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 4 m/s² до полной остановки. Сколько длится торможение? Найдите t.
v₀ = 50 km/ha = −4 m/s²v = 0
t = s
2.КинематикаСложная
Мяч бросают вертикально вверх со скоростью 13 m/s с края крыши на высоте 40 m над землёй. Сопротивлением воздуха пренебречь, g = 9,81 m/s². Через какое время после броска он упадёт на землю? Найдите t.
v₀ = 13 m/sh₀ = 40 mg = 9,81 m/s²
t = s
3.Законы НьютонаСредняя
Ящик массой 45 kg толкают вверх по наклонной плоскости под углом 35° к горизонту с постоянной скоростью силой, параллельной плоскости. Коэффициент трения скольжения равен 0,4. Примите g = 9,81 m/s². Найдите толкающую силу F.
m = 45 kgθ = 35°μ = 0,4g = 9,81 m/s²
F = N
4.Законы НьютонаСложная
Брусок массой 2,5 kg на горизонтальном столе соединён лёгкой нитью, перекинутой через блок без трения, с подвешенным грузом массой 4,5 kg. Коэффициент трения скольжения между бруском и столом 0,1. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T нити.
m1 = 2,5 kgm2 = 4,5 kgμ = 0,1g = 9,81 m/s²
T = N
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
Мяч бросают под углом 45° к горизонту с ровной поверхности. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите время полёта t до удара мяча о землю.
v0 = 12 m/sθ = 45°g = 9,81 m/s²
t = s
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
Мяч бросают под углом 40° к горизонту с вершины скалы высотой 45 m. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите время полёта t до удара мяча о землю.
v0 = 19 m/sθ = 40°h = 45 mg = 9,81 m/s²
t = s
7.Работа и энергияСредняя
Брусок без начальной скорости скользит по наклонной плоскости под углом 40° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,3. Найдите его скорость v после того, как он проскользит 12 m вдоль плоскости.
θ = 40°μ = 0,3d = 12 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
8.Работа и энергияСложная
Тележку массой 10 kg отпускают без начальной скорости на высоте 5,6 m на гладкой трассе, переходящей в вертикальную «мёртвую петлю» радиусом 2 m. Найдите скорость v тележки в верхней точке петли.
m = 10 kgh = 5,6 mR = 2 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
9.Импульс и столкновенияСредняя
Тележка массой 1,5 kg, движущаяся со скоростью 6 m/s, испытывает абсолютно упругий центральный удар с покоящейся тележкой массой 4 kg на дорожке без трения. Найдите скорость v′1 первой тележки после столкновения (положительную в направлении её первоначального движения).
m1 = 1,5 kgm2 = 4 kgv1 = 6 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
10.Импульс и столкновенияСложная
Мяч массой 0,6 kg ударяется о стену со скоростью 23 m/s и отскакивает прямо назад со скоростью 19 m/s. Контакт длится 50 ms. Найдите модуль импульса силы J, который стена сообщает мячу.
m = 0,6 kgvin = 23 m/svout = 19 m/sΔt = 50 ms
J = N·s
11.Гидростатическое давлениеСредняя
Вертикальный прямоугольный затвор шириной 3 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 1,5 m находится в стенке резервуара с жидкостью (вода), его верхний край на 2,5 m ниже поверхности. Найдите равнодействующую силу гидростатического давления F на затвор.
Вода с расходом 40 L/s течёт по горизонтальной трубе, сужающейся с 150 mm до 75 mm. Давление в узком сечении равно 250 kPa. Пренебрегая потерями, найдите давление p1 в широком сечении.
Вода поднимается по трубе, которая сужается с 75 mm до 25 mm и поднимается на 1 m. В сечении 1 давление 360 kPa, а скорость 1,25 m/s. Пренебрегая потерями, найдите давление p2 в сечении 2.
