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
Водійка, що їде зі швидкістю 50 km/h, бачить перешкоду. Її час реакції 0,7 s, після чого автомобіль гальмує зі сталим сповільненням 6 m/s². Знайдіть повний гальмівний шлях d від моменту, коли вона побачила перешкоду.
v₀ = 50 km/htr = 0,7 sa = −6 m/s²
d = m
2.КінематикаСкладна
Трамвай рушає з місця й розганяється з прискоренням 1,5 m/s² протягом 4 s, потім їде зі сталою швидкістю 26 s і нарешті гальмує з прискоренням 3 m/s² до зупинки. Знайдіть повний час руху t.
a1 = 1,5 m/s²t1 = 4 st2 = 26 sa3 = −3 m/s²
t = s
3.Закони НьютонаСередня
Брусок масою 5 kg ковзає вниз похилою площиною під кутом 30° до горизонту. Коефіцієнт тертя ковзання 0,2. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть прискорення a бруска вздовж площини.
m = 5 kgθ = 30°μ = 0,2g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Закони НьютонаСкладна
Брусок масою 1,5 kg на горизонтальному столі з’єднаний легкою ниткою, перекинутою через блок без тертя, з підвішеним вантажем масою 3,5 kg. Коефіцієнт тертя ковзання між бруском і столом 0,2. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть силу натягу T нитки.
m1 = 1,5 kgm2 = 3,5 kgμ = 0,2g = 9,81 m/s²
T = N
5.Рух тіла, кинутого під кутомСередня
М’яч б’ють з рівної землі зі швидкістю 24 m/s під кутом 30° над горизонталлю в бік стіни на відстані 15 m. Нехтуйте опором повітря й прийміть g = 9,81 m/s². На якій висоті y м’яч пролітає повз стіну?
v₀ = 24 m/sθ = 30°x = 15 mg = 9,81 m/s²
y = m
6.Рух тіла, кинутого під кутомСкладна
М’яч кидають зі швидкістю 30 m/s під кутом 50° над горизонталлю з вершини скелі заввишки 25 m. Нехтуйте опором повітря й прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть найбільшу висоту H над землею біля підніжжя скелі.
v₀ = 30 m/sθ = 50°h = 25 mg = 9,81 m/s²
H = m
7.Робота й енергіяСередня
Автомобіль, що рухається зі швидкістю 120 km/h рівною дорогою, різко гальмує й зупиняється юзом із заблокованими колесами. Коефіцієнт тертя ковзання між шинами й дорогою 0,6. Знайдіть гальмівний шлях d.
v = 120 km/hμ = 0,6g = 9,81 m/s²
d = m
8.Робота й енергіяСкладна
Брусок масою 10 kg відпускають без початкової швидкості на висоті 3,5 m на гладкій рампі. Унизу він перетинає шорстку горизонтальну смугу довжиною 2 m (μ = 0,25), а потім натрапляє на пружину (k = 1000 N/m) на гладкій поверхні. Знайдіть найбільше стиснення x пружини.
m = 10 kgh = 3,5 mL = 2 mμ = 0,25k = 1000 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
9.Імпульс і зіткненняСередня
Автомобіль масою 1700 kg, що рухається зі швидкістю 11 m/s, налітає на нерухомий автомобіль масою 1700 kg, і вони зчіплюються. Скільки кінетичної енергії ΔK втрачається під час зіткнення?
m1 = 1700 kgv1 = 11 m/sm2 = 1700 kgv2 = 0
ΔK = J
10.Імпульс і зіткненняСкладна
М’яч масою 0,55 kg ударяється об стіну зі швидкістю 24 m/s і відскакує прямо назад зі швидкістю 18 m/s. Контакт триває 20 ms. Знайдіть модуль імпульсу сили J, який стіна надає м’ячу.
m = 0,55 kgvin = 24 m/svout = 18 m/sΔt = 20 ms
J = N·s
11.Гідростатична силаСередня
Вертикальний прямокутний затвор шириною 1,5 m розташований у стінці резервуара з рідиною (вода), його верхній край на 2,5 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 2,5 m нижче поверхні. Знайдіть рівнодійну гідростатичну силу F на затвор.
d = 2,5 mH = 3 mb = 2 mρ = 880 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
13.Нерозривність і БернулліСередня
Вода тече горизонтальною трубою, що звужується з 150 mm до 50 mm. У широкій частині тиск 290 kPa, а швидкість 1 m/s. Нехтуючи втратами, знайдіть тиск p2 у вузькій частині.
У закритому резервуарі над водою стиснене повітря з надлишковим тиском 60 kPa. Вода витікає в атмосферу через отвір діаметром 30 mm, розташований на 2 m нижче за поверхню води. Нехтуючи втратами, знайдіть витрату Q. Візьміть g = 9,81 m/s².
