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)2,564 s16,67

Автомобиль, едущий со скоростью 60 km/h, тормозит с постоянным замедлением 6,5 m/s² до полной остановки. Найдите тормозной путь s.

v₀ = 60 km/ha = −6,5 m/s²v = 0
s = m
2.КинематикаСложная
v₀ = 11 m/s25 m

Мяч бросают вертикально вверх со скоростью 11 m/s с края крыши на высоте 25 m над землёй. Сопротивлением воздуха пренебречь, g = 9,81 m/s². Через какое время после броска он упадёт на землю? Найдите t.

v₀ = 11 m/sh₀ = 25 mg = 9,81 m/s²
t = s
3.Законы НьютонаСредняя
θ = 30°a = ?m = 2 kg

Брусок массой 2 kg скользит вниз по наклонной плоскости под углом 30° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,25. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a бруска вдоль плоскости.

m = 2 kgθ = 30°μ = 0,25g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
m1​ = 7 kg5 kgμ = 0,25

Брусок массой 7 kg на горизонтальном столе соединён лёгкой нитью, перекинутой через блок без трения, с подвешенным грузом массой 5 kg. Коэффициент трения скольжения между бруском и столом 0,25. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a системы.

m1 = 7 kgm2 = 5 kgμ = 0,25g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
v0​ = 20 m/s40°x = ?

Мяч бросают под углом 40° к горизонту с ровной поверхности. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите горизонтальное расстояние x, которое мяч пролетает до удара о землю.

v0 = 20 m/sθ = 40°g = 9,81 m/s²
x = m
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
h = 50 mv0​ = 34 m/s45°x = ?

Мяч бросают под углом 45° к горизонту с вершины скалы высотой 50 m. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите горизонтальное расстояние x, которое мяч пролетает до удара о землю.

v0 = 34 m/sθ = 45°h = 50 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Работа и энергияСредняя
40°d = 13 mμ = 0,1

Брусок массой 10 kg скользит 13 m по наклонной плоскости под углом 40° к горизонту с коэффициентом трения скольжения 0,1. Найдите работу Wf против силы трения.

m = 10 kgθ = 40°μ = 0,1d = 13 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
8.Работа и энергияСложная
k = 5000 N/m25°μ = 0,25 kg

Пружину жёсткостью 5000 N/m у основания наклонной плоскости 25° сжимают на 12 cm бруском массой 5 kg и отпускают. Коэффициент трения скольжения между бруском и плоскостью равен 0,2. Какое расстояние d пройдёт брусок вверх по плоскости от точки отпускания до остановки? (Пренебрегите коротким участком, на котором толкает пружина, т. е. учитывайте трение и силу тяжести на всём расстоянии d.)

m = 5 kgk = 5000 N/mx = 12 cmθ = 25°μ = 0,2g = 9,81 m/s²
d = m
9.Импульс и столкновенияСредняя
5 kgv = ?8 gh = 23 cm

Пуля массой 8 g, выпущенная горизонтально, попадает в деревянный брусок массой 5 kg, подвешенный на лёгких нитях, и застревает в нём. Брусок отклоняется и поднимается на 23 cm выше начального положения. Примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v пули до удара.

m = 8 gM = 5 kgh = 23 cmg = 9,81 m/s²
v = m/s
10.Импульс и столкновенияСложная
20 m/s6 m/s

Мяч массой 0,35 kg ударяется о стену со скоростью 20 m/s и отскакивает прямо назад со скоростью 6 m/s. Контакт длится 50 ms. Найдите среднюю силу Favg, с которой стена действует на мяч.

m = 0,35 kgvin = 20 m/svout = 6 m/sΔt = 50 ms
Favg = N
11.Гидростатическое давлениеСредняя
затворd = 2,5 mH = 1 m

Вертикальный прямоугольный затвор шириной 1,5 m находится в стенке резервуара с жидкостью (вода), его верхний край на 2,5 m ниже поверхности. Найдите равнодействующую силу гидростатического давления F на затвор.

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

Вертикальный прямоугольный затвор шириной 3 m находится в стенке резервуара с жидкостью (морская вода), его верхний край на 4 m ниже поверхности. Найдите равнодействующую силу гидростатического давления F на затвор.

d = 4 mH = 1 mb = 3 mρ = 1025 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
13.Неразрывность и БернуллиСредняя
v = ?p0​pp0​ − p = 4 kPaточка торможения

Трубка Пито — Прандтля в водопроводной трубе показывает разность 4 kPa между давлением торможения и статическим давлением. Найдите скорость воды v у носика трубки.

p0 − p = 4 kPaρ = 1000 kg/m³
v = m/s
14.Неразрывность и БернуллиСложная
d1​ = 80 mmd2​ = 40 mm12Δh = 310 mmртутьQ = ?

