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)t = ?20

Автомобиль, едущий со скоростью 72 km/h, тормозит с постоянным замедлением 7,5 m/s² до полной остановки. Сколько длится торможение? Найдите t.

v₀ = 72 km/ha = −7,5 m/s²v = 0
t = s
2.КинематикаСложная
AB: 26 m/s45 m

Мяч A без начальной скорости падает с высоты 45 m. В тот же момент мяч B бросают вертикально вверх с земли прямо под ним со скоростью 26 m/s. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Когда мячи встретятся? Найдите t.

H = 45 mv0B = 26 m/sg = 9,81 m/s²
t = s
3.Законы НьютонаСредняя
θ = 20°35 kgF = ?

Ящик массой 35 kg толкают вверх по наклонной плоскости под углом 20° к горизонту с постоянной скоростью силой, параллельной плоскости. Коэффициент трения скольжения равен 0,25. Примите g = 9,81 m/s². Найдите толкающую силу F.

m = 35 kgθ = 20°μ = 0,25g = 9,81 m/s²
F = N
4.Законы НьютонаСложная
θ = 30°брусокv₀ = 8 m/s

Бруску сообщают толчок, и он начинает скользить вверх по наклонной плоскости под углом 30° со скоростью 8 m/s. Коэффициент трения скольжения равен 0,25. Примите g = 9,81 m/s². Какое расстояние d вдоль плоскости он проскользит до остановки?

v₀ = 8 m/sθ = 30°μ = 0,25g = 9,81 m/s²
d = m
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
v0​ = 20 m/s55°дальностьH = ?

Мяч бросают под углом 55° к горизонту с ровной поверхности. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите наибольшую высоту H, которой достигает мяч.

v0 = 20 m/sθ = 55°g = 9,81 m/s²
H = m
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
h = 35 mv0​ = 28 m/s25°x = ?

Мяч бросают под углом 25° к горизонту с вершины скалы высотой 35 m. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите горизонтальное расстояние x, которое мяч пролетает до удара о землю.

v0 = 28 m/sθ = 25°h = 35 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Работа и энергияСредняя
40°L = 1 m5 kg

Шарик массой 5 kg висит на лёгкой нити длиной 1 m. Его отводят в сторону, пока нить не составит 40° с вертикалью, и отпускают без начальной скорости. Найдите силу натяжения T нити в момент прохождения шариком нижней точки.

m = 5 kgL = 1 mθ = 40°g = 9,81 m/s²
T = N
8.Работа и энергияСложная
h = 5 mL = 4 mμ = 0,3k = 4000 N/m

Брусок массой 1 kg отпускают без начальной скорости на высоте 5 m на гладкой рампе. Внизу он пересекает шероховатую горизонтальную полосу длиной 4 m (μ = 0,3), а затем наезжает на пружину (k = 4000 N/m) на гладкой поверхности. Найдите скорость v бруска, когда он достигает пружины.

m = 1 kgh = 5 mL = 4 mμ = 0,3k = 4000 N/mg = 9,81 m/s²
v = m/s
9.Импульс и столкновенияСредняя
2000 kg16 m/s1400 kg

Автомобиль массой 2000 kg, движущийся со скоростью 16 m/s, налетает на стоящий автомобиль массой 1400 kg, и они сцепляются. Какой процент ΔK/K исходной кинетической энергии теряется?

m1 = 2000 kgv1 = 16 m/sm2 = 1400 kgv2 = 0
ΔK/K = %
10.Импульс и столкновенияСложная
16 m/s8 m/s

Мяч массой 0,35 kg ударяется о стену со скоростью 16 m/s и отскакивает прямо назад со скоростью 8 m/s. Контакт длится 5 ms. Найдите модуль импульса силы J, который стена сообщает мячу.

m = 0,35 kgvin = 16 m/svout = 8 m/sΔt = 5 ms
J = N·s
11.Гидростатическое давлениеСредняя
затворd = 2 mH = 1 m

