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 20 m/s и проезжает мимо стоящего полицейского автомобиля. В этот момент полицейский автомобиль трогается и равноускоренно разгоняется с ускорением 5,5 m/s². На каком расстоянии от места старта полицейский автомобиль догонит нарушителя? Найдите d.
vcar = 20 m/sapolice = 5,5 m/s²v0,police = 0
d = m
2.КинематикаСложная
Модель ракеты запускают вертикально вверх из состояния покоя. Двигатель сообщает ей постоянное ускорение 30 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 = 30 m/s²t1 = 1 sg = 9,81 m/s²
t = s
3.Законы НьютонаСредняя
Санки массой 15 kg тянут по горизонтальному снегу верёвкой под углом 30° к горизонту с силой 60 N. Коэффициент трения скольжения равен 0,25. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a санок.
m = 15 kgF = 60 Nθ = 30°μ = 0,25g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
Бруску сообщают толчок, и он начинает скользить вверх по наклонной плоскости под углом 20° со скоростью 10,5 m/s. Коэффициент трения скольжения равен 0,25. Примите g = 9,81 m/s². Какое расстояние d вдоль плоскости он проскользит до остановки?
v₀ = 10,5 m/sθ = 20°μ = 0,25g = 9,81 m/s²
d = m
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
Мяч бросают под углом 25° к горизонту с ровной поверхности. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите горизонтальное расстояние x, которое мяч пролетает до удара о землю.
v0 = 12 m/sθ = 25°g = 9,81 m/s²
x = m
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
Мяч бросают под углом 40° к горизонту с вершины скалы высотой 60 m. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите горизонтальное расстояние x, которое мяч пролетает до удара о землю.
v0 = 31 m/sθ = 40°h = 60 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Работа и энергияСредняя
Игрушечная пусковая установка имеет вертикальную пружину жёсткостью 500 N/m. На неё кладут мяч массой 0,1 kg, сжимают пружину на 3 cm и отпускают. Пренебрегая сопротивлением воздуха и массой пружины, найдите высоту h, на которую поднимется мяч, отсчитывая от его положения при сжатой пружине.
m = 0,1 kgk = 500 N/mx = 3 cmg = 9,81 m/s²
h = m
8.Работа и энергияСложная
Брусок массой 1 kg отпускают без начальной скорости на высоте 4 m на гладкой рампе. Внизу он пересекает шероховатую горизонтальную полосу длиной 4,5 m (μ = 0,2), а затем наезжает на пружину (k = 4000 N/m) на гладкой поверхности. Найдите наибольшее сжатие x пружины.
m = 1 kgh = 4 mL = 4,5 mμ = 0,2k = 4000 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
9.Импульс и столкновенияСредняя
Тележка массой 4 kg, движущаяся со скоростью 8 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 = 8 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
10.Импульс и столкновенияСложная
На перекрёстке автомобиль массой 1700 kg, едущий на восток со скоростью 8 m/s, сталкивается с автомобилем массой 1000 kg, едущим на север со скоростью 15 m/s. Автомобили сцепляются. Найдите направление θ движения обломков сразу после столкновения, отсчитанное от востока к северу.
m1 = 1700 kgv1 = 8 m/s (E)m2 = 1000 kgv2 = 15 m/s (N)
θ = °
11.Гидростатическое давлениеСредняя
Вертикальный прямоугольный затвор шириной 1,5 m находится в стенке резервуара с жидкостью (вода), его верхний край на 1,5 m ниже поверхности. Найдите равнодействующую силу гидростатического давления F на затвор.
Вертикальный прямоугольный затвор шириной 1,5 m находится в стенке резервуара с жидкостью (глицерин), его верхний край на 4 m ниже поверхности. Найдите глубину ycp центра давления под поверхностью.
Вода течёт по горизонтальной трубе, которая сужается с 100 mm до 75 mm. В широкой части давление 150 kPa, а скорость 0,5 m/s. Пренебрегая потерями, найдите давление p2 в узкой части.
Сопло фонтана направлено вертикально вверх. Непосредственно под соплом подводящая труба имеет диаметр 100 mm и избыточное давление 30 kPa. Выходной диаметр сопла 30 mm, разностью высот по длине сопла можно пренебречь. Пренебрегая потерями и сопротивлением воздуха, найдите высоту H, на которую струя поднимается над соплом. Примите g = 9,81 m/s².
Тепловая машина работает между горячим резервуаром при 375 °C и холодным при 25 °C. Найдите наибольший возможный термический КПД ηmax.
TH = 375 °CTL = 25 °C
ηmax = %
18.Тепловые машины и холодильникиСложная
Холодильник поддерживает в холодной камере -25 °C на кухне при 28 °C, отводя из камеры теплоту 1,5 kW. Найдите минимальную необходимую мощность Ẇmin.
TH = 28 °CTL = -25 °CQ̇L = 1,5 kW
Ẇmin = kW
19.Волны, звук и оптикаСредняя
Предмет находится в 12 cm перед тонкой собирающей линзой с фокусным расстоянием 30 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 = 12 cmf = 30 cm
di = cm
20.Волны, звук и оптикаСложная
Предмет находится в 6 cm перед выпуклым зеркалом с радиусом кривизны 40 cm. Найдите увеличение m (отрицательное для перевёрнутого изображения).
do = 6 cmR = 40 cm
m =
3Растворы
1.Кинематика
Ответ: d = 145,5 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 = 2·20/5,5 = 7,273 s
Путь
d = v·t = 20·7,273 = 145,5 m
Ответ
d = 145,5 m
В этот момент полицейский автомобиль движется со скоростью 2v = 40 m/s.
