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 = ?33,33

Автомобиль, едущий со скоростью 120 km/h, тормозит с постоянным замедлением 5 m/s² до полной остановки. Сколько длится торможение? Найдите t.

v₀ = 120 km/ha = −5 m/s²v = 0
t = s
2.КинематикаСложная
t (s)v (m/s)8 s

Трамвай трогается с места и разгоняется с ускорением 2,5 m/s² в течение 8 s, затем движется с постоянной скоростью 19 s и, наконец, тормозит с замедлением 4,5 m/s² до остановки. Найдите полный путь s между двумя остановками.

a1 = 2,5 m/s²t1 = 8 st2 = 19 sa3 = −4,5 m/s²
s = m
3.Законы НьютонаСредняя
5 kg35°F = 50 Nμ = 0,2

Санки массой 5 kg тянут по горизонтальному снегу верёвкой под углом 35° к горизонту с силой 50 N. Коэффициент трения скольжения равен 0,2. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a санок.

m = 5 kgF = 50 Nθ = 35°μ = 0,2g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
1 kg3 kgTF = 55 Nμ = 0,1

Два бруска на горизонтальном полу связаны лёгкой горизонтальной нитью. Горизонтальная сила 55 N тянет передний брусок массой 3 kg; брусок массой 1 kg тащится сзади. Коэффициент трения скольжения для обоих брусков равен 0,1. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a брусков.

m1 = 1 kgm2 = 3 kgF = 55 Nμ = 0,1g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
v0​ = 20 m/s20°x = ?

Мяч бросают под углом 20° к горизонту с ровной поверхности. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите горизонтальное расстояние x, которое мяч пролетает до удара о землю.

v0 = 20 m/sθ = 20°g = 9,81 m/s²
x = m
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
4 mv0​ = 37 m/s65°x = ?

Мяч бросают с уровня земли со скоростью 37 m/s под углом 65° к горизонту. Он падает на плоскую крышу здания высотой 4 m, уже опускаясь. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите горизонтальное расстояние x от точки броска до места падения.

v₀ = 37 m/sθ = 65°hroof = 4 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Работа и энергияСредняя
70°L = 3 m0,2 kg

Шарик массой 0,2 kg висит на лёгкой нити длиной 3 m. Его отводят в сторону, пока нить не составит 70° с вертикалью, и отпускают без начальной скорости. Найдите силу натяжения T нити в момент прохождения шариком нижней точки.

m = 0,2 kgL = 3 mθ = 70°g = 9,81 m/s²
T = N
8.Работа и энергияСложная
k = 3000 N/m35°μ = 0,151 kg

Пружину жёсткостью 3000 N/m у основания наклонной плоскости 35° сжимают на 5 cm бруском массой 1 kg и отпускают. Коэффициент трения скольжения между бруском и плоскостью равен 0,15. 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 = 1 kgk = 3000 N/mx = 5 cmθ = 35°μ = 0,15g = 9,81 m/s²
d = m
9.Импульс и столкновенияСредняя
3,5 kg12 m/s4 kg

Тележка массой 3,5 kg, движущаяся со скоростью 12 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 = 3,5 kgm2 = 4 kgv1 = 12 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
10.Импульс и столкновенияСложная
8 m/s12 m/s

Мяч массой 0,25 kg ударяется о стену со скоростью 8 m/s и отскакивает прямо назад со скоростью 12 m/s. Контакт длится 10 ms. Найдите среднюю силу Favg, с которой стена действует на мяч.

m = 0,25 kgvin = 8 m/svout = 12 m/sΔt = 10 ms
Favg = N
11.Гидростатическое давлениеСредняя
затворd = 2 mH = 1,5 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 = 1,5 mb = 3 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
12.Гидростатическое давлениеСложная
затворd = 4 mH = 3 m

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

d = 4 mH = 3 mb = 2 mρ = 880 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
13.Неразрывность и БернуллиСредняя
Q = ?d = 20 mm, Cd​ = 0,62h = 1 m

Вода вытекает из большого открытого резервуара через отверстие с острой кромкой диаметром 20 mm. Уровень воды поддерживается на 1 m выше отверстия, коэффициент расхода равен 0,62. Найдите расход Q. Примите g = 9,81 m/s².

d = 20 mmh = 1 mCd = 0,62g = 9,81 m/s²
Q = L/s
14.Неразрывность и БернуллиСложная
H = ?d1​ = 100 mmp1​ = 40 kPad2​ = 30 mm

Сопло фонтана направлено вертикально вверх. Непосредственно под соплом подводящая труба имеет диаметр 100 mm и избыточное давление 40 kPa. Выходной диаметр сопла 30 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 = 100 mmp1 = 40 kPa (избыточное)d2 = 30 mmρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
H = m
15.Уравнение состояния идеального газаСредняя
190 g (CH₄)V = 20 LT = 25 °CP = ?

