Физика для инженеров: шпаргалка-пакет

Листы формул, ключевые шаги методов по каждой теме и тренировочные задачи (20) с полными решениями в конце.

Новые задачиНазад к курсу

В окне печати выберите «Сохранить как PDF», чтобы сохранить копию на своём устройстве.

1Формулы и методы

Кинематика

Скорость
v = v0 + a·t
Перемещение
s = v0·t + ½·a·t²
Без времени
v² = v0² + 2·a·s
Единицы
1 m/s = 3,6 km/h

Метод

  1. Выпишите известное: v₀, v, a, t и s с единицами.
  2. Выберите уравнение, содержащее три известных величины и неизвестную.
  3. Выберите одно положительное направление и припишите противоположно направленным величинам знак минус.
  4. Решите и проверьте, что ответ физически разумен.

Законы Ньютона

Второй закон
ΣF = m·a
Вес
W = m·g
Трение скольжения
Ff = μ·N
На наклонной плоскости
вдоль: m·g·sin θ, по нормали: m·g·cos θ

Метод

  1. Нарисуйте расчётную схему со всеми силами, действующими на тело.
  2. Выберите положительное направление вдоль движения.
  3. Разложите силы на составляющие вдоль движения и перпендикулярно ему (на наклонной плоскости: m·g·sin θ вдоль, m·g·cos θ перпендикулярно плоскости).
  4. Примените ΣF = m·a вдоль движения; трение равно μ·N и направлено против движения.

Движение тела, брошенного под углом

Составляющие
vx = v0cos θ, vy = v0sin θ
Положение
x = vxt, y = h + vyt − ½gt²
Максимальная высота
H = h + vy²/(2g)
Дальность (ровная поверхность)
R = v0²·sin 2θ/g

Метод

  1. Разложите начальную скорость на составляющие: vx = v₀·cos θ и vy = v₀·sin θ.
  2. По горизонтали скорость постоянна; по вертикали ускорение равно −g.
  3. Найдите время полёта из вертикального движения.
  4. Подставьте это время в горизонтальное движение, чтобы найти дальность.

Работа и энергия

Кинетическая энергия
Ek = ½mv²
Потенциальная энергия
Ep = mgh
Энергетический баланс
Ek1 + Ep1 + W = Ek2 + Ep2 + losses
Работа силы трения
W = μ·N·d
Мощность
P = W/t

Импульс и столкновения

Импульс
p = m·v
Сохранение
Σm·v (before) = Σm·v (after)
Абсолютно неупругий удар
v′ = (m1v1 + m2v2)/(m1 + m2)
Импульс силы
J = F·Δt = m·Δv

Метод

  1. Выберите положительное направление и припишите каждой скорости её знак.
  2. Запишите полный импульс до удара: Σm·v.
  3. При абсолютно неупругом ударе тела после него движутся вместе; при упругом сохраняется ещё и кинетическая энергия.
  4. Приравняйте импульс до удара импульсу после и решите.

Гидростатическое давление

Давление на глубине
p = ρgh
Сила давления на вертикальную стенку
F = ρg·hc·A
Центр давления
yp = yc + Ic/(ycA)
Прямоугольник
Ic = bH³/12

Неразрывность и Бернулли

Неразрывность
A1v1 = A2v2
Бернулли
p1 + ½ρv1² + ρgz1 = p2 + ½ρv2² + ρgz2
Расход
Q = A·v
Площадь круга
A = πd²/4

Уравнение состояния идеального газа

Уравнение состояния идеального газа
pV = nRT
Газовая постоянная
R = 8,314 J/(mol·K)
Объединённый газовый закон
p1V1/T1 = p2V2/T2
Моли
n = m/M
Температура
T[K] = T[°C] + 273,15

Тепловые машины и холодильники

КПД
η = W/QH = 1 − QC/QH
КПД Карно
ηC = 1 − TC/TH (kelvin)
COP холодильника
COPR = QC/W
COP теплового насоса
COPHP = QH/W = COPR + 1
Энергетический баланс
QH = W + QC

