รถยนต์ที่วิ่งด้วยความเร็ว 108 km/h เบรกด้วยความหน่วงคงที่ 5.5 m/s² จนหยุด หาระยะเบรก s
v₀ = 108 km/ha = −5.5 m/s²v = 0
s = m
2.จลนศาสตร์ยาก
โยนลูกบอลขึ้นตรง ๆ ด้วยความเร็ว 11 m/s จากขอบหลังคาที่สูงจากพื้น 25 m ไม่คิดแรงต้านอากาศ และใช้ g = 9.81 m/s² ลูกบอลกระทบพื้นหลังจากโยนไปนานเท่าใด หา t
v₀ = 11 m/sh₀ = 25 mg = 9.81 m/s²
t = s
3.กฎของนิวตันปานกลาง
กล่องหนัก 10 kg ถูกดันขึ้นทางลาดที่ทำมุม 20° กับแนวนอนด้วยอัตราเร็วคงที่ โดยแรงขนานกับทางลาด สัมประสิทธิ์แรงเสียดทานจลน์คือ 0.25 ใช้ g = 9.81 m/s² จงหาแรงดัน F
m = 10 kgθ = 20°μ = 0.25g = 9.81 m/s²
F = N
4.กฎของนิวตันยาก
ก้อนวัตถุถูกผลักให้เริ่มไถลขึ้นทางลาด 20° ด้วยอัตราเร็ว 11 m/s สัมประสิทธิ์แรงเสียดทานจลน์คือ 0.1 ใช้ g = 9.81 m/s² ไถลไปตามทางลาดไกลเท่าใด d ก่อนหยุด
v₀ = 11 m/sθ = 20°μ = 0.1g = 9.81 m/s²
d = m
5.การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์ปานกลาง
เตะลูกบอลจากพื้นราบด้วย 40 m/s ที่มุม 45° เหนือแนวนอนไปทางกำแพงที่ห่าง 49 m ไม่คิดแรงต้านอากาศและใช้ g = 9.81 m/s² ลูกบอลผ่านกำแพงที่ความสูงเท่าใด y
v₀ = 40 m/sθ = 45°x = 49 mg = 9.81 m/s²
y = m
6.การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์ยาก
ลูกบอลถูกยิงออกไปทำมุม 30° เหนือแนวนอน จากยอดหน้าผาสูง 45 m ไม่คิดแรงต้านอากาศ หาระยะทางในแนวนอน x ที่ลูกบอลเคลื่อนที่ก่อนกระทบพื้น
v0 = 17 m/sθ = 30°h = 45 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.การเคลื่อนที่เป็นวงกลมปานกลาง
รถยนต์วิ่งผ่านทางโค้งราบรัศมี 80 m สัมประสิทธิ์ความเสียดทานสถิตระหว่างยางกับถนนคือ 0.7 ใช้ g = 9.81 m/s² หาอัตราเร็วสูงสุด vmax ที่รถผ่านโค้งได้โดยไม่ไถล
r = 80 mμs = 0.7g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.การเคลื่อนที่เป็นวงกลมยาก
ลูกบอลมวล 0.5 kg ผูกกับเชือกยาว 0.8 m ถูกเหวี่ยงเป็นวงกลมแนวดิ่ง ที่จุดต่ำสุดมันเคลื่อนที่ด้วย 8 m/s ใช้ g = 9.81 m/s² หาแรงตึง T ในเชือกที่จุดต่ำสุด
m = 0.5 kgr = 0.8 mv = 8 m/sg = 9.81 m/s²
T = N
9.งานและพลังงานปานกลาง
รถ 1500 kg ขึ้นเนินลาด 3° ด้วย 54 km/h คงที่ แรงต้านอากาศและแรงต้านการหมุนของล้อรวมกันเป็น 200 N จงหากำลัง P ที่ล้อต้องส่ง ในหน่วย kW
ก้อนวัตถุ 2 kg วางบนโต๊ะแนวนอนขรุขระ (μ = 0.25) เชือกเบาพาดจากก้อนวัตถุนั้นผ่านรอกเรียบที่ขอบโต๊ะไปยังก้อนวัตถุ 6 kg ที่แขวนอยู่ ระบบถูกปล่อยจากหยุดนิ่ง จงหาอัตราเร็ว v ของก้อนวัตถุทั้งสองหลังก้อนที่แขวนตกลงมา 1.5 m
m1 = 2 kgm2 = 6 kgμ = 0.25d = 1.5 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.โมเมนตัมและการชนปานกลาง
