คนขับที่ขับด้วย 100 km/h เห็นสิ่งกีดขวาง เวลาตอบสนองของเธอคือ 1.5 s หลังจากนั้นรถเบรกด้วยความหน่วงคงที่ 4 m/s² จงหาระยะหยุดทั้งหมด d นับจากขณะที่เธอเห็นสิ่งกีดขวาง
v₀ = 100 km/htr = 1.5 sa = −4 m/s²
d = m
2.จลนศาสตร์ยาก
โยนลูกบอลขึ้นตรง ๆ ด้วยความเร็ว 15 m/s จากขอบหลังคาที่สูงจากพื้น 30 m ไม่คิดแรงต้านอากาศ และใช้ g = 9.81 m/s² หาความสูงสูงสุด hmax เหนือพื้น
v₀ = 15 m/sh₀ = 30 mg = 9.81 m/s²
hmax = m
3.กฎของนิวตันปานกลาง
ก้อนวัตถุมวล 8 kg เลื่อนลงตามพื้นเอียงไร้แรงเสียดทานที่ทำมุม 20° กับแนวนอน ใช้ g = 9.81 m/s² หาความเร่ง a ของก้อนวัตถุตามแนวพื้นเอียง
m = 8 kgθ = 20°μ = 0g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.กฎของนิวตันยาก
ก้อนวัตถุถูกผลักให้เริ่มไถลขึ้นทางลาด 15° ด้วยอัตราเร็ว 10 m/s สัมประสิทธิ์แรงเสียดทานจลน์คือ 0.25 ใช้ g = 9.81 m/s² ไถลไปตามทางลาดไกลเท่าใด d ก่อนหยุด
v₀ = 10 m/sθ = 15°μ = 0.25g = 9.81 m/s²
d = m
5.การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์ปานกลาง
ยิงลูกบอลจากพื้นราบด้วย 34 m/s และต้องตกห่างออกไป 65 m ไม่คิดแรงต้านอากาศและใช้ g = 9.81 m/s² จงหามุมยิง θ ที่น้อยกว่าในสองค่าที่เป็นไปได้
v₀ = 34 m/sR = 65 mg = 9.81 m/s²
θ = °
6.การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์ยาก
ลูกบอลถูกยิงออกไปทำมุม 15° เหนือแนวนอน จากยอดหน้าผาสูง 45 m ไม่คิดแรงต้านอากาศ หาเวลาเคลื่อนที่ t จนกระทั่งลูกบอลกระทบพื้น
v0 = 11 m/sθ = 15°h = 45 mg = 9.81 m/s²
t = s
7.การเคลื่อนที่เป็นวงกลมปานกลาง
รถยนต์วิ่งผ่านทางโค้งราบรัศมี 145 m สัมประสิทธิ์ความเสียดทานสถิตระหว่างยางกับถนนคือ 0.6 ใช้ g = 9.81 m/s² หาอัตราเร็วสูงสุด vmax ที่รถผ่านโค้งได้โดยไม่ไถล
r = 145 mμs = 0.6g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.การเคลื่อนที่เป็นวงกลมยาก
ลูกบอลมวล 2 kg ผูกกับเชือกยาว 0.5 m ถูกเหวี่ยงเป็นวงกลมแนวดิ่ง ที่จุดต่ำสุดมันเคลื่อนที่ด้วย 5 m/s ใช้ g = 9.81 m/s² หาแรงตึง T ในเชือกที่จุดต่ำสุด
m = 2 kgr = 0.5 mv = 5 m/sg = 9.81 m/s²
T = N
9.งานและพลังงานปานกลาง
ก้อนวัตถุมวล 2 kg เลื่อนลงไป 11 m ตามพื้นเอียงที่ทำมุม 20° กับแนวนอน โดยมีสัมประสิทธิ์ความเสียดทานจลน์ 0.1 หางาน Wf ที่ทำต้านแรงเสียดทาน
m = 2 kgθ = 20°μ = 0.1d = 11 mg = 9.81 m/s²
Wf = J
10.งานและพลังงานยาก
รถเข็น 5 kg ถูกปล่อยจากหยุดนิ่งที่ความสูง 10.5 m บนรางเรียบที่นำเข้าสู่ลูปวงกลมแนวดิ่งรัศมี 3 m จงหาแรงตั้งฉาก N ที่รางกระทำต่อรถเข็นที่จุดสูงสุดของลูป
m = 5 kgh = 10.5 mR = 3 mg = 9.81 m/s²
N = N
11.โมเมนตัมและการชนปานกลาง
กระสุน 8 g ถูกยิงในแนวนอนเข้าไปในก้อนไม้หนัก 2.5 kg ที่แขวนด้วยเชือกเบา และฝังอยู่ในนั้น ก้อนไม้แกว่งขึ้นจนสูงกว่าตอนเริ่มต้น 20 cm ใช้ g = 9.81 m/s² จงหาอัตราเร็ว v ของกระสุนก่อนชน
m = 8 gM = 2.5 kgh = 20 cmg = 9.81 m/s²
v = m/s
12.โมเมนตัมและการชนยาก
ที่ทางแยก รถมวล 1700 kg ที่แล่นไปทางตะวันออกด้วย 10 m/s ชนกับรถมวล 1700 kg ที่แล่นไปทางเหนือด้วย 9 m/s รถทั้งสองคันติดกัน จงหาอัตราเร็ว v′ ของซากรถทันทีหลังการชน
m1 = 1700 kgv1 = 10 m/s (E)m2 = 1700 kgv2 = 9 m/s (N)
v′ = m/s
