Fizik untuk Jurutera: pek ulang kaji kilat

Lembaran formula, langkah kaedah utama untuk setiap topik dan 20 soalan latihan, dengan penyelesaian penuh di bahagian belakang.

Soalan baharuKembali ke kursus

Dalam tetingkap cetak, pilih “Simpan sebagai PDF” untuk menyimpan salinan pada peranti anda.

1Formula dan kaedah

Kinematik

Halaju
v = v0 + a·t
Sesaran
s = v0·t + ½·a·t²
Tanpa masa
v² = v0² + 2·a·s
Unit
1 m/s = 3.6 km/h

Kaedah

  1. Senaraikan apa yang anda tahu: v₀, v, a, t dan s, dengan unit.
  2. Pilih persamaan yang mengandungi tiga nilai diketahui anda dan nilai yang tidak diketahui.
  3. Pilih satu arah positif dan berikan kuantiti yang bertentangan tanda tolak.
  4. Selesaikan dan semak bahawa jawapan munasabah secara fizikal.

Hukum Newton

Hukum kedua
ΣF = m·a
Berat
W = m·g
Geseran kinetik
Ff = μ·N
Pada cerun
selari: m·g·sin θ, normal: m·g·cos θ

Kaedah

  1. Lukis gambar rajah jasad bebas dengan setiap daya pada jasad.
  2. Pilih arah positif sepanjang gerakan.
  3. Pecahkan daya kepada komponen sepanjang dan berserenjang dengan gerakan (pada cerun: m·g·sin θ sepanjang, m·g·cos θ ke dalam cerun).
  4. Gunakan ΣF = m·a sepanjang gerakan; geseran ialah μ·N melawan gerakan.

Gerakan peluru

Komponen
vx = v0cos θ, vy = v0sin θ
Kedudukan
x = vxt, y = h + vyt − ½gt²
Ketinggian maksimum
H = h + vy²/(2g)
Julat (tanah rata)
R = v0²·sin 2θ/g

Kaedah

  1. Pecahkan halaju pelancaran kepada komponen: vx = v₀·cos θ dan vy = v₀·sin θ.
  2. Gerakan mengufuk mempunyai laju malar; gerakan menegak mempunyai pecutan −g.
  3. Cari masa penerbangan daripada gerakan menegak.
  4. Gunakan masa itu dalam gerakan mengufuk untuk mencari julat.

Kerja & tenaga

Tenaga kinetik
Ek = ½mv²
Tenaga keupayaan
Ep = mgh
Imbangan tenaga
Ek1 + Ep1 + W = Ek2 + Ep2 + losses
Kerja geseran
W = μ·N·d
Kuasa
P = W/t

Momentum & perlanggaran

Momentum
p = m·v
Keabadian
Σm·v (before) = Σm·v (after)
Tak kenyal sempurna
v′ = (m1v1 + m2v2)/(m1 + m2)
Impuls
J = F·Δt = m·Δv

Kaedah

  1. Pilih arah positif dan berikan setiap halaju tandanya.
  2. Tulis jumlah momentum sebelum: Σm·v.
  3. Untuk perlanggaran tak kenyal sempurna jasad-jasad bergerak bersama selepasnya; untuk perlanggaran kenyal tenaga kinetik turut terabadi.
  4. Samakan momentum sebelum dengan momentum selepas dan selesaikan.

Daya hidrostatik

Tekanan pada kedalaman
p = ρgh
Daya pada dinding menegak
F = ρg·hc·A
Pusat tekanan
yp = yc + Ic/(ycA)
Segi empat tepat
Ic = bH³/12

Keselanjaran & Bernoulli

Keselanjaran
A1v1 = A2v2
Bernoulli
p1 + ½ρv1² + ρgz1 = p2 + ½ρv2² + ρgz2
Kadar alir
Q = A·v
Luas bulatan
A = πd²/4

Hukum gas unggul

Hukum gas unggul
pV = nRT
Pemalar gas
R = 8.314 J/(mol·K)
Hukum gas gabungan
p1V1/T1 = p2V2/T2
Mol
n = m/M
Suhu
T[K] = T[°C] + 273.15

