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
Водитель, едущий со скоростью 120 km/h, видит препятствие. Время её реакции 0,7 s, после чего автомобиль тормозит с постоянным замедлением 5 m/s². Найдите полный остановочный путь d с момента, когда она увидела препятствие.
v₀ = 120 km/htr = 0,7 sa = −5 m/s²
d = m
2.КинематикаСложная
Мяч бросают вертикально вверх со скоростью 19 m/s с края крыши на высоте 15 m над землёй. Сопротивлением воздуха пренебречь, g = 9,81 m/s². Найдите наибольшую высоту hmax над землёй.
v₀ = 19 m/sh₀ = 15 mg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Законы НьютонаСредняя
Ящик скользит по горизонтальному полу с начальной скоростью 9,5 m/s и останавливается через 15 m. Примите g = 9,81 m/s². Найдите коэффициент трения скольжения μ.
v₀ = 9,5 m/sd = 15 mg = 9,81 m/s²
μ =
4.Законы НьютонаСложная
Брусок массой 6 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 0,2. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a системы.
m1 = 6 kgm2 = 4,5 kgμ = 0,2g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
Мяч бросают с горизонтальной поверхности под углом 55° к горизонту, и он падает на расстоянии 90 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите начальную скорость v0.
θ = 55°R = 90 mg = 9,81 m/s²
v0 = m/s
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
Мяч бросают со скоростью 32 m/s под углом 60° к горизонту с вершины обрыва высотой 20 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите наибольшую высоту H над землёй у подножия обрыва.
v₀ = 32 m/sθ = 60°h = 20 mg = 9,81 m/s²
H = m
7.Работа и энергияСредняя
Автомобиль, движущийся со скоростью 40 km/h по горизонтальной дороге, резко тормозит и с заблокированными колёсами скользит до остановки. Коэффициент трения скольжения между шинами и дорогой равен 0,5. Найдите тормозной путь d.
v = 40 km/hμ = 0,5g = 9,81 m/s²
d = m
8.Работа и энергияСложная
Тележку массой 5 kg отпускают без начальной скорости на высоте 8,4 m на гладкой трассе, переходящей в вертикальную «мёртвую петлю» радиусом 3 m. Найдите скорость v тележки в верхней точке петли.
m = 5 kgh = 8,4 mR = 3 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
9.Импульс и столкновенияСредняя
Тележка массой 3,5 kg, движущаяся со скоростью 2 m/s, испытывает абсолютно упругий центральный удар с покоящейся тележкой массой 1,5 kg на дорожке без трения. Найдите скорость v′2 второй тележки после столкновения.
m1 = 3,5 kgm2 = 1,5 kgv1 = 2 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
10.Импульс и столкновенияСложная
Пуля массой 10 g, выпущенная горизонтально, попадает в брусок массой 3 kg, подвешенный на лёгких нитях длиной 0,5 m, и застревает в нём. Нити отклоняются на наибольший угол 25° от вертикали. Примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v пули до удара.
m = 10 gM = 3 kgL = 0,5 mθ = 25°g = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Гидростатическое давлениеСредняя
Вертикальный прямоугольный затвор шириной 1,5 m находится в стенке резервуара с жидкостью (вода), его верхний край на 4 m ниже поверхности. Найдите равнодействующую силу гидростатического давления F на затвор.
Вертикальный прямоугольный затвор шириной 2 m находится в стенке резервуара с жидкостью (масло), его верхний край на 2,5 m ниже поверхности. Найдите равнодействующую силу гидростатического давления F на затвор.