По горизонтальному расходомеру Вентури (вход 80 mm, горловина 40 mm) течёт вода. Ртутный U-образный манометр, подключённый между входом и горловиной, показывает разность уровней 310 mm. Коэффициент расхода равен 0,99. Найдите расход Q. Примите ρ = 1000 kg/m³ для воды, 13 600 kg/m³ для ртути и g = 9,81 m/s².

d1 = 80 mmd2 = 40 mmΔh = 310 mmCd = 0,99ρHg = 13 600 kg/m³g = 9,81 m/s²
Q = L/s
15.Уравнение состояния идеального газаСредняя
20 g (CO₂)P = 650 kPaT = 45 °CV = ?

Какой объём V занимает 20 g газа (CO₂) при 650 kPa и 45 °C? Считайте газ идеальным.

m = 20 gM = 44,01 g/molP = 650 kPaT = 45 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
16.Уравнение состояния идеального газаСложная
Состояние 1Состояние 2

Постоянное количество газа (CO₂) переходит от 150 kPa, 2 L, 35 °C к 800 kPa и 160 °C. Найдите новый объём V2.

P1 = 150 kPaV1 = 2 LT1 = 35 °CP2 = 800 kPaT2 = 160 °C
V2 = L
17.Тепловые машины и холодильникиСредняя
TH​ = 225 °CTL​ = ?EQH​ = 700 kJQL​ = 454 kJW

Обратимая тепловая машина (машина Карно) за цикл получает 700 kJ теплоты от резервуара при 225 °C и отдаёт 454 kJ. Найдите температуру TL холодного резервуара в °C.

TH = 225 °CQH = 700 kJQL = 454 kJ
TL = °C
18.Тепловые машины и холодильникиСложная
TH​ = 800 °CT0​ = 20 °CTL​ = -30 °CERWQ̇H​ = 170 kWQ̇L​ = ?

Тепловая машина Карно получает 170 kW теплоты от источника при 800 °C и отдаёт теплоту окружающей среде при 20 °C. Вся её работа приводит холодильную машину Карно, которая отводит теплоту из морозильной камеры при -30 °C и тоже отдаёт теплоту окружающей среде при 20 °C. Найдите тепловой поток Q̇L, отводимый из морозильной камеры.

TH = 800 °CT0 = 20 °CTL = -30 °CQ̇H = 170 kW
Q̇L = kW
19.Волны, звук и оптикаСредняя
85 dB?10 m20 m

Малый источник посылает звук одинаково во все стороны. Уровень на расстоянии 10 m от него равен 85 dB. Найдите уровень β2 на расстоянии 20 m, пренебрегая поглощением и отражениями.

β1 = 85 dBr1 = 10 mr2 = 20 m
β2 = dB
20.Волны, звук и оптикаСложная
λ = 532 nmθ2​ = ?

Свет с длиной волны 532 nm падает под прямым углом на решётку с 500 штрихами на миллиметр. Найдите угол θ2 максимума порядка 2.

N = 500 mm⁻¹λ = 532 nmm = 2
θ2 = °

3Растворы

1.Кинематика

Ответ: s = 21,37 m

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 = 60/3,6 = 16,67 m/s

Тормозной путь

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 16,67²/(2·6,5) = 21,37 m

Ответ

s = 21,37 m
2.Кинематика

Ответ: t = 3,642 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.

Уравнение движения

Вверх — положительное направление, земля находится на h₀ ниже точки броска.

−25 = 11·t − ½·9,81·t²
4,905·t² − 11·t − 25 = 0

Решите квадратное уравнение

Физический смысл имеет только положительный корень.

t = (11 + √(11² + 2·9,81·25))/9,81 = 3,642 s

Ответ

t = 3,642 s
3.Законы Ньютона

Ответ: a = 2,781 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 30° − 0,25·cos 30°) = 9,81·(0,5 − 0,2165) = 2,781 m/s²

Ответ

a = 2,781 m/s²
4.Законы Ньютона

Ответ: a = 2,657 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.

Ускорение системы

a = (m2·g − μ·m1·g)/(m1 + m2) = (49,05 − 17,17)/12 = 2,657 m/s²

Ответ

a = 2,657 m/s²
5.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: x = 40,16 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 40° = 15,32 m/s
vy = v0·sin θ = 20·sin 40° = 12,86 m/s

Время полёта

Старт и приземление на одной высоте: t = 2vy/g.

t = 2·12,86/9,81 = 2,621 s

Горизонтальное расстояние

x = vx·t = 15,32·2,621 = 40,16 m

Ответ

x = 40,16 m
6.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: x = 155,7 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 = 34·cos 45° = 24,04 m/s
vy = v0·sin θ = 34·sin 45° = 24,04 m/s

Время полёта

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

0 = 50 + 24,04·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (24,04 + √(578 + 981))/9,81 = 6,476 s

Горизонтальное расстояние

x = vx·t = 24,04·6,476 = 155,7 m

Ответ

x = 155,7 m
7.Работа и энергия

Ответ: Wf = 97,69 J

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).

