คนขับที่ขับด้วย 80 km/h เห็นสิ่งกีดขวาง เวลาตอบสนองของเธอคือ 1.2 s หลังจากนั้นรถเบรกด้วยความหน่วงคงที่ 6 m/s² จงหาระยะหยุดทั้งหมด d นับจากขณะที่เธอเห็นสิ่งกีดขวาง
v₀ = 80 km/htr = 1.2 sa = −6 m/s²
d = m
2.จลนศาสตร์ยาก
รถรางเริ่มจากหยุดนิ่งและเร่งด้วย 3 m/s² เป็นเวลา 4 s จากนั้นวิ่งด้วยอัตราเร็วคงที่ 15 s และสุดท้ายเบรกด้วย 3 m/s² จนหยุด จงหาระยะทางรวม s ระหว่างสองป้ายหยุด
a1 = 3 m/s²t1 = 4 st2 = 15 sa3 = −3 m/s²
s = m
3.กฎของนิวตันปานกลาง
เลื่อนหนัก 15 kg ถูกดึงไปบนหิมะราบด้วยเชือกที่ทำมุม 30° เหนือแนวนอนด้วยแรง 150 N สัมประสิทธิ์แรงเสียดทานจลน์คือ 0.4 ใช้ g = 9.81 m/s² จงหาความเร่ง a ของเลื่อน
m = 15 kgF = 150 Nθ = 30°μ = 0.4g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.กฎของนิวตันยาก
ก้อนวัตถุหนัก 1.5 kg บนทางลาด 40° เชื่อมด้วยเชือกเบาผ่านรอกไร้แรงเสียดทานที่ยอดทางลาดกับมวล 9.5 kg ที่แขวนอยู่ มวลที่แขวนเคลื่อนที่ลง สัมประสิทธิ์แรงเสียดทานจลน์ระหว่างก้อนวัตถุกับทางลาดคือ 0.2 ใช้ g = 9.81 m/s² หาความเร่ง a ของระบบ
m1 = 1.5 kgm2 = 9.5 kgθ = 40°μ = 0.2g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์ปานกลาง
ยิงลูกบอลจากพื้นราบด้วย 38 m/s และต้องตกห่างออกไป 100 m ไม่คิดแรงต้านอากาศและใช้ g = 9.81 m/s² จงหามุมยิง θ ที่น้อยกว่าในสองค่าที่เป็นไปได้
v₀ = 38 m/sR = 100 mg = 9.81 m/s²
θ = °
6.การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์ยาก
ยิงลูกบอลด้วย 34 m/s ที่มุม 50° เหนือแนวนอนจากยอดหน้าผาสูง 55 m ไม่คิดแรงต้านอากาศและใช้ g = 9.81 m/s² จงหาอัตราเร็ว v ที่ลูกบอลกระทบพื้น
v₀ = 34 m/sθ = 50°h = 55 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
7.การเคลื่อนที่เป็นวงกลมปานกลาง
รถยนต์วิ่งผ่านทางโค้งราบรัศมี 60 m สัมประสิทธิ์ความเสียดทานสถิตระหว่างยางกับถนนคือ 0.3 ใช้ g = 9.81 m/s² หาอัตราเร็วสูงสุด vmax ที่รถผ่านโค้งได้โดยไม่ไถล
r = 60 mμs = 0.3g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.การเคลื่อนที่เป็นวงกลมยาก
ลูกบอลมวล 0.7 kg ผูกกับเชือกยาว 0.9 m ถูกเหวี่ยงเป็นวงกลมแนวดิ่ง ที่จุดต่ำสุดมันเคลื่อนที่ด้วย 8 m/s ใช้ g = 9.81 m/s² หาแรงตึง T ในเชือกที่จุดต่ำสุด
m = 0.7 kgr = 0.9 mv = 8 m/sg = 9.81 m/s²
T = N
9.งานและพลังงานปานกลาง
ก้อนวัตถุมวล 2 kg เลื่อนลงไป 13 m ตามพื้นเอียงที่ทำมุม 40° กับแนวนอน โดยมีสัมประสิทธิ์ความเสียดทานจลน์ 0.15 หางาน Wf ที่ทำต้านแรงเสียดทาน
m = 2 kgθ = 40°μ = 0.15d = 13 mg = 9.81 m/s²
Wf = J
10.งานและพลังงานยาก
ก้อนวัตถุ 20 kg เริ่มจากหยุดนิ่งที่ฐานของเนินลาด 25° และถูกดึงขึ้นเนินด้วยแรงคงที่ 145 N ขนานกับเนิน สัมประสิทธิ์แรงเสียดทานจลน์คือ 0.1 จงหาอัตราเร็ว v ของก้อนวัตถุหลังเคลื่อนที่ขึ้นเนินไป 8 m
