Нить с подвешенным на ней грузом отклонили на угол α и отпустили. На какой угол β отклонится нить с грузом, если при своем движении она будет задержана штифтом, поставленным на вертикали, посередине длины нити?
Ответ
β = arccos(2cosα -1).
1. Тело брошено вертикально вверх со скоростью v 0 = 16 м/с. На какой высоте h кинетическая энергия тела равна его потенциальной энергии?
2. С какой начальной скоростью надо бросить мяч с высоты h , чтобы он подпрыгнул на высоту 2h ? Удар упругий. Сопротивлением воздуха пренебречь.
Ответ
1. h ≈ 6,5 м.
С башни высотой H = 25 м горизонтально брошен камень со скоростью v 0 = 15 м/с. Найти кинетическую (K ) и потенциальную (U ) энергии камня спустя одну секунду после начала движения. Масса камня m = 0,2 кг. Сопротивлением воздуха пренебречь.
Ответ
K = 32,2 Дж; U = 39,4 Дж.
Определить величину кинетической энергии K тела массой 1 кг, брошенного горизонтально со скоростью 20 м/с, в конце четвертой секунды его движения. Принять g =10 м/с 2 .
Ответ
K = 1000 Дж.
Гибкий однородный канат длиной L лежит на гладком горизонтальном столе. Один конец каната находится у края стола. В некоторый момент от небольшого толчка канат начал двигаться, непрерывно соскальзывая со стола. Как зависит ускорение и скорость каната от длины х куска его, свешивающегося со стола? Какова будет скорость каната к моменту, когда он сползет со стола?
Ответ
a = xg /L ; ; .
Канат длиной L переброшен через штырь. В начальный момент концы каната находились на одном уровне. После слабого толчка канат пришел в движение. Определить скорость v каната к моменту, когда он соскользнет со штыря. Трением пренебречь.
Ответ
Конькобежец, разогнавшись до скорости v = 27 км/ч, въезжает на ледяную гору. На какую высоту H от начального уровня въедет конькобежец с разгона, если подъем горы составляет h = 0,5 м на каждые s = 10 м по горизонтали и коэффициент трения коньков о лед k = 0,02?
Ответ
H ≈ 2 м.
Тело массой m = 1,5 кг, брошенное вертикально вверх с высоты h = 4,9 м со скоростью v 0 = 6 м/с, упало на землю со скоростью v = 5 м/с. Определить работу сил сопротивления воздуха.
Ответ
A ≈ -80,2 Дж.
Камень массой 50 г, брошенный под углом к горизонту с высоты 20 м над поверхностью земли со скоростью 18 м/с, упал на землю со скоростью 24 м/с. Найти работу по преодолению сил сопротивления воздуха.
Ответ
A ≈ 3,5 Дж.
Самолет массой m = 10 3 кг летит горизонтально на высоте H = 1200 м со скоростью v 1 = 50 м/с. Затем мотор отключается, самолет переходит в планирующий полет и достигает земли со скоростью v 2 = 25 м/с. Определить среднюю силу сопротивления воздуха при спуске, принимая длину спуска равной 8 км.
Ответ
F ср ≈ 1570 Н.
Тело массой m = 1 кг движется по столу, имея в начальной точке скорость v 0 = 2 м/с. Достигнув края стола, высота которого h = 1 м, тело падает. Коэффициент трения тела о стол k = 0,1. Определить количество теплоты, выделившееся при неупругом ударе о землю. Путь, пройденный телом по столу, s = 2 м.
Ответ
Q ≈ 9,8 Дж.
Прикрепленный к вертикальной пружине груз медленно опускают до положения равновесия, причем пружина растягивается на длину х 0 . На сколько растянется пружина, если тому же грузу предоставить возможность падать свободно с такого положения, при котором пружина не растянута? Какой максимальной скорости v макс достигнет при этом груз? Каков характер движения груза? Масса груза m . Массой пружины пренебречь.
Ответ
2x 0 ; ; колебательный характер движения груза.
Падающим с высоты h = 1,2 м грузом забивают сваю, которая от удара уходит в землю на s = 2 см. Определить среднюю силу удара F ср и его продолжительность τ , если масса груза М = 5·10 2 кг, масса сваи много меньше массы груза.
Ответ
F ср ≈ 3·10 5 Н; τ ≈ 8·10 -3 с.
С горы высотой h = 2 м и основанием b = 5 м съезжают санки, которые затем останавливаются, пройдя по горизонтали путь l = 35 м от основания горы. Найти коэффициент трения.
Ответ
k = 0,05.
Стальной шарик массой m = 20 г, падая с высоты h 1 = 1 м на стальную плиту, отскакивает от нее на высоту h 2 = 81 см. Найти: а) импульс силы, действовавшей на плиту за время удара; б) количество теплоты, выделившееся при ударе.
Ответ
а) p = 0,17 Н·с;
б) Q = 3,7·10 -2 Дж.
Легкий шарик начинает свободно падать и, пролетев расстояние l , сталкивается упруго с тяжелой плитой, движущейся вверх со скоростью u . На какую высоту h подскочит шарик после удара?
Ответ
Воздушный шар, удерживаемый веревкой, поднялся на некоторую высоту. Как изменилась потенциальная энергия системы шар — воздух — Земля?
Ответ
Потенциальная энергия системы шар — воздух — Земля уменьшилась, поскольку при подъеме шара вверх объем, занимаемый шаром, замещается воздухом, имеющим массу, бо льшую, чем шар.
Хоккейная шайба, имея начальную скорость v 0 = 5 м/с, скользит до удара о борт площадки s = 10 м. Удар считать абсолютно упругим, коэффициент трения шайбы о лед k = 0,1, сопротивлением воздуха пренебречь. Определить, какой путь l пройдет шайба после удара.
Ответ
l ≈ 2,7 м.
Тело соскальзывает без трения с клина, лежащего на горизонтальной плоскости, два раза: первый раз клип закреплен; второй раз клин может скользить без трения. Будет ли скорость тела в конце соскальзывания с клина одинакова в обоих случаях, если тело оба раза соскальзывает с одной и той же высоты?
Ответ
Скорость тела в первом случае больше, чем во втором.
Почему трудно допрыгнуть до берега с легкой лодки, стоящей вблизи берега, и легко это сделать с парохода, находящегося на таком же расстоянии от берега?
Ответ
Прыгая с парохода, человек совершает меньшую работу, чем в том случае, когда прыгает с лодки.
Конькобежец массой М = 70 кг, стоя на коньках на льду, бросает в горизонтальном направлении камень массой m = 3 кг со скоростью v = 8 м/с относительно Земли. Найти, на какое расстояние s откатится при этом конькобежец, если коэффициент трения коньков о лед k = 0,02.
Ответ
s ≈ 0,29 м.
Человек стоит на неподвижной тележке и бросает горизонтально камень массой m = 8 кг со скоростью v 1 = 5 м/с относительно Земли. Определить, какую при этом человек совершает работу, если масса тележки вместе с человеком М = 160 кг. Проанализируйте зависимость работы от массы М . Трением пренебречь.
Ответ
A ≈ 105 Дж.
Винтовка массой М = 3 кг подвешена горизонтально на двух параллельных нитях. При выстреле в результате отдачи она отклонилась вверх на h = 19,6 см.
Масса пули m = 10 г. Определить скорость v 1 , с которой вылетела пуля.
Ответ
v 1 ≈ 590 м/с.
Пуля, летевшая горизонтально со скоростью v = 40 м/с, попадает в брусок, подвешенный на нити длиной l = 4 м, и застревает в нем. Определить угол α , на который отклонится брусок, если масса пули m 1 = 20 г, а бруска m 2 = 5 кг.
Ответ
α ≈ 15º.
Пуля, летящая горизонтально, попадает в шар, подвешенный на очень легком жестком стержне, и застревает в нем. Масса пули в n = 1000 раз меньше массы шара. Расстояние от точки подвеса стержня до центра шара l = 1 м. Найти скорость пули v , если известно, что стержень с шаром отклонился от удара пули на угол α = 10°.
Ответ
v ≈ 550 м/с.
Пуля массой m 1 = 10 г, летевшая горизонтально со скоростью v 1 = 600 м/с, ударилась в свободно подвешенный на длинной нити деревянный брусок массой m 2 = 0,5 кг и застряла в нем, углубившись на s = 10 см. Найти силу F с сопротивления дерева движению пули. На какую глубину S 1 войдет пуля, если тот же брусок закрепить.
Ответ
F с ≈ 1,8·10 4 Н; s 1 ≈ 10,2 см.
