью 81 m/s. Найдите скорость v′2 осколка массой 12 kg (положительна в исходном направлении).
M = 15 kgu = 36 m/sm1 = 3 kgv′1 = 81 m/sm2 = 12 kg
v′2 = m/s
10.Импульс и столкновенияСложная
Мяч массой 0,2 kg ударяется о стену со скоростью 26 m/s и отскакивает прямо назад со скоростью 15 m/s. Контакт длится 25 ms. Найдите модуль импульса силы J, который стена сообщает мячу.
m = 0,2 kgvin = 26 m/svout = 15 m/sΔt = 25 ms
J = N·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.
Вертикальный прямоугольный затвор шириной 1 m находится в стенке резервуара с жидкостью (глицерин), его верхний край на 1 m ниже поверхности. Найдите равнодействующую силу гидростатического давления F на затвор.
Трубка Пито — Прандтля в аэродинамической трубе показывает разность 250 Pa между давлением торможения и статическим давлением. Плотность воздуха 1,2 kg/m³. Найдите скорость воздуха v.
p0 − p = 250 Paρ = 1,2 kg/m³
v = m/s
14.Неразрывность и БернуллиСложная
Шланг с внутренним диаметром 32 mm работает как сифон, отбирая воду из открытого резервуара. Наивысшая точка C шланга находится на 1 m выше поверхности воды, а выход (открытый в атмосферу) — на 4,5 m ниже поверхности воды. Пренебрегите потерями и примите g = 9,81 m/s². Найдите абсолютное давление pC в точке C. Атмосферное давление равно 101,3 kPa.
Обратимый холодильник поддерживает в холодильной камере -30 °C, отводя 3,5 kW теплоты, и отдаёт теплоту окружающей среде при 35 °C. Найдите тепловой поток Q̇H, который он отдаёт.
TL = -30 °CTH = 35 °CQ̇L = 3,5 kW
Q̇H = kW
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 25 °C. Обе машины имеют одинаковый термический КПД. Найдите Tm в °C.
TH = 1000 °CTL = 25 °C
Tm = °C
19.Волны, звук и оптикаСредняя
Предмет высотой 1 cm находится в 12 cm перед тонкой собирающей линзой с фокусным расстоянием 15 cm. Найдите высоту изображения hi (отрицательную для перевёрнутого изображения).
ho = 1 cmdo = 12 cmf = 15 cm
hi = cm
20.Волны, звук и оптикаСложная
Предмет находится в 30 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 = 30 cmR = 16 cm
di = cm
3Растворы
1.Кинематика
Ответ: s = 56,82 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 = 90/3,6 = 25 m/s
Тормозной путь
0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 25²/(2·5,5) = 56,82 m
Ответ
s = 56,82 m
2.Кинематика
Ответ: d = 13,53 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·(1,7 − t₁)
4,905·t₁² + 343·t₁ − 583,1 = 0
Время падения
Физический смысл имеет только положительный корень.
t₁ = (−343 + √(343² + 4·4,905·583,1))/(2·4,905) = 1,661 s
Глубина
d = ½·9,81·1,661² = 13,53 m
Ответ
d = 13,53 m
3.Законы Ньютона
Ответ: μ = 0,1989
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.
Замедление
a = v₀²/(2d) = 4²/(2·4,1) = 1,951 m/s²
Коэффициент трения
μ·m·g = m·a → μ = a/g = 1,951/9,81 = 0,1989
Ответ
μ = 0,1989
4.Законы Ньютона
Ответ: a = 2,158 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.
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 = 22·cos 45° = 15,56 m/s
vy = v0·sin θ = 22·sin 45° = 15,56 m/s
Высшая точка
В верхней точке вертикальная скорость равна нулю: vy² = 2gH.
H = vy²/(2g) = 15,56²/(2·9,81) = 12,33 m
Ответ
H = 12,33 m
6.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: t = 4,968 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 = 15·cos 55° = 8,604 m/s
vy = v0·sin θ = 15·sin 55° = 12,29 m/s
Время полёта
Решите y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0 и возьмите положительный корень.