Резервуар объёмом 20 L содержит 190 g газа (CH₄) при 25 °C. Считайте газ идеальным и найдите давление P.

m = 190 gM = 16,04 g/molV = 20 LT = 25 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
16.Уравнение состояния идеального газаСложная
Состояние 1Состояние 2

Постоянное количество газа (Ar) переходит от 150 kPa, 2 L, 35 °C к 600 kPa и 190 °C. Найдите новый объём V2.

P1 = 150 kPaV1 = 2 LT1 = 35 °CP2 = 600 kPaT2 = 190 °C
V2 = L
17.Тепловые машины и холодильникиСредняя
TH​ = 275 °CTL​ = ?EQH​ = 3600 kJQL​ = 1794 kJW

Обратимая тепловая машина (машина Карно) за цикл получает 3600 kJ теплоты от резервуара при 275 °C и отдаёт 1794 kJ. Найдите температуру TL холодного резервуара в °C.

TH = 275 °CQH = 3600 kJQL = 1794 kJ
TL = °C
18.Тепловые машины и холодильникиСложная
TH​ = 28 °CTL​ = 5 °CRQ̇H​Q̇L​ = 3 kWẆ = ?

Холодильник поддерживает в холодной камере 5 °C на кухне при 28 °C, отводя из камеры теплоту 3 kW. Найдите минимальную необходимую мощность Ẇmin.

TH = 28 °CTL = 5 °CQ̇L = 3 kW
Ẇmin = kW
19.Волны, звук и оптикаСредняя
L = 1,5 mn = 2

Струна, закреплённая с обоих концов имеет длину 1,5 m; волны бегут по ней со скоростью 300 m/s. Найдите частоту f2 для режима: гармоника номер 2.

v = 300 m/sn = 2L = 1,5 m
f2 = Hz
20.Волны, звук и оптикаСложная
Fdo​ = 10 cmR = 24 cm

Предмет находится в 10 cm перед вогнутым зеркалом с радиусом кривизны 24 cm. Найдите расстояние до изображения di: положительное для изображения перед зеркалом (действительного) и отрицательное для изображения за ним (мнимого).

do = 10 cmR = 24 cm
di = cm

3Растворы

1.Кинематика

Ответ: t = 6,667 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 = 120/3,6 = 33,33 m/s

Время торможения

0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 33,33/5 = 6,667 s

Ответ

t = 6,667 s
2.Кинематика

Ответ: s = 504,4 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.

Наибольшая скорость

v = a1·t1 = 2,5·8 = 20 m/s

Путь на каждом этапе

s1 = ½·2,5·8² = 80 m
s2 = 20·19 = 380 m
s3 = 20²/(2·4,5) = 44,44 m

Полный путь

s = 80 + 380 + 44,44 = 504,4 m

Ответ

s = 504,4 m
3.Законы Ньютона

Ответ: a = 7,377 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.

Сила нормальной реакции

N = m·g − F·sin θ = 49,05 − 50·sin 35° = 20,37 N

Горизонтальные силы

m·a = F·cos θ − μ·N = 40,96 − 4,074
a = 36,88/5 = 7,377 m/s²

Ответ

a = 7,377 m/s²
4.Законы Ньютона

Ответ: a = 12,77 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.

Вся система

a = (F − μ·(m1 + m2)·g)/(m1 + m2) = (55 − 3,924)/4 = 12,77 m/s²

Ответ

a = 12,77 m/s²
5.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: x = 26,21 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 20° = 18,79 m/s
vy = v0·sin θ = 20·sin 20° = 6,84 m/s

Время полёта

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

t = 2·6,84/9,81 = 1,395 s

Горизонтальное расстояние

x = vx·t = 18,79·1,395 = 26,21 m

Ответ

x = 26,21 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

vx = 15,64 m/s, vy = 33,53 m/s

Время до падения на крышу

Больший корень: мяч опускается.

4 = 33,53·t − 4,905·t²
t = (33,53 + √(33,53² − 2·9,81·4))/9,81 = 6,715 s

Горизонтальное расстояние

x = vx·t = 15,64·6,715 = 105 m

Ответ

x = 105 m
7.Работа и энергия

Ответ: T = 4,544 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) = 2·9,81·3·(1 − cos 70°) = 38,73 m²/s²

Силы в нижней точке

m·g = 0,2·9,81 = 1,962 N
T = mg + mv²/L = 1,962 + 0,2·38,73/3 = 4,544 N

Ответ

T = 4,544 N

Проверка: T = mg(3 − 2cos θ) = 4,544 N.