Enjin haba & peti sejuk

Kecekapan
η = W/QH = 1 − QC/QH
Kecekapan Carnot
ηC = 1 − TC/TH (kelvin)
COP peti sejuk
COPR = QC/W
COP pam haba
COPHP = QH/W = COPR + 1
Imbangan tenaga
QH = W + QC

Gelombang, bunyi & optik

Laju gelombang
v = fλ, T = 1/f
Tali
v = √(T/μ), μ = m/L
Aras bunyi
β = 10·log10(I/I0), I0 = 10⁻¹² W/m²
Sumber titik
I = P/(4πr²)
Gelombang pegun
tali atau paip terbuka fn = n·v/(2L); paip tertutup fn = n·v/(4L), n ganjil
Kesan Doppler
f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs)
Indeks biasan
n = c/v, λ = λ0/n
Hukum Snell
n1sin θ1 = n2sin θ2
Sudut genting
sin θc = n2/n1
Gentian optik
NA = sin θa = √(n1² − n2²)
Kanta dan cermin
1/f = 1/do + 1/di, m = −di/do, mirror f = R/2
Celah ganda dua
d·sin θ = mλ, ym = mλL/d
Parut
d = 1/N, d·sin θ = mλ, mmax ≤ d/λ
Celah tunggal
a·sin θ = mλ (dark), w = 2λL/a

Kaedah

  1. Kenal pasti jenis masalah: laju gelombang, aras bunyi, gelombang pegun, Doppler, pembiasan, kanta atau cermin, atau interferens.
  2. Tulis hubungan dahulu: v = fλ, β = 10·log(I/I₀), fₙ = n·v/(2L) atau n·v/(4L), f′ = f(v ± vo)/(v ∓ vs), n₁sin θ₁ = n₂sin θ₂, 1/f = 1/d₀ + 1/dᵢ, d·sin θ = mλ.
  3. Tukar unit: nm, mm dan cm kepada m, dan semak sama ada sudut diukur dari normal.
  4. Semak tanda dan kemunasabahan: imej maya mempunyai dᵢ < 0, sumber yang menghampiri kedengaran lebih tinggi, paip tertutup hanya mempunyai harmonik ganjil.

2Soalan latihan

1.KinematikSederhana
t (s)v (m/s)1.667 s12.5

Sebuah kereta yang bergerak pada 45 km/j membrek dengan nyahpecutan malar 7.5 m/s² sehingga berhenti. Cari jarak membrek s.

v₀ = 45 km/ha = −7.5 m/s²v = 0
s = m
2.KinematikSukar
t (s)v (m/s)4 s

Sebuah trem bermula dari keadaan pegun dan memecut pada 2.5 m/s² selama 4 s, kemudian bergerak pada laju malar selama 25 s, dan akhirnya membrek pada 5 m/s² hingga berhenti. Cari jumlah jarak s antara kedua-dua perhentian.

a1 = 2.5 m/s²t1 = 4 st2 = 25 sa3 = −5 m/s²
s = m
3.Hukum NewtonSederhana
θ = 35°a = ?m = 9 kg

Sebuah bongkah 9 kg menggelongsor menuruni cerun pada 35° kepada ufuk. Pekali geseran kinetik ialah 0.2. Gunakan g = 9.81 m/s². Cari pecutan a bongkah sepanjang cerun.

m = 9 kgθ = 35°μ = 0.2g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.Hukum NewtonSukar
12 kg2 kgTF = 65 Nμ = 0.3

Dua bongkah di atas lantai rata disambung dengan tali mengufuk ringan. Daya mengufuk 65 N menarik bongkah 2 kg di hadapan; bongkah 12 kg ditunda di belakang. Pekali geseran kinetik ialah 0.3 bagi kedua-dua bongkah. Gunakan g = 9.81 m/s². Cari pecutan a bongkah-bongkah itu.

m1 = 12 kgm2 = 2 kgF = 65 Nμ = 0.3g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.Gerakan peluruSederhana
v0​ = 10 m/s70°julat

Sebiji bola dilancarkan pada 70° di atas ufuk dari tanah rata. Abaikan rintangan udara. Cari masa penerbangan t sehingga bola menyentuh tanah.

v0 = 10 m/sθ = 70°g = 9.81 m/s²
t = s
6.Gerakan peluruSukar
h = 45 mv0​ = 31 m/s50°α = ?