กระสุนปืนมวล 17 kg เคลื่อนที่ในแนวนอนด้วย 36 m/s ระเบิดเป็นสองเศษที่เคลื่อนที่ตามแนวเส้นตรงเดียวกัน เศษมวล 2 kg เคลื่อนที่ต่อไปข้างหน้าด้วย 91 m/s จงหาความเร็ว v′2 ของเศษมวล 15 kg (ทิศทางเดิมเป็นบวก)
M = 17 kgu = 36 m/sm1 = 2 kgv′1 = 91 m/sm2 = 15 kg
v′2 = m/s
12.โมเมนตัมและการชนยาก
กระสุน 12 g ถูกยิงในแนวนอนเข้าไปในก้อนไม้หนัก 3 kg ที่แขวนด้วยเชือกเบายาว 1.6 m และฝังอยู่ในนั้น เชือกแกว่งออกไปทำมุมมากที่สุด 15° จากแนวดิ่ง ใช้ g = 9.81 m/s² จงหาอัตราเร็ว v ของกระสุนก่อนชน
m = 12 gM = 3 kgL = 1.6 mθ = 15°g = 9.81 m/s²
v = m/s
13.สปริงและลูกตุ้มปานกลาง
มวล 3.1 kg บนสปริง k = 480 N/m แกว่งบนพื้นผิวไร้แรงเสียดทานด้วยแอมพลิจูด 6 cm จงหาอัตราเร็ว v ของมันเมื่ออยู่ห่างจากตำแหน่งสมดุล 1 cm
m = 3.1 kgk = 480 N/mA = 6 cmx = 1 cm
v = m/s
14.สปริงและลูกตุ้มยาก
มวล 3.2 kg บนสปริงที่ k = 260 N/m ถูกดึงออกจากสมดุล 3 cm แล้วปล่อย หาอัตราเร็วสูงสุด vmax
m = 3.2 kgk = 260 N/mA = 3 cm
vmax = m/s
15.คลื่น เสียง และทัศนศาสตร์ปานกลาง
เส้นเชือกที่ตรึงปลายทั้งสองข้าง ยาว 0.75 m คลื่นเคลื่อนที่บนนั้นด้วย 80 m/s จงหาความถี่ f1 ของความถี่มูลฐาน (ฮาร์มอนิกที่หนึ่ง)
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.
หน่วย
v₀ = 80/3.6 = 22.22 m/s
ระยะตอบสนอง
d1 = v₀·tr = 22.22·1.2 = 26.67 m
ระยะเบรก
d2 = v₀²/(2a) = 22.22²/(2·6) = 41.15 m
รวม
d = 26.67 + 41.15 = 67.82 m
คำตอบ
d = 67.82 m
2.จลนศาสตร์
คำตอบ: s = 228 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.
อัตราเร็วสูงสุด
v = a1·t1 = 3·4 = 12 m/s
ระยะทางของแต่ละช่วง
s1 = ½·3·4² = 24 m
s2 = 12·15 = 180 m
s3 = 12²/(2·3) = 24 m
ระยะทางรวม
s = 24 + 180 + 24 = 228 m
คำตอบ
s = 228 m
3.กฎของนิวตัน
คำตอบ: a = 6.736 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.
แรงตั้งฉาก
N = m·g − F·sin θ = 147.2 − 150·sin 30° = 72.15 N
แรงในแนวนอน
m·a = F·cos θ − μ·N = 129.9 − 28.86
a = 101/15 = 6.736 m/s²
คำตอบ
a = 6.736 m/s²
4.กฎของนิวตัน
คำตอบ: a = 7.407 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 = 93.2 N
m₁·g·sin θ = 9.459 N
μ·m₁·g·cos θ = 2.254 N
ความเร่งของระบบ
a = (93.2 − 9.459 − 2.254)/11 = 7.407 m/s²
คำตอบ
a = 7.407 m/s²
5.การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์
คำตอบ: θ = 21.4 °
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.
สูตรพิสัย
R = v₀²·sin 2θ/g → sin 2θ = 9.81·100/38² = 0.6794
มุม
2θ = 42.79° → θ = 21.4°
คำตอบ
θ = 21.4°
คำตอบอีกค่าหนึ่งคือ 90° − θ = 68.6°
6.การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์
คำตอบ: v = 47.28 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.
