รถคันหนึ่งขับเร็วด้วยอัตราเร็วคงที่ 18 m/s ผ่านรถตำรวจที่จอดนิ่ง ขณะนั้นรถตำรวจเริ่มออกตัวและเร่งอย่างสม่ำเสมอด้วย 2 m/s² รถตำรวจตามทันที่ห่างจากจุดเริ่มต้นเท่าใด จงหา d
vcar = 18 m/sapolice = 2 m/s²v0,police = 0
d = m
2.จลนศาสตร์ยาก
ปล่อยหินจากหยุดนิ่งลงบ่อน้ำ ได้ยินเสียงน้ำกระเซ็น 2.2 s หลังปล่อยหิน อัตราเร็วเสียงคือ 343 m/s ไม่คิดแรงต้านอากาศและใช้ g = 9.81 m/s² จงหาความลึก d ของบ่อ
ttotal = 2.2 svsound = 343 m/sg = 9.81 m/s²
d = m
3.กฎของนิวตันปานกลาง
มวล 6.5 kg และ 4.5 kg แขวนสองข้างของรอกเบาไร้แรงเสียดทาน เชื่อมด้วยเชือกเบา ระบบถูกปล่อยจากหยุดนิ่ง ใช้ g = 9.81 m/s² หาแรงตึง T ในเชือก
m1 = 6.5 kgm2 = 4.5 kgg = 9.81 m/s²
T = N
4.กฎของนิวตันยาก
ก้อนวัตถุหนัก 1.5 kg บนทางลาด 25° เชื่อมด้วยเชือกเบาผ่านรอกไร้แรงเสียดทานที่ยอดทางลาดกับมวล 1.5 kg ที่แขวนอยู่ มวลที่แขวนเคลื่อนที่ลง สัมประสิทธิ์แรงเสียดทานจลน์ระหว่างก้อนวัตถุกับทางลาดคือ 0.2 ใช้ g = 9.81 m/s² หาความเร่ง a ของระบบ
m1 = 1.5 kgm2 = 1.5 kgθ = 25°μ = 0.2g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์ปานกลาง
เตะลูกบอลจากพื้นราบด้วย 36 m/s ที่มุม 45° เหนือแนวนอนไปทางกำแพงที่ห่าง 79 m ไม่คิดแรงต้านอากาศและใช้ g = 9.81 m/s² ลูกบอลผ่านกำแพงที่ความสูงเท่าใด y
v₀ = 36 m/sθ = 45°x = 79 mg = 9.81 m/s²
y = m
6.การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์ยาก
โยนลูกบอลจากระดับพื้นด้วย 39 m/s ที่มุม 55° เหนือแนวนอน มันตกลงบนหลังคาเรียบของอาคารสูง 25 m ขณะกำลังตกลงมา ไม่คิดแรงต้านอากาศและใช้ g = 9.81 m/s² จงหาระยะทางในแนวนอน x จากจุดยิงถึงจุดที่ตก
v₀ = 39 m/sθ = 55°hroof = 25 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.การเคลื่อนที่เป็นวงกลมปานกลาง
ลูกบอลเล็กบนเชือกยาว 0.4 m เคลื่อนที่เป็นวงกลมแนวนอนโดยเชือกทำมุมคงที่ 40° กับแนวดิ่ง (ลูกตุ้มกรวย) ใช้ g = 9.81 m/s² จงหาอัตราเร็ว v ของลูกบอล
L = 0.4 mθ = 40°g = 9.81 m/s²
v = m/s
8.การเคลื่อนที่เป็นวงกลมยาก
ลูกบอลมวล 0.6 kg บนเชือกเบายาว 0.9 m ถูกเหวี่ยงเป็นวงกลมแนวดิ่ง ที่จุดต่ำสุดอัตราเร็วของมันคือ 11 m/s ไม่คิดแรงต้านอากาศและใช้ g = 9.81 m/s² จงหาแรงตึง Ttop ในเชือกที่จุดสูงสุด
m = 0.6 kgr = 0.9 mvbottom = 11 m/sg = 9.81 m/s²
Ttop = N
9.งานและพลังงานปานกลาง
รถที่แล่นด้วย 60 km/h บนถนนราบเบรกอย่างแรงและไถลหยุดโดยล้อล็อก สัมประสิทธิ์แรงเสียดทานจลน์ระหว่างยางกับถนนคือ 0.5 จงหาระยะหยุด d
v = 60 km/hμ = 0.5g = 9.81 m/s²
d = m
10.งานและพลังงานยาก
ก้อนวัตถุ 8 kg วางบนโต๊ะแนวนอนขรุขระ (μ = 0.15) เชือกเบาพาดจากก้อนวัตถุนั้นผ่านรอกเรียบที่ขอบโต๊ะไปยังก้อนวัตถุ 6 kg ที่แขวนอยู่ ระบบถูกปล่อยจากหยุดนิ่ง จงหาอัตราเร็ว v ของก้อนวัตถุทั้งสองหลังก้อนที่แขวนตกลงมา 1 m
m1 = 8 kgm2 = 6 kgμ = 0.15d = 1 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.โมเมนตัมและการชนปานกลาง
เลื่อนบนรางมวล 3.5 kg เคลื่อนที่ด้วย 6 m/s ชนตรง ๆ แบบยืดหยุ่นสมบูรณ์กับเลื่อนมวล 3 kg ที่หยุดนิ่งอยู่บนรางไร้แรงเสียดทาน หาความเร็ว v′2 ของเลื่อนตัวที่สองหลังการชน