Вертикальный прямоугольный затвор шириной 3 m находится в стенке резервуара с жидкостью (вода), его верхний край на 2 m ниже поверхности. Найдите равнодействующую силу гидростатического давления F на затвор.

d = 2 mH = 1 mb = 3 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 равнодействующую силу гидростатического давления F на затвор.

d = 0,5 mH = 1 mb = 1 mρ = 1260 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
13.Неразрывность и БернуллиСредняя
Q = ?d = 40 mm, Cd​ = 0,62h = 5,5 m

Вода вытекает из большого открытого резервуара через отверстие с острой кромкой диаметром 40 mm. Уровень воды поддерживается на 5,5 m выше отверстия, коэффициент расхода равен 0,62. Найдите расход Q. Примите g = 9,81 m/s².

d = 40 mmh = 5,5 mCd = 0,62g = 9,81 m/s²
Q = L/s
14.Неразрывность и БернуллиСложная
H = ?d1​ = 50 mmp1​ = 70 kPad2​ = 25 mm

Сопло фонтана направлено вертикально вверх. Непосредственно под соплом подводящая труба имеет диаметр 50 mm и избыточное давление 70 kPa. Выходной диаметр сопла 25 mm, разностью высот по длине сопла можно пренебречь. Пренебрегая потерями и сопротивлением воздуха, найдите высоту H, на которую струя поднимается над соплом. Примите g = 9,81 m/s².

d1 = 50 mmp1 = 70 kPa (избыточное)d2 = 25 mmρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
H = m
15.Уравнение состояния идеального газаСредняя
60 g (Ar)P = 250 kPaT = 65 °CV = ?

Какой объём V занимает 60 g газа (Ar) при 250 kPa и 65 °C? Считайте газ идеальным.

m = 60 gM = 39,95 g/molP = 250 kPaT = 65 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
16.Уравнение состояния идеального газаСложная
Состояние 1Состояние 2

Постоянное количество газа (O₂) переходит от 250 kPa, 10 L, 25 °C к 300 kPa и 130 °C. Найдите новый объём V2.

P1 = 250 kPaV1 = 10 LT1 = 25 °CP2 = 300 kPaT2 = 130 °C
V2 = L
17.Тепловые машины и холодильникиСредняя
TH​ = 750 °CTL​ = 5 °CEQH​ = 5000 kJQL​W = ?

Тепловая машина работает между горячим резервуаром при 750 °C и холодным при 5 °C. Она получает 5000 kJ теплоты. Найдите наибольшую работу Wmax, которую она могла бы совершить.

TH = 750 °CTL = 5 °CQH = 5000 kJ
Wmax = kJ
18.Тепловые машины и холодильникиСложная
TH​ = 20 °CTL​ = 2 °CHPQ̇H​ = 17,5 kWQ̇L​Ẇ = ?

Тепловой насос подаёт 17,5 kW теплоты в систему отопления при 20 °C, забирая теплоту от источника при 2 °C. Его действительный COP составляет 45% от COP Карно между этими температурами. Найдите потребляемую им электрическую мощность Ẇ.

TH = 20 °CTL = 2 °CηII = 45%Q̇H = 17,5 kW
Ẇ = kW
19.Волны, звук и оптикаСредняя
P2 × 80 dB

Одна машина создаёт уровень звука 80 dB в некоторой точке. Найдите уровень β в этой точке, когда одновременно работают 2 одинаковых машин (некогерентные источники).

β1 = 80 dBn = 2
β = dB
20.Волны, звук и оптикаСложная
λ = 550 nmd = 0,4 mmL = 1 m

Свет с длиной волны 550 nm падает на две щели на расстоянии 0,4 mm друг от друга. Экран находится на расстоянии 1 m. Найдите расстояние Δy между соседними светлыми полосами.

λ = 550 nmd = 0,4 mmL = 1 m
Δy = mm

3Растворы

1.Кинематика

Ответ: t = 2,667 s

Движение с постоянным ускорением: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² и v² = v₀² + 2·a·s. Выберите уравнение, в которое входят три известные величины и искомая, и следите за знаками относительно одного положительного направления.