В покоящийся шар массой М = 1 кг, подвешенный на длинном жестком стержне, закрепленном в подвесе на шарнире, попадает пуля массой m = 0,01 кг. Угол между направлением полета пули и линией стержня равен α = 45°. Удар центральный. После удара пуля застревает в шаре и шар вместе с пулей, отклонившись, поднимается на высоту h = 0,12 м относительно первоначального положения. Найти скорость пули v . Массой стержня пренебречь.
Ответ
v ≈ 219 м/с.
Маятник представляет собой прямой тонкий стержень длиной l = 1,5 м, на конце которого находится стальной шар массой М = 1 кг. В шар попадает летящий горизонтально со скоростью v = 50 м/с стальной шарик массой m = 20 г. Определить угол максимального отклонения маятника, считая удар упругим и центральным. Массой стержня пренебречь.
Ответ
α ≈ 30º.
На нити, перекинутой через блок, подвешены два груза неравных масс m 1 и m 2 . Найти ускорение центра масс этой системы. Решить задачу двумя способами, применяя: 1) закон сохранения энергии и 2) закон движения центра масс. Массами блока и нити пренебречь.
Ответ
.
Молот массой m = 1,5 т ударяет по раскаленной болванке, лежащей на наковальне, и деформирует ее. Масса наковальни вместе с болванкой М = 20 т. Определить коэффициент полезного действия η при ударе молота, считая удар неупругим. Считать работу, совершенную при деформации болванки, полезной.
Ответ
η ≈ 93 %.
Тело массой m 1 ударяется неупруго о покоящееся тело массой m 2 . Найти долю q потерянной при этом кинетической энергии.
Ответ
q = m 2 /(m 1 +m 2).
На передний край платформы массой М , движущейся горизонтально без трения со скоростью v , опускают с небольшой высоты короткий брусок массой m . При какой минимальной длине платформы l брусок не упадет с нее, если коэффициент трения между бруском и платформой k . Какое количество теплоты Q выделится при этом.
Ответ
; 
.
Телу массой m = 1 кг, лежащему на длинной горизонтальной платформе покоящейся тележки, сообщают скорость v = 10 м/с. Коэффициент трения тела о платформу k = 0,2. Какой путь пройдет тележка к тому моменту, когда тело остановится на ней? Какое количество теплоты выделится при движении тела вдоль платформы? Тележка катится по рельсам без трения, ее масса М = 100 кг.
Ответ
s ≈ 0,25 м; Q ≈ 50 Дж.
Два груза массами m 1 = 10 кг и m 2 = 15 кг подвешены на нитях длиной l = 2 м так, что соприкасаются между собой. Меньший груз был отклонен на угол α = 60° и отпущен. На какую высоту поднимутся оба груза после удара? Удар грузов считать неупругим. Какое количество теплоты при этом выделяется?
Ответ
h ≈ 0,16 м; Q ≈ 58,8 Дж.
Шарик движется между двумя очень тяжелыми вертикальными параллельными стенками, соударяясь с ними по закону абсолютно упругого удара. Одна из стенок закреплена, другая движется от нее с постоянной горизонтальной скоростью u х = 0,5 м/с. Определить число соударений и и окончательную скорость v x шарика, если перед первым соударением со стенкой она была равна v 0x = 19,5 м/с.
Ответ
Число соударений n = 19; v x = 0,5 м/с.
Два шара подвешены на параллельных нитях одинаковой длины так, что они соприкасаются. Массы шаров m 1 = 0,2 кг и m 2 = 100 г. Первый шар отклоняют так, что его центр тяжести поднимается на высоту h = 4,5 см, и отпускают. На какую высоту поднимутся шары после соударения, если удар: а) упругий; б) неупругий?
Ответ
а) h 1 = 5·10 -3 м, h 2 = 0,08 м;
б) H = 0,02 м.
Во сколько раз уменьшится скорость атома гелия после центрального упругого столкновения с неподвижным атомом водорода, масса которого в четыре раза меньше массы атома гелия?
Ответ
n = 5/3.
На шар, лежащий на гладкой горизонтальной поверхности, налетает другой шар такого же радиуса, движущийся горизонтально. Между шарами происходит упругий центральный удар. Построить график зависимости доли переданной энергии от отношения масс шаров α =m 1 /m 2 .
Ответ
.
Для получения медленных нейтронов их пропускают сквозь вещества, содержащие водород (например, парафин). Найти, какую наибольшую часть своей кинетической энергии нейтрон массой m 0 может передать: а) протону (масса m 0); б) ядру атома свинца (масса m = 207 m 0). Наибольшая часть передаваемой энергии соответствует упругому центральному удару.
Ответ
а) 100 %, при упругом столкновении частиц с одинаковой массой происходит обмен скоростями;
Два идеально упругих шарика массами m 1 и m 2 движутся вдоль одной и той же прямой со скоростями v 1 и v 2 . Во время столкновения шарики начинают деформироваться и часть кинетической энергии переходит в потенциальную энергию деформации. Затем деформация уменьшается, а запасенная потенциальная энергия вновь переходит в кинетическую. Найти значение максимальной потенциальной энергии деформации.
Ответ
.
Небольшое тело обтекаемой формы с плотностью ρ 1 падает в воздухе с высоты h на поверхность жидкости с плотностью ρ 2 , причем ρ 1 < ρ 2 . Определить глубину h 1 погружения тела в жидкость, время погружения t и ускорение a . Сопротивлением жидкости пренебречь.
Ответ
; 
; .
На нити длиной l подвешен груз массой m . Определить, на какую минимальную высоту надо поднять этот груз, чтобы он, падая, разорвал нить, если минимальный груз массой М , подвешенный на нити и разрывающий ее, растягивает нить в момент разрыва на 1% от ее длины. Принять, что для нити справедлив закон Гука вплоть до разрыва.
Ответ
h мин = 0,01Ml /(2m ).
Определить максимальную дальность полета струи s из шприца диаметром d = 4 см, на поршень которого давит сила F = 30 Н. Плотность жидкости ρ = 1000 кг/м 3 . Сопротивлением воздуха пренебречь (S отв ≪ S порш).
Ответ
s ≈ 4,9 м.
Цилиндр диаметром D заполнен водой и расположен горизонтально. С какой скоростью u перемешается в цилиндре поршень, если на него действует сила F , а из отверстия в дне цилиндра вытекает струя диаметром d ? Трением пренебречь. Силу тяжести не учитывать. Плотность жидкости ρ .
Ответ
.
По гладкому горизонтальному проволочному кольцу могут без трения скользить две бусинки массами m 1 и m 2 . Вначале бусинки были соединены ниткой и между ними находилась сжатая пружина. Нитку пережигают. После того как бусинки начали двигаться, пружинку убирают. В каком месте кольца бусинки столкнуться в 11-й раз? Столкновения бусинок абсолютно упругие. Массой пружины пренебречь.
Ответ
l 1 /l 2 = m 2 /m 1 , где l 1 и l 2 — длины дуг кольца от точки начала движения до точки 11-го соударения.
Протон массой m , летящий со скоростью v 0 , столкнулся с неподвижным атомом массой М , после чего стал двигаться в прямо противоположную сторону со скоростью 0,5 v o , а атом перешел в возбужденное состояние. Найти скорость v и энергию Е возбуждения атома.
Ответ
; 
.
При распаде неподвижного ядра образуются три осколка массами m 1 , m 2 и m 3 с общей кинетической энергией Е 0 . Найти скорости осколков, если направления скоростей составляют друг с другом углы в 120°.
Ответ
;
;
;
В общем виде:
В неподвижный шар ударяется не по линии центров другой такой же шар. Под каким углом α разлетятся шары, если они абсолютно упругие и абсолютно гладкие?
Ответ
α = 90º.
Два шара А и В с различными неизвестными массами упруго сталкиваются между собой. Шар А до соударения находился в покое, а шар В двигался со скоростью v . После соударения шар В приобрел скорость 0,5 v и начал двигаться под прямым углом к направлению своего первоначального движения. Определить направление движения шара А и его скорость v A после столкновения.
Ответ
v A = 0,66v .
При бомбардировке гелия α -частицами с энергией Е 0 налетающая частица отклонилась на угол φ = 60° по отношению к направлению ее движения до столкновения. Считая удар абсолютно упругим, определить энергии α -частицы W α и ядра W He после столкновения. Энергия теплового движения атомов гелия много меньше E 0 .
Ответ
W α = 1/4 E 0 ; W He = 3/4 E 0 .
Гладкий шарик из мягкого свинца налетает на такой же шарик, первоначально покоящийся. После столкновения второй шарик летит под углом α к направлению скорости первого шарика до столкновения. Определить угол β , под которым разлетаются шары после столкновения. Какая часть кинетической энергии T перейдет при столкновении в тепло Q ?
Ответ
β = arctg(2tgα ); Q /T = ½cos 2 α .