Обратимая тепловая машина (машина Карно) за цикл получает 4100 kJ теплоты от резервуара при 600 °C и отдаёт 1541 kJ. Найдите температуру TL холодного резервуара в °C.
TH = 600 °CQH = 4100 kJQL = 1541 kJ
TL = °C
18.Тепловые машины и холодильникиСложная
Тепловой насос подаёт 9,5 kW теплоты в систему отопления при 21 °C, забирая теплоту от источника при 10 °C. Его действительный COP составляет 30% от COP Карно между этими температурами. Найдите потребляемую им электрическую мощность Ẇ.
TH = 21 °CTL = 10 °CηII = 30%Q̇H = 9,5 kW
Ẇ = kW
19.Волны, звук и оптикаСредняя
Малый источник посылает звук одинаково во все стороны. Уровень на расстоянии 10 m от него равен 100 dB. Найдите уровень β2 на расстоянии 100 m, пренебрегая поглощением и отражениями.
β1 = 100 dBr1 = 10 mr2 = 100 m
β2 = dB
20.Волны, звук и оптикаСложная
Свет с длиной волны 550 nm падает на две щели на расстоянии 0,5 mm друг от друга. Экран находится на расстоянии 2,5 m. Найдите расстояние y2 от центральной светлой полосы до светлой полосы номер 2.
λ = 550 nmd = 0,5 mmL = 2,5 mm = 2
y2 = mm
3Растворы
1.Кинематика
Ответ: t = 3,472 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 = 13,89/4 = 3,472 s
Ответ
t = 3,472 s
2.Кинематика
Ответ: t = 4,473 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.
Уравнение движения
Вверх — положительное направление, земля находится на h₀ ниже точки броска.
−40 = 13·t − ½·9,81·t²
4,905·t² − 13·t − 40 = 0
Решите квадратное уравнение
Физический смысл имеет только положительный корень.
t = (13 + √(13² + 2·9,81·40))/9,81 = 4,473 s
Ответ
t = 4,473 s
3.Законы Ньютона
Ответ: F = 397,9 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 = 253,2 + 144,6 = 397,9 N
Ответ
F = 397,9 N
4.Законы Ньютона
Ответ: T = 17,34 N
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 = 12·cos 45° = 8,485 m/s
vy = v0·sin θ = 12·sin 45° = 8,485 m/s
Время полёта
Старт и приземление на одной высоте: t = 2vy/g.
t = 2·8,485/9,81 = 1,73 s
Ответ
t = 1,73 s
6.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: t = 4,52 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 = 19·cos 40° = 14,55 m/s
vy = v0·sin θ = 19·sin 40° = 12,21 m/s
Время полёта
Решите y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0 и возьмите положительный корень.
0 = 45 + 12,21·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (12,21 + √(149,2 + 882,9))/9,81 = 4,52 s
Ответ
t = 4,52 s
7.Работа и энергия
Ответ: v = 9,861 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).
Энергетический баланс вдоль плоскости
Брусок опускается на высоту d·sin θ, а трение забирает μmg·cos θ·d. Масса сокращается.
½v² = g·d·(sin θ − μ·cos θ)
v = √(2·9,81·12·(0,6428 − 0,3·0,766)) = 9,861 m/s
Ответ
v = 9,861 m/s
8.Работа и энергия
Ответ: v = 5,603 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). При движении по окружности равнодействующая, направленная к центру, должна быть равна mv²/r.
Скорость в верхней точке
v² = 2g(h − 2R) = 2·9,81·(5,6 − 4) = 31,39 m²/s²
v = 5,603 m/s
Ответ
v = 5,603 m/s
Тележка едва проходит петлю при h = 2,5R; тогда в верхней точке N = 0.
9.Импульс и столкновения
Ответ: v′1 = −2,727 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 = (1,5 − 4)/(1,5 + 4)·6 = −2,727 m/s
v′2 = 2·1,5/(1,5 + 4)·6 = 3,273 m/s
Ответ
v′1 = −2,727 m/s
Знак минус означает, что первая тележка отскакивает назад.