Sebiji bola dilancarkan pada 31 m/s dan 50° di atas garis mengufuk dari puncak tebing setinggi 45 m. Abaikan rintangan udara dan gunakan g = 9.81 m/s². Pada sudut α di bawah garis mengufuk berapakah ia menghentam tanah?

v₀ = 31 m/sθ = 50°h = 45 mg = 9.81 m/s²
α = °
7.Kerja & tenagaSederhana
35°d = 18 mμ = 0.25

Sebuah bongkah menggelongsor dari keadaan rehat menuruni cerun pada 35° kepada ufuk. Pekali geseran kinetik ialah 0.25. Cari lajunya v selepas menggelongsor 18 m sepanjang cerun.

θ = 35°μ = 0.25d = 18 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
8.Kerja & tenagaSukar
h = 4 mL = 2 mμ = 0.15k = 500 N/m

Sebuah bongkah 5 kg dilepaskan dari keadaan rehat pada ketinggian 4 m di atas tanjakan licin. Di bawah, ia melintasi jalur mengufuk kasar sepanjang 2 m (μ = 0.15) dan kemudian meluncur ke atas spring (k = 500 N/m) pada permukaan licin. Cari mampatan maksimum x spring.

m = 5 kgh = 4 mL = 2 mμ = 0.15k = 500 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
9.Momentum & perlanggaranSederhana
3 kgv = ?15 gh = 7 cm

Sebutir peluru 15 g ditembak secara mengufuk ke dalam bongkah kayu 3 kg yang tergantung pada tali ringan, dan kekal di dalamnya. Bongkah itu terayun ke atas sehingga 7 cm lebih tinggi daripada permulaan. Gunakan g = 9.81 m/s². Cari laju v peluru sebelum hentaman.

m = 15 gM = 3 kgh = 7 cmg = 9.81 m/s²
v = m/s
10.Momentum & perlanggaranSukar
3.5 kgv = ?5 g40°L = 1.8 m

Sebutir peluru 5 g ditembak secara mengufuk ke dalam bongkah 3.5 kg yang tergantung pada tali ringan sepanjang 1.8 m, dan kekal di dalamnya. Tali terayun ke sudut terbesar 40° dari garis menegak. Gunakan g = 9.81 m/s². Cari laju v peluru sebelum hentaman.

m = 5 gM = 3.5 kgL = 1.8 mθ = 40°g = 9.81 m/s²
v = m/s
11.Daya hidrostatikSederhana
pintu aird = 3 mH = 1 m

Satu pintu air segi empat tepat menegak selebar 1 m terletak pada dinding tangki air, dengan tepi atasnya 3 m di bawah permukaan. Cari daya hidrostatik paduan F pada pintu air itu.

d = 3 mH = 1 mb = 1 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
12.Daya hidrostatikSukar
pintu aird = 2.5 mH = 2.5 m

Satu pintu air segi empat tepat menegak selebar 1 m terletak pada dinding tangki minyak, dengan tepi atasnya 2.5 m di bawah permukaan. Cari kedalaman ycp pusat tekanan di bawah permukaan.

d = 2.5 mH = 2.5 mb = 1 mρ = 880 kg/m³g = 9.81 m/s²
ycp = m
13.Keselanjaran & BernoulliSederhana
12d1​ = 150 mm, p1​ = 380 kPad2​ = 75 mm, p2​ = ?

Air mengalir melalui paip mengufuk yang mengecil daripada 150 mm kepada 75 mm. Pada bahagian lebar tekanan ialah 380 kPa dan halaju ialah 2 m/s. Abaikan kehilangan, cari tekanan p2 pada bahagian sempit.

d1 = 150 mmd2 = 75 mmp1 = 380 kPav1 = 2 m/sρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
14.Keselanjaran & BernoulliSukar
d1​ = 100 mmd2​ = 60 mm12Δh = 280 mmraksaQ = ?

