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 54 km/h, тормозит с постоянным замедлением 6,5 m/s² до полной остановки. Найдите тормозной путь s.
v₀ = 54 km/ha = −6,5 m/s²v = 0
s = m
2.КинематикаСложная
Мяч A без начальной скорости падает с высоты 35 m. В тот же момент мяч B бросают вертикально вверх с земли прямо под ним со скоростью 16 m/s. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². На какой высоте y над землёй они встретятся?
H = 35 mv0B = 16 m/sg = 9,81 m/s²
y = m
3.Законы НьютонаСредняя
Ящик скользит по горизонтальному полу с начальной скоростью 12 m/s и останавливается через 29 m. Примите g = 9,81 m/s². Найдите коэффициент трения скольжения μ.
v₀ = 12 m/sd = 29 mg = 9,81 m/s²
μ =
4.Законы НьютонаСложная
Бруску сообщают толчок, и он начинает скользить вверх по наклонной плоскости под углом 30° со скоростью 11 m/s. Коэффициент трения скольжения равен 0,15. Примите g = 9,81 m/s². Какое расстояние d вдоль плоскости он проскользит до остановки?
v₀ = 11 m/sθ = 30°μ = 0,15g = 9,81 m/s²
d = m
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
Мяч бросают под углом 20° к горизонту с ровной поверхности. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите горизонтальное расстояние x, которое мяч пролетает до удара о землю.
v0 = 34 m/sθ = 20°g = 9,81 m/s²
x = m
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
Мяч бросают со скоростью 29 m/s под углом 50° к горизонту с вершины обрыва высотой 20 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Под каким углом α к горизонту (ниже горизонта) он ударяется о землю?
v₀ = 29 m/sθ = 50°h = 20 mg = 9,81 m/s²
α = °
7.Работа и энергияСредняя
Брусок без начальной скорости скользит по наклонной плоскости под углом 45° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,1. Найдите его скорость v после того, как он проскользит 5 m вдоль плоскости.
θ = 45°μ = 0,1d = 5 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
8.Работа и энергияСложная
Брусок массой 10 kg отпускают без начальной скорости на высоте 4 m на гладкой рампе. Внизу он пересекает шероховатую горизонтальную полосу длиной 5 m (μ = 0,25), а затем наезжает на пружину (k = 1000 N/m) на гладкой поверхности. Найдите наибольшее сжатие x пружины.
m = 10 kgh = 4 mL = 5 mμ = 0,25k = 1000 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
9.Импульс и столкновенияСредняя
Тележка массой 2 kg, движущаяся со скоростью 7 m/s, испытывает абсолютно упругий центральный удар с покоящейся тележкой массой 5 kg на дорожке без трения. Найдите скорость v′2 второй тележки после столкновения.
m1 = 2 kgm2 = 5 kgv1 = 7 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
10.Импульс и столкновенияСложная
На перекрёстке автомобиль массой 1300 kg, едущий на восток со скоростью 22 m/s, сталкивается с автомобилем массой 1700 kg, едущим на север со скоростью 15 m/s. Автомобили сцепляются. Найдите скорость v′ обломков сразу после столкновения.
m1 = 1300 kgv1 = 22 m/s (E)m2 = 1700 kgv2 = 15 m/s (N)
v′ = m/s
11.Гидростатическое давлениеСредняя
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.
Вертикальный прямоугольный затвор шириной 1 m находится в стенке резервуара с жидкостью (вода), его верхний край на 1 m ниже поверхности. Найдите глубину ycp центра давления под поверхностью.
Вода течёт по горизонтальной трубе, которая сужается с 200 mm до 100 mm. В широкой части давление 230 kPa, а скорость 1,5 m/s. Пренебрегая потерями, найдите давление p2 в узкой части.
Вода поднимается по трубе, которая сужается с 100 mm до 50 mm и поднимается на 1 m. В сечении 1 давление 150 kPa, а скорость 1,75 m/s. Пренебрегая потерями, найдите давление p2 в сечении 2.
Обратимая тепловая машина (машина Карно) за цикл получает 2400 kJ теплоты от резервуара при 575 °C и отдаёт 886 kJ. Найдите температуру TL холодного резервуара в °C.
TH = 575 °CQH = 2400 kJQL = 886 kJ
TL = °C
18.Тепловые машины и холодильникиСложная
Тепловой насос поддерживает в доме 21 °C, когда на улице 7 °C, и подаёт в дом 5 kW теплоты. Найдите минимальную необходимую мощность Ẇmin.
