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 15 m/s и проезжает мимо стоящего полицейского автомобиля. В этот момент полицейский автомобиль трогается и равноускоренно разгоняется с ускорением 2 m/s². Через сколько времени полицейский автомобиль догонит нарушителя? Найдите t.
vcar = 15 m/sapolice = 2 m/s²v0,police = 0
t = s
2.КинематикаСложная
Мяч A без начальной скорости падает с высоты 15 m. В тот же момент мяч B бросают вертикально вверх с земли прямо под ним со скоростью 22 m/s. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². На какой высоте y над землёй они встретятся?
H = 15 mv0B = 22 m/sg = 9,81 m/s²
y = m
3.Законы НьютонаСредняя
Санки массой 15 kg тянут по горизонтальному снегу верёвкой под углом 25° к горизонту с силой 110 N. Коэффициент трения скольжения равен 0,1. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a санок.
m = 15 kgF = 110 Nθ = 25°μ = 0,1g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
Брусок массой 5 kg на наклонной плоскости под углом 35° связан лёгкой нитью, перекинутой через блок без трения на вершине плоскости, с висящим грузом массой 4,5 kg. Висящий груз движется вниз. Коэффициент трения скольжения между бруском и плоскостью равен 0,25. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a системы.
m1 = 5 kgm2 = 4,5 kgθ = 35°μ = 0,25g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
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 со скоростью 18 m/s под углом 30° к горизонту с вершины обрыва высотой 45 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v, с которой он ударяется о землю.
v₀ = 18 m/sθ = 30°h = 45 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
7.Работа и энергияСредняя
Автомобиль, движущийся со скоростью 30 km/h по горизонтальной дороге, резко тормозит и с заблокированными колёсами скользит до остановки. Коэффициент трения скольжения между шинами и дорогой равен 0,6. Найдите тормозной путь d.
v = 30 km/hμ = 0,6g = 9,81 m/s²
d = m
8.Работа и энергияСложная
Брусок массой 2 kg отпускают без начальной скорости на высоте 4,5 m на гладкой рампе. Внизу он пересекает шероховатую горизонтальную полосу длиной 5 m (μ = 0,15), а затем наезжает на пружину (k = 5000 N/m) на гладкой поверхности. Найдите скорость v бруска, когда он достигает пружины.
m = 2 kgh = 4,5 mL = 5 mμ = 0,15k = 5000 N/mg = 9,81 m/s²
v = m/s
9.Импульс и столкновенияСредняя
Автомобиль массой 1700 kg, движущийся со скоростью 12 m/s, налетает на стоящий автомобиль массой 700 kg, и они сцепляются. Какой процент ΔK/K исходной кинетической энергии теряется?
m1 = 1700 kgv1 = 12 m/sm2 = 700 kgv2 = 0
ΔK/K = %
10.Импульс и столкновенияСложная
Мяч массой 0,55 kg ударяется о стену со скоростью 12 m/s и отскакивает прямо назад со скоростью 16 m/s. Контакт длится 10 ms. Найдите среднюю силу Favg, с которой стена действует на мяч.
m = 0,55 kgvin = 12 m/svout = 16 m/sΔt = 10 ms
Favg = N
11.Гидростатическое давлениеСредняя
Вертикальный прямоугольный затвор шириной 2 m находится в стенке резервуара с жидкостью (вода), его верхний край на 1 m ниже поверхности. Найдите равнодействующую силу гидростатического давления F на затвор.
d = 1 mH = 1 mb = 2 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
12.Гидростатическое давлениеСложная
Вертикальный прямоугольный затвор шириной 1,5 m находится в стенке резервуара с жидкостью (морская вода), его верхний край на 3 m ниже поверхности. Найдите равнодействующую силу гидростатического давления F на затвор.
Вода течёт по горизонтальной трубе, которая сужается с 150 mm до 75 mm. В широкой части давление 230 kPa, а скорость 2 m/s. Пренебрегая потерями, найдите давление p2 в узкой части.