Волны, звук и оптика

Скорость волны
v = fλ, T = 1/f
Струна
v = √(T/μ), μ = m/L
Уровень звука
β = 10·log10(I/I0), I0 = 10⁻¹² W/m²
Точечный источник
I = P/(4πr²)
Стоячие волны
струна или труба, открытая с обоих концов, fn = n·v/(2L); закрытая труба fn = n·v/(4L), n нечётное
Эффект Доплера
f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs)
Показатель преломления
n = c/v, λ = λ0/n
Закон Снеллиуса
n1sin θ1 = n2sin θ2
Критический угол
sin θc = n2/n1
Оптическое волокно
NA = sin θa = √(n1² − n2²)
Линзы и зеркала
1/f = 1/do + 1/di, m = −di/do, mirror f = R/2
Двойная щель
d·sin θ = mλ, ym = mλL/d
Решётка
d = 1/N, d·sin θ = mλ, mmax ≤ d/λ
Одиночная щель
a·sin θ = mλ (dark), w = 2λL/a

Метод

  1. Определите тип задачи: скорость волны, уровень звука, стоячая волна, эффект Доплера, преломление, линза или зеркало, либо интерференция.
  2. Сначала запишите соотношение: v = fλ, β = 10·log(I/I₀), fₙ = n·v/(2L) или n·v/(4L), f′ = f(v ± vo)/(v ∓ vs), n₁sin θ₁ = n₂sin θ₂, 1/f = 1/d₀ + 1/dᵢ, d·sin θ = mλ.
  3. Переведите единицы: nm, mm и cm в m, и проверьте, отсчитываются ли углы от нормали.
  4. Проверьте знаки и правдоподобие: у мнимого изображения dᵢ < 0, приближающийся источник звучит выше, у закрытой трубы только нечётные гармоники.

2Тренировочные задачи

1.КинематикаСредняя
t (s)v (m/s)1,3 s16,67

Водитель, едущий со скоростью 60 km/h, видит препятствие. Время её реакции 1,3 s, после чего автомобиль тормозит с постоянным замедлением 8 m/s². Найдите полный остановочный путь d с момента, когда она увидела препятствие.

v₀ = 60 km/htr = 1,3 sa = −8 m/s²
d = m
2.КинематикаСложная
d = ?

Камень без начальной скорости падает в колодец. Всплеск слышен через 3,5 s после того, как камень отпустили. Скорость звука 343 m/s; пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите глубину d колодца.

ttotal = 3,5 svsound = 343 m/sg = 9,81 m/s²
d = m
3.Законы НьютонаСредняя
θ = 40°a = ?m = 5 kg

Брусок массой 5 kg скользит вниз по гладкой наклонной плоскости под углом 40° к горизонту. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a бруска вдоль плоскости.

m = 5 kgθ = 40°μ = 0g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
θ = 35°брусокv₀ = 6 m/s

Бруску сообщают толчок, и он начинает скользить вверх по наклонной плоскости под углом 35° со скоростью 6 m/s. Коэффициент трения скольжения равен 0,15. Примите g = 9,81 m/s². Какое расстояние d вдоль плоскости он проскользит до остановки?

v₀ = 6 m/sθ = 35°μ = 0,15g = 9,81 m/s²
d = m
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
v0​ = 12 m/s35°дальностьH = ?

Мяч бросают под углом 35° к горизонту с ровной поверхности. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите наибольшую высоту H, которой достигает мяч.

v0 = 12 m/sθ = 35°g = 9,81 m/s²
H = m
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
24 mv0​ = 35 m/s70°x = ?

Мяч бросают с уровня земли со скоростью 35 m/s под углом 70° к горизонту. Он падает на плоскую крышу здания высотой 24 m, уже опускаясь. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите горизонтальное расстояние x от точки броска до места падения.

v₀ = 35 m/sθ = 70°hroof = 24 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Работа и энергияСредняя
90°L = 2 m0,2 kg

Шарик массой 0,2 kg висит на лёгкой нити длиной 2 m. Его отводят в сторону, пока нить не составит 90° с вертикалью, и отпускают без начальной скорости. Найдите силу натяжения T нити в момент прохождения шариком нижней точки.

m = 0,2 kgL = 2 mθ = 90°g = 9,81 m/s²
T = N
8.Работа и энергияСложная
h = 3,5 mL = 1 mμ = 0,1k = 4000 N/m

Брусок массой 10 kg отпускают без начальной скорости на высоте 3,5 m на гладкой рампе. Внизу он пересекает шероховатую горизонтальную полосу длиной 1 m (μ = 0,1), а затем наезжает на пружину (k = 4000 N/m) на гладкой поверхности. Найдите наибольшее сжатие x пружины.

m = 10 kgh = 3,5 mL = 1 mμ = 0,1k = 4000 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
9.Импульс и столкновенияСредняя
3 kg3 m/s4 kg

