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
Літак рушає з місця й рівноприскорено розганяється злітною смугою з прискоренням 3,75 m/s². Знайдіть його швидкість v через 1000 m.
v₀ = 0a = 3,75 m/s²s = 1000 m
v = m/s
2.КінематикаСкладна
М’яч кидають вертикально вгору зі швидкістю 7 m/s з краю даху на висоті 35 m над землею. Опором повітря знехтуйте, g = 9,81 m/s². Через який час після кидка він упаде на землю? Знайдіть t.
v₀ = 7 m/sh₀ = 35 mg = 9,81 m/s²
t = s
3.Закони НьютонаСередня
Брусок масою 15 kg ковзає вниз похилою площиною під кутом 25° до горизонту. Коефіцієнт тертя ковзання 0,2. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть прискорення a бруска вздовж площини.
m = 15 kgθ = 25°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 2 kg. Тертя об стіл немає. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть прискорення a системи.
m1 = 1,5 kgm2 = 2 kgμ = 0g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Рух тіла, кинутого під кутомСередня
М’яч кидають з рівної землі під кутом 75° над горизонталлю, і він падає на відстані 45 m. Нехтуйте опором повітря й прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть початкову швидкість v0.
θ = 75°R = 45 mg = 9,81 m/s²
v0 = m/s
6.Рух тіла, кинутого під кутомСкладна
М’яч кидають з рівня землі зі швидкістю 19 m/s під кутом 50° над горизонталлю. Він падає на пласкому даху будівлі заввишки 2 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 = 19 m/sθ = 50°hroof = 2 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Робота й енергіяСередня
Кулька 1 kg висить на легкій нитці завдовжки 2 m. Її відводять убік, доки нитка не утворить кут 60° з вертикаллю, і відпускають без початкової швидкості. Знайдіть силу натягу T нитки, коли кулька проходить найнижчу точку.
m = 1 kgL = 2 mθ = 60°g = 9,81 m/s²
T = N
8.Робота й енергіяСкладна
Пружину жорсткістю 2000 N/m біля підніжжя схилу 20° стискають на 12 cm бруском масою 5 kg і відпускають. Коефіцієнт тертя ковзання між бруском і схилом 0,1. На яку відстань d угору схилом від точки відпускання переміститься брусок до зупинки? (Нехтуйте короткою ділянкою, на якій діє пружина, тобто враховуйте тертя й силу тяжіння на всій відстані d.)
Снаряд масою 4 kg, що рухається горизонтально зі швидкістю 11 m/s, розривається на два уламки, які рухаються вздовж тієї самої прямої. Уламок масою 1 kg продовжує рух уперед зі швидкістю 40 m/s. Знайдіть швидкість v′2 уламка масою 3 kg (додатна в початковому напрямку).
M = 4 kgu = 11 m/sm1 = 1 kgv′1 = 40 m/sm2 = 3 kg
v′2 = m/s
10.Імпульс і зіткненняСкладна
Автомобіль масою 1700 kg налітає на припаркований автомобіль масою 1400 kg. Уламки зчіплюються й ковзають 17,5 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 2 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 1,5 m розташований у стінці резервуара з рідиною (олія), його верхній край на 2 m нижче поверхні. Знайдіть рівнодійну гідростатичну силу F на затвор.
d = 2 mH = 1 mb = 1,5 mρ = 880 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
13.Нерозривність і БернулліСередня
Вода тече горизонтальною трубою, що звужується з 75 mm до 40 mm. У широкій частині тиск 200 kPa, а швидкість 0,5 m/s. Нехтуючи втратами, знайдіть тиск p2 у вузькій частині.
Вода піднімається трубою, що звужується з 150 mm до 40 mm і піднімається на 10 m. У перерізі 1 тиск 170 kPa, а швидкість 0,5 m/s. Нехтуючи втратами, знайдіть тиск p2 у перерізі 2.
Тепловий двигун отримує теплоту від джерела з температурою 400 °C і віддає теплоту довкіллю з температурою 35 °C. Його дійсний термічний ККД 22 %. Знайдіть його ексергетичний ККД (за другим законом) ηII — відношення дійсного ККД до ККД Карно.
TH = 400 °CTL = 35 °Cη = 22%
ηII = %
18.Теплові машини й холодильникиСкладна
Двигун Карно отримує 70 kW теплоти від джерела з температурою 650 °C і віддає теплоту довкіллю з температурою 30 °C. Уся його робота приводить холодильну машину Карно, яка відводить теплоту з морозильної камери з температурою -15 °C і теж віддає теплоту довкіллю з температурою 30 °C. Знайдіть тепловий потік Q̇L, що відводиться з морозильної камери.
TH = 650 °CT0 = 30 °CTL = -15 °CQ̇H = 70 kW
Q̇L = kW
19.Хвилі, звук і оптикаСередня
Предмет стоїть на відстані 10 см перед тонкою лінзою (збірна) з фокусною відстанню 30 см. Знайдіть збільшення m (від’ємне для перевернутого зображення).
do = 10 cmf = 30 cm
m =
20.Хвилі, звук і оптикаСкладна
Предмет розташований на відстані 40 см перед увігнуте дзеркалом із радіусом кривини 60 см. Знайдіть збільшення m (від’ємне для перевернутого зображення).
do = 40 cmR = 60 cm
m =
3Розчини
1.Кінематика
Відповідь: v = 86,6 m/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.
