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
a = 3 m/s²s = 1400 m

Самолёт трогается с места и равноускоренно разгоняется с ускорением 3 m/s² по взлётной полосе. Найдите его скорость v через 1400 m.

v₀ = 0a = 3 m/s²s = 1400 m
v = m/s
2.КинематикаСложная
AB: 29 m/s10 m

Мяч A без начальной скорости падает с высоты 10 m. В тот же момент мяч B бросают вертикально вверх с земли прямо под ним со скоростью 29 m/s. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². На какой высоте y над землёй они встретятся?

H = 10 mv0B = 29 m/sg = 9,81 m/s²
y = m
3.Законы НьютонаСредняя
15 kg40°F = 60 Nμ = 0,25

Санки массой 15 kg тянут по горизонтальному снегу верёвкой под углом 40° к горизонту с силой 60 N. Коэффициент трения скольжения равен 0,25. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a санок.

m = 15 kgF = 60 Nθ = 40°μ = 0,25g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
6 kg10 kgTF = 80 Nμ = 0,3

Два бруска на горизонтальном полу связаны лёгкой горизонтальной нитью. Горизонтальная сила 80 N тянет передний брусок массой 10 kg; брусок массой 6 kg тащится сзади. Коэффициент трения скольжения для обоих брусков равен 0,3. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a брусков.

m1 = 6 kgm2 = 10 kgF = 80 Nμ = 0,3g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
36 my = ?v0​ = 28 m/s70°

Мяч бьют с горизонтальной поверхности со скоростью 28 m/s под углом 70° к горизонту в сторону стены, находящейся на расстоянии 36 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². На какой высоте y мяч пролетает у стены?

v₀ = 28 m/sθ = 70°x = 36 mg = 9,81 m/s²
y = m
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
h = 30 mv0​ = 15 m/s20°x = ?

Мяч бросают под углом 20° к горизонту с вершины скалы высотой 30 m. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите горизонтальное расстояние x, которое мяч пролетает до удара о землю.

v0 = 15 m/sθ = 20°h = 30 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Работа и энергияСредняя
35°d = 4 mμ = 0,25

Брусок без начальной скорости скользит по наклонной плоскости под углом 35° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,25. Найдите его скорость v после того, как он проскользит 4 m вдоль плоскости.

θ = 35°μ = 0,25d = 4 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
8.Работа и энергияСложная
h = 2 mL = 3,5 mμ = 0,2k = 800 N/m

Брусок массой 5 kg отпускают без начальной скорости на высоте 2 m на гладкой рампе. Внизу он пересекает шероховатую горизонтальную полосу длиной 3,5 m (μ = 0,2), а затем наезжает на пружину (k = 800 N/m) на гладкой поверхности. Найдите наибольшее сжатие x пружины.

m = 5 kgh = 2 mL = 3,5 mμ = 0,2k = 800 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
9.Импульс и столкновенияСредняя
13 kg40 m/s1 kgv′2​ = ?

Снаряд массой 14 kg, движущийся горизонтально со скоростью 24 m/s, разрывается на два осколка, движущихся вдоль той же прямой. Осколок массой 13 kg продолжает движение вперёд со скоростью 40 m/s. Найдите скорость v′2 осколка массой 1 kg (положительна в исходном направлении).

M = 14 kgu = 24 m/sm1 = 13 kgv′1 = 40 m/sm2 = 1 kg
v′2 = m/s
10.Импульс и столкновенияСложная
3 kgv = ?10 g30°L = 0,8 m

Пуля массой 10 g, выпущенная горизонтально, попадает в брусок массой 3 kg, подвешенный на лёгких нитях длиной 0,8 m, и застревает в нём. Нити отклоняются на наибольший угол 30° от вертикали. Примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v пули до удара.

m = 10 gM = 3 kgL = 0,8 mθ = 30°g = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Гидростатическое давлениеСредняя
затворd = 1 mH = 3 m

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

d = 1 mH = 3 mb = 2 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
12.Гидростатическое давлениеСложная
затворd = 2 mH = 2 m

Вертикальный прямоугольный затвор шириной 2 m находится в стенке резервуара с жидкостью (масло), его верхний край на 2 m ниже поверхности. Найдите глубину ycp центра давления под поверхностью.

d = 2 mH = 2 mb = 2 mρ = 880 kg/m³g = 9,81 m/s²
ycp = m
13.Неразрывность и БернуллиСредняя
Q = ?d = 30 mm, Cd​ = 0,63h = 2 m

Вода вытекает из большого открытого резервуара через отверстие с острой кромкой диаметром 30 mm. Уровень воды поддерживается на 2 m выше отверстия, коэффициент расхода равен 0,63. Найдите расход Q. Примите g = 9,81 m/s².

d = 30 mmh = 2 mCd = 0,63g = 9,81 m/s²
Q = L/s
14.Неразрывность и БернуллиСложная
H = ?d1​ = 50 mmp1​ = 60 kPad2​ = 30 mm

Сопло фонтана направлено вертикально вверх. Непосредственно под соплом подводящая труба имеет диаметр 50 mm и избыточное давление 60 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 = 50 mmp1 = 60 kPa (избыточное)d2 = 30 mmρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
H = m
15.Уравнение состояния идеального газаСредняя
450 g (CO₂)P = 250 kPaT = 90 °CV = ?