Теплова машина працює між гарячим резервуаром при 250 °C і холодним при 10 °C. Знайдіть найбільший можливий термічний ККД ηmax.
TH = 250 °CTL = 10 °C
ηmax = %
18.Теплові машини й холодильникиСкладна
Тепловий насос підтримує в будинку 21 °C, коли надворі 2 °C, і подає в будинок 15 kW теплоти. Знайдіть мінімальну потрібну потужність Ẇmin.
TH = 21 °CTL = 2 °CQ̇H = 15 kW
Ẇmin = kW
19.Хвилі, звук і оптикаСередня
Труба, відкрита з обох кінців: довжина 0,8 м. Швидкість звуку — 343 м/с. Знайдіть частоту f5 для моди «гармоніка номер 5».
v = 343 m/sn = 5L = 0,8 m
f5 = Hz
20.Хвилі, звук і оптикаСкладна
Дві тонкі лінзи мають спільну вісь і розташовані на відстані 60 см одна від одної: лінза 1 з f₁ = 15 см і лінза 2 з f₂ = 15 см. Предмет стоїть на відстані 40 см перед лінзою 1. Знайдіть положення di2 кінцевого зображення, виміряне від лінзи 2 (додатне за лінзою 2, правило «дійсне — додатне»).
f1 = 15 cmf2 = 15 cms = 60 cmdo = 40 cm
di2 = cm
3Розчини
1.Кінематика
Відповідь: d = 25,8 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.
Одиниці
v₀ = 50/3,6 = 13,89 m/s
Шлях за час реакції
d1 = v₀·tr = 13,89·0,7 = 9,722 m
Гальмівний шлях
d2 = v₀²/(2a) = 13,89²/(2·6) = 16,08 m
Разом
d = 9,722 + 16,08 = 25,8 m
Відповідь
d = 25,8 m
2.Кінематика
Відповідь: t = 32 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.
Найбільша швидкість
v = a1·t1 = 1,5·4 = 6 m/s
Час гальмування
t3 = v/a3 = 6/3 = 2 s
Загальний час
t = 4 + 26 + 2 = 32 s
Відповідь
t = 32 s
3.Закони Ньютона
Відповідь: a = 3,206 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.
Рух тіла, кинутого під кутом: без опору повітря x = vxt і y = h + vyt − ½gt². Обидва напрями незалежні, їх пов’язує лише спільний час.
Час до стіни
vx = 24·cos 30° = 20,78 m/s
t = x/vx = 15/20,78 = 0,7217 s
Висота в цей момент
y = 12·0,7217 − ½·9,81·0,7217² = 6,106 m
Відповідь
y = 6,106 m
Біля стіни м’яч ще піднімається.
6.Рух тіла, кинутого під кутом
Відповідь: H = 51,92 m
Рух тіла, кинутого під кутом: без опору повітря x = vxt і y = h + vyt − ½gt². Обидва напрями незалежні, їх пов’язує лише спільний час.
Початкова вертикальна швидкість
vy = 30·sin 50° = 22,98 m/s
Підйом над скелею
Δh = vy²/(2g) = 22,98²/(2·9,81) = 26,92 m
Висота над землею
H = 25 + 26,92 = 51,92 m
Відповідь
H = 51,92 m
7.Робота й енергія
Відповідь: d = 94,39 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).
Швидкість в основних одиницях
v = 120/3,6 = 33,33 m/s
Енергетичний баланс
½mv² = μmg·d → d = v²/(2μg) = 33,33²/(2·0,6·9,81) = 94,39 m
Відповідь
d = 94,39 m
Подвоєння швидкості збільшує гальмівний шлях учетверо.
8.Робота й енергія
Відповідь: x = 76,72 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 = 98,1·(3,5 − 0,25·2) = 294,3 J
Найбільше стиснення
½kx² = 294,3 → x = √(2·294,3/1000) = 0,7672 m = 76,72 cm
Відповідь
x = 76,72 cm
9.Імпульс і зіткнення
Відповідь: ΔK = 51425 J
Закон збереження імпульсу: якщо під час зіткнення зовнішні сили не діють, сумарний імпульс Σm·v до зіткнення дорівнює сумарному імпульсу після. Швидкість має напрямок, тож виберіть додатний напрямок, а швидкості, спрямовані в протилежний бік, беріть зі знаком мінус. У пружному зіткненні зберігається й кінетична енергія; в абсолютно непружному тіла злипаються.
Спільна швидкість
v′ = m1·v1/(m1 + m2) = 1700·11/3400 = 5,5 m/s
Кінетична енергія до й після
Kbefore = ½·1700·11² = 102850 J
Kafter = ½·3400·5,5² = 51425 J
Втрачена енергія
ΔK = 102850 − 51425 = 51425 J
Відповідь
ΔK = 51425 J
Втрачена енергія йде на деформацію, теплоту й звук.