Тележка массой 3 kg, движущаяся со скоростью 3 m/s, испытывает абсолютно упругий центральный удар с покоящейся тележкой массой 4 kg на дорожке без трения. Найдите скорость v′1 первой тележки после столкновения (положительную в направлении её первоначального движения).

m1 = 3 kgm2 = 4 kgv1 = 3 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
10.Импульс и столкновенияСложная
4,5 kgv = ?20 g35°L = 1,9 m

Пуля массой 20 g, выпущенная горизонтально, попадает в брусок массой 4,5 kg, подвешенный на лёгких нитях длиной 1,9 m, и застревает в нём. Нити отклоняются на наибольший угол 35° от вертикали. Примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v пули до удара.

m = 20 gM = 4,5 kgL = 1,9 mθ = 35°g = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Гидростатическое давлениеСредняя
затворd = 4 mH = 1 m

Вертикальный прямоугольный затвор шириной 2 m находится в стенке резервуара с жидкостью (вода), его верхний край на 4 m ниже поверхности. Найдите равнодействующую силу гидростатического давления F на затвор.

d = 4 mH = 1 mb = 2 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
12.Гидростатическое давлениеСложная
затворd = 0,5 mH = 1 m

Вертикальный прямоугольный затвор шириной 1 m находится в стенке резервуара с жидкостью (глицерин), его верхний край на 0,5 m ниже поверхности. Найдите глубину ycp центра давления под поверхностью.

d = 0,5 mH = 1 mb = 1 mρ = 1260 kg/m³g = 9,81 m/s²
ycp = m
13.Неразрывность и БернуллиСредняя
12d1​ = 75 mm, p1​ = 380 kPad2​ = 40 mm, p2​ = ?

Вода течёт по горизонтальной трубе, которая сужается с 75 mm до 40 mm. В широкой части давление 380 kPa, а скорость 2 m/s. Пренебрегая потерями, найдите давление p2 в узкой части.

d1 = 75 mmd2 = 40 mmp1 = 380 kPav1 = 2 m/sρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
14.Неразрывность и БернуллиСложная
12d1​ = 75 mm, p1​ = 250 kPad2​ = 50 mm, p2​ = ?Δz = 2 m

Вода поднимается по трубе, которая сужается с 75 mm до 50 mm и поднимается на 2 m. В сечении 1 давление 250 kPa, а скорость 2,75 m/s. Пренебрегая потерями, найдите давление p2 в сечении 2.

d1 = 75 mmd2 = 50 mmp1 = 250 kPav1 = 2,75 m/sΔz = 2 mρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
15.Уравнение состояния идеального газаСредняя
330 g (Ar)V = 5 LT = 40 °CP = ?

Резервуар объёмом 5 L содержит 330 g газа (Ar) при 40 °C. Считайте газ идеальным и найдите давление P.

m = 330 gM = 39,95 g/molV = 5 LT = 40 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
16.Уравнение состояния идеального газаСложная
N₂, M = 28,01 g/molP = 850 kPaT = 60 °Cρ = ?

Найдите плотность ρ газа (N₂) при 850 kPa и 60 °C, считая его идеальным.

M = 28,01 g/molP = 850 kPaT = 60 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
17.Тепловые машины и холодильникиСредняя
TH​ = 725 °CTL​ = 30 °CEQH​QL​W

Тепловая машина работает между горячим резервуаром при 725 °C и холодным при 30 °C. Найдите наибольший возможный термический КПД ηmax.

TH = 725 °CTL = 30 °C
ηmax = %
18.Тепловые машины и холодильникиСложная
TH​ = 21 °CTL​ = 7 °CHPQ̇H​ = 12 kWQ̇L​Ẇ = ?

Тепловой насос поддерживает в доме 21 °C, когда на улице 7 °C, и подаёт в дом 12 kW теплоты. Найдите минимальную необходимую мощность Ẇmin.

TH = 21 °CTL = 7 °CQ̇H = 12 kW
Ẇmin = kW
19.Волны, звук и оптикаСредняя
FFdo​ = 18 cmf = 15 cm

Предмет находится в 18 cm перед тонкой собирающей линзой с фокусным расстоянием 15 cm. Найдите расстояние до изображения di. Используйте правило знаков 1/f = 1/do + 1/di (f < 0 для рассеивающей линзы, di < 0 для мнимого изображения).

do = 18 cmf = 15 cm
di = cm
20.Волны, звук и оптикаСложная
Fdo​ = 50 cmR = 10 cm

Предмет находится в 50 cm перед вогнутым зеркалом с радиусом кривизны 10 cm. Найдите расстояние до изображения di: положительное для изображения перед зеркалом (действительного) и отрицательное для изображения за ним (мнимого).

do = 50 cmR = 10 cm
di = cm

3Растворы

1.Кинематика

Ответ: d = 39,03 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.