Шар массой m , движущийся со скоростью v , налетает на покоящийся шар массой m /2 и после упругого удара продолжает двигаться под углом α = 30° к направлению своего первоначального движения. Найти скорости шаров после столкновения.
Энергия и импульс являются важнейшими понятиями физики. Оказывается, что вообще в природе законы сохранения играют важную роль. Поиск сохраняющихся величин и законов, из которых они могут быть получены, – предмет исследований во многих разделах физики. Выведем эти законы простейшим способом из второго закона Ньютона.
Закон сохранения импульса. Импульс , или количество движения p определяется как произведение массы m материальной точки на скорость V : p = m V . Второй закон Ньютона с использованием определения импульса записывается в виде
= d p = F , (1.3.1)
здесь F – равнодействующая приложенных к телу сил.
Замкнутой системой называют систему, в которой сумма внешних сил, действующих на тело равна нулю:
F = å F i = 0 . (1.3.2)
Тогда изменение импульса тела в замкнутой системе по второму закону Ньютона (1.3.1), (1.3.2) составляет
d p = 0 . (1.3.3)
В этом случае импульс системы частиц остается постоянной величиной:
p = å p i = const . (1.3.4)
Это выражение представляет собой закон сохранения импульса , который формулируется так: когда сумма внешних сил, действующих на тело или систему тел, равна нулю, импульс тела или системы тел является постоянной величиной.
Закон сохранения энергии. В обыденной жизни под понятием «работа» мы понимаем всякий полезный труд человека. В физике же изучается механическая работа , которая совершается, только когда тело перемещается под действием силы. Механическая работа ∆A определяется как скалярное произведение силы F , приложенной к телу, и перемещения тела Δr в результате действия этой силы:
AA = (F , Δr ) = F Ar cosα. (1.3.5)
В формуле (1.3.5) знак работы определяется знаком cos α.
Желая передвинуть шкаф, мы с силой на него надавливаем, но если он при этом в движение не приходит, то механической работы мы не совершаем. Можно представить себе случай, когда тело движется без участия сил (по инерции),
в этом случае механическая работа также не совершается. Если система тел может совершить работу, то она обладает энергией.
Энергия представляет собой одно из важнейших понятий не только в механике, но и в других областях физики: термодинамике и молекулярной физике, электричестве, оптике, атомной, ядерной и физике частиц.
В любой системе, принадлежащей физическому миру, энергия сохраняется при любых процессах. Меняться может лишь форма, в которую она переходит. Например, при попадании пули в кирпич часть кинетической энергии (причем, бóльшая) переходит в тепло. Причина этого – наличие силы трения между пулей и кирпичом, в котором она двигается с большим трением. При вращении ротора турбины механическая энергия превращается в электрическую энергию, а при этом в замкнутой цепи возникает ток. Энергия, выделяющаяся при сжигании химического топлива, т.е. энергия молекулярных связей, превращается в тепловую энергию. Природа химической энергии – это энергия межмолекулярных и межатомных связей, по сути, представляющая собой молекулярную или атомную энергию.
Энергия – скалярная величина, характеризующая способность тела совершить работу:
E2- E1= ∆A. (1.3.6)
При совершении механической работы энергия тела переходит из одной формы в другую. Энергия тела может быть в форме кинетической или потенциальной энергии.
Энергию механического движения
W кин = .
называют кинетической энергией поступательного движения тела. Работа и энергия в системе единиц СИ измеряется в джоулях (Дж).
Энергия может быть обусловлена не только движением тел, но и их взаимным расположением и формой. Такую энергию называют потенциальной .
Потенциальной энергией обладают друг относительно друга два груза, соединенные пружиной, или тело, находящееся на некоторой высоте над Землей. Этот последний пример относится к гравитационной потенциальной энергии, когда тело перемещается с одной высоты над Землей на другую. Она вычисляется по формуле
Е полн =Е кин + U
Е кин = mv 2 /2 + Jw 2 /2 – кинетическая энергия поступательного и вращательного движения,
U = mgh – потенциальная энергия тела массы m на высоте h над поверхностью Земли.
F тр = кN – сила трения скольжения, N – сила нормального давления, к – коэффициент трения.
В случае нецентрального удара закон сохранения импульса
Sр i = constзаписывается в проекциях на оси координат.
Закон сохранения момента импульса и закон динамики вращательного движения
SL i = const– закон сохранения момента импульса,
L ос = Jw - осевой момент импульса,
L орб = [rp ] –орбитальный момент импульса,
dL/dt=SM внеш – закон динамики вращательного движения,
М = [rF ] = rFsina – момент силы, F – сила, a - угол между радиусом – вектором и силой.
А = òМdj - работа при вращательном движении.
Раздел механика
Кинематика
Задача
Задача. Зависимость пройденного телом пути от времени даётся уравнением s = A–Bt+Ct 2 . Найти скорость и ускорение тела в момент времени t.
Пример решения
v = ds/dt = -B + 2Ct , a = dv/dt =ds 2 /dt 2 = 2C.
Варианты
1.1. Зависимость пройденного телом пути от времени дается
уравнением s = A + Bt + Ct 2 , где А = 3м, В = 2 м/с, С = 1 м/с 2 .
Найти скорость за третью секунду.
2.1. Зависимость пройденного телом пути от времени дается
уравнением s= A+Bt+Ct 2 +Dt 3 , где С = 0,14м/с 2 и D = 0,01 v/c 3 .
Через сколько времени после начала движения ускорение тела
будет равно 1 м/с 2 .
3.1.Колесо, вращаясь равноускоренно, достигло угловой скорости
20 рад/c через N = 10 оборотов после начала движения. Найти
угловое ускорение колеса.
4.1.Колесо радиусом 0,1 м вращается так, что зависимость угла
j =А +Bt +Ct 3 , где В=2 рад/с и С = 1рад/с 3 . Для точек, лежащих
на ободе колеса, найти через 2 с после начала движения:
1) угловую скорость, 2) линейную скорость, 3) угловое
ускорение, 4) тангенциальное ускорение.
5.1.Колесо радиусом 5 см вращается так, что зависимость угла
поворота радиуса колеса от времени дается уравнением
j =А +Bt +Ct 2 +Dt 3 , где D = 1 рад/с 3 . Найти для точек, лежащих
на ободе колеса изменение тангенциального ускорения за
каждую секунду движения.
6.1.Колесо радиусом 10 см вращается так, что зависимость
линейной скорости точек, лежащих на ободе колеса, от
времени дается уравнением v = At +Bt 2 , где А = 3 см/с 2 и
В = 1 см/с 3 . Найти угол, составляемый вектором полного
ускорения с радиусом колеса в момент времени t = 5с после
начала движения.
7.1.Колесо вращается так, что зависимость угла поворота радиуса
колеса от времени дается уравнением j =А +Bt +Ct 2 +Dt 3 , где
В = 1 рад/с, С =1 рад/с 2 ,D = 1 рад/с 3 . Найти радиус колеса,
если известно, что к концу второй секунды движения
нормальное ускорение точек, лежащих на ободе колеса равно
а n = 346 м/с 2 .
8.1.Радиус вектор материальной точки изменяется со временем по
закону R =t 3 I + t 2 j. Определите для момента времени t = 1 с:
модуль скорости и модуль ускорения.
9.1.Радиус вектор материальной точки изменяется со временем по
закону R =4t 2 I + 3t j +2к. Запишите выражение для вектора
скорости и ускорения. Определите для момента времени t = 2 с
модуль скорости.
10.1.Точка движется в плоскости ху из положения с координатами
х 1 = у 1 = 0 со скоростью v = Ai +Bxj . Определить уравнение
траектории точки у(х) и форму траектории.
Момент инерции
расстоянии L/3 от начала стержня.
Пример решения.
M - масса стержня J = J ст + J гр
L – длина стержня J ст1 = mL 2 /12 – момент инерции стержня
2m – масса грузика относительно его центра. По теореме
Штайнера находим момент инерции
J = ? стержня относительно оси о, отстоящей от центра на расстояние а = L/2 – L/3 = L/6.
J ст = mL 2 /12 + m(L/6) 2 = mL 2 /9.
Согласно принципу суперпозиции
J = mL 2 /9 + 2m(2L/3) 2 = mL 2 .
Варианты
1.2. Определить момент инерции стержня массой 2m относительно оси, отстоящей от начала стержня на расстояние L/4. На конце стержня сосредоточенная масса m.
2.2.Определить момент инерции стержня массой m относительно
оси, отстоящей от начала стержня на расстояние L/5. На конце
стержня сосредоточенная масса 2m.
3.2. Определить момент инерции стержня массой 2m относительно оси, отстоящей от начала стержня на расстояние L/6. На конце стержня сосредоточенная масса m.