Satu meter venturi mengufuk (masuk 100 mm, kerongkong 60 mm) membawa air. Manometer tiub-U raksa yang disambungkan antara bahagian masuk dengan kerongkong menunjukkan beza aras 280 mm. Pekali nyahcas ialah 0.97. Cari kadar aliran Q. Gunakan ρ = 1000 kg/m³ untuk air, 13 600 kg/m³ untuk raksa dan g = 9.81 m/s².

d1 = 100 mmd2 = 60 mmΔh = 280 mmCd = 0.97ρHg = 13 600 kg/m³g = 9.81 m/s²
Q = L/s
15.Hukum gas unggulSederhana
230 g CO₂V = 10 LT = 25 °CP = ?

Satu tangki 10 L mengandungi 230 g CO₂ pada 25 °C. Anggap ia gas unggul dan cari tekanan P.

m = 230 gM = 44.01 g/molV = 10 LT = 25 °CR = 8.314 J/(mol·K)
P = kPa
16.Hukum gas unggulSukar
CO₂, M = 44.01 g/molP = 1000 kPaT = 120 °Cρ = ?

Cari ketumpatan ρ bagi CO₂ pada 1000 kPa dan 120 °C, dengan menganggapnya gas unggul.

M = 44.01 g/molP = 1000 kPaT = 120 °CR = 8.314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
17.Enjin haba & peti sejukSederhana
TH​ = 775 °CTL​ = ?EQH​ = 3200 kJQL​ = 971 kJW

Sebuah enjin haba Carnot (berbalik) menyerap 3200 kJ haba daripada takungan pada 775 °C dan membuang 971 kJ setiap kitaran. Cari suhu TL takungan sejuk dalam °C.

TH = 775 °CQH = 3200 kJQL = 971 kJ
TL = °C
18.Enjin haba & peti sejukSukar
TH​ = 25 °CTL​ = 5 °CRQ̇H​Q̇L​ = 3 kWẆ = ?

Sebuah peti sejuk mengekalkan ruang sejuknya pada 5 °C di dapur bersuhu 25 °C, dengan mengeluarkan haba daripada ruang sejuk pada 3 kW. Cari input kuasa minimum Ẇmin.

TH = 25 °CTL = 5 °CQ̇L = 3 kW
Ẇmin = kW
19.Gelombang, bunyi & optikSederhana
FF1.5 cmdo​ = 4 cmf = −12 cm

Sebuah objek setinggi 1.5 cm berdiri 4 cm di hadapan kanta mencapah nipis dengan jarak fokus 12 cm. Cari ketinggian imej hi (negatif untuk imej songsang).

ho = 1.5 cmdo = 4 cmf = −12 cm
hi = cm
20.Gelombang, bunyi & optikSukar
θa​ = ?n1​ = 1.62n2​ = 1.6n0​ = 1.00

Gentian optik mempunyai teras dengan n₁ = 1.62 dan sarung dengan n₂ = 1.6. Cari sudut terbesar θa kepada paksi gentian yang membolehkan cahaya dari udara memasuki hujung gentian dan masih dipandu oleh pantulan dalam penuh.

n1 = 1.62n2 = 1.6n0 = 1.00
θa = °

3Larutan

1.Kinematik

Jawapan: s = 10.42 m

Gerakan dengan pecutan malar: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² dan v² = v₀² + 2·a·s. Pilih persamaan yang mengandungi tiga perkara yang anda tahu dan satu yang anda mahu, dan pastikan tanda konsisten dengan satu arah positif.

Unit

v₀ = 45/3.6 = 12.5 m/s

Jarak membrek

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 12.5²/(2·7.5) = 10.42 m

Jawapan

s = 10.42 m
2.Kinematik

Jawapan: s = 280 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.

Laju puncak

v = a1·t1 = 2.5·4 = 10 m/s

Jarak setiap fasa

s1 = ½·2.5·4² = 20 m
s2 = 10·25 = 250 m
s3 = 10²/(2·5) = 10 m

Jumlah jarak

s = 20 + 250 + 10 = 280 m

Jawapan

s = 280 m
3.Hukum Newton

Jawapan: a = 4.02 m/s²

Hukum kedua Newton: daya bersih pada sesuatu jasad sama dengan jisimnya darab pecutannya, ΣF = m·a. Lukis gambar rajah jasad bebas, pilih arah positif sepanjang gerakan, dan tambah setiap daya dalam arah itu: daya yang dikenakan, geseran μ·N melawan gerakan, dan komponen graviti.