Сила трения

N = mg·cos θ = 98,1·0,766 = 75,15 N
F = μN = 0,1·75,15 = 7,515 N

Работа против трения

Wf = F·d = 7,515·13 = 97,69 J

Ответ

Wf = 97,69 J
8.Работа и энергия

Ответ: d = 1,215 m

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 пружины

x = 12 cm = 0,12 m
½kx² = ½·5000·0,12² = 36 J

Энергетический баланс вдоль плоскости

m·g = 5·9,81 = 49,05 N
½kx² = mg·d·(sin θ + μ·cos θ)
d = 36/(49,05·(0,4226 + 0,2·0,9063)) = 1,215 m

Ответ

d = 1,215 m
9.Импульс и столкновения

Ответ: v = 1330 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.

Отклонение после удара

V = √(2·g·h) = √(2·9,81·0,23) = 2,124 m/s

Столкновение

m·v = (m + M)·V → v = (0,008 + 5)·2,124/0,008 = 1330 m/s

Ответ

v = 1330 m/s
10.Импульс и столкновения

Ответ: Favg = 182 N

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·(6 + 20) = 9,1 N·s

Средняя сила

Favg = J/Δt = 9,1/0,05 = 182 N

Ответ

Favg = 182 N
11.Гидростатическое давление

Ответ: F = 44,15 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 = 2,5 + 1/2 = 3 m
A = H·b = 1·1,5 = 1,5 m²
затворd = 2,5 mH = 1 mF

Равнодействующая сила

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·3·1,5 = 44,15 kN

Ответ

F = 44,15 kN
12.Гидростатическое давление

Ответ: F = 135,7 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 = 1·3 = 3 m²
затворd = 4 mH = 1 mF

Равнодействующая сила

F = ρ·g·yc·A = 1025·9,81·4,5·3 = 135,7 kN

Ответ

F = 135,7 kN
13.Неразрывность и Бернулли

Ответ: v = 2,828 m/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.

Уравнение Бернулли до точки торможения

У носика поток останавливается, поэтому его кинетическая энергия проявляется как дополнительное давление.

p0 − p = ½ρv²
v = √(2·4000/1000) = 2,828 m/s

Ответ

v = 2,828 m/s
14.Неразрывность и Бернулли

Ответ: Q = 11,25 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.

Разность давлений по манометру

Δp = (13600 − 1000)·9,81·0,31 = 38318 Pa

Скорость в горловине

Уравнения неразрывности и Бернулли вместе дают идеальную скорость в горловине.

β = 40/80 = 0,5
v2 = √(2·38318/(1000·(1 − 0,0625))) = 9,041 m/s

Действительный расход

Q = Cd·A2·v2 = 0,99·0,001257·9,041 = 0,01125 m³/s = 11,25 L/s

Ответ

Q = 11,25 L/s
15.Уравнение состояния идеального газа

Ответ: V = 1,849 L

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

Моли

n = 20/44,01 = 0,4544 mol
T = 45 + 273,15 = 318,1 K

Объём

V = nRT/P = 0,4544·8,314·318,1/650 = 1,849 L

Ответ

V = 1,849 L
16.Уравнение состояния идеального газа

Ответ: V2 = 0,5271 L

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

Абсолютные температуры

T1 = 308,1 K, T2 = 433,1 K

Объединённый газовый закон

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 2·(150/800)·(433,1/308,1) = 0,5271 L

Ответ

V2 = 0,5271 L
17.Тепловые машины и холодильники

Ответ: TL = 49,94 °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.

Абсолютная температура источника

TH = 225 + 273,15 = 498,1 K

Отношение теплот для обратимого цикла

TL = TH·QL/QH = 498,1·454/700 = 323,1 K = 49,94 °C

Ответ

TL = 49,94 °C
18.Тепловые машины и холодильники

Ответ: Q̇L = 600,9 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 = 800 + 273,15 = 1073 K
T0 = 20 + 273,15 = 293,1 K
TL = -30 + 273,15 = 243,1 K

Работа машины

η = 1 − 293,1/1073 = 0,7268
Ẇ = 0,7268·170 = 123,6 kW

Теплота, отводимая холодильником

COPR = 243,1/(293,1 − 243,1) = 4,863
Q̇L = 4,863·123,6 = 600,9 kW

Ответ

Q̇L = 600,9 kW
19.Волны, звук и оптика

Ответ: β2 = 78,98 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).

Отношение интенсивностей

I₂/I₁ = (10/20)² = 0,25

Новый уровень

β₂ = 85 + 10·log₁₀(0,25) = 78,98 dB

Ответ

β2 = 78,98 dB

Каждое удвоение расстояния снижает уровень примерно на 6 dB.

20.Волны, звук и оптика

Ответ: θ2 = 32,14 °

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 штрихами

d = 1/500 mm = 2 × 10⁻⁶ m

Уравнение решётки

sin θ = mλ/d = 2·532 × 10⁻⁹/(2 × 10⁻⁶) = 0,532
θ = 32,14°

Ответ

θ2 = 32,14°

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