4.2. Определить момент инерции стержня массой 3m относительно оси, отстоящей от начала стержня на расстояние L/8. На конце стержня сосредоточенная масса 2m.
5.2. Определить момент инерции стержня массой 2m относительно оси, проходящей через начало стержня. К концу и середине стержня прикреплены сосредоточенные массы m.
6.2. Определить момент инерции стержня массой 2m относительно оси, проходящей через начало стержня. К концу стержня прикреплена сосредоточенная масса 2m, а к середине прикреплена сосредоточенная масса 2m.
7.2. Определить момент инерции стержня массой m относительно оси, отстоящей от начала стержня на L/4. К концу и середине стержня прикреплены сосредоточенные массы m.
8.2. Найти момент инерции тонкого однородного кольца массы m и радиусом r относительно оси, лежащей в плоскости кольца и отстоящей от его центра на r/2.
9.2. Найти момент инерции тонкого однородного диска массы m и радиусом r относительно оси, лежащей в плоскости диска и отстоящей от его центра на r/2.
10.2. Найти момент инерции однородного шара массы m и радиусом
r относительно оси, отстоящей от его центра на r/2.
Начну с пары определений, без знания которых дальнейшее рассмотрение вопроса будет бессмысленным.
Сопротивление, которое оказывает тело при попытке привести его в движение или изменить его скорость, называется инертностью.
Мера инертности – масса .
Таким образом можно сделать следующие выводы:
- Чем больше масса тела, тем большее оно оказывает сопротивление силам, которые пытаются вывести его из состояния покоя.
- Чем больше масса тела, тем большее оно оказывает сопротивление силам, которые пытаются изменить его скорость в случае, если тело движется равномерно.
Резюмируя можно сказать, что инертность тела противодействует попыткам придать телу ускорение. А масса служит показателем уровня инертности. Чем больше масса, тем большую силу нужно применить для воздействия на тело, чтобы придать ему ускорение.
Замкнутая система (изолированная) – система тел, на которую не оказывают влияние другие тела не входящие в эту систему. Тела в такой системе взаимодействуют только между собой.
Если хотя бы одно из двух условий выше не выполняется, то систему замкнутой назвать нельзя. Пусть есть система, состоящая из двух материальных точек, обладающими скоростями и соответственно. Представим, что между точками произошло взаимодействие, в результате которого скорости точек изменились. Обозначим через и приращения этих скоростей за время взаимодействия между точками . Будем считать, что приращения имеют противоположные направления и связаны соотношением 
. Мы знаем, что коэффициенты и не зависят от характера взаимодействия материальных точек — это подтверждено множеством экспериментов. Коэффициенты и являются характеристиками самих точек. Эти коэффициенты называются массами (инертными массами). Приведенное соотношения для приращения скоростей и масс можно описать следующим образом.
Отношение масс двух материальных точек равно отношению приращений скоростей этих материальных точек в результате взаимодействия между ними.
Представленное выше соотношение можно представить в другом виде. Обозначим скорости тел до взаимодействия как и соответственно, а после взаимодействия — и . В этом случае приращения скоростей могут быть представлены в таком виде — и . Следовательно, соотношение можно записать так — .
Импульс (количество энергии материальной точки) – вектор равный произведению массы материальной точки на вектор ее скорости —
Импульс системы (количество движения системы материальных точек) – векторная сумма импульсов материальных точек, из которых эта система состоит — .
Можно сделать вывод, что в случае замкнутой системы импульс до и после взаимодействия материальных точек должен остаться тем же — , где и . Можно сформулировать закон закон сохранения импульса.
Импульс изолированной системы остается постоянным во времени, независимо от взаимодействия между ними.
Необходимое определение:
Консервативные силы – силы, работа которых не зависит от траектории, а обусловлена только начальными и конечными координатами точки.
Формулировка закона сохранения энергии:
В системе, в которой действуют только консервативные силы, полная энергия системы остается неизменной. Возможны лишь превращения потенциальной энергии в кинетическую и обратно.
Потенциальная энергия материальной точки является функцией только координат этой точки. Т.е. потенциальная энергия зависит от положения точки в системе. Таким образом силы , действующие на точку, можно определить так: можно определить так: . – потенциальная энергия материальной точки. 
Помножим обе части на и получим 
. Преобразуем и получим выражение доказывающее закон сохранения энергии
. 
Упругие и неупругие столкновения
Абсолютно неупругий удар – столкновение двух тел, в результате которого они соединяются и далее двигаются как одно целое.
Два шара , с и испытывают абсолютно неупругий дар друг с другом. По закону сохранения импульса . Отсюда можно выразить скорость двух шаров, двигающихся после соударения как единое целое — 
. Кинетические энергии до и после удара: 
и 
. Найдем разность
,
где – приведенная масса шаров . Отсюда видно, что при абсолютно неупругом столкновении двух шаров происходит потеря кинетической энергии макроскопического движения. Эта потеря равна половине произведения приведенной массы на квадрат относительной скорости.
4.1. Шары m 1 и m 2 двигаются навстречу друг другу со скоростями V 1 и V 2 и ударяются неупруго. Определить скорость шаров после удара.
4.2. Тело массой 0,5кг брошено вверх со скоростью 4м/с. Определить работу силы тяжести, кинетическую, потенциальную, полную энергию при подъеме тела на максимальную высоту
4.3. Пуля массой 20г, летящая горизонтально со скоростью 200м/с попадает в брусок, подвешенный на длинном шнуре, и застревает в нем. Масса бруска 5кг. Определить высоту подъема бруска после удара, если перед ударом брусок двигался со скоростью 0,1м/с навстречу пули.
4.4. Человек стоит на неподвижной тележке и бросает горизонтально груз массой 8кг со скоростью 10м/с. Определить работу, совершенную им в момент бросания, если масса тележки вместе с человеком 80кг. На каком расстоянии от камня, упавшего на Землю через 0,5с после броска, остановится тележка. если коэффициент трения равен 0,1.
4.5. В лодке массой 240кг стоит рыболов массой 60кг. Лодка плывет со скоростью2м/с. Человек прыгает с лодки в горизонтальном направлении со скоростью 4м/с относительно лодки. Найти скорость лодки после прыжка человека в сторону, противоположную движению лодки.
4.6. Зенитный снаряд разрывается в верхней точке траектории на три осколка. Первый и второй осколки разлетелись под прямым углом друг к другу, причем скорость первого осколка массой 9,4кг,равна 60м/с и направлена в прежнем направлении, а скорость второго осколка массой 18кг равна 40м/с. Третий осколок полетел вверх со скоростью 200м/с. Определить массу скорость снаряда до разрыва.
4.7. В замкнутой системе тал, в которой действуют только силы упругости и всемирного тяготения. Изменение потенциальной энергии равно50Дж. Чему равна работа сил, действующих в этой системе? Определить изменение кинетической энергии, полной механической энергии системы.
4.8. На железнодорожной платформе массой 16т установлено орудие массой 4т, ствол которого направлен под углом 60 градусов к горизонту. С какой скоростью вылетел из орудия снаряд массой 50кг, если платформа после выстрела остановилась, пройдя расстояние 3м за 6с?
4.9. Тело брошено вверх под углом к горизонту со скоростью V 0 . Определить скорость этого тела на высоте h над горизонтом. Зависит ли модуль этой скорости от угла бросания? Сопротивление воздуха не учитывать.
4.10. Конькобежец, стоя на льду, бросает груз массой 5кг горизонтально со скоростью 10м/с. На какое расстояние откатится конькобежец, если его масса 65кг, коэффициент трения равен 0,04.
4.11. Лодка стоит неподвижно в стоячей воде. Человек, двигаясь равномерно, переходит с носа лодки на корму. На какое расстояние сдвинется при этом лодка, если массы человека и лодки соответственно равны 60кг и 120кг, а длина лодки 3м?
4.12. Какой наименьшей скоростью должно обладать тело в нижней точке «мертвой петли» радиусом 8м, чтобы не оторваться от нее в верхней точке?
4.13. Груз массой 5уг висит на нити. Нить отклоняют на 30 градусов от вертикали и отпускают. Чему равна сила натяжения нити при прохождении грузом положения равновесия?
4.14. Боек свайного молота массой 0,6т падает на сваю массой 150кг. Найти КПД бойка, считая удар неупругим.
4.16. Первое тело начинает скользить без трения по наклонной плоскости, имеющей высоту h ,и длину nh Одновременно с высоты h падает второе тело. Сравнить конечные скорости тел и время их движения до Земли, если не учитывать сопротивление воздуха.