Единицы

v₀ = 72/3,6 = 20 m/s

Время торможения

0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 20/7,5 = 2,667 s

Ответ

t = 2,667 s
2.Кинематика

Ответ: t = 1,731 s

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.

Время встречи

Направление вверх положительно, земля — y = 0.

45 − ½g·t² = 26·t − ½g·t² → t = 45/26 = 1,731 s

Ответ

t = 1,731 s
3.Законы Ньютона

Ответ: F = 198,1 N

Newton’s second law: the net force on a body equals its mass times its acceleration, ΣF = m·a. Draw a free-body diagram, choose a positive direction along the motion, and add every force in that direction: applied forces, friction μ·N against the motion, and the components of gravity.

Силы вдоль плоскости

Постоянная скорость: силы уравновешены.

F = m·g·sin θ + μ·m·g·cos θ

Толкающая сила

F = 117,4 + 80,66 = 198,1 N

Ответ

F = 198,1 N
4.Законы Ньютона

Ответ: d = 4,553 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 30° + 0,25·cos 30°) = 7,029 m/s²

Путь

d = v₀²/(2a) = 8²/(2·7,029) = 4,553 m

Ответ

d = 4,553 m
5.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: H = 13,68 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 = 20·cos 55° = 11,47 m/s
vy = v0·sin θ = 20·sin 55° = 16,38 m/s

Высшая точка

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

H = vy²/(2g) = 16,38²/(2·9,81) = 13,68 m

Ответ

H = 13,68 m
6.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: x = 105 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 = 28·cos 25° = 25,38 m/s
vy = v0·sin θ = 28·sin 25° = 11,83 m/s

Время полёта

Решите y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0 и возьмите положительный корень.

0 = 35 + 11,83·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (11,83 + √(140 + 686,7))/9,81 = 4,137 s

Горизонтальное расстояние

x = vx·t = 25,38·4,137 = 105 m

Ответ

x = 105 m
7.Работа и энергия

Ответ: T = 72 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) = 2·9,81·1·(1 − cos 40°) = 4,59 m²/s²

Силы в нижней точке

m·g = 5·9,81 = 49,05 N
T = mg + mv²/L = 49,05 + 5·4,59/1 = 72 N

Ответ

T = 72 N

Проверка: T = mg(3 − 2cos θ) = 72 N.

8.Работа и энергия

Ответ: v = 8,635 m/s

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 = 9,81·(5 − 0,3·4) = 37,28 J

Скорость у пружины

½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9,81·3,8) = 8,635 m/s

Ответ

v = 8,635 m/s
9.Импульс и столкновения

Ответ: ΔK/K = 41,18 %

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.

Общая скорость

v′ = m1·v1/(m1 + m2) = 2000·16/3400 = 9,412 m/s

Кинетическая энергия до и после

Kbefore = ½·2000·16² = 256000 J
Kafter = ½·3400·9,412² = 150588 J

Потерянная доля

ΔK/K = 105412/256000 = 41,18 %

Ответ

ΔK/K = 41,18 %

Потерянная энергия идёт на деформацию, теплоту и звук.

10.Импульс и столкновения

Ответ: J = 8,4 N·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.

Изменение импульса

J = m·Δv = 0,35·(8 + 16) = 8,4 N·s

Ответ

J = 8,4 N·s
11.Гидростатическое давление

Ответ: F = 73,58 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 = 2 + 1/2 = 2,5 m
A = H·b = 1·3 = 3 m²
затворd = 2 mH = 1 mF

Равнодействующая сила

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·2,5·3 = 73,58 kN

Ответ

F = 73,58 kN
12.Гидростатическое давление

Ответ: F = 12,36 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 = 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

Ответ

F = 12,36 kN
13.Неразрывность и Бернулли

Ответ: Q = 8,093 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.

Идеальная скорость струи

√(2gh) = √(2·9,81·5,5) = 10,39 m/s

Действительный расход

Коэффициент расхода учитывает сжатие струи и трение у кромки.