Единицы

v₀ = 60/3,6 = 16,67 m/s

Путь за время реакции

d1 = v₀·tr = 16,67·1,3 = 21,67 m

Тормозной путь

d2 = v₀²/(2a) = 16,67²/(2·8) = 17,36 m

Итого

d = 21,67 + 17,36 = 39,03 m

Ответ

d = 39,03 m
2.Кинематика

Ответ: d = 54,73 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.

Две части времени

½·9,81·t₁² = 343·(3,5 − t₁)
4,905·t₁² + 343·t₁ − 1201 = 0

Время падения

Физический смысл имеет только положительный корень.

t₁ = (−343 + √(343² + 4·4,905·1201))/(2·4,905) = 3,34 s

Глубина

d = ½·9,81·3,34² = 54,73 m

Ответ

d = 54,73 m
3.Законы Ньютона

Ответ: a = 6,306 m/s²

Второй закон Ньютона: равнодействующая сил, действующих на тело, равна произведению его массы на ускорение, ΣF = m·a. Нарисуйте расчётную схему, выберите положительное направление вдоль движения и сложите все силы в этом направлении: приложенные силы, трение μ·N против движения и составляющие силы тяжести.

Силы вдоль плоскости

Вниз по плоскости — положительное направление.

m·a = m·g·sin θ − μ·m·g·cos θ

Ускорение

a = 9,81·(sin 40° − 0·cos 40°) = 9,81·(0,6428 − 0) = 6,306 m/s²

Ответ

a = 6,306 m/s²
4.Законы Ньютона

Ответ: d = 2,635 m

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.

Замедление

Обе силы направлены вниз по склону; масса сокращается.

a = 9,81·(sin 35° + 0,15·cos 35°) = 6,832 m/s²

Путь

d = v₀²/(2a) = 6²/(2·6,832) = 2,635 m

Ответ

d = 2,635 m
5.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: H = 2,415 m

Движение тела, брошенного под углом: без сопротивления воздуха x = vxt и y = h + vyt − ½gt². Оба направления независимы, их связывает только общее время.

Разложите начальную скорость

Горизонтальная скорость постоянна; вертикальное движение имеет постоянное ускорение g = 9,81 m/s² вниз.

vx = v0·cos θ = 12·cos 35° = 9,83 m/s
vy = v0·sin θ = 12·sin 35° = 6,883 m/s

Высшая точка

В верхней точке вертикальная скорость равна нулю: vy² = 2gH.

H = vy²/(2g) = 6,883²/(2·9,81) = 2,415 m

Ответ

H = 2,415 m
6.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: x = 70,29 m

Projectile motion: with no air resistance, x = vxt and y = h + vyt − ½gt². The two directions are independent except that they share the same time.

Разложите начальную скорость

vx = 11,97 m/s, vy = 32,89 m/s

Время до падения на крышу

Больший корень: мяч опускается.

24 = 32,89·t − 4,905·t²
t = (32,89 + √(32,89² − 2·9,81·24))/9,81 = 5,872 s

Горизонтальное расстояние

x = vx·t = 11,97·5,872 = 70,29 m

Ответ

x = 70,29 m
7.Работа и энергия

Ответ: T = 5,886 N

Теорема об изменении кинетической энергии: изменение кинетической энергии равно работе всех сил. Если записать тяжесть и пружины как потенциальную энергию (mgh и ½kx²), получается баланс: начальная энергия = конечная энергия + энергия, потерянная на трение (μN·d). При движении по окружности равнодействующая, направленная к центру, должна быть равна mv²/r.

Скорость в нижней точке

v² = 2gL(1 − cos θ) = 2·9,81·2·(1 − cos 90°) = 39,24 m²/s²

Силы в нижней точке

m·g = 0,2·9,81 = 1,962 N
T = mg + mv²/L = 1,962 + 0,2·39,24/2 = 5,886 N

Ответ

T = 5,886 N

Проверка: T = mg(3 − 2cos θ) = 5,886 N.

8.Работа и энергия

Ответ: x = 40,84 cm

Теорема об изменении кинетической энергии: изменение кинетической энергии равно работе всех сил. Если записать тяжесть и пружины как потенциальную энергию (mgh и ½kx²), получается баланс: начальная энергия = конечная энергия + энергия, потерянная на трение (μN·d).