4.17. Тело массой 2кг движется навстречу второму телу массой 1,5кг и не упруго сталкивается с ним. Скорости тел перед столкновением соответственно равны: 1м/с и 2м/с. Сколько времени будут двигаться тела после столкновения, если коэффициент трения равен 0,05?
4.18. Цирковой гимнаст надает с высоты 1,5м на туго натянутую сетку. Каково будет максимальное провисание гимнаста в сетке. Если в случае спокойно лежащего гимнаста провисание сетки равно 0,1м?
4.19. Человек массой М прыгает под углом к горизонту: α со скоростью V 0 . В верхней точке траектории он бросает камень m со скоростью V 1 . На какую высоту подпрыгнул человек?
4.20. Тело скользит с вершины сферы радиуса 0,3м. Найти Ө,
соответствующей точке отрыва тела от сферы и скорость
Тела в момент отрыва.
СТАТИКА. ГИДРОСТАТИКА.
В С 5.1.Груз массой 4кг подвешен на шнурах. АД=100см, СД=СВ=
200см. Каковы силы упругости шнуров АД и СД?
5.2. На наклонной плоскости длиной 5м и высотой 3м находится груз массой 400кг. Какую силу 1) параллельно; 2) перпендикулярно плоскости надо приложить, чтобы груз удержался в покое, коэффициент трения равен 0,2.
5.3. Балка длиной 10м своими концами опирается на две опоры. На расстоянии 2м от края балки лежит груз массой 5т. Определить вертикальные силы реакции опор, если масса балки 10т.
5.4. Труба массой 2100т и длинной 16м лежит на опорах, расположенных на расстоянии 4м и2м от ее концов. Какую наименьшую силу надо приложить, чтобы приподнять трубу: а) за левый край; б) за правый край?
5.5. Рабочий поднимает с Земли за один конец однородную доску массой 40кг так, что доска образует с горизонтом угол 30 градусов. Какую силу перпендикулярно доске прикладывает рабочий, удерживая доску в этом положении?
5.6. Верхний конец лестницы опирается о гладкую вертикальную стену, а нижний стоит на полу. Коэффициент трения равен 0,5. При каком угле наклона к горизонту лестница будет в равновесии?
5.7. Однородный стержень массой 5кг опирается о гладкую вертикальную стену и шероховатый пол, образуя с ним угол 60 градусов. Чтобы сдвинуть этот стержень понадобилась горизонтальная сила 20Н. Определить коэффициент трения.
к задаче 5.7. к задаче 5.8.
5.8. Нижний конец стержня АВ укреплен шарнирно. К верхнему концу А привязана веревка АС, удерживая стержень в равновесии. Определить силу натяжения веревки, если сила тяжести стержня Р. Известно: угол АВС равен углу ВСА. Угол САВ равен 90 градусов.
5.9. Однородные половины стержня длиной 30см сделаны одна из железа, другая из алюминия. Площади поперечного сечения обоих половин одинаковы. Где находится центр тяжести стержня?
5.10. На какой глубине находится подводная лодка, если на крышу выходного люка площадью 3·10 3 см 2 вода давит с силой 1,2·10 6 Н?
5.11. Нижнее основание полого цилиндра закрывают легкой пластинкой и погружают в воду до глубины 37см. С какой силой вода прижимает пластинку, если ее площадь 100см 2 .Какой минимальной высоты столбик масла надо налить в цилиндр, чтобы пластина отпала?
5.12. В сообщающиеся сосуды наливают ртуть, а затем в правое колено поверх ртути столбик исследуемой жидкости высотой 15см. Верхний уровень ртути в левом колене на 1см выше, чем в правом. Определить плотность исследуемой жидкости.
5.13. В U- образную трубку наливают ртуть, а поверх нее в одно колено – воду, а в другое – масло. Уровни ртути в обоих коленах одинаковы. Определить высоту столбика воды, если высота столба масла 20см.
5.14. Какова сила натяжения веревки при равномерном подъеме из воды свинцовой отливки объемом 2дм 3 ?
5.15. На одной чаше весов лежит кусок серебра массой 10,5кг, а на другой кусок стекла массой 13кг. Какая чашка перетянет при погружении весов в воду?
5.16. Полый цинковый шар с наружным объемом 200см 3 плавает в воде. Погрузившись наполовину. Найти объем полости.
5.17. Вес куска мрамора в керосине 3,8Н. Определить его вес в воздухе. Выталкивающей силой воздуха пренебречь.
5.18. малый поршень гидравлического пресса за один ход опускается на расстояние 0,2 м. а большой поднимается на 0,01м. С какой силой F 2 действует на зажатое в нем тело, если на малый поршень действует сила F 1 =500Н?
5.19. Гидравлический подъемник поднимает автомашину массой 2·10 3 кг. Сколько ходов совершает малый поршень за 1 мин, если за один ход оно опускается на 25см? Мощность двигателя подъемника 250Вт, КПД-25%Площадь поршней 100см 2 и 2·10 3 см 2
5.20. Жидкость течет по горизонтально расположенной трубе переменного сечения. Сравнить значения скоростей и давлений жидкости на стенки сосуда в сечениях S 1, S 2, S 3 .
6.1. Какой процесс произошел с газом? Каким уравнением
Р Описывается данный процесс? Сравнить температуры
1 2 При данном переходе масса не изменяется.
6.2. Сравнить объемы при данном процессе. Ответ обосновать. Р 1 Масса не изменяется
6.3. Как изменилось давление и плотность газа?
V 1 Ответ обосновать. Масса не изменяется.
6.4. Как и во сколько раз изменится температура газа при переходе
Р из состояния 1 в состояние 2. Р 1 =2Р 2 ; V 2 =3V 1 .
6.5. Параметры начального состояния идеального газа Р 1 ,V 1 , Т 1 . Газ изохорно охлаждается до Т 2 = 0,5Т 1 , затем изотермически сжимается до первоначального давления. Начертите график данного перехода в координатах Р-Т. Для каждого процесса записать уравнение.
6.6. Указать процессы, которые последовательно проходит газ
при данном переходе. Записать газовые законы для каждого
4 перехода. Начертите график данного перехода в координатах Р-V.
Р Указать процессы, которые последовательно проходит газ
4 при данном переходе.
3 2 Записать газовые законы для каждого перехода.
0 1 Т Начертите график данного перехода в координатах Р-V, V –Т.
6.8. Сколько молекул кислорода содержится в колбе объемом 1см 3 при нормальных условиях?
6.9. При 27градусах по Цельсию и давлении 10 5 Па в комнате находится 2,45·10 27 молекул воздуха. Вычислить объем комнаты.
6.10. В шаре диаметром 20см находится 7г воздуха. До какой Т можно нагреть этот шар, если максимальное давление, которое выдерживают стенки шара, 0,3МПа?
6.11. Воздух в сосуде объемом 5л находится при температуре 27 градусов по Цельсию под давлением 2МПа. Какую массу воздуха выпустили из сосуда, если давление в нем упало до 1МПа, а температура понизилась до 17 градусов по Цельсию?
6.12. В баллоне объемом 10л находится гелий под давлением 10 6 Па при температуре 37 градусов по Цельсию. После того, как из баллона взяли 10г гелия, температура понизилась до27 градусов по Цельсию. Определить давление гелия, оставшегося в баллоне.
6.13. В сосудах объемами 5л и 7л находится воздух под давлением 2·10 5 Па и 10 5 Па. Температура в обоих сосудах одинакова. Какое давление установится, если сосуды соединить между собой. Температура не изменяется.
6.14. Идеальный газ находится под давлением 2·10 5 Па при 27градусах по Цельсию. Вследствие изобарного расширения V газа увеличился в 3 раза. Далее газ изотермически сжимают до первоначального V. Определить конечное давление и температуру газа. Начертите график данного процесса в координатах Р-V, Р-Т.
6.15. Азот массой 7г находится под давлением 0,1МПа и температуре 290К. Вследствие изобарного нагревания азот занял объем 10л. Определить объем газа до расширения и Т газа после расширения, плотность газа до и после расширения.
6.16. В баллоне находится некоторое количество газа при давлении 1атм. При открытом вентиле баллон был нагрет, после чего вентиль закрыли и газ остыл до 10 градусов по Цельсию, а давление в баллоне упало до 0,7 атм.На сколько градусов при этом охладился баллон?
6.17. В цилиндре с площадью основания 250см 2 находится 1г азота, сжатого невесомым поршнем, на котором лежит гиря массой 5кг. Насколько увеличится V газа? Атмосферное давление равно 1 атм.
6.18. В запаянной с одного конца стеклянной трубке, длина которого 65см. находится столбик воздуха, сдавленный сверху столбиком ртути высотой 25см, доходящим до верхнего не запаянного края трубки. Трубку медленно переворачивают, причем часть ртути выливается. Атмосферное давление 75мм.рт.ст. Какова высота столбика ртути, который остался в трубке?