กระสุน 10 g ถูกยิงในแนวนอนเข้าไปในก้อนไม้หนัก 1.5 kg ที่แขวนด้วยเชือกเบา และฝังอยู่ในนั้น ก้อนไม้แกว่งขึ้นจนสูงกว่าตอนเริ่มต้น 15 cm ใช้ g = 9.81 m/s² จงหาอัตราเร็ว v ของกระสุนก่อนชน
m = 10 gM = 1.5 kgh = 15 cmg = 9.81 m/s²
v = m/s
12.โมเมนตัมและการชนยาก
กระสุน 5 g ถูกยิงในแนวนอนเข้าไปในก้อนไม้หนัก 5 kg ที่แขวนด้วยเชือกเบายาว 1.9 m และฝังอยู่ในนั้น เชือกแกว่งออกไปทำมุมมากที่สุด 40° จากแนวดิ่ง ใช้ g = 9.81 m/s² จงหาอัตราเร็ว v ของกระสุนก่อนชน
m = 5 gM = 5 kgL = 1.9 mθ = 40°g = 9.81 m/s²
v = m/s
13.สปริงและลูกตุ้มปานกลาง
ลูกตุ้มอย่างง่ายต้องยาวเท่าใดจึงจะมีคาบ 1.3 s ใช้ g = 9.81 m/s² หา L
T = 1.3 sg = 9.81 m/s²
L = m
14.สปริงและลูกตุ้มยาก
มวล 0.4 kg บนสปริงที่ k = 270 N/m ถูกดึงออกจากสมดุล 8 cm แล้วปล่อย หาพลังงานรวม E ของการสั่น
เลนส์บางสองอันมีแกนร่วมกัน ห่างกัน 30 cm: เลนส์ 1 มี f₁ = 8 cm และเลนส์ 2 มี f₂ = −20 cm วัตถุอยู่หน้าเลนส์ 1 เป็นระยะ 20 cm จงหาตำแหน่ง di2 ของภาพสุดท้ายโดยวัดจากเลนส์ 2 (เป็นบวกเมื่ออยู่ไกลกว่าเลนส์ 2 ใช้ข้อตกลงภาพจริงเป็นบวก)
f1 = 8 cmf2 = −20 cms = 30 cmdo = 20 cm
di2 = cm
3สารละลาย
1.จลนศาสตร์
คำตอบ: s = 81.82 m
การเคลื่อนที่ด้วยความเร่งคงที่: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² และ v² = v₀² + 2·a·s เลือกสมการที่มีปริมาณสามอย่างที่คุณทราบและหนึ่งอย่างที่ต้องการ และรักษาเครื่องหมายให้สอดคล้องกับทิศทางบวกเพียงทิศเดียว
หน่วย
v₀ = 108/3.6 = 30 m/s
ระยะเบรก
0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 30²/(2·5.5) = 81.82 m
คำตอบ
s = 81.82 m
2.จลนศาสตร์
คำตอบ: t = 3.642 s
การเคลื่อนที่ด้วยความเร่งคงที่: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² และ v² = v₀² + 2·a·s เลือกสมการที่มีปริมาณสามอย่างที่คุณทราบและหนึ่งอย่างที่ต้องการ และรักษาเครื่องหมายให้สอดคล้องกับทิศทางบวกเพียงทิศเดียว
สมการการเคลื่อนที่
ทิศขึ้นเป็นบวก และพื้นอยู่ต่ำกว่าจุดเริ่มต้น h₀
−25 = 11·t − ½·9.81·t²
4.905·t² − 11·t − 25 = 0
แก้สมการกำลังสอง
มีเพียงรากที่เป็นบวกเท่านั้นที่เป็นไปได้ทางกายภาพ
t = (11 + √(11² + 2·9.81·25))/9.81 = 3.642 s
คำตอบ
t = 3.642 s
3.กฎของนิวตัน
คำตอบ: F = 56.6 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.
แรงตามแนวพื้นเอียง
อัตราเร็วคงที่: แรงสมดุลกัน
F = m·g·sin θ + μ·m·g·cos θ
แรงดัน
F = 33.55 + 23.05 = 56.6 N
คำตอบ
F = 56.6 N
4.กฎของนิวตัน
คำตอบ: d = 14.15 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.