Daya sepanjang cerun

Menuruni cerun adalah positif.

m·a = m·g·sin θ − μ·m·g·cos θ

Pecutan

a = 9.81·(sin 35° − 0.2·cos 35°) = 9.81·(0.5736 − 0.1638) = 4.02 m/s²

Jawapan

a = 4.02 m/s²
4.Hukum Newton

Jawapan: a = 1.7 m/s²

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.

Seluruh sistem

a = (F − μ·(m1 + m2)·g)/(m1 + m2) = (65 − 41.2)/14 = 1.7 m/s²

Jawapan

a = 1.7 m/s²
5.Gerakan peluru

Jawapan: t = 1.916 s

Gerakan peluru: tanpa rintangan udara, x = vxt dan y = h + vyt − ½gt². Kedua-dua arah adalah bebas kecuali kedua-duanya berkongsi masa yang sama.

Pecahkan halaju pelancaran

Halaju mengufuk kekal malar; gerakan menegak mempunyai pecutan malar g = 9.81 m/s² ke bawah.

vx = v0·cos θ = 10·cos 70° = 3.42 m/s
vy = v0·sin θ = 10·sin 70° = 9.397 m/s

Masa di udara

Bermula dan mendarat pada ketinggian yang sama: t = 2vy/g.

t = 2·9.397/9.81 = 1.916 s

Jawapan

t = 1.916 s
6.Gerakan peluru

Jawapan: α = 62.35 °

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.

Pecahkan halaju pelancaran

vx = 31·cos 50° = 19.93 m/s
vy0 = 31·sin 50° = 23.75 m/s

Laju menegak pada hentaman

Tenaga atau v² = v₀² + 2as dalam arah menegak.

vy = √(23.75² + 2·9.81·45) = 38.04 m/s

Sudut hentaman

tan α = vy/vx = 38.04/19.93 → α = 62.35°

Jawapan

α = 62.35°
7.Kerja & tenaga

Jawapan: v = 11.41 m/s

Prinsip kerja–tenaga: perubahan tenaga kinetik sama dengan kerja yang dilakukan oleh semua daya. Menulis graviti dan spring sebagai tenaga keupayaan (mgh dan ½kx²) menjadikan ini satu imbangan: tenaga awal = tenaga akhir + tenaga yang hilang akibat geseran (μN·d).

Imbangan tenaga sepanjang cerun

Bongkah jatuh setinggi d·sin θ manakala geseran menyingkirkan μmg·cos θ·d. Jisim saling membatalkan.

½v² = g·d·(sin θ − μ·cos θ)
v = √(2·9.81·18·(0.5736 − 0.25·0.8192)) = 11.41 m/s

Jawapan

v = 11.41 m/s
8.Kerja & tenaga

Jawapan: x = 85.2 cm

Prinsip kerja–tenaga: perubahan tenaga kinetik sama dengan kerja yang dilakukan oleh semua daya. Menulis graviti dan spring sebagai tenaga keupayaan (mgh dan ½kx²) menjadikan ini satu imbangan: tenaga awal = tenaga akhir + tenaga yang hilang akibat geseran (μN·d).

Tenaga yang tinggal selepas jalur kasar

Tanjakan itu licin, jadi hanya jalur itu yang menyingkirkan tenaga.

mgh − μmgL = 49.05·(4 − 0.15·2) = 181.5 J

Mampatan maksimum

½kx² = 181.5 → x = √(2·181.5/500) = 0.852 m = 85.2 cm

Jawapan

x = 85.2 cm
9.Momentum & perlanggaran

Jawapan: v = 235.6 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.

Ayunan selepas hentaman

V = √(2·g·h) = √(2·9.81·0.07) = 1.172 m/s

Perlanggaran

m·v = (m + M)·V → v = (0.015 + 3)·1.172/0.015 = 235.6 m/s

Jawapan

v = 235.6 m/s
10.Momentum & perlanggaran

Jawapan: v = 2015 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.