6.19. Запаянная с одного конца цилиндрическая трубка длиной L , погружается в воду до тех пор, пока ее запаянный конец не останется на одном уровне с поверхностью воды. Когда температуры воздуха и воды в трубке уравнялись, оказалось, что вода в трубке поднялась на 2/3 L. Определить начальную температуру воздуха в трубке, если температура воды- Т, а атмосферное давление Р 0 .
6.20. Определить среднюю скорость молекул газа, плотность которого при давлении 9,86·10 4 Па равна 8,2·10 2 кг/м 3 . Какой будет газ, если величины давления и плотности приведены для 17 градусов по Цельсию.
ТЕРМОДИНАМИКА.
7.1. Одноатомный идеальный газ переходит из состояния 1 в состояние 2.
Р Найти работу, совершенную газом при переходе, изменение
0 2 внутренней энергии и количество теплоты, сообщенное газу.
0 V Р 1 =10 5 Па, Р 2 =2·10 5 Па, V 1 =1л, V 2 =2л,
7.2. Идеальный одноатомный газ в первоначальном состоянии имел параметры Р 1 =10 5 Па и V 1 =1м 3 . Затем газ изобарически расширили до V 2 =5м 3 . Найти работу, совершенную газом при переходе, изменение внутренней энергии и количество теплоты, сообщенное газу.
7.3. Р 1 =10 5 Па, Р 2 =Р 3 = 3·10 5 Па, V 1 =V 2 = 1л,
Р 2 3 V 3 = 3л.
Найти работу, совершенную газом при переходе, количество
теплоты, поглощенной газом за цикл; количество теплоты, отданное газом за цикл; КПД.
7.4. В цилиндре под поршнем находится воздух Р 1 =10 5 Па, V 1 =10л. Далее его состояние изменяется по замкнутому контуру:
1. V=const, Р увеличивается в 2 раза; 2. Р=const, V увеличивается в 2 раза.
3.Т=const, V увеличивается в 2 раза; 4.Р =const, воздух возвращается в исходное состояние.
Начертите график данного процесса в координатах Р-V. Указать в каких процессах воздух поглощает тепло, а в каких отдает. Определить по графику,чему равна полезная работа за цикл. Воздух считать идеальным газом.
7.5. Идеальный одноатомный газ в количестве 1 моль совершает замкнутый цикл, состоящий из двух изохор и двух изобар. Температуры в точке1 и 3 равны.
Т 1 =400К, Т 2 =Т 1 , Т 3 =900К
Р 2 3 Указать в каких процессах воздух поглощает тепло, а в каких отдает
Найти работу, совершенную газом за цикл.
7.6. Гелий массой 400г изохорически нагрет от 200К до 400К, А затем изобарически до 600К. Начертите график данного процесса в координатах Р-V. Найти работу, совершенную газом при переходе, изменение внутренней энергии и количество теплоты, сообщенное газу.
7.7. Р 1 =4 ·10 5 Па, Р 2 =10 5 Па, V 1 =1л, V 2 =2л.
Р Найти работу, совершенную газом при переходе,
1 изменение внутренней энергии и количество теплоты,
2 полученное газом.
7.8. 1-2: адиабатное расширение;
2-3: изотермическое сжатие;
Т 3-1: изохорное нагревание.
Какую работу совершает газ в адиабатном процессе,
1 Если в процессе изохорного нагревания газу сообщили
3 2 тепло Q 3-1 =10кДж? Чему равен КПД цикла,
V если газ при изотермическом сжатии отдал тепло Q 2-3 =8кДж?
7.9. Начертите график данного процесса в координатах Р-V.
V Указать в каких процессах воздух поглощает тепло, а в
каких отдает.
Т Найти работу, совершенную газом при переходе, если
Р 2 =4·10 5 Па, Р 1 =Р 3 = 10 5 Па, V 1 =V 2 = 1л V 3 = 4л.
7.10. Масса идеального газа- гелия равна 40г при Т=300К охлаждается при V=const так, что Р уменьшается в 3 раза. Затем газ расширяется при Р =const так, что его Т становится равной первоначальной. Найти работу, совершенную газом при переходе, изменение внутренней энергии и количество теплоты, сообщенное газу.
7.11. При изобарном нагревании некоторого идеального газа в количестве 2 моль на 90К ему было сообщено 2,1кДж теплоты. . Найти работу, совершенную газом при переходе, изменение внутренней энергии.
7.12. Идеальный одноатомный газ объемом 1л находится под давлением 1МПа. Определить какое количество теплоты необходимо сообщить газу, чтобы:
1) V увеличить в 2 раза в результате изобарного процесса;
2) Р увеличить в 2 раза в результате изохорного процесса.
7.13. Работа расширения некоторого одноатомного газа равна 2кДж. Определить какое количество теплоты необходимо сообщить газу изменение внутренней энергии, если процесс протекал: изобарически, адиабатически.
7.14. Идеальному одноатомному газу сообщили количество теплоты 20кДж. Найти работу газа и изменение внутренней энергии, если нагревание происходило: изобарически, изохорно, изотермически.
7.15. Идеальный одноатомный газ совершил цикл Карно. Газ получил от нагревателя 5,5кДж теплоты и совершил работу 1,1кДж. Определить КПД, Т 1 /Т 2 .
7.16. Идеальный одноатомный газ совершил цикл Корно.70%количества теплоты, полученной от нагревателя, отдает холодильнику. Количество теплоты, полученное от нагревателя 5кДж. Определить КПД цикла, работу, совершенную при полном цикле.
7.17. Имеется идеальный одноатомный газ объемом 0,01м 3 при давлении 0,1МПа и температуре 300К. Газ был нагрет при V=const до 320К, а после нагрет при Р=const до 350К. Найти работу, совершенную газом при переходе, изменение внутренней энергии и количество теплоты, поглощенное газом, при переходе из состояния 1 в состояние 3. Начертите график данного процесса в координатах Р-V.
7.18. В цилиндре объемом 190 см 3 под поршнем находится газ, имеющий температуру 323К. Определить работу расширения газа при нагревании его на 100К, если вес поршня 1200Н, площадь 50 см 3 и атмосферное давление 100кПа.
7.19. С 3 молями идеального одноатомного газа совершен цикл.
Р 2 3 Температура газа в различных состояниях: 1- 400К; 2- 800К;
1 4 3- 2400К; 4- 1200К. Определить работу газа за цикл и КПД
Т цикла. Начертите график данного процесса в координатах Р-V. 7.20. Вначале 1 моль одноатомного газа находился в изолированном сосуде с подвижной крышкой, занимая V 1 , при давлении Р 1 и температуре 27 градусов по Цельсию. Затем его нагрели с помощью нагревателя, сообщившего газу количество теплоты 30кДж. В результате газ расширился при Р=const, нагреваясь до Т 2 и занимая V 2 . Определить работу газа при расширении, Т 2 , V 1/ V 2 .
ТЕПЛОТА.
8.1. В сосуд, содержащий 10кг воды при температуре 10 градусов по Цельсию, положили кусок льда при температуре -50 градусов по Цельсию, после чего температура образовавшейся ледяной массы оказалась -4 градусов по Цельсию. Какое количество льда m 2 ,было положено в сосуд? Нарисовать диаграмму теплообмена в координатах t-Ө.
8.2. Ванну емкостью 100л необходимо заполнить водой, имеющей Ө=30 градусов по Цельсию, используя воду при 80 градусов по Цельсию и лед при температуре -20 градусов по Цельсию. Определить массу льда, который необходимо положить в ванну. Теплоемкостью ванны и потерями тепла пренебречь. Нарисовать диаграмму теплообмена в координатах t-Ө.
8.3. В теплоизолированном сосуде находится смесь воды массой 500г и льда массой 50г при при температуре 0 градусов по Цельсию. В сосуд вводится сухой насыщенный пар массой 50г при температуре 100 градусов по Цельсию. Какой будет температура смеси после установления теплового равновесия? Нарисовать диаграмму теплообмена в координатах t-Ө.
8.4. Смесь, состоящая из 5кг льда и 15кг воды при общей температуре 0 градусов по Цельсию нужно нагреть до Ө=80 градусов по Цельсию пропусканием водяного пара при температуре 100 градусов по Цельсию. Определить необходимое количество пара. Нарисовать диаграмму теплообмена в координатах t-Ө.
8.5. До какой температуры надо нагреть алюминиевый куб, чтобы он, будучи положен на лед, полностью в него погрузился?
8.6. В железном калориметре массой 0,1кг находится 0,5кг воды при температуре 15 градусов по Цельсию. В калориметр бросают свинец и алюминий общей массой 0,15кг при 100 градусов по Цельсию. В результате температура воды поднялась до Ө=17 градусов по Цельсию. Определить массы свинца и алюминия.