m1 = 3.5 kgm2 = 3 kgv1 = 6 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.โมเมนตัมและการชนยาก
ลูกบอลมวล 0.2 kg กระทบผนังด้วย 24 m/s และกระดอนกลับตรง ๆ ด้วย 10 m/s การสัมผัสใช้เวลา 50 ms หาแรงเฉลี่ย Favg ที่ผนังกระทำต่อลูกบอล
m = 0.2 kgvin = 24 m/svout = 10 m/sΔt = 50 ms
Favg = N
13.สปริงและลูกตุ้มปานกลาง
มวล 3.1 kg บนสปริง k = 170 N/m ถูกดึงไป 12 cm ในทิศบวกและปล่อยจากหยุดนิ่งที่ t = 0 จงหาความเร็ว v ที่ t = 0.8 s (พร้อมเครื่องหมาย)
m = 3.1 kgk = 170 N/mA = 12 cmt = 0.8 s
v = m/s
14.สปริงและลูกตุ้มยาก
วัตถุแกว่งแบบฮาร์มอนิกอย่างง่ายด้วยคาบ 2.1 s และแอมพลิจูด 19 cm ต้องใช้เวลาสั้นที่สุด t เท่าใดในการเคลื่อนที่จากการกระจัดสูงสุด 19 cm ไปยังการกระจัด 11.4 cm
T = 2.1 sA = 19 cmx = 11.4 cm
t = s
15.คลื่น เสียง และทัศนศาสตร์ปานกลาง
เส้นเชือกที่ตรึงปลายทั้งสองข้าง ยาว 0.75 m คลื่นเคลื่อนที่บนนั้นด้วย 300 m/s จงหาความถี่ f4 ของฮาร์มอนิกที่ 4
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.
ระยะทางเท่ากัน
v·t = ½·a·t² → t = 2v/a = 2·18/2 = 18 s
ระยะทาง
d = v·t = 18·18 = 324 m
คำตอบ
d = 324 m
ขณะนั้นรถตำรวจเคลื่อนที่ด้วย 2v = 36 m/s
2.จลนศาสตร์
คำตอบ: d = 22.35 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.
เวลาสองส่วน
½·9.81·t₁² = 343·(2.2 − t₁)
4.905·t₁² + 343·t₁ − 754.6 = 0
เวลาที่ตก
มีเพียงรากที่เป็นบวกเท่านั้นที่เป็นไปได้ทางกายภาพ
t₁ = (−343 + √(343² + 4·4.905·754.6))/(2·4.905) = 2.135 s
ความลึก
d = ½·9.81·2.135² = 22.35 m
คำตอบ
d = 22.35 m
3.กฎของนิวตัน
คำตอบ: T = 52.17 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.
T − m2·g = m2·a → T = 4.5·(9.81 + 1.784) = 52.17 N
คำตอบ
T = 52.17 N
4.กฎของนิวตัน
คำตอบ: a = 1.943 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.
แรงตามแนวเชือก
m₂·g = 14.71 N
m₁·g·sin θ = 6.219 N
μ·m₁·g·cos θ = 2.667 N
ความเร่งของระบบ
a = (14.71 − 6.219 − 2.667)/3 = 1.943 m/s²
คำตอบ
a = 1.943 m/s²
5.การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์
คำตอบ: y = 31.76 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.
เวลาที่ถึงกำแพง
vx = 36·cos 45° = 25.46 m/s
t = x/vx = 79/25.46 = 3.103 s
ความสูงขณะนั้น
y = 25.46·3.103 − ½·9.81·3.103² = 31.76 m
คำตอบ
y = 31.76 m
ลูกบอลกำลังตกลงมาแล้วที่กำแพง
6.การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์
คำตอบ: x = 125.3 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.
แยกความเร็วต้น
vx = 22.37 m/s, vy = 31.95 m/s
เวลาที่ตกลงบนหลังคา
รากที่มากกว่า: ลูกบอลกำลังตกลง
25 = 31.95·t − 4.905·t²
t = (31.95 + √(31.95² − 2·9.81·25))/9.81 = 5.604 s
ระยะทางในแนวนอน
x = vx·t = 22.37·5.604 = 125.3 m
คำตอบ
x = 125.3 m
7.การเคลื่อนที่เป็นวงกลม
คำตอบ: v = 1.455 m/s
Uniform circular motion: an object moving at speed v on a circle of radius r accelerates towards the centre with a = v²/r, so it needs a net inward force F = m·v²/r. That force is supplied by something real: friction, tension, gravity or a normal force.
