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 120 km/h, гальмує зі сталим сповільненням 4,5 m/s² до повної зупинки. Знайдіть гальмівний шлях s.
v₀ = 120 km/ha = −4,5 m/s²v = 0
s = m
2.КінематикаСкладна
М’яч кидають вертикально вгору зі швидкістю 11 m/s з краю даху на висоті 35 m над землею. Опором повітря знехтуйте, g = 9,81 m/s². Знайдіть найбільшу висоту hmax над землею.
v₀ = 11 m/sh₀ = 35 mg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Закони НьютонаСередня
Ящик масою 50 kg штовхають угору похилою площиною під кутом 35° до горизонталі зі сталою швидкістю силою, паралельною площині. Коефіцієнт тертя ковзання 0,15. Прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть силу F, з якою штовхають ящик.
m = 50 kgθ = 35°μ = 0,15g = 9,81 m/s²
F = N
4.Закони НьютонаСкладна
Два бруски на рівній підлозі з’єднані легкою горизонтальною ниткою. Горизонтальна сила 60 N тягне передній брусок масою 9 kg; брусок масою 2 kg тягнеться позаду. Коефіцієнт тертя ковзання для обох брусків 0,25. Прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть силу натягу T з’єднувальної нитки.
m1 = 2 kgm2 = 9 kgF = 60 Nμ = 0,25g = 9,81 m/s²
T = N
5.Рух тіла, кинутого під кутомСередня
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 = 36 m/sθ = 30°g = 9,81 m/s²
t = s
6.Рух тіла, кинутого під кутомСкладна
М’яч кидають під кутом 60° до горизонту з вершини скелі висотою 40 m. Опором повітря знехтуйте. Знайдіть час польоту t до удару м’яча об землю.
v0 = 22 m/sθ = 60°h = 40 mg = 9,81 m/s²
t = s
7.Робота й енергіяСередня
Брусок масою 2,5 kg ковзає 17 m похилою площиною під кутом 30° до горизонту з коефіцієнтом тертя ковзання 0,4. Знайдіть роботу Wf проти сили тертя.
m = 2,5 kgθ = 30°μ = 0,4d = 17 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
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 4,5 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 = 4,5 mμ = 0,2k = 5000 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
9.Імпульс і зіткненняСередня
Візок масою 3 kg, що рухається зі швидкістю 10 m/s, зазнає абсолютно пружного центрального удару з нерухомим візком масою 4,5 kg на доріжці без тертя. Знайдіть швидкість v′1 першого візка після зіткнення (додатну в напрямку його початкового руху).
m1 = 3 kgm2 = 4,5 kgv1 = 10 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
10.Імпульс і зіткненняСкладна
М’яч масою 0,1 kg ударяється об стіну зі швидкістю 12 m/s і відскакує прямо назад зі швидкістю 17 m/s. Контакт триває 20 ms. Знайдіть середню силу Favg, з якою стіна діє на м’яч.
m = 0,1 kgvin = 12 m/svout = 17 m/sΔt = 20 ms
Favg = N
11.Гідростатична силаСередня
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 (морська вода), його верхній край на 2 m нижче поверхні. Знайдіть глибину ycp центра тиску під поверхнею.
Вода тече горизонтальною трубою, що звужується з 150 mm до 75 mm. У широкій частині тиск 380 kPa, а швидкість 1,75 m/s. Нехтуючи втратами, знайдіть тиск p2 у вузькій частині.
Вода піднімається трубою, що звужується з 200 mm до 40 mm і піднімається на 7 m. У перерізі 1 тиск 350 kPa, а швидкість 0,5 m/s. Нехтуючи втратами, знайдіть тиск p2 у перерізі 2.
Оборотний тепловий двигун (Карно) отримує за цикл 1600 kJ теплоти від резервуара з температурою 700 °C і віддає 540 kJ. Знайдіть температуру TL холодного резервуара в °C.
TH = 700 °CQH = 1600 kJQL = 540 kJ
TL = °C
18.Теплові машини й холодильникиСкладна
Холодильник підтримує в холодній камері -10 °C на кухні при 32 °C, відводячи з камери теплоту 4,5 kW. Знайдіть мінімальну потрібну потужність Ẇmin.
TH = 32 °CTL = -10 °CQ̇L = 4,5 kW
Ẇmin = kW
19.Хвилі, звук і оптикаСередня
Предмет заввишки 2 см стоїть на відстані 50 см перед тонкою лінзою (збірна) з фокусною відстанню 12 см. Знайдіть висоту зображення hi (від’ємну для перевернутого зображення).
ho = 2 cmdo = 50 cmf = 12 cm
hi = cm
20.Хвилі, звук і оптикаСкладна
Предмет розташований на відстані 5 см перед увігнуте дзеркалом із радіусом кривини 40 см. Знайдіть відстань до зображення di: додатну для зображення перед дзеркалом (дійсного) і від’ємну для зображення за ним (уявного).
do = 5 cmR = 40 cm
di = cm
3Розчини
1.Кінематика
Відповідь: s = 123,5 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 = 120/3,6 = 33,33 m/s
Гальмівний шлях
0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 33,33²/(2·4,5) = 123,5 m
Відповідь
s = 123,5 m
2.Кінематика
Відповідь: hmax = 41,17 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 = 11²/(2·9,81) = 6,167 m
Висота над землею
hmax = 35 + 6,167 = 41,17 m
Відповідь
hmax = 41,17 m
3.Закони Ньютона
Відповідь: F = 341,6 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.
