Переведіть одиниці: нм, мм і см у м, і перевірте, чи кути відлічено від нормалі.
Перевірте знаки та правдоподібність: уявне зображення має dᵢ < 0, джерело, що наближається, звучить вище, закрита труба має лише непарні гармоніки.
2Задачі для практики
1.КінематикаСередня
Автомобіль, що їде зі швидкістю 80 km/h, гальмує зі сталим сповільненням 5,5 m/s² до повної зупинки. Скільки триває гальмування? Знайдіть t.
v₀ = 80 km/ha = −5,5 m/s²v = 0
t = s
2.КінематикаСкладна
М’яч кидають вертикально вгору зі швидкістю 13 m/s з краю даху на висоті 10 m над землею. Опором повітря знехтуйте, g = 9,81 m/s². Знайдіть найбільшу висоту hmax над землею.
v₀ = 13 m/sh₀ = 10 mg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Закони НьютонаСередня
Брусок масою 19 kg ковзає вниз похилою площиною під кутом 35° до горизонту. Коефіцієнт тертя ковзання 0,1. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть прискорення a бруска вздовж площини.
m = 19 kgθ = 35°μ = 0,1g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Закони НьютонаСкладна
Брусок масою 5 kg на горизонтальному столі з’єднаний легкою ниткою, перекинутою через блок без тертя, з підвішеним вантажем масою 2 kg. Коефіцієнт тертя ковзання між бруском і столом 0,1. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть прискорення a системи.
m1 = 5 kgm2 = 2 kgμ = 0,1g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Рух тіла, кинутого під кутомСередня
М’яч кидають з рівної землі зі швидкістю 32 m/s, і він має впасти на відстані 95 m. Нехтуйте опором повітря й прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть менший із двох можливих кутів кидання θ.
v₀ = 32 m/sR = 95 mg = 9,81 m/s²
θ = °
6.Рух тіла, кинутого під кутомСкладна
М’яч кидають зі швидкістю 35 m/s під кутом 55° над горизонталлю з вершини скелі заввишки 50 m. Нехтуйте опором повітря й прийміть g = 9,81 m/s². Під яким кутом α нижче від горизонталі він ударяється об землю?
v₀ = 35 m/sθ = 55°h = 50 mg = 9,81 m/s²
α = °
7.Робота й енергіяСередня
Іграшкова пускова установка має вертикальну пружину жорсткістю 800 N/m. На неї кладуть кульку 0,1 kg, стискають пружину на 6 cm і відпускають. Нехтуючи опором повітря й масою пружини, знайдіть висоту h, на яку піднімається кулька, відраховану від її положення при стиснутій пружині.
m = 0,1 kgk = 800 N/mx = 6 cmg = 9,81 m/s²
h = m
8.Робота й енергіяСкладна
Брусок масою 4 kg відпускають без початкової швидкості на висоті 1,5 m на гладкій рампі. Унизу він перетинає шорстку горизонтальну смугу довжиною 3 m (μ = 0,3), а потім натрапляє на пружину (k = 500 N/m) на гладкій поверхні. Знайдіть найбільше стиснення x пружини.
m = 4 kgh = 1,5 mL = 3 mμ = 0,3k = 500 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
9.Імпульс і зіткненняСередня
Снаряд масою 16 kg, що рухається горизонтально зі швидкістю 24 m/s, розривається на два уламки, які рухаються вздовж тієї самої прямої. Уламок масою 4 kg продовжує рух уперед зі швидкістю 49 m/s. Знайдіть швидкість v′2 уламка масою 12 kg (додатна в початковому напрямку).
M = 16 kgu = 24 m/sm1 = 4 kgv′1 = 49 m/sm2 = 12 kg
v′2 = m/s
10.Імпульс і зіткненняСкладна
Автомобіль масою 1600 kg налітає на припаркований автомобіль масою 1900 kg. Уламки зчіплюються й ковзають 16,5 m до зупинки. Коефіцієнт тертя ковзання між шинами й дорогою 0,7. Прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть швидкість v1 першого автомобіля безпосередньо перед зіткненням.
Вертикальний прямокутний затвор шириною 1,5 m розташований у стінці резервуара з рідиною (вода), його верхній край на 0,5 m нижче поверхні. Знайдіть рівнодійну гідростатичну силу F на затвор.
