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 72 km/h, тормозит с постоянным замедлением 6 m/s² до полной остановки. Сколько длится торможение? Найдите t.
v₀ = 72 km/ha = −6 m/s²v = 0
t = s
2.КинематикаСложная
Модель ракеты запускают вертикально вверх из состояния покоя. Двигатель сообщает ей постоянное ускорение 40 m/s², направленное вверх, в течение 1 s, после чего двигатель выключается и ракета движется свободно. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Через сколько времени после старта она упадёт на землю? Найдите t.
a = 40 m/s²t1 = 1 sg = 9,81 m/s²
t = s
3.Законы НьютонаСредняя
Ящик массой 5 kg толкают вверх по наклонной плоскости под углом 40° к горизонту с постоянной скоростью силой, параллельной плоскости. Коэффициент трения скольжения равен 0,25. Примите g = 9,81 m/s². Найдите толкающую силу F.
m = 5 kgθ = 40°μ = 0,25g = 9,81 m/s²
F = N
4.Законы НьютонаСложная
Два бруска на горизонтальном полу связаны лёгкой горизонтальной нитью. Горизонтальная сила 150 N тянет передний брусок массой 11 kg; брусок массой 12 kg тащится сзади. Коэффициент трения скольжения для обоих брусков равен 0,25. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T соединительной нити.
Мяч бросают с горизонтальной поверхности под углом 65° к горизонту, и он падает на расстоянии 35 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите начальную скорость v0.
θ = 65°R = 35 mg = 9,81 m/s²
v0 = m/s
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
Мяч бросают под углом 15° к горизонту с вершины скалы высотой 15 m. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите время полёта t до удара мяча о землю.
v0 = 30 m/sθ = 15°h = 15 mg = 9,81 m/s²
t = s
7.Работа и энергияСредняя
Брусок массой 2 kg скользит 16 m по наклонной плоскости под углом 30° к горизонту с коэффициентом трения скольжения 0,25. Найдите работу Wf против силы трения.
m = 2 kgθ = 30°μ = 0,25d = 16 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
8.Работа и энергияСложная
Брусок массой 1 kg отпускают без начальной скорости на высоте 1 m на гладкой рампе. Внизу он пересекает шероховатую горизонтальную полосу длиной 1,5 m (μ = 0,1), а затем наезжает на пружину (k = 800 N/m) на гладкой поверхности. Найдите наибольшее сжатие x пружины.
m = 1 kgh = 1 mL = 1,5 mμ = 0,1k = 800 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
9.Импульс и столкновенияСредняя
Снаряд массой 14 kg, движущийся горизонтально со скоростью 39 m/s, разрывается на два осколка, движущихся вдоль той же прямой. Осколок массой 8 kg продолжает движение вперёд со скоростью 46 m/s. Найдите скорость v′2 осколка массой 6 kg (положительна в исходном направлении).
M = 14 kgu = 39 m/sm1 = 8 kgv′1 = 46 m/sm2 = 6 kg
v′2 = m/s
10.Импульс и столкновенияСложная
Мяч массой 0,5 kg ударяется о стену со скоростью 8 m/s и отскакивает прямо назад со скоростью 19 m/s. Контакт длится 5 ms. Найдите среднюю силу Favg, с которой стена действует на мяч.
m = 0,5 kgvin = 8 m/svout = 19 m/sΔt = 5 ms
Favg = N
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.
d = 4 mH = 3 mb = 1 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
12.Гидростатическое давлениеСложная
Вертикальный прямоугольный затвор шириной 3 m находится в стенке резервуара с жидкостью (морская вода), его верхний край на 2 m ниже поверхности. Найдите глубину ycp центра давления под поверхностью.
d = 2 mH = 2 mb = 3 mρ = 1025 kg/m³g = 9,81 m/s²
ycp = m
13.Неразрывность и БернуллиСредняя
Вода течёт через горизонтальный расходомер Вентури с входным диаметром 100 mm и диаметром горловины 60 mm. Давление на входе на 6 kPa выше, чем в горловине. Пренебрегая потерями, найдите расход Q.
Вода поднимается по трубе, которая сужается с 150 mm до 75 mm и поднимается на 6 m. В сечении 1 давление 200 kPa, а скорость 0,75 m/s. Пренебрегая потерями, найдите давление p2 в сечении 2.
Тепловая машина работает между горячим резервуаром при 425 °C и холодным при 10 °C. Она получает 3800 kJ теплоты. Найдите наибольшую работу Wmax, которую она могла бы совершить.
TH = 425 °CTL = 10 °CQH = 3800 kJ
Wmax = kJ
18.Тепловые машины и холодильникиСложная
Холодильник поддерживает в холодной камере -10 °C на кухне при 28 °C, отводя из камеры теплоту 3 kW. Найдите наибольший возможный холодильный коэффициент COPmax.
