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
Для зльоту літаку потрібна швидкість 280 km/h, а довжина злітної смуги 1600 m. Яке стале прискорення a йому потрібне, якщо він рушає з місця?
v₀ = 0v = 280 km/hs = 1600 m
a = m/s²
2.КінематикаСкладна
Модель ракети запускають вертикально вгору зі стану спокою. Двигун надає їй сталого прискорення вгору 26 m/s² протягом 1 s, після чого вимикається, і ракета рухається вільно. Нехтуйте опором повітря й прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть найбільшу висоту hmax, якої досягає ракета.
a = 26 m/s²t1 = 1 sg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Закони НьютонаСередня
Ящик масою 10 kg штовхають угору похилою площиною під кутом 20° до горизонталі зі сталою швидкістю силою, паралельною площині. Коефіцієнт тертя ковзання 0,2. Прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть силу F, з якою штовхають ящик.
m = 10 kgθ = 20°μ = 0,2g = 9,81 m/s²
F = N
4.Закони НьютонаСкладна
Два бруски на рівній підлозі з’єднані легкою горизонтальною ниткою. Горизонтальна сила 125 N тягне передній брусок масою 12 kg; брусок масою 10 kg тягнеться позаду. Коефіцієнт тертя ковзання для обох брусків 0,15. Прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть силу натягу T з’єднувальної нитки.
М’яч кидають під кутом 30° до горизонту з рівної поверхні. Опором повітря знехтуйте. Знайдіть час польоту t до удару м’яча об землю.
v0 = 38 m/sθ = 30°g = 9,81 m/s²
t = s
6.Рух тіла, кинутого під кутомСкладна
М’яч кидають з рівня землі зі швидкістю 40 m/s під кутом 40° над горизонталлю. Він падає на пласкому даху будівлі заввишки 3 m, уже рухаючись униз. Нехтуйте опором повітря й прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть горизонтальну відстань x від точки кидання до місця падіння.
v₀ = 40 m/sθ = 40°hroof = 3 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Робота й енергіяСередня
Брусок без початкової швидкості ковзає похилою площиною під кутом 25° до горизонту. Коефіцієнт тертя ковзання 0,15. Знайдіть його швидкість v після того, як він проковзає 8 m вздовж площини.
θ = 25°μ = 0,15d = 8 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
8.Робота й енергіяСкладна
Брусок масою 0,5 kg відпускають без початкової швидкості на висоті 5 m на гладкій рампі. Унизу він перетинає шорстку горизонтальну смугу довжиною 5 m (μ = 0,2), а потім натрапляє на пружину (k = 5000 N/m) на гладкій поверхні. Знайдіть найбільше стиснення x пружини.
m = 0,5 kgh = 5 mL = 5 mμ = 0,2k = 5000 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
9.Імпульс і зіткненняСередня
Візок масою 3,5 kg, що рухається зі швидкістю 4 m/s, зазнає абсолютно пружного центрального удару з нерухомим візком масою 0,5 kg на доріжці без тертя. Знайдіть швидкість v′2 другого візка після зіткнення.
m1 = 3,5 kgm2 = 0,5 kgv1 = 4 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
10.Імпульс і зіткненняСкладна
Куля масою 15 g, випущена горизонтально, влучає в брусок масою 4 kg, підвішений на легких нитках завдовжки 1,7 m, і застрягає в ньому. Нитки відхиляються на найбільший кут 15° від вертикалі. Прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть швидкість v кулі до удару.
m = 15 gM = 4 kgL = 1,7 mθ = 15°g = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Гідростатична силаСередня
Вертикальний прямокутний затвор шириною 1 m розташований у стінці резервуара з рідиною (вода), його верхній край на 2 m нижче поверхні. Знайдіть рівнодійну гідростатичну силу F на затвор.
d = 2 mH = 3 mb = 1 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
12.Гідростатична силаСкладна
Вертикальний прямокутний затвор шириною 1,5 m розташований у стінці резервуара з рідиною (вода), його верхній край на 1,5 m нижче поверхні. Знайдіть рівнодійну гідростатичну силу F на затвор.