Сили вздовж площини
Стала швидкість: сили зрівноважені.
F = m·g·sin θ + μ·m·g·cos θ
Сила, з якою штовхають
F = 281,3 + 60,27 = 341,6 N
Відповідь
F = 341,6 N
4.Закони Ньютона
Відповідь: T = 10,91 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 = 3,67 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 = 36·cos 30° = 31,18 m/s
vy = v0·sin θ = 36·sin 30° = 18 m/s
Час польоту
Старт і приземлення на одній висоті: t = 2vy/g.
t = 2·18/9,81 = 3,67 s
Відповідь
t = 3,67 s
6.Рух тіла, кинутого під кутом
Відповідь: t = 5,396 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 = 22·cos 60° = 11 m/s
vy = v0·sin θ = 22·sin 60° = 19,05 m/s
Час польоту
Розв’яжіть y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0 і візьміть додатний корінь.
0 = 40 + 19,05·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (19,05 + √(363 + 784,8))/9,81 = 5,396 s
Відповідь
t = 5,396 s
7.Робота й енергія
Відповідь: Wf = 144,4 J
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).
Сила тертя
N = mg·cos θ = 24,53·0,866 = 21,24 N
F = μN = 0,4·21,24 = 8,496 N
Робота проти тертя
Wf = F·d = 8,496·17 = 144,4 J
Відповідь
Wf = 144,4 J
8.Робота й енергія
Відповідь: x = 8,969 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 − 0,2·4,5) = 20,11 J
Найбільше стиснення
½kx² = 20,11 → x = √(2·20,11/5000) = 0,08969 m = 8,969 cm
Відповідь
x = 8,969 cm
9.Імпульс і зіткнення
Відповідь: v′1 = −2 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 − 4,5)/(3 + 4,5)·10 = −2 m/s
v′2 = 2·3/(3 + 4,5)·10 = 8 m/s
Відповідь
v′1 = −2 m/s
Знак мінус означає, що перший візок відскакує назад.
10.Імпульс і зіткнення
Відповідь: Favg = 145 N
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 = 0,1·(17 + 12) = 2,9 N·s
Середня сила
Favg = J/Δt = 2,9/0,02 = 145 N
Відповідь
Favg = 145 N
11.Гідростатична сила
Відповідь: F = 58,86 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 + 1/2 = 3 m
A = H·b = 1·2 = 2 m²
Рівнодійна сила
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·3·2 = 58,86 kN
Відповідь
F = 58,86 kN
12.Гідростатична сила
Відповідь: ycp = 2,818 m
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 + 1,5/2 = 2,75 m
A = H·b = 1,5·1,5 = 2,25 m²
Рівнодійна сила
F = ρ·g·yc·A = 1025·9,81·2,75·2,25 = 62,22 kN
Центр тиску
Тиск зростає з глибиною, тож рівнодійна діє нижче центра ваги.
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 = 20/32 = 0,625 mol
T = 45 + 273,15 = 318,1 K
Об’єм
V = nRT/P = 0,625·8,314·318,1/400 = 4,133 L
Відповідь
V = 4,133 L
16.Рівняння стану ідеального газу
Відповідь: ρ = 1,642 kg/m³
Густина ідеального газу: ρ = PM/(RT).
Перетворіть газовий закон
PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 20 + 273,15 = 293,1 K
Густина
ρ = 1000·4,003/(8,314·293,1) = 1,642 kg/m³
Відповідь
ρ = 1,642 kg/m³
17.Теплові машини й холодильники
Відповідь: TL = 55,29 °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 = 700 + 273,15 = 973,1 K
Відношення теплот оборотного циклу
TL = TH·QL/QH = 973,1·540/1600 = 328,4 K = 55,29 °C
Відповідь
TL = 55,29 °C
18.Теплові машини й холодильники
Відповідь: Ẇmin = 0,7182 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 = Q̇L/COP = 4,5/6,265 = 0,7182 kW
Відповідь
Ẇmin = 0,7182 kW
19.Хвилі, звук і оптика
Відповідь: hi = −0,6316 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 = 1/12 − 1/50
di = 15,79 cm
Збільшення і висота
m = −15,79/50 = −0,3158
hi = −0,3158·2 = −0,6316 cm
Відповідь
hi = −0,6316 cm
20.Хвилі, звук і оптика
Відповідь: di = −6,667 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.