Kenaikan bongkah

h = L·(1 − cos θ) = 1.8·(1 − cos 40°) = 0.4211 m

Laju selepas hentaman

V = √(2·9.81·0.4211) = 2.874 m/s

Perlanggaran

v = (m + M)·V/m = 3.505·2.874/0.005 = 2015 m/s

Jawapan

v = 2015 m/s
11.Daya hidrostatik

Jawapan: F = 34.34 kN

Daya hidrostatik pada permukaan satah: F = ρ·g·yc·A. Ia bertindak pada pusat tekanan, ycp = yc + Ic/(ycA), yang sentiasa terletak di bawah sentroid.

Kedalaman sentroid dan luas

yc = d + H/2 = 3 + 1/2 = 3.5 m
A = H·b = 1·1 = 1 m²
pintu aird = 3 mH = 1 mF

Daya paduan

F = ρ·g·yc·A = 1000·9.81·3.5·1 = 34.34 kN

Jawapan

F = 34.34 kN
12.Daya hidrostatik

Jawapan: ycp = 3.889 m

Daya hidrostatik pada permukaan satah: F = ρ·g·yc·A. Ia bertindak pada pusat tekanan, ycp = yc + Ic/(ycA), yang sentiasa terletak di bawah sentroid.

Kedalaman sentroid dan luas

yc = d + H/2 = 2.5 + 2.5/2 = 3.75 m
A = H·b = 2.5·1 = 2.5 m²
pintu aird = 2.5 mH = 2.5 mF

Daya paduan

F = ρ·g·yc·A = 880·9.81·3.75·2.5 = 80.93 kN

Pusat tekanan

Tekanan bertambah dengan kedalaman, jadi daya paduan bertindak di bawah sentroid.

Ic = b·H³/12 = 1·2.5³/12 = 1.302 m⁴
ycp = yc + Ic/(yc·A) = 3.75 + 1.302/(3.75·2.5) = 3.889 m

Jawapan

ycp = 3.889 m
13.Keselanjaran & Bernoulli

Jawapan: p2 = 350 kPa

Keselanjaran dan Bernoulli: bagi bendalir tak boleh mampat, kadar alir adalah sama pada setiap keratan, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Sepanjang garis arus tanpa kehilangan, p + ½ρv² + ρgz adalah malar, jadi di tempat bendalir lebih laju atau lebih tinggi, tekanannya lebih rendah.

Keselanjaran dan Bernoulli

Bekerja dalam Pa, kemudian bahagi dengan 1000 untuk mendapatkan kPa.

v2 = v1·(d1/d2)² = 2·(150/75)² = 8 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(2² − 8²)/1000 = −30 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) = 380 + (−30) = 350 kPa

Jawapan

p2 = 350 kPa
14.Keselanjaran & Bernoulli

Jawapan: Q = 24.46 L/s

Continuity and Bernoulli: for an incompressible fluid the flow rate is the same at every section, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Along a streamline without losses, p + ½ρv² + ρgz is constant, so where the fluid is faster or higher its pressure is lower.

Beza tekanan daripada manometer

Δp = (13600 − 1000)·9.81·0.28 = 34610 Pa

Halaju kerongkong

Keterusan dan Bernoulli bersama-sama memberikan halaju kerongkong unggul.

β = 60/100 = 0.6
v2 = √(2·34610/(1000·(1 − 0.1296))) = 8.918 m/s

Kadar aliran sebenar

Q = Cd·A2·v2 = 0.97·0.002827·8.918 = 0.02446 m³/s = 24.46 L/s

Jawapan

Q = 24.46 L/s
15.Hukum gas unggul

Jawapan: P = 1295 kPa

Hukum gas unggul: PV = nRT, dengan n = m/M.

Mol

n = m/M = 230/44.01 = 5.226 mol
T = 25 + 273.15 = 298.1 K

Tekanan

P = nRT/V = 5.226·8.314·298.1/0.01 = 1295 kPa

Jawapan

P = 1295 kPa
16.Hukum gas unggul

Jawapan: ρ = 13.46 kg/m³

Ketumpatan gas unggul: ρ = PM/(RT).