Энергия после шероховатой полосы

Рампа гладкая, поэтому энергию забирает только полоса.

mgh − μmgL = 98,1·(3,5 − 0,1·1) = 333,5 J

Наибольшее сжатие

½kx² = 333,5 → x = √(2·333,5/4000) = 0,4084 m = 40,84 cm

Ответ

x = 40,84 cm
9.Импульс и столкновения

Ответ: v′1 = −0,4286 m/s

Закон сохранения импульса: если во время столкновения внешние силы не действуют, суммарный импульс Σm·v до столкновения равен суммарному импульсу после. Скорость имеет направление, поэтому выберите положительное направление и скорости, направленные в противоположную сторону, берите со знаком минус. При упругом столкновении сохраняется и кинетическая энергия; при абсолютно неупругом тела слипаются.

Упругий удар о покоящееся тело

Совместное решение уравнений сохранения импульса и энергии даёт эти два результата.

v′1 = (3 − 4)/(3 + 4)·3 = −0,4286 m/s
v′2 = 2·3/(3 + 4)·3 = 2,571 m/s

Ответ

v′1 = −0,4286 m/s

Знак минус означает, что первая тележка отскакивает назад.

10.Импульс и столкновения

Ответ: v = 586,8 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.

Подъём бруска

h = L·(1 − cos θ) = 1,9·(1 − cos 35°) = 0,3436 m

Скорость после удара

V = √(2·9,81·0,3436) = 2,596 m/s

Столкновение

v = (m + M)·V/m = 4,52·2,596/0,02 = 586,8 m/s

Ответ

v = 586,8 m/s
11.Гидростатическое давление

Ответ: F = 88,29 kN

Сила давления на плоскую поверхность: F = ρ·g·yc·A. Она приложена в центре давления, ycp = yc + Ic/(ycA), который всегда лежит ниже центра тяжести.

Глубина центра тяжести и площадь

yc = d + H/2 = 4 + 1/2 = 4,5 m
A = H·b = 1·2 = 2 m²
затворd = 4 mH = 1 mF

Равнодействующая сила

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·4,5·2 = 88,29 kN

Ответ

F = 88,29 kN
12.Гидростатическое давление

Ответ: ycp = 1,083 m

Сила давления на плоскую поверхность: F = ρ·g·yc·A. Она приложена в центре давления, ycp = yc + Ic/(ycA), который всегда лежит ниже центра тяжести.

Глубина центра тяжести и площадь

yc = d + H/2 = 0,5 + 1/2 = 1 m
A = H·b = 1·1 = 1 m²
затворd = 0,5 mH = 1 mF

Равнодействующая сила

F = ρ·g·yc·A = 1260·9,81·1·1 = 12,36 kN

Центр давления

Давление растёт с глубиной, поэтому равнодействующая приложена ниже центра тяжести.

Ic = b·H³/12 = 1·1³/12 = 0,08333 m⁴
ycp = yc + Ic/(yc·A) = 1 + 0,08333/(1·1) = 1,083 m

Ответ

ycp = 1,083 m
13.Неразрывность и Бернулли

Ответ: p2 = 357,3 kPa

Неразрывность и Бернулли: для несжимаемой жидкости расход одинаков в каждом сечении, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Вдоль линии тока без потерь p + ½ρv² + ρgz постоянно, поэтому там, где жидкость быстрее или выше, давление ниже.

Неразрывность и Бернулли

Считайте в Pa, затем разделите на 1000, чтобы получить kPa.

v2 = v1·(d1/d2)² = 2·(75/40)² = 7,031 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(2² − 7,031²)/1000 = −22,72 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) = 380 + (−22,72) = 357,3 kPa

Ответ

p2 = 357,3 kPa
14.Неразрывность и Бернулли

Ответ: p2 = 215 kPa

Неразрывность и Бернулли: для несжимаемой жидкости расход одинаков в каждом сечении, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Вдоль линии тока без потерь p + ½ρv² + ρgz постоянно, поэтому там, где жидкость быстрее или выше, давление ниже.

Неразрывность и Бернулли

Считайте в Pa, затем разделите на 1000, чтобы получить kPa.

v2 = v1·(d1/d2)² = 2,75·(75/50)² = 6,188 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(2,75² − 6,188²)/1000 = −15,36 kPa
ρgΔz = 1000·9,81·2/1000 = 19,62 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) − ρgΔz = 250 + (−15,36) − 19,62 = 215 kPa

Ответ

p2 = 215 kPa
15.Уравнение состояния идеального газа

Ответ: P = 4301 kPa

Уравнение состояния идеального газа: PV = nRT, где n = m/M.

