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)0,8 s13,89

Водитель, едущий со скоростью 50 km/h, видит препятствие. Время её реакции 0,8 s, после чего автомобиль тормозит с постоянным замедлением 5,5 m/s². Найдите полный остановочный путь d с момента, когда она увидела препятствие.

v₀ = 50 km/htr = 0,8 sa = −5,5 m/s²
d = m
2.КинематикаСложная
t (s)v (m/s)6 s

Трамвай трогается с места и разгоняется с ускорением 1,5 m/s² в течение 6 s, затем движется с постоянной скоростью 9 s и, наконец, тормозит с замедлением 2,5 m/s² до остановки. Найдите полный путь s между двумя остановками.

a1 = 1,5 m/s²t1 = 6 st2 = 9 sa3 = −2,5 m/s²
s = m
3.Законы НьютонаСредняя
θ = 45°a = ?m = 8 kg

Брусок массой 8 kg скользит вниз по наклонной плоскости под углом 45° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,25. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a бруска вдоль плоскости.

m = 8 kgθ = 45°μ = 0,25g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
m1​ = 3,5 kg3 kgθ = 20°

Брусок массой 3,5 kg на наклонной плоскости под углом 20° связан лёгкой нитью, перекинутой через блок без трения на вершине плоскости, с висящим грузом массой 3 kg. Висящий груз движется вниз. Коэффициент трения скольжения между бруском и плоскостью равен 0,15. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T нити.

m1 = 3,5 kgm2 = 3 kgθ = 20°μ = 0,15g = 9,81 m/s²
T = N
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
v0​ = 30 m/s60°x = ?

Мяч бросают под углом 60° к горизонту с ровной поверхности. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите горизонтальное расстояние x, которое мяч пролетает до удара о землю.

v0 = 30 m/sθ = 60°g = 9,81 m/s²
x = m
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
h = 40 mv0​ = 15 m/s30°v = ?

Мяч бросают со скоростью 15 m/s под углом 30° к горизонту с вершины обрыва высотой 40 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v, с которой он ударяется о землю.

v₀ = 15 m/sθ = 30°h = 40 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
7.Работа и энергияСредняя
20°d = 9 mμ = 0,25

Брусок массой 10 kg скользит 9 m по наклонной плоскости под углом 20° к горизонту с коэффициентом трения скольжения 0,25. Найдите работу Wf против силы трения.

m = 10 kgθ = 20°μ = 0,25d = 9 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
8.Работа и энергияСложная
8 kg5 kgμ = 0,4d = 1,5 m

Брусок массой 8 kg лежит на шероховатом горизонтальном столе (μ = 0,4). От него лёгкая нить идёт через гладкий блок на краю стола к висящему грузу массой 5 kg. Систему отпускают из состояния покоя. Найдите скорость v грузов после того, как висящий груз опустится на 1,5 m.

m1 = 8 kgm2 = 5 kgμ = 0,4d = 1,5 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
9.Импульс и столкновенияСредняя
2 kg10 m/s4,5 kg

Тележка массой 2 kg, движущаяся со скоростью 10 m/s, испытывает абсолютно упругий центральный удар с покоящейся тележкой массой 4,5 kg на дорожке без трения. Найдите скорость v′2 второй тележки после столкновения.

m1 = 2 kgm2 = 4,5 kgv1 = 10 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
10.Импульс и столкновенияСложная
1600 kgv1​ = ?800 kg

Автомобиль массой 1600 kg врезается в припаркованный автомобиль массой 800 kg. Сцепившиеся автомобили скользят 24 m до остановки. Коэффициент трения скольжения между шинами и дорогой равен 0,75. Примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v1 первого автомобиля непосредственно перед столкновением.

m1 = 1600 kgm2 = 800 kgd = 24 mμ = 0,75g = 9,81 m/s²
v1 = m/s
11.Гидростатическое давлениеСредняя
затворd = 2,5 mH = 1 m

Вертикальный прямоугольный затвор шириной 1 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 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
12.Гидростатическое давлениеСложная
затворd = 3 mH = 2 m

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

d = 3 mH = 2 mb = 2 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
13.Неразрывность и БернуллиСредняя
Q = ?d = 20 mm, Cd​ = 0,65h = 3,5 m

Вода вытекает из большого открытого резервуара через отверстие с острой кромкой диаметром 20 mm. Уровень воды поддерживается на 3,5 m выше отверстия, коэффициент расхода равен 0,65. Найдите расход Q. Примите g = 9,81 m/s².

d = 20 mmh = 3,5 mCd = 0,65g = 9,81 m/s²
Q = L/s
14.Неразрывность и БернуллиСложная
C211,5 m1 md = 32 mmQ = ?

