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 50 km/h, тормозит с постоянным замедлением 3 m/s² до полной остановки. Сколько длится торможение? Найдите t.
v₀ = 50 km/ha = −3 m/s²v = 0
t = s
2.КинематикаСложная
Мяч бросают вертикально вверх со скоростью 17 m/s с края крыши на высоте 30 m над землёй. Сопротивлением воздуха пренебречь, g = 9,81 m/s². Найдите наибольшую высоту hmax над землёй.
v₀ = 17 m/sh₀ = 30 mg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Законы НьютонаСредняя
Брусок массой 11 kg скользит вниз по гладкой наклонной плоскости под углом 35° к горизонту. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a бруска вдоль плоскости.
m = 11 kgθ = 35°μ = 0g = 9,81 m/s²
a = m/s²
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 0,25. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T нити.
m1 = 7,5 kgm2 = 5 kgμ = 0,25g = 9,81 m/s²
T = N
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
Мяч бросают с горизонтальной поверхности под углом 30° к горизонту, и он падает на расстоянии 25 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите начальную скорость v0.
θ = 30°R = 25 mg = 9,81 m/s²
v0 = m/s
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
Мяч бросают под углом 20° к горизонту с вершины скалы высотой 5 m. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите горизонтальное расстояние x, которое мяч пролетает до удара о землю.
v0 = 21 m/sθ = 20°h = 5 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Работа и энергияСредняя
Шарик массой 10 kg висит на лёгкой нити длиной 0,5 m. Его отводят в сторону, пока нить не составит 45° с вертикалью, и отпускают без начальной скорости. Найдите силу натяжения T нити в момент прохождения шариком нижней точки.
m = 10 kgL = 0,5 mθ = 45°g = 9,81 m/s²
T = N
8.Работа и энергияСложная
Брусок массой 1 kg отпускают без начальной скорости на высоте 1,5 m на гладкой рампе. Внизу он пересекает шероховатую горизонтальную полосу длиной 2 m (μ = 0,25), а затем наезжает на пружину (k = 4000 N/m) на гладкой поверхности. Найдите скорость v бруска, когда он достигает пружины.
m = 1 kgh = 1,5 mL = 2 mμ = 0,25k = 4000 N/mg = 9,81 m/s²
v = m/s
9.Импульс и столкновенияСредняя
Пуля массой 10 g, выпущенная горизонтально, попадает в деревянный брусок массой 1,5 kg, подвешенный на лёгких нитях, и застревает в нём. Брусок отклоняется и поднимается на 7 cm выше начального положения. Примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v пули до удара.
m = 10 gM = 1,5 kgh = 7 cmg = 9,81 m/s²
v = m/s
10.Импульс и столкновенияСложная
Мяч массой 0,15 kg ударяется о стену со скоростью 19 m/s и отскакивает прямо назад со скоростью 7 m/s. Контакт длится 25 ms. Найдите среднюю силу Favg, с которой стена действует на мяч.
m = 0,15 kgvin = 19 m/svout = 7 m/sΔt = 25 ms
Favg = N
11.Гидростатическое давлениеСредняя
Вертикальный прямоугольный затвор шириной 1 m находится в стенке резервуара с жидкостью (вода), его верхний край на 2 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 1,5 m ниже поверхности. Найдите равнодействующую силу гидростатического давления F на затвор.
Вода течёт по горизонтальной трубе, которая сужается с 100 mm до 50 mm. В широкой части давление 140 kPa, а скорость 0,75 m/s. Пренебрегая потерями, найдите давление p2 в узкой части.
В закрытом резервуаре над водой находится сжатый воздух с избыточным давлением 80 kPa. Вода вытекает в атмосферу через отверстие диаметром 40 mm, расположенное на 3 m ниже поверхности воды. Пренебрегая потерями, найдите скорость струи v. Примите g = 9,81 m/s².
Тепловая машина работает между горячим резервуаром при 325 °C и холодным при 15 °C. Она получает 2400 kJ теплоты. Найдите наибольшую работу Wmax, которую она могла бы совершить.
TH = 325 °CTL = 15 °CQH = 2400 kJ
Wmax = kJ
18.Тепловые машины и холодильникиСложная
Тепловой насос поддерживает в доме 21 °C, когда на улице 7 °C, и подаёт в дом 7 kW теплоты. Найдите минимальную необходимую мощность Ẇmin.
TH = 21 °CTL = 7 °CQ̇H = 7 kW
Ẇmin = kW
19.Волны, звук и оптикаСредняя
Предмет высотой 1,5 cm находится в 4 cm перед тонкой собирающей линзой с фокусным расстоянием 25 cm. Найдите высоту изображения hi (отрицательную для перевёрнутого изображения).
ho = 1,5 cmdo = 4 cmf = 25 cm
hi = cm
20.Волны, звук и оптикаСложная
Две тонкие линзы имеют общую ось и находятся на расстоянии 40 cm друг от друга: линза 1 с f₁ = 15 cm и линза 2 с f₂ = −15 cm. Предмет находится в 18 cm перед линзой 1. Найдите положение di2 итогового изображения, отсчитываемое от линзы 2 (положительное за линзой 2, действительное — положительное).
f1 = 15 cmf2 = −15 cms = 40 cmdo = 18 cm
di2 = cm
3Растворы
1.Кинематика
Ответ: t = 4,63 s
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 = 50/3,6 = 13,89 m/s
Время торможения
0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 13,89/3 = 4,63 s
Ответ
t = 4,63 s
2.Кинематика
Ответ: hmax = 44,73 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.