Вода тече горизонтальною трубою, що звужується з 100 mm до 75 mm. У широкій частині тиск 200 kPa, а швидкість 1 m/s. Нехтуючи втратами, знайдіть тиск p2 у вузькій частині.
Вода піднімається трубою, що звужується з 100 mm до 75 mm і піднімається на 4 m. У перерізі 1 тиск 150 kPa, а швидкість 1,25 m/s. Нехтуючи втратами, знайдіть тиск p2 у перерізі 2.
Оборотний тепловий двигун (Карно) отримує за цикл 600 kJ теплоти від резервуара з температурою 600 °C і віддає 212 kJ. Знайдіть температуру TL холодного резервуара в °C.
TH = 600 °CQH = 600 kJQL = 212 kJ
TL = °C
18.Теплові машини й холодильникиСкладна
Холодильник підтримує в холодній камері 2 °C на кухні при 32 °C, відводячи з камери теплоту 2 kW. Знайдіть найбільший можливий холодильний коефіцієнт COPmax.
TH = 32 °CTL = 2 °CQ̇L = 2 kW
COPmax =
19.Хвилі, звук і оптикаСередня
Предмет стоїть на відстані 60 см перед тонкою лінзою (розсіювальна) з фокусною відстанню 25 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 = 60 cmf = −25 cm
di = cm
20.Хвилі, звук і оптикаСкладна
Предмет розташований на відстані 30 см перед увігнуте дзеркалом із радіусом кривини 20 см. Знайдіть відстань до зображення di: додатну для зображення перед дзеркалом (дійсного) і від’ємну для зображення за ним (уявного).
do = 30 cmR = 20 cm
di = cm
3Розчини
1.Кінематика
Відповідь: a = 1,89 m/s²
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.
Одиниці
v = 280/3,6 = 77,78 m/s
Прискорення
a = v²/(2s) = 77,78²/(2·1600) = 1,89 m/s²
Відповідь
a = 1,89 m/s²
2.Кінематика
Відповідь: hmax = 47,45 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.
Активна ділянка
v₁ = 26·1 = 26 m/s
h₁ = ½·26·1² = 13 m
Вільний політ угору
У найвищій точці швидкість дорівнює нулю.
Δh = v₁²/(2g) = 26²/(2·9,81) = 34,45 m
hmax = 13 + 34,45 = 47,45 m
Відповідь
hmax = 47,45 m
3.Закони Ньютона
Відповідь: F = 51,99 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.
Сили вздовж площини
Стала швидкість: сили зрівноважені.
F = m·g·sin θ + μ·m·g·cos θ
Сила, з якою штовхають
F = 33,55 + 18,44 = 51,99 N
Відповідь
F = 51,99 N
4.Закони Ньютона
Відповідь: T = 56,82 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.
За однакового μ для обох брусків тертя випадає: T = F·m₁/(m₁ + m₂).
5.Рух тіла, кинутого під кутом
Відповідь: t = 3,874 s
Рух тіла, кинутого під кутом: без опору повітря x = vxt і y = h + vyt − ½gt². Обидва напрями незалежні, їх пов’язує лише спільний час.
Розкладіть початкову швидкість
Горизонтальна швидкість стала; вертикальний рух має стале прискорення g = 9,81 m/s² донизу.
vx = v0·cos θ = 38·cos 30° = 32,91 m/s
vy = v0·sin θ = 38·sin 30° = 19 m/s
Час польоту
Старт і приземлення на одній висоті: t = 2vy/g.
t = 2·19/9,81 = 3,874 s
Відповідь
t = 3,874 s
6.Рух тіла, кинутого під кутом
Відповідь: x = 157 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.