Вертикальний прямокутний затвор шириною 2 m розташований у стінці резервуара з рідиною (олія), його верхній край на 3 m нижче поверхні. Знайдіть рівнодійну гідростатичну силу F на затвор.
d = 3 mH = 1,5 mb = 2 mρ = 880 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
13.Нерозривність і БернулліСередня
Трубка Піто–Прандтля у водопровідній трубі показує різницю 3 kPa між тиском гальмування і статичним тиском. Знайдіть швидкість води v біля носика трубки.
p0 − p = 3 kPaρ = 1000 kg/m³
v = m/s
14.Нерозривність і БернулліСкладна
Шланг із внутрішнім діаметром 40 mm працює як сифон і відбирає воду з відкритого резервуара. Найвища точка шланга C на 2 m вище за поверхню води, а вихід (відкритий в атмосферу) на 3,5 m нижче за поверхню води. Нехтуйте втратами й прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть витрату Q.
d = 40 mmzC = +2 mz2 = −3,5 mg = 9,81 m/s²
Q = L/s
15.Рівняння стану ідеального газуСередня
Резервуар об’ємом 5 L містить 470 g газу (CO₂) при 0 °C. Вважайте газ ідеальним і знайдіть тиск P.
Теплова машина працює між гарячим резервуаром при 625 °C і холодним при 15 °C. Знайдіть найбільший можливий термічний ККД ηmax.
TH = 625 °CTL = 15 °C
ηmax = %
18.Теплові машини й холодильникиСкладна
Тепловий насос подає 16,5 kW теплоти в систему опалення з температурою 55 °C, відбираючи теплоту від джерела з температурою 0 °C. Його дійсний COP становить 55 % від COP Карно між цими температурами. Знайдіть електричну потужність Ẇ, яку він споживає.
TH = 55 °CTL = 0 °CηII = 55%Q̇H = 16,5 kW
Ẇ = kW
19.Хвилі, звук і оптикаСередня
Предмет стоїть на відстані 15 см перед тонкою лінзою (розсіювальна) з фокусною відстанню 30 см. Знайдіть відстань до зображення di. Користуйтеся правилом знаків 1/f = 1/do + 1/di (f < 0 для розсіювальної лінзи, di < 0 для уявного зображення).
do = 15 cmf = −30 cm
di = cm
20.Хвилі, звук і оптикаСкладна
Світло з довжиною хвилі 450 нм проходить крізь одну щілину шириною 0,15 мм. Знайдіть кут θ2 темної смуги номер 2 відносно напрямку прямого проходження.
λ = 450 nma = 0,15 mmm = 2
θ2 = °
3Розчини
1.Кінематика
Відповідь: t = 4,04 s
Рух зі сталим прискоренням: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² і v² = v₀² + 2·a·s. Виберіть рівняння, до якого входять три відомі величини й шукана, і стежте за знаками відносно одного додатного напрямку.
Одиниці
v₀ = 80/3,6 = 22,22 m/s
Час гальмування
0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 22,22/5,5 = 4,04 s
Відповідь
t = 4,04 s
2.Кінематика
Відповідь: hmax = 18,61 m
Рух зі сталим прискоренням: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² і v² = v₀² + 2·a·s. Виберіть рівняння, до якого входять три відомі величини й шукана, і стежте за знаками відносно одного додатного напрямку.
Підйом над дахом
0 = v₀² − 2·g·Δh → Δh = 13²/(2·9,81) = 8,614 m
Висота над землею
hmax = 10 + 8,614 = 18,61 m
Відповідь
hmax = 18,61 m
3.Закони Ньютона
Відповідь: a = 4,823 m/s²
Другий закон Ньютона: рівнодійна сил, що діють на тіло, дорівнює добутку його маси на прискорення, ΣF = m·a. Накресліть розрахункову схему, виберіть додатний напрямок уздовж руху й додайте всі сили в цьому напрямку: прикладені сили, тертя μ·N проти руху та складові сили тяжіння.