Q = Cd·A·√(2gh) = 0,62·0,001257·10,39 = 0,008093 m³/s = 8,093 L/s

Ответ

Q = 8,093 L/s
14.Неразрывность и Бернулли

Ответ: H = 7,611 m

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.

Скорость на выходе

β = 25/50 = 0,5
v2 = √(2p1/(ρ(1 − β⁴))) = √(2·70000/(1000·0,9375)) = 12,22 m/s

Высота струи

Уравнение Бернулли вдоль струи: в верхней точке скорость равна нулю, а давление снова атмосферное.

H = v2²/(2g) = 12,22²/(2·9,81) = 7,611 m

Ответ

H = 7,611 m
15.Уравнение состояния идеального газа

Ответ: V = 16,89 L

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

Моли

n = 60/39,95 = 1,502 mol
T = 65 + 273,15 = 338,1 K

Объём

V = nRT/P = 1,502·8,314·338,1/250 = 16,89 L

Ответ

V = 16,89 L
16.Уравнение состояния идеального газа

Ответ: V2 = 11,27 L

Объединённый газовый закон: для постоянного количества идеального газа P1V1/T1 = P2V2/T2.

Абсолютные температуры

T1 = 298,1 K, T2 = 403,1 K

Объединённый газовый закон

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 10·(250/300)·(403,1/298,1) = 11,27 L

Ответ

V2 = 11,27 L
17.Тепловые машины и холодильники

Ответ: Wmax = 3641 kJ

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 = 750 + 273,15 = 1023 K
TL = 5 + 273,15 = 278,1 K

КПД Карно

ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 278,1/1023 = 72,81 %

Наибольшая работа

Wmax = ηmax·QH = 0,7281·5000 = 3641 kJ

Ответ

Wmax = 3641 kJ
18.Тепловые машины и холодильники

Ответ: Ẇ = 2,388 kW

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.

Абсолютные температуры

TH = 20 + 273,15 = 293,1 K
TL = 2 + 273,15 = 275,1 K

COP Карно и действительный COP

COPmax = 293,1/(293,1 − 275,1) = 16,29
COP = 0,45·16,29 = 7,329

Потребляемая мощность

Ẇ = Q̇H/COP = 17,5/7,329 = 2,388 kW

Ответ

Ẇ = 2,388 kW
19.Волны, звук и оптика

Ответ: β = 83,01 dB

Волны: периодическая волна проходит одну длину волны за один период, поэтому v = fλ при T = 1/f. На натянутой струне v = √(T/μ), где T — сила натяжения, а μ = m/L — масса на метр. Звук в воздухе распространяется со скоростью около 343 m/s при 20 °C, свет в вакууме — со скоростью c = 3,00 × 10⁸ m/s. Громкость измеряется в логарифмическом масштабе: β = 10·log₁₀(I/I₀) dB, где I₀ = 10⁻¹² W/m², поэтому десятикратная интенсивность добавляет 10 dB. Точечный источник распределяет мощность P по сфере: I = P/(4πr²).

Суммарная интенсивность

I = 2·I₁

Уровень

β = 80 + 10·log₁₀(2) = 83,01 dB

Ответ

β = 83,01 dB
20.Волны, звук и оптика

Ответ: Δy = 1,375 mm

Интерференция и дифракция: свет от двух щелей на расстоянии d друг от друга приходит в точку на экране с разностью хода d·sin θ. Светлые полосы появляются там, где d·sin θ = mλ (m = 0, ±1, ±2, …). Для экрана на расстоянии L ≫ d m-я светлая полоса находится при y = mλL/d, а расстояние между полосами равно Δy = λL/d. У решётки с N штрихами на миллиметр d = 1/N, а резкие максимумы находятся при d·sin θ = mλ; так как sin θ ≤ 1, наивысший порядок — наибольшее целое число m ≤ d/λ. У одной щели шириной a тёмные полосы находятся при a·sin θ = mλ, m = ±1, ±2, …

Расстояние между полосами

Δy = λL/d = 550 × 10⁻⁹·1/(0,4 × 10⁻³) = 1,375 mm

Ответ

Δy = 1,375 mm

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