Вода вытекает из большого открытого резервуара через отверстие с острой кромкой диаметром 20 mm. Уровень воды поддерживается на 1,5 m выше отверстия, коэффициент расхода равен 0,61. Найдите расход Q. Примите g = 9,81 m/s².
d = 20 mmh = 1,5 mCd = 0,61g = 9,81 m/s²
Q = L/s
14.Неразрывность и БернуллиСложная
Шланг с внутренним диаметром 40 mm работает как сифон, отбирая воду из открытого резервуара. Наивысшая точка C шланга находится на 2,5 m выше поверхности воды, а выход (открытый в атмосферу) — на 3,5 m ниже поверхности воды. Пренебрегите потерями и примите g = 9,81 m/s². Найдите расход Q.
d = 40 mmzC = +2,5 mz2 = −3,5 mg = 9,81 m/s²
Q = L/s
15.Уравнение состояния идеального газаСредняя
Резервуар объёмом 20 L содержит 10 g газа (Ar) при 85 °C. Считайте газ идеальным и найдите давление P.
Тепловая машина работает между горячим резервуаром при 550 °C и холодным при 40 °C. Найдите наибольший возможный термический КПД ηmax.
TH = 550 °CTL = 40 °C
ηmax = %
18.Тепловые машины и холодильникиСложная
Тепловая машина за цикл получает 2400 kJ теплоты от резервуара при 900 °C, совершает 1416 kJ работы, а остаток отдаёт резервуару при 30 °C. Найдите суммарную генерацию энтропии Sgen за цикл.
TH = 900 °CTL = 30 °CQH = 2400 kJW = 1416 kJ
Sgen = kJ/K
19.Волны, звук и оптикаСредняя
Источник частотой 600 Hz, движущийся со скоростью 30 m/s, и наблюдатель, движущийся со скоростью 5 m/s, удаляются друг от друга. Скорость звука равна 343 m/s. Найдите частоту f′, которую слышит наблюдатель.
f = 600 Hzv = 343 m/svs = 30 m/svo = 5 m/s
f′ = Hz
20.Волны, звук и оптикаСложная
Две щели на расстоянии 0,2 mm друг от друга освещаются монохроматическим светом. На экране на расстоянии 2 m светлая полоса номер 5 находится в 26,6 mm от центральной полосы. Найдите длину волны λ.
d = 0,2 mmL = 2 my5 = 26,6 mmm = 5
λ = nm
3Растворы
1.Кинематика
Ответ: d = 134,4 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.
Единицы
v₀ = 120/3,6 = 33,33 m/s
Путь за время реакции
d1 = v₀·tr = 33,33·0,7 = 23,33 m
Тормозной путь
d2 = v₀²/(2a) = 33,33²/(2·5) = 111,1 m
Итого
d = 23,33 + 111,1 = 134,4 m
Ответ
d = 134,4 m
2.Кинематика
Ответ: hmax = 33,4 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 = 19²/(2·9,81) = 18,4 m
Высота над землёй
hmax = 15 + 18,4 = 33,4 m
Ответ
hmax = 33,4 m
3.Законы Ньютона
Ответ: μ = 0,3067
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
a = v₀²/(2d) = 9,5²/(2·15) = 3,008 m/s²
Коэффициент трения
μ·m·g = m·a → μ = a/g = 3,008/9,81 = 0,3067
Ответ
μ = 0,3067
4.Законы Ньютона
Ответ: a = 3,083 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.
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) = √(9,81·90/sin 110°) = 30,65 m/s
Ответ
v0 = 30,65 m/s
6.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: H = 59,14 m
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.
Вертикальная начальная скорость
vy = 32·sin 60° = 27,71 m/s
Подъём над обрывом
Δh = vy²/(2g) = 27,71²/(2·9,81) = 39,14 m
Высота над землёй
H = 20 + 39,14 = 59,14 m
Ответ
H = 59,14 m
7.Работа и энергия
Ответ: d = 12,58 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 = 40/3,6 = 11,11 m/s
Энергетический баланс
½mv² = μmg·d → d = v²/(2μg) = 11,11²/(2·0,5·9,81) = 12,58 m
Ответ
d = 12,58 m
При удвоении скорости тормозной путь увеличивается в четыре раза.
