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)0,7 s25

Водитель, едущий со скоростью 90 km/h, видит препятствие. Время её реакции 0,7 s, после чего автомобиль тормозит с постоянным замедлением 4 m/s². Найдите полный остановочный путь d с момента, когда она увидела препятствие.

v₀ = 90 km/htr = 0,7 sa = −4 m/s²
d = m
2.КинематикаСложная
d = ?

Камень без начальной скорости падает в колодец. Всплеск слышен через 1,9 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 = 1,9 svsound = 343 m/sg = 9,81 m/s²
d = m
3.Законы НьютонаСредняя
ящикv₀ = 7 m/sμ = ?

Ящик скользит по горизонтальному полу с начальной скоростью 7 m/s и останавливается через 17 m. Примите g = 9,81 m/s². Найдите коэффициент трения скольжения μ.

v₀ = 7 m/sd = 17 mg = 9,81 m/s²
μ =
4.Законы НьютонаСложная
θ = 20°брусокv₀ = 4 m/s

Бруску сообщают толчок, и он начинает скользить вверх по наклонной плоскости под углом 20° со скоростью 4 m/s. Коэффициент трения скольжения равен 0,3. Примите g = 9,81 m/s². Какое расстояние d вдоль плоскости он проскользит до остановки?

v₀ = 4 m/sθ = 20°μ = 0,3g = 9,81 m/s²
d = m
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
v0​ = ?40°R = 80 m

Мяч бросают с горизонтальной поверхности под углом 40° к горизонту, и он падает на расстоянии 80 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите начальную скорость v0.

θ = 40°R = 80 mg = 9,81 m/s²
v0 = m/s
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
h = 50 mv0​ = 29 m/s25°x = ?

Мяч бросают под углом 25° к горизонту с вершины скалы высотой 50 m. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите горизонтальное расстояние x, которое мяч пролетает до удара о землю.

v0 = 29 m/sθ = 25°h = 50 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Работа и энергияСредняя
45°d = 6 mμ = 0,2

Брусок без начальной скорости скользит по наклонной плоскости под углом 45° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,2. Найдите его скорость v после того, как он проскользит 6 m вдоль плоскости.

θ = 45°μ = 0,2d = 6 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
8.Работа и энергияСложная
h = 3 mL = 2 mμ = 0,2k = 500 N/m

Брусок массой 5 kg отпускают без начальной скорости на высоте 3 m на гладкой рампе. Внизу он пересекает шероховатую горизонтальную полосу длиной 2 m (μ = 0,2), а затем наезжает на пружину (k = 500 N/m) на гладкой поверхности. Найдите наибольшее сжатие x пружины.

m = 5 kgh = 3 mL = 2 mμ = 0,2k = 500 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
9.Импульс и столкновенияСредняя
1700 kg19 m/s1100 kg

Автомобиль массой 1700 kg, движущийся со скоростью 19 m/s, налетает на стоящий автомобиль массой 1100 kg, и они сцепляются. Какой процент ΔK/K исходной кинетической энергии теряется?

m1 = 1700 kgv1 = 19 m/sm2 = 1100 kgv2 = 0
ΔK/K = %
10.Импульс и столкновенияСложная
1500 kgv1​ = ?1600 kg

Автомобиль массой 1500 kg врезается в припаркованный автомобиль массой 1600 kg. Сцепившиеся автомобили скользят 23 m до остановки. Коэффициент трения скольжения между шинами и дорогой равен 0,5. Примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v1 первого автомобиля непосредственно перед столкновением.

m1 = 1500 kgm2 = 1600 kgd = 23 mμ = 0,5g = 9,81 m/s²
v1 = m/s
11.Гидростатическое давлениеСредняя
затворd = 4 mH = 1,5 m

Вертикальный прямоугольный затвор шириной 1 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 = 1,5 mb = 1 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
12.Гидростатическое давлениеСложная
затворd = 1 mH = 1,5 m

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

d = 1 mH = 1,5 mb = 2 mρ = 1260 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
13.Неразрывность и БернуллиСредняя
v = ?p0​pp0​ − p = 50 Paточка торможения

Трубка Пито — Прандтля в аэродинамической трубе показывает разность 50 Pa между давлением торможения и статическим давлением. Плотность воздуха 1,2 kg/m³. Найдите скорость воздуха v.

p0 − p = 50 Paρ = 1,2 kg/m³
v = m/s
14.Неразрывность и БернуллиСложная
12d1​ = 150 mm, p1​ = 160 kPad2​ = 75 mm, p2​ = ?Δz = 3 m

Вода поднимается по трубе, которая сужается с 150 mm до 75 mm и поднимается на 3 m. В сечении 1 давление 160 kPa, а скорость 2,25 m/s. Пренебрегая потерями, найдите давление p2 в сечении 2.

d1 = 150 mmd2 = 75 mmp1 = 160 kPav1 = 2,25 m/sΔz = 3 mρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
15.Уравнение состояния идеального газаСредняя
360 g (CO₂)P = 350 kPaT = 75 °CV = ?