Другий закон Ньютона: рівнодійна сил, що діють на тіло, дорівнює добутку його маси на прискорення, ΣF = m·a. Накресліть розрахункову схему, виберіть додатний напрямок уздовж руху й додайте всі сили в цьому напрямку: прикладені сили, тертя μ·N проти руху та складові сили тяжіння.
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.
Формула дальності
R = v₀²·sin 2θ/g → sin 2θ = 9,81·95/32² = 0,9101
Кут
2θ = 65,52° → θ = 32,76°
Відповідь
θ = 32,76°
Інший розв’язок 90° − θ = 57,24°.
6.Рух тіла, кинутого під кутом
Відповідь: α = 64,7 °
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.
Розкладіть початкову швидкість
vx = 35·cos 55° = 20,08 m/s
vy0 = 35·sin 55° = 28,67 m/s
Вертикальна швидкість у момент удару
Енергія або v² = v₀² + 2as у вертикальному напрямку.
vy = √(28,67² + 2·9,81·50) = 42,46 m/s
Кут удару
tan α = vy/vx = 42,46/20,08 → α = 64,7°
Відповідь
α = 64,7°
7.Робота й енергія
Відповідь: h = 1,468 m
Теорема про кінетичну енергію: зміна кінетичної енергії дорівнює роботі всіх сил. Якщо записати тяжіння й пружини як потенціальну енергію (mgh і ½kx²), виходить баланс: початкова енергія = кінцева енергія + енергія, втрачена на тертя (μN·d).
Енергія пружини
x = 6 cm = 0,06 m
½kx² = ½·800·0,06² = 1,44 J
Висота
m·g = 0,1·9,81 = 0,981 N
h = ½kx²/(mg) = 1,44/0,981 = 1,468 m
Відповідь
h = 1,468 m
8.Робота й енергія
Відповідь: x = 30,69 cm
Теорема про кінетичну енергію: зміна кінетичної енергії дорівнює роботі всіх сил. Якщо записати тяжіння й пружини як потенціальну енергію (mgh і ½kx²), виходить баланс: початкова енергія = кінцева енергія + енергія, втрачена на тертя (μN·d).
Енергія після шорсткої смуги
Рампа гладка, тож енергію забирає лише смуга.
mgh − μmgL = 39,24·(1,5 − 0,3·3) = 23,54 J
Найбільше стиснення
½kx² = 23,54 → x = √(2·23,54/500) = 0,3069 m = 30,69 cm
Відповідь
x = 30,69 cm
9.Імпульс і зіткнення
Відповідь: v′2 = 15,67 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.
Імпульс до удару
p = M·u = 16·24 = 384 kg·m/s
Імпульс після удару
384 = 4·49 + 12·v′2
v′2 = (384 − 196)/12 = 15,67 m/s
Відповідь
v′2 = 15,67 m/s
10.Імпульс і зіткнення
Відповідь: v1 = 32,93 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.
Гідростатична сила на плоску поверхню: F = ρ·g·yc·A. Вона діє в центрі тиску, ycp = yc + Ic/(ycA), що завжди лежить нижче центра ваги.
Глибина центра ваги і площа
yc = d + H/2 = 0,5 + 1,5/2 = 1,25 m
A = H·b = 1,5·1,5 = 2,25 m²
Рівнодійна сила
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·1,25·2,25 = 27,59 kN
Відповідь
F = 27,59 kN
12.Гідростатична сила
Відповідь: F = 97,12 kN
Гідростатична сила на плоску поверхню: F = ρ·g·yc·A. Вона діє в центрі тиску, ycp = yc + Ic/(ycA), що завжди лежить нижче центра ваги.
Глибина центра ваги і площа
yc = d + H/2 = 3 + 1,5/2 = 3,75 m
A = H·b = 1,5·2 = 3 m²
Рівнодійна сила
F = ρ·g·yc·A = 880·9,81·3,75·3 = 97,12 kN
Відповідь
F = 97,12 kN
13.Нерозривність і Бернуллі
Відповідь: v = 2,449 m/s
Continuity and Bernoulli: for an incompressible fluid the flow rate is the same at every section, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Along a streamline without losses, p + ½ρv² + ρgz is constant, so where the fluid is faster or higher its pressure is lower.