Подъём над крышей
0 = v₀² − 2·g·Δh → Δh = 17²/(2·9,81) = 14,73 m
Высота над землёй
hmax = 30 + 14,73 = 44,73 m
Ответ
hmax = 44,73 m
3.Законы Ньютона
Ответ: a = 5,627 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) = √(9,81·25/sin 60°) = 16,83 m/s
Ответ
v0 = 16,83 m/s
6.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: x = 39,06 m
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 = 21·cos 20° = 19,73 m/s
vy = v0·sin θ = 21·sin 20° = 7,182 m/s
Время полёта
Решите y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0 и возьмите положительный корень.
0 = 5 + 7,182·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (7,182 + √(51,59 + 98,1))/9,81 = 1,979 s
Горизонтальное расстояние
x = vx·t = 19,73·1,979 = 39,06 m
Ответ
x = 39,06 m
7.Работа и энергия
Ответ: T = 155,6 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 нижней точке
v² = 2gL(1 − cos θ) = 2·9,81·0,5·(1 − cos 45°) = 2,873 m²/s²
Силы в нижней точке
m·g = 10·9,81 = 98,1 N
T = mg + mv²/L = 98,1 + 10·2,873/0,5 = 155,6 N
Ответ
T = 155,6 N
Проверка: T = mg(3 − 2cos θ) = 155,6 N.
8.Работа и энергия
Ответ: v = 4,429 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).
Энергия после шероховатой полосы
Рампа гладкая, поэтому энергию забирает только полоса.
mgh − μmgL = 9,81·(1,5 − 0,25·2) = 9,81 J
Скорость у пружины
½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9,81·1) = 4,429 m/s
Ответ
v = 4,429 m/s
9.Импульс и столкновения
Ответ: v = 177 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.
Отклонение после удара
V = √(2·g·h) = √(2·9,81·0,07) = 1,172 m/s
Столкновение
m·v = (m + M)·V → v = (0,01 + 1,5)·1,172/0,01 = 177 m/s
Ответ
v = 177 m/s
10.Импульс и столкновения
Ответ: Favg = 156 N
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 = 0,15·(7 + 19) = 3,9 N·s
Средняя сила
Favg = J/Δt = 3,9/0,025 = 156 N
Ответ
Favg = 156 N
11.Гидростатическое давление
Ответ: F = 40,47 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 + 1,5/2 = 2,75 m
A = H·b = 1,5·1 = 1,5 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·2,75·1,5 = 40,47 kN
Ответ
F = 40,47 kN
12.Гидростатическое давление
Ответ: F = 84,98 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 = 1,5 + 2,5/2 = 2,75 m
A = H·b = 2,5·1 = 2,5 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 1260·9,81·2,75·2,5 = 84,98 kN
Ответ
F = 84,98 kN
13.Неразрывность и Бернулли
Ответ: p2 = 135,8 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.
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 от поверхности до струи
v = √(2·(80000/1000 + 9,81·3)) = 14,79 m/s
Ответ
v = 14,79 m/s
15.Уравнение состояния идеального газа
Ответ: V = 11,61 L
Уравнение состояния идеального газа: PV = nRT, где n = m/M.
Моли
n = 90/44,01 = 2,045 mol
T = 0 + 273,15 = 273,1 K
Объём
V = nRT/P = 2,045·8,314·273,1/400 = 11,61 L
Ответ
V = 11,61 L
16.Уравнение состояния идеального газа
Ответ: V2 = 3,664 L
Объединённый газовый закон: для постоянного количества идеального газа P1V1/T1 = P2V2/T2.
Абсолютные температуры
T1 = 283,1 K, T2 = 363,1 K
Объединённый газовый закон
V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 10·(200/700)·(363,1/283,1) = 3,664 L
Ответ
V2 = 3,664 L
17.Тепловые машины и холодильники
Ответ: Wmax = 1244 kJ
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 = 325 + 273,15 = 598,1 K
TL = 15 + 273,15 = 288,1 K
КПД Карно
ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 288,1/598,1 = 51,83 %
Наибольшая работа
Wmax = ηmax·QH = 0,5183·2400 = 1244 kJ
Ответ
Wmax = 1244 kJ
18.Тепловые машины и холодильники
Ответ: Ẇmin = 0,3332 kW
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.
Меньше всего работы нужно обратимой машине, у которой наибольший COP.
Ẇmin = Q̇H/COP = 7/21,01 = 0,3332 kW
Ответ
Ẇmin = 0,3332 kW
19.Волны, звук и оптика
Ответ: hi = 1,786 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 = 1/25 − 1/4
di = −4,762 cm
Увеличение и высота
m = −(−4,762)/4 = 1,19
hi = 1,19·1,5 = 1,786 cm
Ответ
hi = 1,786 cm
20.Волны, звук и оптика
Ответ: di2 = −21,43 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.