13.สปริงและลูกตุ้มปานกลาง
นักบินอวกาศบนดาวดวงอื่นพบว่าลูกตุ้มอย่างง่ายยาว 1.1 m มีคาบ 2.21 s สำหรับการแกว่งเล็ก ๆ จงหาความเร่งโน้มถ่วง g บนดาวดวงนั้น
L = 1.1 mT = 2.21 s
g = m/s²
14.สปริงและลูกตุ้มยาก
วัตถุแกว่งแบบฮาร์มอนิกอย่างง่ายด้วยคาบ 1.3 s และแอมพลิจูด 13 cm ต้องใช้เวลาสั้นที่สุด t เท่าใดในการเคลื่อนที่จากการกระจัดสูงสุด 13 cm ไปยังการกระจัด 11.7 cm
วัตถุอยู่หน้ากระจกเว้า 20 cm ซึ่งมีรัศมีความโค้ง 10 cm จงหากำลังขยาย m (เป็นลบสำหรับภาพหัวกลับ)
do = 20 cmR = 10 cm
m =
3สารละลาย
1.จลนศาสตร์
คำตอบ: d = 138.1 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.
หน่วย
v₀ = 100/3.6 = 27.78 m/s
ระยะตอบสนอง
d1 = v₀·tr = 27.78·1.5 = 41.67 m
ระยะเบรก
d2 = v₀²/(2a) = 27.78²/(2·4) = 96.45 m
รวม
d = 41.67 + 96.45 = 138.1 m
คำตอบ
d = 138.1 m
2.จลนศาสตร์
คำตอบ: hmax = 41.47 m
การเคลื่อนที่ด้วยความเร่งคงที่: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² และ v² = v₀² + 2·a·s เลือกสมการที่มีปริมาณสามอย่างที่คุณทราบและหนึ่งอย่างที่ต้องการ และรักษาเครื่องหมายให้สอดคล้องกับทิศทางบวกเพียงทิศเดียว
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.
ความหน่วง
แรงทั้งสองชี้ลงตามเนิน มวลหักล้างกัน
a = 9.81·(sin 15° + 0.25·cos 15°) = 4.908 m/s²
ระยะทาง
d = v₀²/(2a) = 10²/(2·4.908) = 10.19 m
คำตอบ
d = 10.19 m
5.การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์
คำตอบ: θ = 16.74 °
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 = 9.81·65/34² = 0.5516
มุม
2θ = 33.48° → θ = 16.74°
คำตอบ
θ = 16.74°
คำตอบอีกค่าหนึ่งคือ 90° − θ = 73.26°
6.การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์
คำตอบ: t = 3.333 s
การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์: เมื่อไม่มีแรงต้านอากาศ x = vxt และ y = h + vyt − ½gt² ทั้งสองทิศทางเป็นอิสระต่อกัน ยกเว้นว่าใช้เวลาเดียวกัน
แยกความเร็วต้น
ความเร็วในแนวนอนคงที่ การเคลื่อนที่ในแนวดิ่งมีความเร่งคงที่ g = 9.81 m/s² ลงด้านล่าง
vx = v0·cos θ = 11·cos 15° = 10.63 m/s
vy = v0·sin θ = 11·sin 15° = 2.847 m/s
เวลาที่อยู่ในอากาศ
แก้ y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0 หาค่ารากที่เป็นบวก
0 = 45 + 2.847·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (2.847 + √(8.105 + 882.9))/9.81 = 3.333 s
คำตอบ
t = 3.333 s
7.การเคลื่อนที่เป็นวงกลม
คำตอบ: vmax = 29.21 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) = √(0.6·9.81·145) = 29.21 m/s
คำตอบ
vmax = 29.21 m/s (105.2 km/h)
8.การเคลื่อนที่เป็นวงกลม
คำตอบ: T = 119.6 N
การเคลื่อนที่เป็นวงกลมอย่างสม่ำเสมอ: วัตถุที่เคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็ว v บนวงกลมรัศมี r มีความเร่งเข้าหาศูนย์กลาง a = v²/r จึงต้องมีแรงลัพธ์ชี้เข้าด้านใน F = m·v²/r แรงนี้มาจากสิ่งที่มีอยู่จริง เช่น แรงเสียดทาน แรงตึง แรงโน้มถ่วง หรือแรงแนวฉาก
รถเข็นผ่านลูปไปได้พอดีเมื่อ h = 2.5R ซึ่งที่จุดสูงสุด N = 0
11.โมเมนตัมและการชน
คำตอบ: v = 621 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.