รัศมีของวงกลม
r = L·sin θ = 0.4·sin 40° = 0.2571 m
อัตราเร็ว
แรงตึงและแรงโน้มถ่วงรวมกันให้แรงเข้าด้านใน: tan θ = v²/(r·g)
v = √(r·g·tan θ) = √(0.2571·9.81·tan 40°) = 1.455 m/s
คำตอบ
v = 1.455 m/s
8.การเคลื่อนที่เป็นวงกลม
คำตอบ: Ttop = 51.24 N
Uniform circular motion: an object moving at speed v on a circle of radius r accelerates towards the centre with a = v²/r, so it needs a net inward force F = m·v²/r. That force is supplied by something real: friction, tension, gravity or a normal force.
Simple harmonic motion: a mass m on a spring of stiffness k oscillates with angular frequency ω = √(k/m) and period T = 2π/ω = 2π·√(m/k). A simple pendulum of length L has T = 2π·√(L/g). With amplitude A, the largest speed is A·ω, the largest acceleration A·ω² and the energy ½·k·A².
ความถี่เชิงมุม
ω = √(170/3.1) = 7.405 rad/s
ω·t = 7.405·0.8 = 5.924 rad
ความเร็ว
v = −A·ω·sin(ω·t) = −0.12·7.405·sin(5.924) = 0.3122 m/s
คำตอบ
v = 0.3122 m/s
14.สปริงและลูกตุ้ม
คำตอบ: t = 0.3099 s
Simple harmonic motion: a mass m on a spring of stiffness k oscillates with angular frequency ω = √(k/m) and period T = 2π/ω = 2π·√(m/k). A simple pendulum of length L has T = 2π·√(L/g). With amplitude A, the largest speed is A·ω, the largest acceleration A·ω² and the energy ½·k·A².
ความถี่เชิงมุม
ω = 2π/T = 2π/2.1 = 2.992 rad/s
แก้สมการหาเวลา
0.6 = cos(ω·t) → ω·t = arccos(0.6) = 0.9273 rad
t = 0.9273/2.992 = 0.3099 s
คำตอบ
t = 0.3099 s
15.คลื่น เสียง และทัศนศาสตร์
คำตอบ: f4 = 800 Hz
คลื่นนิ่งและปรากฏการณ์ดอปเพลอร์: เส้นเชือกที่ตรึงปลายทั้งสองข้างหรือท่อที่เปิดปลายทั้งสองข้างมีความยาวพอดีกับจำนวนเต็มเท่าของครึ่งความยาวคลื่น: L = nλ/2, fn = n·v/(2L), n = 1, 2, 3, … ท่อปลายปิดข้างหนึ่งมีบัพที่ปลายปิดและปฏิบัพที่ปลายเปิด: L = nλ/4 เฉพาะ n ที่เป็นเลขคี่ fn = n·v/(4L) เมื่อแหล่งกำเนิดหรือผู้สังเกตเคลื่อนที่ตามแนวเส้นตรงระหว่างกัน f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs): ใช้เครื่องหมายบนสำหรับการเคลื่อนที่เข้าหากัน คลื่นสองคลื่นที่มีความถี่ใกล้เคียงกันเกิดบีตที่ |f₁ − f₂|
ความยาวคลื่นของโหมดนี้
λ = 2L/n = 2·0.75/4 = 0.375 m
ความถี่
f = v/λ = 300/0.375 = 800 Hz
คำตอบ
f4 = 800 Hz
16.คลื่น เสียง และทัศนศาสตร์
คำตอบ: f″ = 30888 Hz
คลื่นนิ่งและปรากฏการณ์ดอปเพลอร์: เส้นเชือกที่ตรึงปลายทั้งสองข้างหรือท่อที่เปิดปลายทั้งสองข้างมีความยาวพอดีกับจำนวนเต็มเท่าของครึ่งความยาวคลื่น: L = nλ/2, fn = n·v/(2L), n = 1, 2, 3, … ท่อปลายปิดข้างหนึ่งมีบัพที่ปลายปิดและปฏิบัพที่ปลายเปิด: L = nλ/4 เฉพาะ n ที่เป็นเลขคี่ fn = n·v/(4L) เมื่อแหล่งกำเนิดหรือผู้สังเกตเคลื่อนที่ตามแนวเส้นตรงระหว่างกัน f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs): ใช้เครื่องหมายบนสำหรับการเคลื่อนที่เข้าหากัน คลื่นสองคลื่นที่มีความถี่ใกล้เคียงกันเกิดบีตที่ |f₁ − f₂|