แยกความเร็วต้น
vx = 34·cos 50° = 21.85 m/s
vy0 = 34·sin 50° = 26.05 m/s
อัตราเร็วในแนวดิ่งขณะกระทบ
พลังงาน หรือ v² = v₀² + 2as ในแนวดิ่ง
vy = √(26.05² + 2·9.81·55) = 41.92 m/s
อัตราเร็วขณะกระทบ
v = √(21.85² + 41.92²) = 47.28 m/s
คำตอบ
v = 47.28 m/s
ตรวจสอบด้วยพลังงาน: v² = v₀² + 2gh
7.การเคลื่อนที่เป็นวงกลม
คำตอบ: vmax = 13.29 m/s
การเคลื่อนที่เป็นวงกลมอย่างสม่ำเสมอ: วัตถุที่เคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็ว v บนวงกลมรัศมี r มีความเร่งเข้าหาศูนย์กลาง a = v²/r จึงต้องมีแรงลัพธ์ชี้เข้าด้านใน F = m·v²/r แรงนี้มาจากสิ่งที่มีอยู่จริง เช่น แรงเสียดทาน แรงตึง แรงโน้มถ่วง หรือแรงแนวฉาก
แรงเสียดทานเป็นแรงสู่ศูนย์กลาง
m·v²/r = μ·m·g
v = √(μ·g·r) = √(0.3·9.81·60) = 13.29 m/s
คำตอบ
vmax = 13.29 m/s (47.84 km/h)
8.การเคลื่อนที่เป็นวงกลม
คำตอบ: T = 56.64 N
การเคลื่อนที่เป็นวงกลมอย่างสม่ำเสมอ: วัตถุที่เคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็ว v บนวงกลมรัศมี r มีความเร่งเข้าหาศูนย์กลาง a = v²/r จึงต้องมีแรงลัพธ์ชี้เข้าด้านใน F = m·v²/r แรงนี้มาจากสิ่งที่มีอยู่จริง เช่น แรงเสียดทาน แรงตึง แรงโน้มถ่วง หรือแรงแนวฉาก
แรงที่จุดต่ำสุด
ทิศเข้าหาศูนย์กลาง (ขึ้น) เป็นบวก
T − m·g = m·v²/r
T = 0.7·9.81 + 0.7·8²/0.9 = 6.867 + 49.78 = 56.64 N
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.
โมเมนตัมก่อนชน
p = M·u = 17·36 = 612 kg·m/s
โมเมนตัมหลังชน
612 = 2·91 + 15·v′2
v′2 = (612 − 182)/15 = 28.67 m/s
คำตอบ
v′2 = 28.67 m/s
12.โมเมนตัมและการชน
คำตอบ: v = 259.6 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.
ความสูงที่ก้อนไม้ขึ้นไป
h = L·(1 − cos θ) = 1.6·(1 − cos 15°) = 0.05452 m
อัตราเร็วหลังการชน
V = √(2·9.81·0.05452) = 1.034 m/s
การชน
v = (m + M)·V/m = 3.012·1.034/0.012 = 259.6 m/s
คำตอบ
v = 259.6 m/s
13.สปริงและลูกตุ้ม
คำตอบ: v = 0.7362 m/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 = √(480/3.1) = 12.44 rad/s
อัตราเร็วที่ x
v = ω·√(A² − x²) = 12.44·√(0.06² − 0.01²) = 0.7362 m/s
คำตอบ
v = 0.7362 m/s
14.สปริงและลูกตุ้ม
คำตอบ: vmax = 0.2704 m/s
การเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่าย: มวล m บนสปริงที่มีค่าความแข็ง k สั่นด้วยความถี่เชิงมุม ω = √(k/m) และคาบ T = 2π/ω = 2π·√(m/k) ลูกตุ้มอย่างง่ายยาว L มี T = 2π·√(L/g) เมื่อแอมพลิจูดคือ A อัตราเร็วสูงสุดคือ A·ω ความเร่งสูงสุดคือ A·ω² และพลังงานคือ ½·k·A²
ความถี่เชิงมุม
ω = √(260/3.2) = 9.014 rad/s
อัตราเร็วสูงสุด
vmax = A·ω = 0.03·9.014 = 0.2704 m/s
คำตอบ
vmax = 0.2704 m/s
15.คลื่น เสียง และทัศนศาสตร์
คำตอบ: f1 = 53.33 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 = 2·0.75/1 = 1.5 m
ความถี่
f = v/λ = 80/1.5 = 53.33 Hz
คำตอบ
f1 = 53.33 Hz
16.คลื่น เสียง และทัศนศาสตร์
คำตอบ: fb = 2755 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|