การแกว่งหลังการชน
V = √(2·g·h) = √(2·9.81·0.2) = 1.981 m/s
การชน
m·v = (m + M)·V → v = (0.008 + 2.5)·1.981/0.008 = 621 m/s
คำตอบ
v = 621 m/s
12.โมเมนตัมและการชน
คำตอบ: v′ = 6.727 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.
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.
แก้หา g
g = 4π²·L/T² = 4π²·1.1/2.21² = 8.891 m/s²
คำตอบ
g = 8.891 m/s²
14.สปริงและลูกตุ้ม
คำตอบ: t = 0.09332 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/1.3 = 4.833 rad/s
แก้สมการหาเวลา
0.9 = cos(ω·t) → ω·t = arccos(0.9) = 0.451 rad
t = 0.451/4.833 = 0.09332 s
คำตอบ
t = 0.09332 s
15.คลื่น เสียง และทัศนศาสตร์
คำตอบ: θc = 34.19 °
ทัศนศาสตร์เชิงเรขาคณิต: ที่รอยต่อ n₁·sin θ₁ = n₂·sin θ₂ (กฎของสเนลล์) โดยวัดมุมจากเส้นแนวฉากและ n = c/v เมื่อเข้าสู่ตัวกลางที่ช้ากว่า รังสีหักเหเข้าหาเส้นแนวฉาก จากตัวกลางที่หนาแน่นกว่า (n₁ > n₂) เกินมุมวิกฤต θc = arcsin(n₂/n₁) แสงทั้งหมดจะสะท้อนกลับ: การสะท้อนกลับหมด เลนส์บางและกระจกทรงกลมเป็นไปตาม 1/f = 1/do + 1/di โดยกำลังขยาย m = −di/do ข้อตกลงเครื่องหมาย: f > 0 สำหรับเลนส์รวมแสงและกระจกเว้า (f = R/2), f < 0 สำหรับเลนส์กระจายแสงและกระจกนูน; di > 0 สำหรับภาพจริง, di < 0 สำหรับภาพเสมือน และ m < 0 สำหรับภาพหัวกลับ
การหักเหที่ 90°
sin θc = n₂/n₁ = 1.36/2.42 = 0.562
มุมวิกฤต
θc = arcsin(0.562) = 34.19°
คำตอบ
θc = 34.19°
16.คลื่น เสียง และทัศนศาสตร์
คำตอบ: m = −0.3333
ทัศนศาสตร์เชิงเรขาคณิต: ที่รอยต่อ n₁·sin θ₁ = n₂·sin θ₂ (กฎของสเนลล์) โดยวัดมุมจากเส้นแนวฉากและ n = c/v เมื่อเข้าสู่ตัวกลางที่ช้ากว่า รังสีหักเหเข้าหาเส้นแนวฉาก จากตัวกลางที่หนาแน่นกว่า (n₁ > n₂) เกินมุมวิกฤต θc = arcsin(n₂/n₁) แสงทั้งหมดจะสะท้อนกลับ: การสะท้อนกลับหมด เลนส์บางและกระจกทรงกลมเป็นไปตาม 1/f = 1/do + 1/di โดยกำลังขยาย m = −di/do ข้อตกลงเครื่องหมาย: f > 0 สำหรับเลนส์รวมแสงและกระจกเว้า (f = R/2), f < 0 สำหรับเลนส์กระจายแสงและกระจกนูน; di > 0 สำหรับภาพจริง, di < 0 สำหรับภาพเสมือน และ m < 0 สำหรับภาพหัวกลับ