TH = 28 °CTL = -10 °CQ̇L = 3 kW
COPmax =
19.Волны, звук и оптикаСредняя
Предмет находится в 30 cm перед тонкой собирающей линзой с фокусным расстоянием 15 cm. Найдите увеличение m (отрицательное для перевёрнутого изображения).
do = 30 cmf = 15 cm
m =
20.Волны, звук и оптикаСложная
Предмет находится в 4 cm перед вогнутым зеркалом с радиусом кривизны 30 cm. Найдите расстояние до изображения di: положительное для изображения перед зеркалом (действительного) и отрицательное для изображения за ним (мнимого).
do = 4 cmR = 30 cm
di = cm
3Растворы
1.Кинематика
Ответ: t = 3,333 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 = 72/3,6 = 20 m/s
Время торможения
0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 20/6 = 3,333 s
Ответ
t = 3,333 s
2.Кинематика
Ответ: t = 9,628 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.
Активный участок
v₁ = 40·1 = 40 m/s
h₁ = ½·40·1² = 20 m
Свободный полёт до земли
Решите −h₁ = v₁·t₂ − ½·g·t₂² и возьмите положительный корень.
t₂ = (40 + √(40² + 2·9,81·20))/9,81 = 8,628 s
t = 1 + 8,628 = 9,628 s
Ответ
t = 9,628 s
3.Законы Ньютона
Ответ: F = 40,92 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.
Силы вдоль плоскости
Постоянная скорость: силы уравновешены.
F = m·g·sin θ + μ·m·g·cos θ
Толкающая сила
F = 31,53 + 9,394 = 40,92 N
Ответ
F = 40,92 N
4.Законы Ньютона
Ответ: T = 78,26 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: v0 = 21,17 m/s
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) = √(9,81·35/sin 130°) = 21,17 m/s
Ответ
v0 = 21,17 m/s
6.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: t = 2,711 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 = 30·cos 15° = 28,98 m/s
vy = v0·sin θ = 30·sin 15° = 7,765 m/s
Время полёта
Решите y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0 и возьмите положительный корень.
0 = 15 + 7,765·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (7,765 + √(60,29 + 294,3))/9,81 = 2,711 s
Ответ
t = 2,711 s
7.Работа и энергия
Ответ: Wf = 67,97 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 = 19,62·0,866 = 16,99 N
F = μN = 0,25·16,99 = 4,248 N
Работа против трения
Wf = F·d = 4,248·16 = 67,97 J
Ответ
Wf = 67,97 J
8.Работа и энергия
Ответ: x = 14,44 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 = 9,81·(1 − 0,1·1,5) = 8,338 J
Наибольшее сжатие
½kx² = 8,338 → x = √(2·8,338/800) = 0,1444 m = 14,44 cm
Ответ
x = 14,44 cm
9.Импульс и столкновения
Ответ: v′2 = 29,67 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 = 14·39 = 546 kg·m/s
Импульс после удара
546 = 8·46 + 6·v′2
v′2 = (546 − 368)/6 = 29,67 m/s
Ответ
v′2 = 29,67 m/s
10.Импульс и столкновения
Ответ: Favg = 2700 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 = 0,5·(19 + 8) = 13,5 N·s
Средняя сила
Favg = J/Δt = 13,5/0,005 = 2700 N
Ответ
Favg = 2700 N
11.Гидростатическое давление
Ответ: F = 161,9 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 + 3/2 = 5,5 m
A = H·b = 3·1 = 3 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·5,5·3 = 161,9 kN
Ответ
F = 161,9 kN
12.Гидростатическое давление
Ответ: ycp = 3,111 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 = 2 + 2/2 = 3 m
A = H·b = 2·3 = 6 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 1025·9,81·3·6 = 181 kN
Центр давления
Давление растёт с глубиной, поэтому равнодействующая приложена ниже центра тяжести.
Ic = b·H³/12 = 3·2³/12 = 2 m⁴
ycp = yc + Ic/(yc·A) = 3 + 2/(3·6) = 3,111 m
Ответ
ycp = 3,111 m
13.Неразрывность и Бернулли
Ответ: Q = 10,5 L/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.
Неразрывность
v1 = v2·(60/100)² = 0,36·v2
Уравнение Бернулли между входом и горловиной
Труба горизонтальна, поэтому меняются только давление и скорость.
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 = 300/28,01 = 10,71 mol
T = 30 + 273,15 = 303,1 K
Давление
P = nRT/V = 10,71·8,314·303,1/0,02 = 1350 kPa
Ответ
P = 1350 kPa
16.Уравнение состояния идеального газа
Ответ: ρ = 9,54 kg/m³
Плотность идеального газа: ρ = PM/(RT).
Преобразуйте газовый закон
PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 80 + 273,15 = 353,1 K
Плотность
ρ = 1000·28,01/(8,314·353,1) = 9,54 kg/m³
Ответ
ρ = 9,54 kg/m³
17.Тепловые машины и холодильники
Ответ: Wmax = 2259 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 = 425 + 273,15 = 698,1 K
TL = 10 + 273,15 = 283,1 K
КПД Карно
ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 283,1/698,1 = 59,44 %
Наибольшая работа
Wmax = ηmax·QH = 0,5944·3800 = 2259 kJ
Ответ
Wmax = 2259 kJ
18.Тепловые машины и холодильники
Ответ: COPmax = 6,925
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.
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 − 1/30
di = 30 cm
Увеличение
m = −di/do = −30/30 = −1
Ответ
m = −1
20.Волны, звук и оптика
Ответ: di = −5,455 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.