Susun semula hukum gas

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 120 + 273.15 = 393.1 K

Ketumpatan

ρ = 1000·44.01/(8.314·393.1) = 13.46 kg/m³

Jawapan

ρ = 13.46 kg/m³
17.Enjin haba & peti sejuk

Jawapan: TL = 44.9 °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.

Suhu mutlak sumber

TH = 775 + 273.15 = 1048 K

Nisbah haba berbalik

TL = TH·QL/QH = 1048·971/3200 = 318 K = 44.9 °C

Jawapan

TL = 44.9 °C
18.Enjin haba & peti sejuk

Jawapan: Ẇmin = 0.2157 kW

Had hukum kedua: tiada kitaran yang beroperasi antara takungan pada suhu mutlak TH dan TL dapat mengatasi kitaran boleh balik (Carnot): ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL) dan COPHP,max = TH/(TH − TL). Tenaga sentiasa terabadi: QH = W + QL.

Suhu mutlak

TH = 25 + 273.15 = 298.1 K
TL = 5 + 273.15 = 278.1 K

COP terbaik yang mungkin

COPR,max = TL/(TH − TL) = 278.1/(298.1 − 278.1) = 13.91

Kuasa minimum

Kerja paling sedikit diperlukan oleh mesin boleh balik, yang mempunyai COP tertinggi.

Ẇmin = Q̇L/COP = 3/13.91 = 0.2157 kW

Jawapan

Ẇmin = 0.2157 kW
19.Gelombang, bunyi & optik

Jawapan: hi = 1.125 cm

Optik geometri: pada sempadan, n₁·sin θ₁ = n₂·sin θ₂ (hukum Snell), dengan sudut diukur dari normal dan n = c/v. Apabila memasuki medium yang lebih perlahan, sinar membengkok ke arah normal. Dari medium yang lebih tumpat (n₁ > n₂) melepasi sudut genting θc = arcsin(n₂/n₁), semua cahaya dipantulkan: pantulan dalam penuh. Kanta nipis dan cermin sfera mematuhi 1/f = 1/do + 1/di dengan pembesaran m = −di/do. Sistem tanda: f > 0 untuk kanta menumpu dan cermin cekung (f = R/2), f < 0 untuk kanta mencapah dan cermin cembung; di > 0 untuk imej nyata, di < 0 untuk imej maya, dan m < 0 untuk imej songsang.

Persamaan kanta nipis

1/di = 1/f − 1/do = 1/(−12) − 1/4
di = −3 cm
FF4 cmf = −12 cm

Pembesaran dan ketinggian

m = −(−3)/4 = 0.75
hi = 0.75·1.5 = 1.125 cm

Jawapan

hi = 1.125 cm
20.Gelombang, bunyi & optik

Jawapan: θa = 14.7 °

Optik geometri: pada sempadan, n₁·sin θ₁ = n₂·sin θ₂ (hukum Snell), dengan sudut diukur dari normal dan n = c/v. Apabila memasuki medium yang lebih perlahan, sinar membengkok ke arah normal. Dari medium yang lebih tumpat (n₁ > n₂) melepasi sudut genting θc = arcsin(n₂/n₁), semua cahaya dipantulkan: pantulan dalam penuh. Kanta nipis dan cermin sfera mematuhi 1/f = 1/do + 1/di dengan pembesaran m = −di/do. Sistem tanda: f > 0 untuk kanta menumpu dan cermin cekung (f = R/2), f < 0 untuk kanta mencapah dan cermin cembung; di > 0 untuk imej nyata, di < 0 untuk imej maya, dan m < 0 untuk imej songsang.

Sudut genting pada sarung

sin θc = 1.6/1.62 = 0.9877 → θc = 80.99°

Apertur berangka

NA = √(1.62² − 1.6²) = 0.2538

Sudut penerimaan

θa = arcsin(0.2538) = 14.7°

Jawapan

θa = 14.7°

ExamProblems · examproblems.com/courses/physics-for-engineers