8.7. В калориметр, содержащий 250г воды при 15 градусов по Цельсию, брошено 20г мокрого снега. Температура в калориметре понизилась до Ө= 10 градусов по Цельсию. Сколько воды было в снеге?
8.8. С какой скоростью влетает метеорит в атмосферу Земли, Если при этом он нагревается, плавится и превращается в пар? Метеорное вещество состоит из железа. Начальная температура метеора 273 градуса по Кельвину.
8.9. Сколько потребуется каменного угля m 2 , чтобы расславить m 1 =1т серого чугуна, взятого при 50 градусов по Цельсию? КПД вагранки 60%.
8.10. Свинцовая гиря падает на Землю и ударяется о препятствие. Скорость гири при ударе 330м/с. Вычислить какая часть гири расплавится, если вся теплота, выделяемая при ударе поглощается гирей. Температура гири перед ударом 27 градусов по Цельсию.
8.1. Два одинаковых кусочка льда летят навстречу друг другу с одинаковыми скоростями и при ударе обращаются в пар. Оценить минимально возможные скорости льдинок перед ударом, если их начальная температура -12 градусов по Цельсию.
8.12. С какой высоты должен падать оловянный шарик, чтобы при ударе о Землю оно полностью расславился. Считать, что 95% энергии шарика ушло на его нагревание и плавление. Начальная температура шарика 20 градусов по Цельсию.
8.13. В снеготаялке, КПД которой 25% сожжено 2т сухих дров. Какую площадь можно освободить от снега при -5 градусах по Цельсию при сжигании такого количества топлива, если толщина снега 50см.
8.14. Какое количество снега при 0 градусов по Цельсию растает под колесами авто «Волга», если она буксует в течение 10с? На буксовку идет 1% всей ее мощности. Мощность авто 55,2кВт.
8.15. Авто прошел расстояние 120км со скоростью 72км/ч. На этом пути израсходовано 19кг бензина. Какую среднюю мощность развил авто во время пробега, если КПД 75%?
8.16. В электроплитки с КПД 84% нагревается чайник объемом 2л от 10 градусов по Цельсию до 100 градусов по Цельсию, причем выкипает m 2 =0,1 m часть воды. Теплоемкость чайника 210Дж/К. Какова мощность плитки, если нагревание воды длилось 40мин?
8.17. Сколько времени надо нагревать на электрической плитке мощностью 600Вт при КПД 75% массу 2кг льда, взятого при -16 градусов по Цельсию, чтобы обратить его в воду, а воду нагреть до 100 градусов по Цельсию?
8.18. При изготовлении дроби в воду каплями льют расплавленный свинец при температуре затвердевания. Какое количество свинца было влито в воду массой 5кг, если ее температура поднялась с 15 градусов по Цельсию до Ө=25 градусов по Цельсию.
8.19. Найти количество теплоты, которое выделилось при абсолютно неупругом соударении двух шаров, движущихся навстречу друг другу. Масса первого шара 0,4кг, его скорость 3м/с, масса второго 0,2кг, скорость 12м/с.
8.20. В медный сосуд, нагретый до 350 градусов по Цельсию, положили m 2 = 600г льда при температуре -10 градусов по Цельсию. В результате в сосуде оказалось m 3 =550г льда, смешанного с водой. Найти массу сосуда.
ЭЛЕКТРОСТАТИКА.
9.1. Два одинаково заряженных шарика массой 0,5г, подвешенных в одной точке на нитях длиной 1м, разошлись так, что угол между ними стал прямым. Определить заряды шариков.
9.2. Два одинаковых заряженных шарика, находящихся на расстоянии 0,2м, притягивающихся с силой 4·10 -3 Н. После того, как шарики привели в соприкосновение и затем развели на прежнее расстояние, они стали отталкиваться с силой 2,25·10 -3 Н. Определить первоначальные заряды шариков.
9.3. Заряды 10 -9 Кл,- 10 -9 Кл и 6·10 -9 Кл расположены в углах правильного треугольника со стороной 20см. Каково направление силы, действующей на третий заряд. Чему она равна?
9.4. Три одинаковых заряда по 10 -9 Кл расположены в вершинах треугольника с катетами10см и 30см. Определить напряженность электрического поля создаваемого всеми зарядами в точке пересечения гипотенузы с перпендикуляром, опущенным на нее из вершины прямого угла.
9.5. В вершинах квадрата расположены заряды 1/3·10 -9 Кл,-2/3·10 -9 Кл, 10 -9 Кл,
4/3·10 -9 Кл. Определить потенциал и напряженность электрического поля в центре квадрата. Диагональ квадрата 2a=20см.
9.6. Определить потенциал и напряженность электрического поля в точках В и С, находящихся от заряда 1,67·10 -7 Кл на расстояниях 5см и 20см. Определить работу электрических сил при перемещении заряда q 0 =10 -9 Кл из точки В в точку С.
9.7. Медный шар радиусом 0,5см помещен в масло плотностью 0,8·10 3 кг/м 3 . Определить заряд шара, если в однородном электрическом поле шар неподвижно висит в масле. Электрическое поле направлено вверх и его напряженность равна 3,6·10 5 В/м.
9.8. Два точечных заряда: 7,5нКл и -14,7нКл расположены на расстоянии 5см. Определить напряженность электрического поля в точке, находящейся на расстоянии 3см от положительного заряда и 4см от отрицательного заряда.
9.9. Два точечных заряда: 3·10 -8 Кл и 1,33К·л10 -8 Кл расположены на расстоянии 10см. Найти точку на прямой, соединяющей эти заряды, напряженность электрического поля в которой равна 0. Чему равен потенциал электрического поля в этой точке?
9.10. Два точечных заряда: 1нКл и 3нКл расположены на расстоянии 10см. В каких точках электрического поля на прямой, соединяющей эти заряды, напряженность электрического поля равна 0? Решить задачу для двух случаев: 1) заряды одноименные; 2) заряды имеют разные знаки. Вычислить потенциал точек, напряженность поля в которых равна 0.
9.11. Поле создано точечным зарядом 2·10 -6 Кл. При перемещении q 0 =-5·10 -7 Кл в этом поле из точки 1 в точку 2 выделяется энергия 3,75·10 -3 Дж. Потенциал точки 1:1500В. Каков потенциал точки 2? Каково расстояние между точками?
Q 1 Q 2 В А Какую работу нужно совершить для того, чтобы переместить q 0 =-5·10 -8 Кл из точки А в точку В в поле двух точечных зарядов 3нКл и -3нКл. Расстояние между зарядами 10см, расстояние от второго заряда до точки В 20см, расстояние от точки В до точки А 10см.
9.13. Два точечных заряда: 6,6·10 -9 Кл,1,32·10 -6 Кл расположены на расстоянии 10см.Какую надо совершить работу, чтобы сблизить их до расстояния 25см?
9.14. Сколько электронов содержит заряженная пылинка массой 10 -11 г, если она находится в равновесии между двумя горизонтальными параллельными пластинами, заряженными до разности потенциалов 16,5В? Расстояние между пластинами5мм. С каким ускорением и в какую сторону будет двигаться пылинка, если она лишится 20 электронов?
9.15. Электрон вылетает из точки А, потенциал которой 600в со скоростью 12·10 6 м/с в направлении силовых линий поля. На каком расстоянии от точки А электрон остановится? Определить потенциал точки В электрического поля, дойдя до которой через 10 -6 с электрон остановится.
9.16. На шарике радиусом 2см помещен заряд: 6,4·10 -12 Кл. С какой скоростью подлетает к нему электрон, начавший движение из бесконечно удаленной от шарика точки?
9.17. В плоский конденсатор влетает электрон со скоростью 2·10 7 м/с, направленной параллельно обкладкам конденсатора. Записать уравнение движения электрона по оси х, параллельной обкладкам и по оси У, перпендикулярной оси х. На какое расстояние у 1 от своего первоначального направления сместится электрон за время полета в конденсаторе, если расстояние между пластинами 2см, длина пластин конденсатора 5см. Разность потенциалов между пластинами 200В?
9.18. q 1 С Два точечных заряда: 2·10 -6 Кл,15·10 -6 Кл расположены на расстоянии
L + q 0 40см в точках А и В. Вдоль СД параллельно АВ, на расстоянии 30см от
нее, медленно перемещается заряд q 0 =10 -8 Кл. Определить работу
q 2 Д электрических сил при перемещении заряда из точки С в точку Д.
9.19. Расстояние между пластинами плоского конденсатора 4см. Электрон начинает двигаться от «-» заряженной пластины в тот момент, когда от «+» пластины начинается двигаться протон. Записать уравнения движения внутри конденсатора для электрона и протона. На каком расстоянии от «+» пластины встретятся электрон и протон?