8.Работа и энергия

Ответ: d = 0,5489 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 = 5 cm = 0,05 m
½kx² = ½·3000·0,05² = 3,75 J

Энергетический баланс вдоль плоскости

m·g = 1·9,81 = 9,81 N
½kx² = mg·d·(sin θ + μ·cos θ)
d = 3,75/(9,81·(0,5736 + 0,15·0,8192)) = 0,5489 m

Ответ

d = 0,5489 m
9.Импульс и столкновения

Ответ: v′1 = −0,8 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 = (3,5 − 4)/(3,5 + 4)·12 = −0,8 m/s
v′2 = 2·3,5/(3,5 + 4)·12 = 11,2 m/s

Ответ

v′1 = −0,8 m/s

Знак минус означает, что первая тележка отскакивает назад.

10.Импульс и столкновения

Ответ: Favg = 500 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 = 0,25·(12 + 8) = 5 N·s

Средняя сила

Favg = J/Δt = 5/0,01 = 500 N

Ответ

Favg = 500 N
11.Гидростатическое давление

Ответ: F = 121,4 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 + 1,5/2 = 2,75 m
A = H·b = 1,5·3 = 4,5 m²
затворd = 2 mH = 1,5 mF

Равнодействующая сила

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·2,75·4,5 = 121,4 kN

Ответ

F = 121,4 kN
12.Гидростатическое давление

Ответ: F = 284,9 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 + 3/2 = 5,5 m
A = H·b = 3·2 = 6 m²
затворd = 4 mH = 3 mF

Равнодействующая сила

F = ρ·g·yc·A = 880·9,81·5,5·6 = 284,9 kN

Ответ

F = 284,9 kN
13.Неразрывность и Бернулли

Ответ: Q = 0,8628 L/s

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.

Идеальная скорость струи

√(2gh) = √(2·9,81·1) = 4,429 m/s

Действительный расход

Коэффициент расхода учитывает сжатие струи и трение у кромки.

Q = Cd·A·√(2gh) = 0,62·0,0003142·4,429 = 0,0008628 m³/s = 0,8628 L/s

Ответ

Q = 0,8628 L/s
14.Неразрывность и Бернулли

Ответ: H = 4,111 m

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.

Скорость на выходе

β = 30/100 = 0,3
v2 = √(2p1/(ρ(1 − β⁴))) = √(2·40000/(1000·0,9919)) = 8,981 m/s

Высота струи

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

H = v2²/(2g) = 8,981²/(2·9,81) = 4,111 m

Ответ

H = 4,111 m
15.Уравнение состояния идеального газа

Ответ: P = 1468 kPa

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

Моли

n = m/M = 190/16,04 = 11,85 mol
T = 25 + 273,15 = 298,1 K

Давление

P = nRT/V = 11,85·8,314·298,1/0,02 = 1468 kPa

Ответ

P = 1468 kPa
16.Уравнение состояния идеального газа

Ответ: V2 = 0,7515 L

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

Абсолютные температуры

T1 = 308,1 K, T2 = 463,1 K

Объединённый газовый закон

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 2·(150/600)·(463,1/308,1) = 0,7515 L

Ответ

V2 = 0,7515 L
17.Тепловые машины и холодильники

Ответ: TL = 0,01142 °C

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.

Абсолютная температура источника

TH = 275 + 273,15 = 548,1 K

Отношение теплот для обратимого цикла

TL = TH·QL/QH = 548,1·1794/3600 = 273,2 K = 0,01142 °C

Ответ

TL = 0,01142 °C
18.Тепловые машины и холодильники

Ответ: Ẇmin = 0,2481 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 = 28 + 273,15 = 301,1 K
TL = 5 + 273,15 = 278,1 K

Наилучший возможный COP

COPR,max = TL/(TH − TL) = 278,1/(301,1 − 278,1) = 12,09

Минимальная мощность

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

Ẇmin = Q̇L/COP = 3/12,09 = 0,2481 kW

Ответ

Ẇmin = 0,2481 kW
19.Волны, звук и оптика

Ответ: f2 = 200 Hz

Стоячие волны и эффект Доплера: в струне, закреплённой с обоих концов, или в трубе, открытой с обоих концов, укладывается целое число полуволн: L = nλ/2, fn = n·v/(2L), n = 1, 2, 3, … У трубы, закрытой с одного конца, на закрытом конце узел, а на открытом пучность: L = nλ/4 только при нечётных n, fn = n·v/(4L). Когда источник или наблюдатель движутся вдоль линии между ними, f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs): верхние знаки берите для движения навстречу друг другу. Две волны почти равной частоты дают биения с частотой |f₁ − f₂|.

Длина волны этого режима

λ = 2L/n = 2·1,5/2 = 1,5 m

Частота

f = v/λ = 300/1,5 = 200 Hz

Ответ

f2 = 200 Hz
20.Волны, звук и оптика

Ответ: di = −60 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 = 12 cm

Уравнение зеркала

1/di = 1/f − 1/do = 1/12 − 1/10
di = −60 cm
F10 cmf = 12 cm

Ход лучей

мнимое изображение за зеркалом

Ответ

di = −60 cm

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