Шланг с внутренним диаметром 32 mm работает как сифон, отбирая воду из открытого резервуара. Наивысшая точка C шланга находится на 1,5 m выше поверхности воды, а выход (открытый в атмосферу) — на 1 m ниже поверхности воды. Пренебрегите потерями и примите g = 9,81 m/s². Найдите расход Q.

d = 32 mmzC = +1,5 mz2 = −1 mg = 9,81 m/s²
Q = L/s
15.Уравнение состояния идеального газаСредняя
160 g (CH₄)V = 10 LT = 5 °CP = ?

Резервуар объёмом 10 L содержит 160 g газа (CH₄) при 5 °C. Считайте газ идеальным и найдите давление P.

m = 160 gM = 16,04 g/molV = 10 LT = 5 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
16.Уравнение состояния идеального газаСложная
CH₄, M = 16,04 g/molP = 100 kPaT = 180 °Cρ = ?

Найдите плотность ρ газа (CH₄) при 100 kPa и 180 °C, считая его идеальным.

M = 16,04 g/molP = 100 kPaT = 180 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
17.Тепловые машины и холодильникиСредняя
TH​ = 800 °CTL​ = 40 °CEQH​QL​W

Тепловая машина работает между горячим резервуаром при 800 °C и холодным при 40 °C. Найдите наибольший возможный термический КПД ηmax.

TH = 800 °CTL = 40 °C
ηmax = %
18.Тепловые машины и холодильникиСложная
TH​ = 55 °CTL​ = -10 °CHPQ̇H​ = 5 kWQ̇L​Ẇ = ?

Тепловой насос подаёт 5 kW теплоты в систему отопления при 55 °C, забирая теплоту от источника при -10 °C. Его действительный COP составляет 45% от COP Карно между этими температурами. Найдите потребляемую им электрическую мощность Ẇ.

TH = 55 °CTL = -10 °CηII = 45%Q̇H = 5 kW
Ẇ = kW
19.Волны, звук и оптикаСредняя
L = 0,6 mn = 7

Труба, закрытая с одного конца имеет длину 0,6 m. Скорость звука равна 343 m/s. Найдите частоту f7 для режима: гармоника номер 7.

v = 343 m/sn = 7L = 0,6 m
f7 = Hz
20.Волны, звук и оптикаСложная
SO30 m/sf = 25 kHz

Неподвижный датчик посылает ультразвук 25 kHz на автомобиль, приближающийся со скоростью 30 m/s, и смешивает эхо с излучаемым сигналом. Найдите частоту биений fb (скорость звука 343 m/s).

f = 25 kHzu = 30 m/sv = 343 m/s
fb = Hz

3Растворы

1.Кинематика

Ответ: d = 28,65 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 = 50/3,6 = 13,89 m/s

Путь за время реакции

d1 = v₀·tr = 13,89·0,8 = 11,11 m

Тормозной путь

d2 = v₀²/(2a) = 13,89²/(2·5,5) = 17,54 m

Итого

d = 11,11 + 17,54 = 28,65 m

Ответ

d = 28,65 m
2.Кинематика

Ответ: s = 124,2 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.

Наибольшая скорость

v = a1·t1 = 1,5·6 = 9 m/s

Путь на каждом этапе

s1 = ½·1,5·6² = 27 m
s2 = 9·9 = 81 m
s3 = 9²/(2·2,5) = 16,2 m

Полный путь

s = 27 + 81 + 16,2 = 124,2 m

Ответ

s = 124,2 m
3.Законы Ньютона

Ответ: a = 5,203 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 45° − 0,25·cos 45°) = 9,81·(0,7071 − 0,1768) = 5,203 m/s²

Ответ

a = 5,203 m/s²
4.Законы Ньютона

Ответ: T = 23,5 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 нити

m₂·g = 29,43 N
m₁·g·sin θ = 11,74 N
μ·m₁·g·cos θ = 4,84 N

Ускорение системы

a = (29,43 − 11,74 − 4,84)/6,5 = 1,976 m/s²

Натяжение по висящему грузу

m2·g − T = m2·a → T = 3·(9,81 − 1,976) = 23,5 N

Ответ

T = 23,5 N
5.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: x = 79,45 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 = 30·cos 60° = 15 m/s
vy = v0·sin θ = 30·sin 60° = 25,98 m/s

Время полёта

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

t = 2·25,98/9,81 = 5,297 s

Горизонтальное расстояние

x = vx·t = 15·5,297 = 79,45 m

Ответ

x = 79,45 m
6.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: v = 31,78 m/s

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 = 15·cos 30° = 12,99 m/s
vy0 = 15·sin 30° = 7,5 m/s

Вертикальная скорость при ударе

Закон сохранения энергии или v² = v₀² + 2as по вертикали.

vy = √(7,5² + 2·9,81·40) = 29 m/s

Скорость при ударе

v = √(12,99² + 29²) = 31,78 m/s

Ответ

v = 31,78 m/s

Проверка по энергии: v² = v₀² + 2gh.