В закрытом резервуаре над водой находится сжатый воздух с избыточным давлением 100 kPa. Вода вытекает в атмосферу через отверстие диаметром 30 mm, расположенное на 2 m ниже поверхности воды. Пренебрегая потерями, найдите расход Q. Примите g = 9,81 m/s².
Обратимый холодильник поддерживает в холодильной камере -25 °C, отводя 1,5 kW теплоты, и отдаёт теплоту окружающей среде при 30 °C. Найдите тепловой поток Q̇H, который он отдаёт.
TL = -25 °CTH = 30 °CQ̇L = 1,5 kW
Q̇H = kW
18.Тепловые машины и холодильникиСложная
Тепловой насос подаёт 13,5 kW теплоты в систему отопления при 35 °C, забирая теплоту от источника при 5 °C. Его действительный COP составляет 50% от COP Карно между этими температурами. Найдите потребляемую им электрическую мощность Ẇ.
TH = 35 °CTL = 5 °CηII = 50%Q̇H = 13,5 kW
Ẇ = kW
19.Волны, звук и оптикаСредняя
Свет внутри прозрачного блока полностью отражается на границе со средой «этанол» (n = 1,36) при любом угле падения больше 45°. Найдите показатель преломления n1 блока.
θc = 45°n2 = 1,36
n1 =
20.Волны, звук и оптикаСложная
Неподвижный парковочный датчик посылает ультразвук 25 kHz на автомобиль, удаляющийся со скоростью 30 m/s. Найдите частоту f″ эха, принятого обратно датчиком (скорость звука 343 m/s).
f = 25 kHzu = 30 m/sv = 343 m/s
f″ = Hz
3Растворы
1.Кинематика
Ответ: t = 15 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 = 2·15/2 = 15 s
Ответ
t = 15 s
В этот момент полицейский автомобиль движется со скоростью 2v = 30 m/s.
2.Кинематика
Ответ: y = 12,72 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.
Время встречи
Направление вверх положительно, земля — y = 0.
15 − ½g·t² = 22·t − ½g·t² → t = 15/22 = 0,6818 s
Высота встречи
y = 22·0,6818 − ½·9,81·0,6818² = 12,72 m
Ответ
y = 12,72 m
3.Законы Ньютона
Ответ: a = 5,975 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 − 110·sin 25° = 100,7 N
Горизонтальные силы
m·a = F·cos θ − μ·N = 99,69 − 10,07
a = 89,63/15 = 5,975 m/s²
Ответ
a = 5,975 m/s²
4.Законы Ньютона
Ответ: a = 0,628 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.
Силы вдоль нити
m₂·g = 44,15 N
m₁·g·sin θ = 28,13 N
μ·m₁·g·cos θ = 10,04 N
Ускорение системы
a = (44,15 − 28,13 − 10,04)/9,5 = 0,628 m/s²
Ответ
a = 0,628 m/s²
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: v = 34,74 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.
Разложите начальную скорость
vx = 18·cos 30° = 15,59 m/s
vy0 = 18·sin 30° = 9 m/s
Вертикальная скорость при ударе
Закон сохранения энергии или v² = v₀² + 2as по вертикали.
vy = √(9² + 2·9,81·45) = 31,05 m/s
Скорость при ударе
v = √(15,59² + 31,05²) = 34,74 m/s
Ответ
v = 34,74 m/s
Проверка по энергии: v² = v₀² + 2gh.
7.Работа и энергия
Ответ: d = 5,899 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).
Скорость в основных единицах
v = 30/3,6 = 8,333 m/s
Энергетический баланс
½mv² = μmg·d → d = v²/(2μg) = 8,333²/(2·0,6·9,81) = 5,899 m
Ответ
d = 5,899 m
При удвоении скорости тормозной путь увеличивается в четыре раза.
8.Работа и энергия
Ответ: v = 8,578 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 = 19,62·(4,5 − 0,15·5) = 73,58 J
Скорость у пружины
½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9,81·3,75) = 8,578 m/s
Ответ
v = 8,578 m/s
9.Импульс и столкновения
Ответ: ΔK/K = 29,17 %
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.