ความหน่วง
แรงทั้งสองชี้ลงตามเนิน มวลหักล้างกัน
a = 9.81·(sin 20° + 0.1·cos 20°) = 4.277 m/s²
ระยะทาง
d = v₀²/(2a) = 11²/(2·4.277) = 14.15 m
คำตอบ
d = 14.15 m
5.การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์
คำตอบ: y = 34.28 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 = 40·cos 45° = 28.28 m/s
t = x/vx = 49/28.28 = 1.732 s
ความสูงขณะนั้น
y = 28.28·1.732 − ½·9.81·1.732² = 34.28 m
คำตอบ
y = 34.28 m
ลูกบอลยังกำลังขึ้นอยู่ที่กำแพง
6.การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์
คำตอบ: x = 59.14 m
การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์: เมื่อไม่มีแรงต้านอากาศ x = vxt และ y = h + vyt − ½gt² ทั้งสองทิศทางเป็นอิสระต่อกัน ยกเว้นว่าใช้เวลาเดียวกัน
แยกความเร็วต้น
ความเร็วในแนวนอนคงที่ การเคลื่อนที่ในแนวดิ่งมีความเร่งคงที่ g = 9.81 m/s² ลงด้านล่าง
vx = v0·cos θ = 17·cos 30° = 14.72 m/s
vy = v0·sin θ = 17·sin 30° = 8.5 m/s
เวลาที่อยู่ในอากาศ
แก้ y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0 หาค่ารากที่เป็นบวก
0 = 45 + 8.5·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (8.5 + √(72.25 + 882.9))/9.81 = 4.017 s
ระยะทางในแนวนอน
x = vx·t = 14.72·4.017 = 59.14 m
คำตอบ
x = 59.14 m
7.การเคลื่อนที่เป็นวงกลม
คำตอบ: vmax = 23.44 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) = √(0.7·9.81·80) = 23.44 m/s
คำตอบ
vmax = 23.44 m/s (84.38 km/h)
8.การเคลื่อนที่เป็นวงกลม
คำตอบ: T = 44.91 N
การเคลื่อนที่เป็นวงกลมอย่างสม่ำเสมอ: วัตถุที่เคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็ว v บนวงกลมรัศมี r มีความเร่งเข้าหาศูนย์กลาง a = v²/r จึงต้องมีแรงลัพธ์ชี้เข้าด้านใน F = m·v²/r แรงนี้มาจากสิ่งที่มีอยู่จริง เช่น แรงเสียดทาน แรงตึง แรงโน้มถ่วง หรือแรงแนวฉาก
½(m₁ + m₂)v² = 80.93 → v = √(2·80.93/8) = 4.498 m/s
คำตอบ
v = 4.498 m/s
11.โมเมนตัมและการชน
คำตอบ: v = 259 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) = √(2·9.81·0.15) = 1.716 m/s
การชน
m·v = (m + M)·V → v = (0.01 + 1.5)·1.716/0.01 = 259 m/s
คำตอบ
v = 259 m/s
12.โมเมนตัมและการชน
คำตอบ: v = 2956 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) = 1.9·(1 − cos 40°) = 0.4445 m
อัตราเร็วหลังการชน
V = √(2·9.81·0.4445) = 2.953 m/s
การชน
v = (m + M)·V/m = 5.005·2.953/0.005 = 2956 m/s
คำตอบ
v = 2956 m/s
13.สปริงและลูกตุ้ม
คำตอบ: L = 0.4199 m
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
แก้หาความยาว
L = g·(T/2π)² = 9.81·(1.3/2π)² = 0.4199 m
คำตอบ
L = 0.4199 m
14.สปริงและลูกตุ้ม
คำตอบ: E = 0.864 J
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 = √(270/0.4) = 25.98 rad/s
พลังงาน
E = ½·k·A² = ½·270·0.08² = 0.864 J
คำตอบ
E = 0.864 J
15.คลื่น เสียง และทัศนศาสตร์
คำตอบ: θc = 47.33 °
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 = 1.00/1.36 = 0.7353
มุมวิกฤต
θc = arcsin(0.7353) = 47.33°
คำตอบ
θc = 47.33°
16.คลื่น เสียง และทัศนศาสตร์
คำตอบ: di2 = −9.091 cm
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