7.Работа и энергия

Ответ: Wf = 207,4 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 = 98,1·0,9397 = 92,18 N
F = μN = 0,25·92,18 = 23,05 N

Работа против трения

Wf = F·d = 23,05·9 = 207,4 J

Ответ

Wf = 207,4 J
8.Работа и энергия

Ответ: v = 2,019 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).

Выделившаяся и потерянная энергия

m₂g·d = 49,05·1,5 = 73,58 J
μ·m₁g·d = 0,4·78,48·1,5 = 47,09 J

Кинетическая энергия обоих грузов

½(m₁ + m₂)v² = 26,49 → v = √(2·26,49/13) = 2,019 m/s

Ответ

v = 2,019 m/s
9.Импульс и столкновения

Ответ: v′2 = 6,154 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 = (2 − 4,5)/(2 + 4,5)·10 = −3,846 m/s
v′2 = 2·2/(2 + 4,5)·10 = 6,154 m/s

Ответ

v′2 = 6,154 m/s
10.Импульс и столкновения

Ответ: v1 = 28,19 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.

Скорость после столкновения

V = √(2·μ·g·d) = √(2·0,75·9,81·24) = 18,79 m/s

Импульс при столкновении

m1·v1 = (m1 + m2)·V → v1 = 2400·18,79/1600 = 28,19 m/s

Ответ

v1 = 28,19 m/s
(101,5 km/h)
11.Гидростатическое давление

Ответ: F = 29,43 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 = 1 m²
затворd = 2,5 mH = 1 mF

Равнодействующая сила

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·3·1 = 29,43 kN

Ответ

F = 29,43 kN
12.Гидростатическое давление

Ответ: F = 157 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 = 3 + 2/2 = 4 m
A = H·b = 2·2 = 4 m²
затворd = 3 mH = 2 mF

Равнодействующая сила

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·4·4 = 157 kN

Ответ

F = 157 kN
13.Неразрывность и Бернулли

Ответ: Q = 1,692 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) = √(2·9,81·3,5) = 8,287 m/s

Действительный расход

Коэффициент расхода учитывает сжатие струи и трение у кромки.

Q = Cd·A·√(2gh) = 0,65·0,0003142·8,287 = 0,001692 m³/s = 1,692 L/s

Ответ

Q = 1,692 L/s
14.Неразрывность и Бернулли

Ответ: Q = 3,562 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.

Скорость в шланге

Поверхность и выход открыты в атмосферу, поэтому члены с давлением сокращаются.

v = √(2g·1) = √(2·9,81·1) = 4,429 m/s

Расход

Q = A·v = 0,0008042·4,429 = 0,003562 m³/s = 3,562 L/s

Ответ

Q = 3,562 L/s
15.Уравнение состояния идеального газа

Ответ: P = 2307 kPa

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

Моли

n = m/M = 160/16,04 = 9,975 mol
T = 5 + 273,15 = 278,1 K

Давление

P = nRT/V = 9,975·8,314·278,1/0,01 = 2307 kPa

Ответ

P = 2307 kPa
16.Уравнение состояния идеального газа

Ответ: ρ = 0,4257 kg/m³

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

Преобразуйте газовый закон

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 180 + 273,15 = 453,1 K

Плотность

ρ = 100·16,04/(8,314·453,1) = 0,4257 kg/m³

Ответ

ρ = 0,4257 kg/m³
17.Тепловые машины и холодильники

Ответ: ηmax = 70,82 %

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 = 800 + 273,15 = 1073 K
TL = 40 + 273,15 = 313,1 K

КПД Карно

ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 313,1/1073 = 70,82 %

Ответ

ηmax = 70,82 %
18.Тепловые машины и холодильники

Ответ: Ẇ = 2,201 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 = 55 + 273,15 = 328,1 K
TL = -10 + 273,15 = 263,1 K

COP Карно и действительный COP

COPmax = 328,1/(328,1 − 263,1) = 5,048
COP = 0,45·5,048 = 2,272

Потребляемая мощность

Ẇ = Q̇H/COP = 5/2,272 = 2,201 kW

Ответ

Ẇ = 2,201 kW
19.Волны, звук и оптика

Ответ: f7 = 1000 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 = 4L/n = 4·0,6/7 = 0,3429 m

Частота

f = v/λ = 343/0,3429 = 1000 Hz

Ответ

f7 = 1000 Hz
20.Волны, звук и оптика

Ответ: fb = 4792 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|.

Частота у автомобиля

f′ = 25000·(343 + 30)/343 = 27187 Hz

Частота эха

f″ = f′·343/(343 − 30) = 29792 Hz

Частота биений

fb = |f″ − f| = 4792 Hz

Ответ

fb = 4792 Hz

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