0 = 60 + 12,29·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (12,29 + √(151 + 1177))/9,81 = 4,968 s
Ответ
t = 4,968 s
7.Работа и энергия
Ответ: P = 18,16 kW
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). Мощность — это сила, умноженная на скорость: P = F·v.
Сила тяги
m·g = 800·9,81 = 7848 N
mg·sin θ = 7848·sin 3° = 410,7 N
F = 410,7 + 800 = 1211 N
Мощность
v = 54/3,6 = 15 m/s
P = F·v = 1211·15 = 18161 W = 18,16 kW
Ответ
P = 18,16 kW
8.Работа и энергия
Ответ: N = 98,1 N
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·(7,5 − 5) = 49,05 m²/s²
Силы в верхней точке
m·g = 10·9,81 = 98,1 N
N = mv²/R − mg = 10·49,05/2,5 − 98,1 = 98,1 N
Ответ
N = 98,1 N
Тележка едва проходит петлю при h = 2,5R; тогда в верхней точке N = 0.
9.Импульс и столкновения
Ответ: v′2 = 24,75 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.
Импульс до удара
p = M·u = 15·36 = 540 kg·m/s
Импульс после удара
540 = 3·81 + 12·v′2
v′2 = (540 − 243)/12 = 24,75 m/s
Ответ
v′2 = 24,75 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·(15 + 26) = 8,2 N·s
Ответ
J = 8,2 N·s
11.Гидростатическое давление
Ответ: F = 77,25 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 = 1 + 1,5/2 = 1,75 m
A = H·b = 1,5·3 = 4,5 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·1,75·4,5 = 77,25 kN
Ответ
F = 77,25 kN
12.Гидростатическое давление
Ответ: F = 69,53 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 = 1 + 2,5/2 = 2,25 m
A = H·b = 2,5·1 = 2,5 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 1260·9,81·2,25·2,5 = 69,53 kN
Ответ
F = 69,53 kN
13.Неразрывность и Бернулли
Ответ: v = 20,41 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 = √(2·250/1,2) = 20,41 m/s
Ответ
v = 20,41 m/s
14.Неразрывность и Бернулли
Ответ: pC = 47,34 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.
Если это давление упадёт до давления насыщенных паров воды, сифон перестанет работать.
15.Уравнение состояния идеального газа
Ответ: V = 29,97 L
Уравнение состояния идеального газа: PV = nRT, где n = m/M.
Моли
n = 190/39,95 = 4,756 mol
T = 30 + 273,15 = 303,1 K
Объём
V = nRT/P = 4,756·8,314·303,1/400 = 29,97 L
Ответ
V = 29,97 L
16.Уравнение состояния идеального газа
Ответ: V2 = 1,233 L
Объединённый газовый закон: для постоянного количества идеального газа P1V1/T1 = P2V2/T2.
Абсолютные температуры
T1 = 288,1 K, T2 = 333,1 K
Объединённый газовый закон
V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 2·(400/750)·(333,1/288,1) = 1,233 L
Ответ
V2 = 1,233 L
17.Тепловые машины и холодильники
Ответ: Q̇H = 4,436 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 = 35 + 273,15 = 308,1 K
TL = -30 + 273,15 = 243,1 K
Отношение теплот для обратимого цикла
Q̇H = Q̇L·TH/TL = 3,5·308,1/243,1 = 4,436 kW
Ответ
Q̇H = 4,436 kW
Потребляемая мощность: Ẇ = 0,9356 kW.
18.Тепловые машины и холодильники
Ответ: Tm = 343 °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 = 25 + 273,15 = 298,1 K
Равные КПД
1 − Tm/TH = 1 − TL/Tm даёт Tm² = TH·TL.
Tm = √(1273·298,1) = 616,1 K = 343 °C
Ответ
Tm = 343 °C
19.Волны, звук и оптика
Ответ: hi = 5 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 = 1/15 − 1/12
di = −60 cm
Увеличение и высота
m = −(−60)/12 = 5
hi = 5·1 = 5 cm
Ответ
hi = 5 cm
20.Волны, звук и оптика
Ответ: di = −6,316 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.