Рівняння Бернуллі до точки гальмування
Біля носика потік зупиняється, тож його кінетична енергія проявляється як додатковий тиск.
p0 − p = ½ρv²
v = √(2·3000/1000) = 2,449 m/s
Відповідь
v = 2,449 m/s
14.Нерозривність і Бернуллі
Відповідь: Q = 10,41 L/s
Continuity and Bernoulli: for an incompressible fluid the flow rate is the same at every section, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Along a streamline without losses, p + ½ρv² + ρgz is constant, so where the fluid is faster or higher its pressure is lower.
Швидкість у шлангу
Поверхня і вихід відкриті в атмосферу, тож доданки тиску скорочуються.
Рівняння стану ідеального газу: PV = nRT, де n = m/M.
Молі
n = m/M = 470/44,01 = 10,68 mol
T = 0 + 273,15 = 273,1 K
Тиск
P = nRT/V = 10,68·8,314·273,1/0,005 = 4851 kPa
Відповідь
P = 4851 kPa
16.Рівняння стану ідеального газу
Відповідь: V2 = 6,684 L
Об’єднаний газовий закон: для сталої кількості ідеального газу P1V1/T1 = P2V2/T2.
Абсолютні температури
T1 = 303,1 K, T2 = 463,1 K
Об’єднаний газовий закон
V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 5·(350/400)·(463,1/303,1) = 6,684 L
Відповідь
V2 = 6,684 L
17.Теплові машини й холодильники
Відповідь: ηmax = 67,92 %
Обмеження другого закону: жоден цикл між резервуарами з абсолютними температурами TH і TL не може перевершити оборотний цикл (Карно): ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL) і COPHP,max = TH/(TH − TL). Енергія завжди зберігається: QH = W + QL.
Абсолютні температури
TH = 625 + 273,15 = 898,1 K
TL = 15 + 273,15 = 288,1 K
ККД Карно
ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 288,1/898,1 = 67,92 %
Відповідь
ηmax = 67,92 %
18.Теплові машини й холодильники
Відповідь: Ẇ = 5,028 kW
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.
Абсолютні температури
TH = 55 + 273,15 = 328,1 K
TL = 0 + 273,15 = 273,1 K
COP Карно і дійсний COP
COPmax = 328,1/(328,1 − 273,1) = 5,966
COP = 0,55·5,966 = 3,281
Споживана потужність
Ẇ = Q̇H/COP = 16,5/3,281 = 5,028 kW
Відповідь
Ẇ = 5,028 kW
19.Хвилі, звук і оптика
Відповідь: di = −10 cm
Геометрична оптика: на межі n₁·sin θ₁ = n₂·sin θ₂ (закон Снеліуса), кути відлічують від нормалі, а n = c/v. У повільнішому середовищі промінь заломлюється до нормалі. Із густішого середовища (n₁ > n₂) за межею критичного кута θc = arcsin(n₂/n₁) усе світло відбивається: повне внутрішнє відбиття. Тонкі лінзи та сферичні дзеркала підпорядковуються рівнянню 1/f = 1/do + 1/di зі збільшенням m = −di/do. Правило знаків: f > 0 для збірної лінзи й увігнутого дзеркала (f = R/2), f < 0 для розсіювальної лінзи й опуклого дзеркала; di > 0 для дійсного зображення, di < 0 для уявного, а m < 0 для перевернутого зображення.
Рівняння тонкої лінзи
1/di = 1/f − 1/do = 1/(−30) − 1/15
di = −10 cm
Хід променів
уявне, з того самого боку, що й предмет
Відповідь
di = −10 cm
20.Хвилі, звук і оптика
Відповідь: θ2 = 0,3438 °
Інтерференція та дифракція: світло від двох щілин на відстані d одна від одної досягає точки на екрані з різницею ходу d·sin θ. Світлі смуги з’являються там, де d·sin θ = mλ (m = 0, ±1, ±2, …). Для екрана на відстані L ≫ d m-та світла смуга міститься в y = mλL/d, а відстань між смугами Δy = λL/d. Ґратка з N лініями на міліметр має d = 1/N і різкі максимуми за d·sin θ = mλ; оскільки sin θ ≤ 1, найвищий порядок — найбільше ціле число m ≤ d/λ. Одна щілина шириною a має темні смуги за a·sin θ = mλ, m = ±1, ±2, …