10.Імпульс і зіткнення
Відповідь: J = 23,1 N·s
Закон збереження імпульсу: якщо під час зіткнення зовнішні сили не діють, сумарний імпульс Σm·v до зіткнення дорівнює сумарному імпульсу після. Швидкість має напрямок, тож виберіть додатний напрямок, а швидкості, спрямовані в протилежний бік, беріть зі знаком мінус. У пружному зіткненні зберігається й кінетична енергія; в абсолютно непружному тіла злипаються.
Зміна імпульсу
J = m·Δv = 0,55·(18 + 24) = 23,1 N·s
Відповідь
J = 23,1 N·s
11.Гідростатична сила
Відповідь: F = 71,74 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 = 2,5 + 1,5/2 = 3,25 m
A = H·b = 1,5·1,5 = 2,25 m²
Рівнодійна сила
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·3,25·2,25 = 71,74 kN
Відповідь
F = 71,74 kN
12.Гідростатична сила
Відповідь: F = 207,2 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 = 2,5 + 3/2 = 4 m
A = H·b = 3·2 = 6 m²
Рівнодійна сила
F = ρ·g·yc·A = 880·9,81·4·6 = 207,2 kN
Відповідь
F = 207,2 kN
13.Нерозривність і Бернуллі
Відповідь: p2 = 250 kPa
Нерозривність і Бернуллі: для нестисливої рідини витрата однакова в кожному перерізі, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Уздовж лінії течії без втрат p + ½ρv² + ρgz стале, тож там, де рідина швидша або вища, тиск нижчий.
Нерозривність і Бернуллі
Рахуйте в Pa, потім поділіть на 1000, щоб отримати kPa.
v2 = v1·(d1/d2)² = 1·(150/50)² = 9 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(1² − 9²)/1000 = −40 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) = 290 + (−40) = 250 kPa
Відповідь
p2 = 250 kPa
14.Нерозривність і Бернуллі
Відповідь: Q = 8,92 L/s
Нерозривність і Бернуллі: для нестисливої рідини витрата однакова в кожному перерізі, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Уздовж лінії течії без втрат p + ½ρv² + ρgz стале, тож там, де рідина швидша або вища, тиск нижчий.
Рівняння стану ідеального газу: PV = nRT, де n = m/M.
Молі
n = m/M = 160/28,01 = 5,712 mol
T = 50 + 273,15 = 323,1 K
Тиск
P = nRT/V = 5,712·8,314·323,1/0,01 = 1535 kPa
Відповідь
P = 1535 kPa
16.Рівняння стану ідеального газу
Відповідь: V2 = 3,007 L
Об’єднаний газовий закон: для сталої кількості ідеального газу P1V1/T1 = P2V2/T2.
Абсолютні температури
T1 = 313,1 K, T2 = 353,1 K
Об’єднаний газовий закон
V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 20·(100/750)·(353,1/313,1) = 3,007 L
Відповідь
V2 = 3,007 L
17.Теплові машини й холодильники
Відповідь: ηmax = 45,88 %
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 = 250 + 273,15 = 523,1 K
TL = 10 + 273,15 = 283,1 K
ККД Карно
ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 283,1/523,1 = 45,88 %
Відповідь
ηmax = 45,88 %
18.Теплові машини й холодильники
Відповідь: Ẇmin = 0,9689 kW
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.
Найменше роботи потребує оборотна машина, що має найбільший COP.
Ẇmin = Q̇H/COP = 15/15,48 = 0,9689 kW
Відповідь
Ẇmin = 0,9689 kW
19.Хвилі, звук і оптика
Відповідь: f5 = 1072 Hz
Стоячі хвилі та ефект Доплера: у струні, закріпленій з обох кінців, або в трубі, відкритій з обох кінців, вкладається ціле число півхвиль: L = nλ/2, fn = n·v/(2L), n = 1, 2, 3, … Труба, закрита з одного кінця, має вузол на закритому кінці й пучність на відкритому: L = nλ/4 лише для непарних n, fn = n·v/(4L). Коли джерело або спостерігач рухаються вздовж лінії між ними, f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs): для руху назустріч один одному беріть верхні знаки. Дві хвилі з майже однаковою частотою дають биття з частотою |f₁ − f₂|.
Довжина хвилі цієї моди
λ = 2L/n = 2·0,8/5 = 0,32 m
Частота
f = v/λ = 343/0,32 = 1072 Hz
Відповідь
f5 = 1072 Hz
20.Хвилі, звук і оптика
Відповідь: di2 = 25,71 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.