Общая скорость
v′ = m1·v1/(m1 + m2) = 1700·12/2400 = 8,5 m/s
Кинетическая энергия до и после
Kbefore = ½·1700·12² = 122400 J
Kafter = ½·2400·8,5² = 86700 J
Потерянная доля
ΔK/K = 35700/122400 = 29,17 %
Ответ
ΔK/K = 29,17 %
Потерянная энергия идёт на деформацию, теплоту и звук.
10.Импульс и столкновения
Ответ: Favg = 1540 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 = 0,55·(16 + 12) = 15,4 N·s
Средняя сила
Favg = J/Δt = 15,4/0,01 = 1540 N
Ответ
Favg = 1540 N
11.Гидростатическое давление
Ответ: F = 29,43 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 + 1/2 = 1,5 m
A = H·b = 1·2 = 2 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·1,5·2 = 29,43 kN
Ответ
F = 29,43 kN
12.Гидростатическое давление
Ответ: F = 160,3 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 = 3 + 2,5/2 = 4,25 m
A = H·b = 2,5·1,5 = 3,75 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 1025·9,81·4,25·3,75 = 160,3 kN
Ответ
F = 160,3 kN
13.Неразрывность и Бернулли
Ответ: p2 = 200 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.
v2 = v1·(d1/d2)² = 2·(150/75)² = 8 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(2² − 8²)/1000 = −30 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) = 230 + (−30) = 200 kPa
Ответ
p2 = 200 kPa
14.Неразрывность и Бернулли
Ответ: Q = 10,93 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.
Уравнение состояния идеального газа: PV = nRT, где n = m/M.
Моли
n = 280/32 = 8,75 mol
T = 80 + 273,15 = 353,1 K
Объём
V = nRT/P = 8,75·8,314·353,1/250 = 102,8 L
Ответ
V = 102,8 L
16.Уравнение состояния идеального газа
Ответ: V2 = 7,716 L
Объединённый газовый закон: для постоянного количества идеального газа P1V1/T1 = P2V2/T2.
Абсолютные температуры
T1 = 293,1 K, T2 = 323,1 K
Объединённый газовый закон
V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 10·(350/500)·(323,1/293,1) = 7,716 L
Ответ
V2 = 7,716 L
17.Тепловые машины и холодильники
Ответ: Q̇H = 1,832 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 = 30 + 273,15 = 303,1 K
TL = -25 + 273,15 = 248,1 K
Отношение теплот для обратимого цикла
Q̇H = Q̇L·TH/TL = 1,5·303,1/248,1 = 1,832 kW
Ответ
Q̇H = 1,832 kW
Потребляемая мощность: Ẇ = 0,3325 kW.
18.Тепловые машины и холодильники
Ответ: Ẇ = 2,629 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 = 5 + 273,15 = 278,1 K
COP Карно и действительный COP
COPmax = 308,1/(308,1 − 278,1) = 10,27
COP = 0,5·10,27 = 5,136
Потребляемая мощность
Ẇ = Q̇H/COP = 13,5/5,136 = 2,629 kW
Ответ
Ẇ = 2,629 kW
19.Волны, звук и оптика
Ответ: n1 = 1,923
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.
Показатель преломления блока
n₁ = n₂/sin θc = 1,36/0,7071 = 1,923
Ответ
n1 = 1,923
20.Волны, звук и оптика
Ответ: f″ = 20979 Hz
Стоячие волны и эффект Доплера: в струне, закреплённой с обоих концов, или в трубе, открытой с обоих концов, укладывается целое число полуволн: L = nλ/2, fn = n·v/(2L), n = 1, 2, 3, … У трубы, закрытой с одного конца, на закрытом конце узел, а на открытом пучность: L = nλ/4 только при нечётных n, fn = n·v/(4L). Когда источник или наблюдатель движутся вдоль линии между ними, f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs): верхние знаки берите для движения навстречу друг другу. Две волны почти равной частоты дают биения с частотой |f₁ − f₂|.