9.20. В плоский конденсатор длиной 5см влетает электрон под углом 15 градусов к пластинам. Электрон обладает анергией 1500эВ. Расстояние между пластинами 1см. Определить разность потенциалов на пластинах конденсатора, при котором электрон при выходе из конденсатора будет двигаться параллельно пластинам.
ЭЛЕКТРОЕМКОСТЬ.
10.1. Заряд первого шара 2·10 -7 К, второго 10 -7 Кл. Емкость шаров 2пФ и 3пФ. Определить заряды шаров после того, как их соединили проволокой.
10.2. Шар диаметром 20см заряжен зарядом 333·10 -9 Кл. Какой величины заряд надо дополнительно сообщить этому шару, чтобы потенциал его увеличился на 6000В? Каким окажется потенциал шара?
10.3. На одном шаре диаметром 8см находится заряд 7·10 -9 Кл, а на другом шаре диаметром 12см находится заряд 2·10 -9 Кл. Эти шары соединили проволокой. Будет ли перемещаться заряд и в каком направление, и в каком количестве?.
10.4. Заряженный шар радиусом 20см, имеющий потенциал 1000В, соединяют с незаряженным шаром длинным проводом. После соединения шаров их потенциал равен 300В Определить радиус второго шара.
10.5. Заряженный до некоторой разности потенциалов конденсатор емкостью С 0 присоединили параллельно к такому же незаряженному конденсатору. Как изменится у первого конденсатора заряд, напряженность электрического поля, разность потенциалов, энергия?
10.6. Плоский воздушный конденсатор С 0 зарядили от источника до некоторой разности потенциалов и он имеет заряд q 0 . После отключения от источника расстояние между пластинами уменьшили в 2 раза. Как изменится емкость, заряд, разность потенциалов, энергия при сближении пластин конденсатора?
10.7. В плоском заряженном конденсаторе, отключенном от источника тока, заменили эбонитовую пластину с диэлектрической проницаемостью равной 3 на фарфоровую с диэлектрической проницаемостью равной 6. Пластины плотно прилегают к обкладкам конденсатора. Как изменится емкость, заряд, разность потенциалов, энергия плоского конденсатора?
10.8. Квадратному плоскому конденсатору со стороной 10см сообщили заряд 10 -9 Кл.
Расстояние между пластинами 5мм. Какова емкость конденсатора, напряженность внутри конденсатора? Какая сила действует на пробный заряд 10 -9 Кл., расположенный между обкладками конденсатора? Как зависит эта сила от расположения пробного заряда?
10.9. Если вы зарядили себя до потенциала 15В, волоча ноги по полу, то, сколько энергии вы запасете? Вы - шар, радиус которого 50см, а площадь поверхности приблизительно равна поверхности вашего тела.
10.10. Какой заряд пройдет по проводам, соединяющий обкладки плоского конденсатора с зажимами аккумулятора, при погружении конденсатора в керосин? Площадь пластин конденсатора 150см 2 , расстояние между пластинами 5мм, ЭДС аккумулятора 9,42, с диэлектрической проницаемостью равной 2.
10.11. Плоский воздушный конденсатор зарядили до разности потенциалов 200В, затем отключили от источника. Какой станет разность потенциалов между пластинами конденсатора, если расстояние между ними увеличить от первоначального 0,2мм до 7мм, а пространство между пластинами заполнить слюдой с диэлектрической проницаемостью равной 7?
10.12. Конденсатор 20мкФ, заряженный до разности потенциалов 100В, соединили параллельно с заряженным до разности потенциалов 40В конденсатором, емкость которого не известна. Определить емкость второго конденсатора, если разность потенциалов на пластинах конденсаторов после соединения равна 80В (соединяли обкладки одноименные заряды).
10.13. Конденсатор, заряженный до разности потенциалов 20В, соединили параллельно с заряженным до разности потенциалов 4В другим конденсатором, емкость которого 33мкФ. Определить С 1 , если разность потенциалов на пластинах конденсаторов после соединения равна 2В (соединяли обкладки разноименные заряды).
10.14. Конденсатор емкостью 4мкФ зарядили до разности потенциалов 10В. Какой заряд будет на обкладках конденсатора, если его соединили параллельно с другим конденсатором, емкость которого 6мкФ, заряженный до разности потенциалов20В? Соединены обкладки конденсаторов, имеющие разноименные заряды.
10.15. Два одинаковых плоских воздушных конденсатора емкостью 1мкФ соединены параллельно и заряжены до разности потенциалов 6В. Какой станет разность потенциалов между пластинами конденсатора, если после отключения конденсаторов от источника у одного конденсатора расстояние между пластинами 5мм уменьшили в 2 раза. Чему равна емкость батареи конденсаторов, напряженность поля между пластинами первого и второго конденсаторов после уменьшения расстояния?
10.16. Батарея из трех последовательно соединенных конденсаторов емкостями: 100пФ, 200пФ, 500пФ присоединена к аккумулятору, который сообщил батареи заряд 33·10 -9 Кл. Определить разность потенциалов на каждом конденсаторе, ЭДС аккумулятора, общую емкость батареи конденсаторов
10.17. Между обкладками заряженного конденсатора плотно вдвигается пластина из диэлектрика с диэлектрической проницаемостью равной 6. Сравнить заряды конденсаторов, разности потенциалов на обкладках, емкости конденсатов, напряженности, энергии до и после внесения пластины диэлектрика. Рассмотреть случаи: 1) конденсатор отключен от источника; 2) конденсатор подключен к источнику.
10.18. Площадь пластин плоского воздушного конденсатора 0,01м 2 , разность потенциалов 280В, заряд пластин заряд 495·10 -9 Кл. Определить напряженность поля внутри конденсатора, расстояние между пластинами, скорость, которую получил электрон. Пройдя в конденсаторе путь от одной пластины до другой, энергию конденсатора, плотность энергии, емкость конденсатора.
10.19. Площадь пластин плоского воздушного конденсатора 0,01м 2 , расстояние между пластинами 1мм. К пластинам конденсатора приложили разносить потенциалов 0,1кВ.Пластины раздвигают до расстояния 25мм. Определить напряженности поля внутри конденсаторов, емкости, энергию до и после раздвижения пластин, если источник напряжения перед раздвижением: 1) не отключался; 2) отключался.
10.20. Плоский конденсатор заполнен диэлектриком и на его пластины подана некоторая разность потенциалов. Его энергия равна 20мкДж. После отключения конденсатора от источника напряжения, диэлектрик вынули из него. Работа внешних сил против сил электрического поля при удалении диэлектрика равна 700мкДж. Найти диэлектрическую проницаемость.
ПОСТОЯННЫЙ ТОК.
11.1 Вольтметр рассчитан на измерение максимального напряжения 3В. Сопротивление прибора 300Ом. Число делений шкалы прибора равно 100. Какова будет цена деления шкалы прибора, если использовать его в качестве миллиамперметра?
11.2. Найти сопротивление медной проволоки массой 1кг, площадью 0,1мм 2 .
11.3. При включении в электрическую цепь проводника, диаметром 0,5мм и длиной 47см, напряжение 12В, сила тока 1А. Найти удельное сопротивление проводника.
11.4. Электрическая цепь состоит из трех последовательно соединенных кусков провода одинаковой длинны, сделанных из одного материала, но имеющих разные сечения: 1мм, 2мм 3мм. Напряжение на концах цепи 11В. Определить напряжение на каждом проводнике.
11.5. Амперметр показывает 0,04 А, а вольтметр 20В. Определите сопротивление вольтметра, если сопротивление проводника 1кОм.
11.6. В цепи источника тока с ЭДС 30В идет ток 3А. Напряжение на зажимах источника18В. Определить внешнее сопротивление цепи и внутреннее сопротивление источника.
11.7. В цепи, состоящей из реостата и источника с ЭДС 6В и внутреннего сопротивления 2Ом, идет ток 0,5А. Какой ток пройдет при уменьшении сопротивления реостата в 3 раза?
11.8. Два проводника из одинакового материала, имеющие одинаковую длину и разное поперечное сечение (сечение первого в 2 раза больше второго) соединены последовательно. Сравнить сопротивления проводников. Количества теплоты, выделенного в этих проводниках при прохождении в них тока и изменение их температуры. Считать, что все выделяемое тепло идет на нагревание проводников.
11.9. Лампа подключена медными проводами к источнику с ЭДС 2В и внутренним сопротивлением источника 0,04Ом, длина проводов 4м, их диаметр 0,8мм. Напряжение на зажимах источника1,98В. Найти сопротивление лампы.