Швидкість після проходження відстані
v = √(2·a·s) = √(2·3,75·1000) = 86,6 m/s
Відповідь
v = 86,6 m/s
(311,8 km/h)
2.Кінематика
Відповідь: t = 3,478 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.
Рівняння руху
Угору — додатний напрямок, земля розташована на h₀ нижче від точки кидка.
−35 = 7·t − ½·9,81·t²
4,905·t² − 7·t − 35 = 0
Розв’яжіть квадратне рівняння
Фізичний зміст має лише додатний корінь.
t = (7 + √(7² + 2·9,81·35))/9,81 = 3,478 s
Відповідь
t = 3,478 s
3.Закони Ньютона
Відповідь: a = 2,368 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.
Виразіть v₀ з формули дальності
v₀ = √(g·R/sin 2θ) = √(9,81·45/sin 150°) = 29,71 m/s
Відповідь
v0 = 29,71 m/s
6.Рух тіла, кинутого під кутом
Відповідь: x = 34,48 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.
Розкладіть початкову швидкість
vx = 12,21 m/s, vy = 14,55 m/s
Час до падіння на дах
Більший корінь: м’яч опускається.
2 = 14,55·t − 4,905·t²
t = (14,55 + √(14,55² − 2·9,81·2))/9,81 = 2,823 s
Горизонтальна відстань
x = vx·t = 12,21·2,823 = 34,48 m
Відповідь
x = 34,48 m
7.Робота й енергія
Відповідь: T = 19,62 N
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). При русі по колу рівнодійна сила, спрямована до центра, має дорівнювати mv²/r.
Швидкість унизу
v² = 2gL(1 − cos θ) = 2·9,81·2·(1 − cos 60°) = 19,62 m²/s²
Сили внизу
m·g = 1·9,81 = 9,81 N
T = mg + mv²/L = 9,81 + 1·19,62/2 = 19,62 N
Відповідь
T = 19,62 N
Перевірка: T = mg(3 − 2cos θ) = 19,62 N.
8.Робота й енергія
Відповідь: d = 0,6734 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 = 12 cm = 0,12 m
½kx² = ½·2000·0,12² = 14,4 J
Енергетичний баланс уздовж площини
m·g = 5·9,81 = 49,05 N
½kx² = mg·d·(sin θ + μ·cos θ)
d = 14,4/(49,05·(0,342 + 0,1·0,9397)) = 0,6734 m
Відповідь
d = 0,6734 m
9.Імпульс і зіткнення
Відповідь: v′2 = 1,333 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.
Імпульс до удару
p = M·u = 4·11 = 44 kg·m/s
Імпульс після удару
44 = 1·40 + 3·v′2
v′2 = (44 − 40)/3 = 1,333 m/s
Відповідь
v′2 = 1,333 m/s
10.Імпульс і зіткнення
Відповідь: v1 = 28,27 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.
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 = 1,5·2 = 3 m²
Рівнодійна сила
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·3,25·3 = 95,65 kN
Відповідь
F = 95,65 kN
12.Гідростатична сила
Відповідь: F = 32,37 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 + 1/2 = 2,5 m
A = H·b = 1·1,5 = 1,5 m²
Рівнодійна сила
F = ρ·g·yc·A = 880·9,81·2,5·1,5 = 32,37 kN
Відповідь
F = 32,37 kN
13.Нерозривність і Бернуллі
Відповідь: p2 = 198,6 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 = m/M = 210/39,95 = 5,257 mol
T = 80 + 273,15 = 353,1 K
Тиск
P = nRT/V = 5,257·8,314·353,1/0,03 = 514,5 kPa
Відповідь
P = 514,5 kPa
16.Рівняння стану ідеального газу
Відповідь: ρ = 0,5718 kg/m³
Густина ідеального газу: ρ = PM/(RT).
Перетворіть газовий закон
PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 190 + 273,15 = 463,1 K
Густина
ρ = 550·4,003/(8,314·463,1) = 0,5718 kg/m³
Відповідь
ρ = 0,5718 kg/m³
17.Теплові машини й холодильники
Відповідь: ηII = 40,57 %
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 = 400 + 273,15 = 673,1 K
TL = 35 + 273,15 = 308,1 K
ККД Карно
ηCarnot = 1 − 308,1/673,1 = 54,22 %
ККД за другим законом
ηII = η/ηCarnot = 22/54,22 = 40,57 %
Відповідь
ηII = 40,57 %
18.Теплові машини й холодильники
Відповідь: Q̇L = 269,7 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.
Абсолютні температури
TH = 650 + 273,15 = 923,1 K
T0 = 30 + 273,15 = 303,1 K
TL = -15 + 273,15 = 258,1 K
Робота двигуна
η = 1 − 303,1/923,1 = 0,6716
Ẇ = 0,6716·70 = 47,01 kW
Теплота, відведена холодильною машиною
COPR = 258,1/(303,1 − 258,1) = 5,737
Q̇L = 5,737·47,01 = 269,7 kW
Відповідь
Q̇L = 269,7 kW
19.Хвилі, звук і оптика
Відповідь: m = 1,5
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 − 1/10
di = −15 cm
Збільшення
m = −di/do = −(−15)/10 = 1,5
Відповідь
m = 1,5
20.Хвилі, звук і оптика
Відповідь: m = −3
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.