10.Импульс и столкновения
Ответ: J = 25,2 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 = 0,6·(19 + 23) = 25,2 N·s
Ответ
J = 25,2 N·s
11.Гидростатическое давление
Ответ: F = 239,1 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 + 2,5/2 = 3,25 m
A = H·b = 2,5·3 = 7,5 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·3,25·7,5 = 239,1 kN
Ответ
F = 239,1 kN
12.Гидростатическое давление
Ответ: F = 176,6 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 = 2,5 + 3/2 = 4 m
A = H·b = 3·1,5 = 4,5 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·4·4,5 = 176,6 kN
Ответ
F = 176,6 kN
13.Неразрывность и Бернулли
Ответ: p1 = 288,4 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.
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 = 330/32 = 10,31 mol
T = 65 + 273,15 = 338,1 K
Объём
V = nRT/P = 10,31·8,314·338,1/700 = 41,42 L
Ответ
V = 41,42 L
16.Уравнение состояния идеального газа
Ответ: ρ = 4,642 kg/m³
Плотность идеального газа: ρ = PM/(RT).
Преобразуйте газовый закон
PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 100 + 273,15 = 373,1 K
Плотность
ρ = 450·32/(8,314·373,1) = 4,642 kg/m³
Ответ
ρ = 4,642 kg/m³
17.Тепловые машины и холодильники
Ответ: TL = 55,03 °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.
Абсолютная температура источника
TH = 600 + 273,15 = 873,1 K
Отношение теплот для обратимого цикла
TL = TH·QL/QH = 873,1·1541/4100 = 328,2 K = 55,03 °C
Ответ
TL = 55,03 °C
18.Тепловые машины и холодильники
Ответ: Ẇ = 1,184 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 = 21 + 273,15 = 294,1 K
TL = 10 + 273,15 = 283,1 K
COP Карно и действительный COP
COPmax = 294,1/(294,1 − 283,1) = 26,74
COP = 0,3·26,74 = 8,022
Потребляемая мощность
Ẇ = Q̇H/COP = 9,5/8,022 = 1,184 kW
Ответ
Ẇ = 1,184 kW
19.Волны, звук и оптика
Ответ: β2 = 80 dB
Волны: периодическая волна проходит одну длину волны за один период, поэтому v = fλ при T = 1/f. На натянутой струне v = √(T/μ), где T — сила натяжения, а μ = m/L — масса на метр. Звук в воздухе распространяется со скоростью около 343 m/s при 20 °C, свет в вакууме — со скоростью c = 3,00 × 10⁸ m/s. Громкость измеряется в логарифмическом масштабе: β = 10·log₁₀(I/I₀) dB, где I₀ = 10⁻¹² W/m², поэтому десятикратная интенсивность добавляет 10 dB. Точечный источник распределяет мощность P по сфере: I = P/(4πr²).
Отношение интенсивностей
I₂/I₁ = (10/100)² = 0,01
Новый уровень
β₂ = 100 + 10·log₁₀(0,01) = 80 dB
Ответ
β2 = 80 dB
Каждое удвоение расстояния снижает уровень примерно на 6 dB.
20.Волны, звук и оптика
Ответ: y2 = 5,5 mm
Интерференция и дифракция: свет от двух щелей на расстоянии d друг от друга приходит в точку на экране с разностью хода d·sin θ. Светлые полосы появляются там, где d·sin θ = mλ (m = 0, ±1, ±2, …). Для экрана на расстоянии L ≫ d m-я светлая полоса находится при y = mλL/d, а расстояние между полосами равно Δy = λL/d. У решётки с N штрихами на миллиметр d = 1/N, а резкие максимумы находятся при d·sin θ = mλ; так как sin θ ≤ 1, наивысший порядок — наибольшее целое число m ≤ d/λ. У одной щели шириной a тёмные полосы находятся при a·sin θ = mλ, m = ±1, ±2, …