Моли

n = m/M = 330/39,95 = 8,26 mol
T = 40 + 273,15 = 313,1 K

Давление

P = nRT/V = 8,26·8,314·313,1/0,005 = 4301 kPa

Ответ

P = 4301 kPa
16.Уравнение состояния идеального газа

Ответ: ρ = 8,596 kg/m³

Плотность идеального газа: ρ = PM/(RT).

Преобразуйте газовый закон

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 60 + 273,15 = 333,1 K

Плотность

ρ = 850·28,01/(8,314·333,1) = 8,596 kg/m³

Ответ

ρ = 8,596 kg/m³
17.Тепловые машины и холодильники

Ответ: ηmax = 69,63 %

Ограничения второго закона: ни один цикл между резервуарами с абсолютными температурами TH и TL не может превзойти обратимый цикл (Карно): ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL) и COPHP,max = TH/(TH − TL). Энергия всегда сохраняется: QH = W + QL.

Абсолютные температуры

TH = 725 + 273,15 = 998,1 K
TL = 30 + 273,15 = 303,1 K

КПД Карно

ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 303,1/998,1 = 69,63 %

Ответ

ηmax = 69,63 %
18.Тепловые машины и холодильники

Ответ: Ẇmin = 0,5711 kW

Ограничения второго закона: ни один цикл между резервуарами с абсолютными температурами TH и TL не может превзойти обратимый цикл (Карно): ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL) и COPHP,max = TH/(TH − TL). Энергия всегда сохраняется: QH = W + QL.

Абсолютные температуры

TH = 21 + 273,15 = 294,1 K
TL = 7 + 273,15 = 280,1 K

Наилучший возможный COP

COPHP,max = TH/(TH − TL) = 294,1/(294,1 − 280,1) = 21,01

Минимальная мощность

Меньше всего работы нужно обратимой машине, у которой наибольший COP.

Ẇmin = Q̇H/COP = 12/21,01 = 0,5711 kW

Ответ

Ẇmin = 0,5711 kW
19.Волны, звук и оптика

Ответ: di = 90 cm

Геометрическая оптика: на границе n₁·sin θ₁ = n₂·sin θ₂ (закон Снеллиуса), углы отсчитываются от нормали, а n = c/v. При входе в более медленную среду луч приближается к нормали. Из более плотной среды (n₁ > n₂) за пределом критического угла θc = arcsin(n₂/n₁) весь свет отражается: полное внутреннее отражение. Тонкие линзы и сферические зеркала подчиняются уравнению 1/f = 1/do + 1/di с увеличением m = −di/do. Правило знаков: f > 0 для собирающей линзы и вогнутого зеркала (f = R/2), f < 0 для рассеивающей линзы и выпуклого зеркала; di > 0 для действительного изображения, di < 0 для мнимого, а m < 0 для перевёрнутого изображения.

Формула тонкой линзы

1/di = 1/f − 1/do = 1/15 − 1/18
di = 90 cm
FF18 cmf = 15 cm

Ход лучей

действительное, по другую сторону линзы

Ответ

di = 90 cm
20.Волны, звук и оптика

Ответ: di = 5,556 cm

Геометрическая оптика: на границе n₁·sin θ₁ = n₂·sin θ₂ (закон Снеллиуса), углы отсчитываются от нормали, а n = c/v. При входе в более медленную среду луч приближается к нормали. Из более плотной среды (n₁ > n₂) за пределом критического угла θc = arcsin(n₂/n₁) весь свет отражается: полное внутреннее отражение. Тонкие линзы и сферические зеркала подчиняются уравнению 1/f = 1/do + 1/di с увеличением m = −di/do. Правило знаков: f > 0 для собирающей линзы и вогнутого зеркала (f = R/2), f < 0 для рассеивающей линзы и выпуклого зеркала; di > 0 для действительного изображения, di < 0 для мнимого, а m < 0 для перевёрнутого изображения.

Фокусное расстояние

f = R/2 = 5 cm

Уравнение зеркала

1/di = 1/f − 1/do = 1/5 − 1/50
di = 5,556 cm
F50 cmf = 5 cm

Ход лучей

действительное изображение перед зеркалом

Ответ

di = 5,556 cm

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