TH = 21 °CTL = 7 °CQ̇H = 5 kW
Ẇmin = kW
19.Волны, звук и оптикаСредняя
Предмет находится в 10 cm перед тонкой собирающей линзой с фокусным расстоянием 15 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 = 10 cmf = 15 cm
di = cm
20.Волны, звук и оптикаСложная
Предмет находится в 15 cm перед выпуклым зеркалом с радиусом кривизны 24 cm. Найдите увеличение m (отрицательное для перевёрнутого изображения).
do = 15 cmR = 24 cm
m =
3Растворы
1.Кинематика
Ответ: s = 17,31 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.
Единицы
v₀ = 54/3,6 = 15 m/s
Тормозной путь
0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 15²/(2·6,5) = 17,31 m
Ответ
s = 17,31 m
2.Кинематика
Ответ: y = 11,53 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.
35 − ½g·t² = 16·t − ½g·t² → t = 35/16 = 2,188 s
Высота встречи
y = 16·2,188 − ½·9,81·2,188² = 11,53 m
Ответ
y = 11,53 m
3.Законы Ньютона
Ответ: μ = 0,2531
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) = 12²/(2·29) = 2,483 m/s²
Коэффициент трения
μ·m·g = m·a → μ = a/g = 2,483/9,81 = 0,2531
Ответ
μ = 0,2531
4.Законы Ньютона
Ответ: d = 9,791 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 30° + 0,15·cos 30°) = 6,179 m/s²
Путь
d = v₀²/(2a) = 11²/(2·6,179) = 9,791 m
Ответ
d = 9,791 m
5.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: x = 75,75 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 = 34·cos 20° = 31,95 m/s
vy = v0·sin θ = 34·sin 20° = 11,63 m/s
Время полёта
Старт и приземление на одной высоте: t = 2vy/g.
t = 2·11,63/9,81 = 2,371 s
Горизонтальное расстояние
x = vx·t = 31,95·2,371 = 75,75 m
Ответ
x = 75,75 m
6.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: α = 57,94 °
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 = 29·cos 50° = 18,64 m/s
vy0 = 29·sin 50° = 22,22 m/s
Вертикальная скорость при ударе
Закон сохранения энергии или v² = v₀² + 2as по вертикали.
vy = √(22,22² + 2·9,81·20) = 29,76 m/s
Угол падения
tan α = vy/vx = 29,76/18,64 → α = 57,94°
Ответ
α = 57,94°
7.Работа и энергия
Ответ: v = 7,901 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 = √(2·9,81·5·(0,7071 − 0,1·0,7071)) = 7,901 m/s
Ответ
v = 7,901 m/s
8.Работа и энергия
Ответ: x = 73,45 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 = 98,1·(4 − 0,25·5) = 269,8 J
Наибольшее сжатие
½kx² = 269,8 → x = √(2·269,8/1000) = 0,7345 m = 73,45 cm
Ответ
x = 73,45 cm
9.Импульс и столкновения
Ответ: v′2 = 4 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 = (2 − 5)/(2 + 5)·7 = −3 m/s
v′2 = 2·2/(2 + 5)·7 = 4 m/s
Ответ
v′2 = 4 m/s
10.Импульс и столкновения
Ответ: v′ = 12,77 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.
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.
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 = 340/28,01 = 12,14 mol
T = 100 + 273,15 = 373,1 K
Объём
V = nRT/P = 12,14·8,314·373,1/600 = 62,76 L
Ответ
V = 62,76 L
16.Уравнение состояния идеального газа
Ответ: ρ = 0,796 kg/m³
Плотность идеального газа: ρ = PM/(RT).
Преобразуйте газовый закон
PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 120 + 273,15 = 393,1 K
Плотность
ρ = 650·4,003/(8,314·393,1) = 0,796 kg/m³
Ответ
ρ = 0,796 kg/m³
17.Тепловые машины и холодильники
Ответ: TL = 39,96 °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 = 575 + 273,15 = 848,1 K
Отношение теплот для обратимого цикла
TL = TH·QL/QH = 848,1·886/2400 = 313,1 K = 39,96 °C
Ответ
TL = 39,96 °C
18.Тепловые машины и холодильники
Ответ: Ẇmin = 0,238 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 = Q̇H/COP = 5/21,01 = 0,238 kW
Ответ
Ẇmin = 0,238 kW
19.Волны, звук и оптика
Ответ: di = −30 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 = 1/15 − 1/10
di = −30 cm
Ход лучей
мнимое, по ту же сторону, что и предмет
Ответ
di = −30 cm
20.Волны, звук и оптика
Ответ: m = 0,4444
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.