Какой объём V занимает 360 g газа (CO₂) при 350 kPa и 75 °C? Считайте газ идеальным.

m = 360 gM = 44,01 g/molP = 350 kPaT = 75 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
16.Уравнение состояния идеального газаСложная
CH₄, M = 16,04 g/molP = 800 kPaT = 130 °Cρ = ?

Найдите плотность ρ газа (CH₄) при 800 kPa и 130 °C, считая его идеальным.

M = 16,04 g/molP = 800 kPaT = 130 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
17.Тепловые машины и холодильникиСредняя
TH​ = 25 °CTL​ = -20 °CRQ̇H​ = ?Q̇L​ = 6,5 kWẆ

Обратимый холодильник поддерживает в холодильной камере -20 °C, отводя 6,5 kW теплоты, и отдаёт теплоту окружающей среде при 25 °C. Найдите тепловой поток Q̇H, который он отдаёт.

TL = -20 °CTH = 25 °CQ̇L = 6,5 kW
Q̇H = kW
18.Тепловые машины и холодильникиСложная
TH​ = 28 °CTL​ = -10 °CRQ̇H​Q̇L​ = 3 kWẆ = ?

Холодильник поддерживает в холодной камере -10 °C на кухне при 28 °C, отводя из камеры теплоту 3 kW. Найдите минимальную необходимую мощность Ẇmin.

TH = 28 °CTL = -10 °CQ̇L = 3 kW
Ẇmin = kW
19.Волны, звук и оптикаСредняя
θc = ?90°глицерин, n1​ = 1,47этанол, n2​ = 1,36

Свет идёт в среде «глицерин» (n = 1,47) к плоской границе со средой «этанол» (n = 1,36). Найдите критический угол θc, за пределом которого происходит полное отражение.

n1 = 1,47n2 = 1,36
θc = °
20.Волны, звук и оптикаСложная
f1​ = 10 cmf2​ = −15 cm40 cm25 cm

Две тонкие линзы имеют общую ось и находятся на расстоянии 25 cm друг от друга: линза 1 с f₁ = 10 cm и линза 2 с f₂ = −15 cm. Предмет находится в 40 cm перед линзой 1. Найдите положение di2 итогового изображения, отсчитываемое от линзы 2 (положительное за линзой 2, действительное — положительное).

f1 = 10 cmf2 = −15 cms = 25 cmdo = 40 cm
di2 = cm

3Растворы

1.Кинематика

Ответ: d = 95,63 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 = 90/3,6 = 25 m/s

Путь за время реакции

d1 = v₀·tr = 25·0,7 = 17,5 m

Тормозной путь

d2 = v₀²/(2a) = 25²/(2·4) = 78,13 m

Итого

d = 17,5 + 78,13 = 95,63 m

Ответ

d = 95,63 m
2.Кинематика

Ответ: d = 16,81 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·(1,9 − t₁)
4,905·t₁² + 343·t₁ − 651,7 = 0

Время падения

Физический смысл имеет только положительный корень.

t₁ = (−343 + √(343² + 4·4,905·651,7))/(2·4,905) = 1,851 s

Глубина

d = ½·9,81·1,851² = 16,81 m

Ответ

d = 16,81 m
3.Законы Ньютона

Ответ: μ = 0,1469

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

a = v₀²/(2d) = 7²/(2·17) = 1,441 m/s²

Коэффициент трения

μ·m·g = m·a → μ = a/g = 1,441/9,81 = 0,1469

Ответ

μ = 0,1469
4.Законы Ньютона

Ответ: d = 1,307 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 20° + 0,3·cos 20°) = 6,121 m/s²

Путь

d = v₀²/(2a) = 4²/(2·6,121) = 1,307 m

Ответ

d = 1,307 m
5.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: v0 = 28,23 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.

Выражаем v₀ из формулы дальности

v₀ = √(g·R/sin 2θ) = √(9,81·80/sin 80°) = 28,23 m/s

Ответ

v0 = 28,23 m/s
6.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: x = 122,9 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 = 29·cos 25° = 26,28 m/s
vy = v0·sin θ = 29·sin 25° = 12,26 m/s

Время полёта

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

0 = 50 + 12,26·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (12,26 + √(150,2 + 981))/9,81 = 4,678 s

Горизонтальное расстояние

x = vx·t = 26,28·4,678 = 122,9 m

Ответ

x = 122,9 m
7.Работа и энергия

Ответ: v = 8,16 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).