Розкладіть початкову швидкість
vx = 30,64 m/s, vy = 25,71 m/s
Час до падіння на дах
Більший корінь: м’яч опускається.
3 = 25,71·t − 4,905·t²
t = (25,71 + √(25,71² − 2·9,81·3))/9,81 = 5,122 s
Горизонтальна відстань
x = vx·t = 30,64·5,122 = 157 m
Відповідь
x = 157 m
7.Робота й енергія
Відповідь: v = 6,708 m/s
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).
Енергетичний баланс уздовж площини
Брусок опускається на висоту d·sin θ, а тертя забирає μmg·cos θ·d. Маса скорочується.
½v² = g·d·(sin θ − μ·cos θ)
v = √(2·9,81·8·(0,4226 − 0,15·0,9063)) = 6,708 m/s
Відповідь
v = 6,708 m/s
8.Робота й енергія
Відповідь: x = 8,859 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 = 4,905·(5 − 0,2·5) = 19,62 J
Найбільше стиснення
½kx² = 19,62 → x = √(2·19,62/5000) = 0,08859 m = 8,859 cm
Відповідь
x = 8,859 cm
9.Імпульс і зіткнення
Відповідь: v′2 = 7 m/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.
Пружний удар об нерухоме тіло
Спільний розв’язок рівнянь збереження імпульсу й енергії дає ці два результати.
v′1 = (3,5 − 0,5)/(3,5 + 0,5)·4 = 3 m/s
v′2 = 2·3,5/(3,5 + 0,5)·4 = 7 m/s
Відповідь
v′2 = 7 m/s
10.Імпульс і зіткнення
Відповідь: v = 285,4 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.
Підйом бруска
h = L·(1 − cos θ) = 1,7·(1 − cos 15°) = 0,05793 m
Швидкість після удару
V = √(2·9,81·0,05793) = 1,066 m/s
Зіткнення
v = (m + M)·V/m = 4,015·1,066/0,015 = 285,4 m/s
Відповідь
v = 285,4 m/s
11.Гідростатична сила
Відповідь: F = 103 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 + 3/2 = 3,5 m
A = H·b = 3·1 = 3 m²
Рівнодійна сила
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·3,5·3 = 103 kN
Відповідь
F = 103 kN
12.Гідростатична сила
Відповідь: F = 132,4 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 = 1,5 + 3/2 = 3 m
A = H·b = 3·1,5 = 4,5 m²
Рівнодійна сила
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·3·4,5 = 132,4 kN
Відповідь
F = 132,4 kN
13.Нерозривність і Бернуллі
Відповідь: p2 = 198,9 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.
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.
Рівняння стану ідеального газу: PV = nRT, де n = m/M.
Молі
n = 210/39,95 = 5,257 mol
T = 80 + 273,15 = 353,1 K
Об’єм
V = nRT/P = 5,257·8,314·353,1/150 = 102,9 L
Відповідь
V = 102,9 L
16.Рівняння стану ідеального газу
Відповідь: V2 = 10,81 L
Об’єднаний газовий закон: для сталої кількості ідеального газу P1V1/T1 = P2V2/T2.
Абсолютні температури
T1 = 308,1 K, T2 = 333,1 K
Об’єднаний газовий закон
V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 20·(350/700)·(333,1/308,1) = 10,81 L
Відповідь
V2 = 10,81 L
17.Теплові машини й холодильники
Відповідь: TL = 35,36 °C
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.
Абсолютна температура джерела
TH = 600 + 273,15 = 873,1 K
Відношення теплот оборотного циклу
TL = TH·QL/QH = 873,1·212/600 = 308,5 K = 35,36 °C
Відповідь
TL = 35,36 °C
18.Теплові машини й холодильники
Відповідь: COPmax = 9,172
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.
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/(−25) − 1/60
di = −17,65 cm
Хід променів
уявне, з того самого боку, що й предмет
Відповідь
di = −17,65 cm
20.Хвилі, звук і оптика
Відповідь: di = 15 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.