2.Кинематика
Ответ: t = 7,581 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 = 30·1 = 30 m/s
h₁ = ½·30·1² = 15 m
Свободный полёт до земли
Решите −h₁ = v₁·t₂ − ½·g·t₂² и возьмите положительный корень.
t₂ = (30 + √(30² + 2·9,81·15))/9,81 = 6,581 s
t = 1 + 6,581 = 7,581 s
Ответ
t = 7,581 s
3.Законы Ньютона
Ответ: a = 1,512 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 = 147,2 − 60·sin 30° = 117,2 N
Горизонтальные силы
m·a = F·cos θ − μ·N = 51,96 − 29,29
a = 22,67/15 = 1,512 m/s²
Ответ
a = 1,512 m/s²
4.Законы Ньютона
Ответ: d = 9,74 m
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
Обе силы направлены вниз по склону; масса сокращается.
a = 9,81·(sin 20° + 0,25·cos 20°) = 5,66 m/s²
Путь
d = v₀²/(2a) = 10,5²/(2·5,66) = 9,74 m
Ответ
d = 9,74 m
5.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: x = 11,24 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 = 12·cos 25° = 10,88 m/s
vy = v0·sin θ = 12·sin 25° = 5,071 m/s
Время полёта
Старт и приземление на одной высоте: t = 2vy/g.
t = 2·5,071/9,81 = 1,034 s
Горизонтальное расстояние
x = vx·t = 10,88·1,034 = 11,24 m
Ответ
x = 11,24 m
6.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: x = 144,3 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 = 31·cos 40° = 23,75 m/s
vy = v0·sin θ = 31·sin 40° = 19,93 m/s
Время полёта
Решите y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0 и возьмите положительный корень.
0 = 60 + 19,93·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (19,93 + √(397,1 + 1177))/9,81 = 6,076 s
Горизонтальное расстояние
x = vx·t = 23,75·6,076 = 144,3 m
Ответ
x = 144,3 m
7.Работа и энергия
Ответ: h = 0,2294 m
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 пружины
x = 3 cm = 0,03 m
½kx² = ½·500·0,03² = 0,225 J
Высота
m·g = 0,1·9,81 = 0,981 N
h = ½kx²/(mg) = 0,225/0,981 = 0,2294 m
Ответ
h = 0,2294 m
8.Работа и энергия
Ответ: x = 12,33 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·(4 − 0,2·4,5) = 30,41 J
Наибольшее сжатие
½kx² = 30,41 → x = √(2·30,41/4000) = 0,1233 m = 12,33 cm
Ответ
x = 12,33 cm
9.Импульс и столкновения
Ответ: v′1 = 0,5333 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)·8 = 0,5333 m/s
v′2 = 2·4/(4 + 3,5)·8 = 8,533 m/s
Ответ
v′1 = 0,5333 m/s
10.Импульс и столкновения
Ответ: θ = 47,8 °
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.
Составляющие импульса
px = 1700·8 = 13600 kg·m/s
py = 1000·15 = 15000 kg·m/s
Направление
tan θ = py/px = 1,103 → θ = 47,8°
Ответ
θ = 47,8°
11.Гидростатическое давление
Ответ: F = 49,66 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 + 1,5/2 = 2,25 m
A = H·b = 1,5·1,5 = 2,25 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·2,25·2,25 = 49,66 kN
Ответ
F = 49,66 kN
12.Гидростатическое давление
Ответ: ycp = 4,789 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 = 4 + 1,5/2 = 4,75 m
A = H·b = 1,5·1,5 = 2,25 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 1260·9,81·4,75·2,25 = 132,1 kN
Центр давления
Давление растёт с глубиной, поэтому равнодействующая приложена ниже центра тяжести.
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 на выходе
β = 30/100 = 0,3
v2 = √(2p1/(ρ(1 − β⁴))) = √(2·30000/(1000·0,9919)) = 7,778 m/s
Высота струи
Уравнение Бернулли вдоль струи: в верхней точке скорость равна нулю, а давление снова атмосферное.
H = v2²/(2g) = 7,778²/(2·9,81) = 3,083 m
Ответ
H = 3,083 m
15.Уравнение состояния идеального газа
Ответ: V = 78,45 L
Уравнение состояния идеального газа: PV = nRT, где n = m/M.
Моли
n = 290/16,04 = 18,08 mol
T = 40 + 273,15 = 313,1 K
Объём
V = nRT/P = 18,08·8,314·313,1/600 = 78,45 L
Ответ
V = 78,45 L
16.Уравнение состояния идеального газа
Ответ: ρ = 0,7438 kg/m³
Плотность идеального газа: ρ = PM/(RT).
Преобразуйте газовый закон
PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 180 + 273,15 = 453,1 K
Плотность
ρ = 700·4,003/(8,314·453,1) = 0,7438 kg/m³
Ответ
ρ = 0,7438 kg/m³
17.Тепловые машины и холодильники
Ответ: ηmax = 54 %
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 = 375 + 273,15 = 648,1 K
TL = 25 + 273,15 = 298,1 K
КПД Карно
ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 298,1/648,1 = 54 %
Ответ
ηmax = 54 %
18.Тепловые машины и холодильники
Ответ: Ẇmin = 0,3204 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 = Q̇L/COP = 1,5/4,682 = 0,3204 kW
Ответ
Ẇmin = 0,3204 kW
19.Волны, звук и оптика
Ответ: di = −20 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 = 1/30 − 1/12
di = −20 cm
Ход лучей
мнимое, по ту же сторону, что и предмет
Ответ
di = −20 cm
20.Волны, звук и оптика
Ответ: m = 0,7692
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.