Энергетический баланс вдоль плоскости

Брусок опускается на высоту d·sin θ, а трение забирает μmg·cos θ·d. Масса сокращается.

½v² = g·d·(sin θ − μ·cos θ)
v = √(2·9,81·6·(0,7071 − 0,2·0,7071)) = 8,16 m/s

Ответ

v = 8,16 m/s
8.Работа и энергия

Ответ: x = 71,42 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 = 49,05·(3 − 0,2·2) = 127,5 J

Наибольшее сжатие

½kx² = 127,5 → x = √(2·127,5/500) = 0,7142 m = 71,42 cm

Ответ

x = 71,42 cm
9.Импульс и столкновения

Ответ: ΔK/K = 39,29 %

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) = 1700·19/2800 = 11,54 m/s

Кинетическая энергия до и после

Kbefore = ½·1700·19² = 306850 J
Kafter = ½·2800·11,54² = 186302 J

Потерянная доля

ΔK/K = 120548/306850 = 39,29 %

Ответ

ΔK/K = 39,29 %

Потерянная энергия идёт на деформацию, теплоту и звук.

10.Импульс и столкновения

Ответ: v1 = 31,04 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) = √(2·0,5·9,81·23) = 15,02 m/s

Импульс при столкновении

m1·v1 = (m1 + m2)·V → v1 = 3100·15,02/1500 = 31,04 m/s

Ответ

v1 = 31,04 m/s
(111,8 km/h)
11.Гидростатическое давление

Ответ: F = 69,9 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 + 1,5/2 = 4,75 m
A = H·b = 1,5·1 = 1,5 m²
затворd = 4 mH = 1,5 mF

Равнодействующая сила

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·4,75·1,5 = 69,9 kN

Ответ

F = 69,9 kN
12.Гидростатическое давление

Ответ: F = 64,89 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 = 1 + 1,5/2 = 1,75 m
A = H·b = 1,5·2 = 3 m²
затворd = 1 mH = 1,5 mF

Равнодействующая сила

F = ρ·g·yc·A = 1260·9,81·1,75·3 = 64,89 kN

Ответ

F = 64,89 kN
13.Неразрывность и Бернулли

Ответ: v = 9,129 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 = √(2·50/1,2) = 9,129 m/s

Ответ

v = 9,129 m/s
14.Неразрывность и Бернулли

Ответ: p2 = 92,6 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 = 2,25·(150/75)² = 9 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(2,25² − 9²)/1000 = −37,97 kPa
ρgΔz = 1000·9,81·3/1000 = 29,43 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) − ρgΔz = 160 + (−37,97) − 29,43 = 92,6 kPa

Ответ

p2 = 92,6 kPa
15.Уравнение состояния идеального газа

Ответ: V = 67,65 L

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

Моли

n = 360/44,01 = 8,18 mol
T = 75 + 273,15 = 348,1 K

Объём

V = nRT/P = 8,18·8,314·348,1/350 = 67,65 L

Ответ

V = 67,65 L
16.Уравнение состояния идеального газа

Ответ: ρ = 3,828 kg/m³

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

Преобразуйте газовый закон

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 130 + 273,15 = 403,1 K

Плотность

ρ = 800·16,04/(8,314·403,1) = 3,828 kg/m³

Ответ

ρ = 3,828 kg/m³
17.Тепловые машины и холодильники

Ответ: Q̇H = 7,655 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 = 25 + 273,15 = 298,1 K
TL = -20 + 273,15 = 253,1 K

Отношение теплот для обратимого цикла

Q̇H = Q̇L·TH/TL = 6,5·298,1/253,1 = 7,655 kW

Ответ

Q̇H = 7,655 kW

Потребляемая мощность: Ẇ = 1,155 kW.

18.Тепловые машины и холодильники

Ответ: Ẇmin = 0,4332 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 = -10 + 273,15 = 263,1 K

Наилучший возможный COP

COPR,max = TL/(TH − TL) = 263,1/(301,1 − 263,1) = 6,925

Минимальная мощность

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

Ẇmin = Q̇L/COP = 3/6,925 = 0,4332 kW

Ответ

Ẇmin = 0,4332 kW
19.Волны, звук и оптика

Ответ: θc = 67,69 °

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.

Преломление под 90°

sin θc = n₂/n₁ = 1,36/1,47 = 0,9252

Критический угол

θc = arcsin(0,9252) = 67,69°

Ответ

θc = 67,69°
20.Волны, звук и оптика

Ответ: di2 = −6,563 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.

Изображение линзы 1

1/di1 = 1/10 − 1/40 → di1 = 13,33 cm

Предмет для линзы 2

do2 = 25 − 13,33 = 11,67 cm

Итоговое изображение

1/di2 = 1/(−15) − 1/11,67 → di2 = −6,563 cm

Ответ

di2 = −6,563 cm

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