8.Работа и энергия
Ответ: v = 6,862 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·(8,4 − 6) = 47,09 m²/s²
v = 6,862 m/s
Ответ
v = 6,862 m/s
Тележка едва проходит петлю при h = 2,5R; тогда в верхней точке N = 0.
9.Импульс и столкновения
Ответ: v′2 = 2,8 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 = (3,5 − 1,5)/(3,5 + 1,5)·2 = 0,8 m/s
v′2 = 2·3,5/(3,5 + 1,5)·2 = 2,8 m/s
Ответ
v′2 = 2,8 m/s
10.Импульс и столкновения
Ответ: v = 288,6 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.
Подъём бруска
h = L·(1 − cos θ) = 0,5·(1 − cos 25°) = 0,04685 m
Скорость после удара
V = √(2·9,81·0,04685) = 0,9587 m/s
Столкновение
v = (m + M)·V/m = 3,01·0,9587/0,01 = 288,6 m/s
Ответ
v = 288,6 m/s
11.Гидростатическое давление
Ответ: F = 193,1 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 = 4 + 2,5/2 = 5,25 m
A = H·b = 2,5·1,5 = 3,75 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·5,25·3,75 = 193,1 kN
Ответ
F = 193,1 kN
12.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 = 2,5 + 2,5/2 = 3,75 m
A = H·b = 2,5·2 = 5 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 880·9,81·3,75·5 = 161,9 kN
Ответ
F = 161,9 kN
13.Неразрывность и Бернулли
Ответ: Q = 1,04 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.
Идеальная скорость струи
√(2gh) = √(2·9,81·1,5) = 5,425 m/s
Действительный расход
Коэффициент расхода учитывает сжатие струи и трение у кромки.
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 в шланге
Поверхность и выход открыты в атмосферу, поэтому члены с давлением сокращаются.
Уравнение состояния идеального газа: PV = nRT, где n = m/M.
Моли
n = m/M = 10/39,95 = 0,2503 mol
T = 85 + 273,15 = 358,1 K
Давление
P = nRT/V = 0,2503·8,314·358,1/0,02 = 37,27 kPa
Ответ
P = 37,27 kPa
16.Уравнение состояния идеального газа
Ответ: V2 = 1,409 L
Объединённый газовый закон: для постоянного количества идеального газа P1V1/T1 = P2V2/T2.
Абсолютные температуры
T1 = 293,1 K, T2 = 413,1 K
Объединённый газовый закон
V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 2·(350/700)·(413,1/293,1) = 1,409 L
Ответ
V2 = 1,409 L
17.Тепловые машины и холодильники
Ответ: ηmax = 61,96 %
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 = 550 + 273,15 = 823,1 K
TL = 40 + 273,15 = 313,1 K
КПД Карно
ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 313,1/823,1 = 61,96 %
Ответ
ηmax = 61,96 %
18.Тепловые машины и холодильники
Ответ: Sgen = 1,2 kJ/K
Генерация энтропии: за полный цикл энтропия рабочего тела в итоге не меняется. Горячий резервуар теряет QH/TH, а холодный получает QL/TL. Их сумма — это генерируемая энтропия, равная нулю для обратимого цикла и положительная для любого реального.
Отводимая теплота
QL = QH − W = 2400 − 1416 = 984 kJ
Абсолютные температуры
TH = 900 + 273,15 = 1173 K
TL = 30 + 273,15 = 303,1 K
Изменения энтропии резервуаров
ΔSH = −2400/1173 = −2,046 kJ/K
ΔSL = 984/303,1 = 3,246 kJ/K
Sgen = 3,246 − 2,046 = 1,2 kJ/K
Ответ
Sgen = 1,2 kJ/K
Sgen > 0, поэтому машина возможна, но необратима.
19.Волны, звук и оптика
Ответ: f′ = 543,7 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|.
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, …