Какой объём V занимает 450 g газа (CO₂) при 250 kPa и 90 °C? Считайте газ идеальным.

m = 450 gM = 44,01 g/molP = 250 kPaT = 90 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
16.Уравнение состояния идеального газаСложная
Ar, M = 39,95 g/molP = 950 kPaT = 60 °Cρ = ?

Найдите плотность ρ газа (Ar) при 950 kPa и 60 °C, считая его идеальным.

M = 39,95 g/molP = 950 kPaT = 60 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
17.Тепловые машины и холодильникиСредняя
TH​ = 750 °CTL​ = 30 °CEQH​ = 1100 kJQL​W = ?

Тепловая машина работает между горячим резервуаром при 750 °C и холодным при 30 °C. Она получает 1100 kJ теплоты. Найдите наибольшую работу Wmax, которую она могла бы совершить.

TH = 750 °CTL = 30 °CQH = 1100 kJ
Wmax = kJ
18.Тепловые машины и холодильникиСложная
TH​ = 35 °CTL​ = -10 °CRQ̇H​Q̇L​ = 3 kWẆ = ?

Холодильник поддерживает в холодной камере -10 °C на кухне при 35 °C, отводя из камеры теплоту 3 kW. Найдите минимальную необходимую мощность Ẇmin.

TH = 35 °CTL = -10 °CQ̇L = 3 kW
Ẇmin = kW
19.Волны, звук и оптикаСредняя
L = 0,4 mn = 7

Труба, закрытая с одного конца имеет длину 0,4 m. Скорость звука равна 343 m/s. Найдите частоту f7 для режима: гармоника номер 7.

v = 343 m/sn = 7L = 0,4 m
f7 = Hz
20.Волны, звук и оптикаСложная
θa​ = ?n1​ = 1,5n2​ = 1,42n0​ = 1,00

У оптического волокна сердцевина с n₁ = 1,5 и оболочка с n₂ = 1,42. Найдите наибольший угол θa к оси волокна, при котором свет из воздуха может войти в торец волокна и всё ещё направляться полным внутренним отражением.

n1 = 1,5n2 = 1,42n0 = 1,00
θa = °

3Растворы

1.Кинематика

Ответ: v = 91,65 m/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.

Скорость после пройденного пути

v = √(2·a·s) = √(2·3·1400) = 91,65 m/s

Ответ

v = 91,65 m/s
(329,9 km/h)
2.Кинематика

Ответ: y = 9,417 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.

Время встречи

Направление вверх положительно, земля — y = 0.

10 − ½g·t² = 29·t − ½g·t² → t = 10/29 = 0,3448 s

Высота встречи

y = 29·0,3448 − ½·9,81·0,3448² = 9,417 m

Ответ

y = 9,417 m
3.Законы Ньютона

Ответ: a = 1,254 m/s²

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.

Сила нормальной реакции

N = m·g − F·sin θ = 147,2 − 60·sin 40° = 108,6 N

Горизонтальные силы

m·a = F·cos θ − μ·N = 45,96 − 27,15
a = 18,82/15 = 1,254 m/s²

Ответ

a = 1,254 m/s²
4.Законы Ньютона

Ответ: a = 2,057 m/s²

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.

Вся система

a = (F − μ·(m1 + m2)·g)/(m1 + m2) = (80 − 47,09)/16 = 2,057 m/s²

Ответ

a = 2,057 m/s²
5.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: y = 29,59 m

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.

Время до стены

vx = 28·cos 70° = 9,577 m/s
t = x/vx = 36/9,577 = 3,759 s

Высота в этот момент

y = 26,31·3,759 − ½·9,81·3,759² = 29,59 m

Ответ

y = 29,59 m

У стены мяч уже опускается.

6.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: x = 43 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 = 15·cos 20° = 14,1 m/s
vy = v0·sin θ = 15·sin 20° = 5,13 m/s

Время полёта

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

0 = 30 + 5,13·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (5,13 + √(26,32 + 588,6))/9,81 = 3,051 s

Горизонтальное расстояние

x = vx·t = 14,1·3,051 = 43 m

Ответ

x = 43 m
7.Работа и энергия

Ответ: v = 5,38 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 = √(2·9,81·4·(0,5736 − 0,25·0,8192)) = 5,38 m/s

Ответ

v = 5,38 m/s
8.Работа и энергия

Ответ: x = 39,93 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·(2 − 0,2·3,5) = 63,76 J

Наибольшее сжатие

½kx² = 63,76 → x = √(2·63,76/800) = 0,3993 m = 39,93 cm

Ответ

x = 39,93 cm
9.Импульс и столкновения

Ответ: v′2 = −184 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.

Импульс до удара

p = M·u = 14·24 = 336 kg·m/s

Импульс после удара

336 = 13·40 + 1·v′2
v′2 = (336 − 520)/1 = −184 m/s

Ответ

v′2 = −184 m/s

Знак минус означает, что второй осколок летит назад.

10.Импульс и столкновения

Ответ: v = 436,5 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.

Подъём бруска

h = L·(1 − cos θ) = 0,8·(1 − cos 30°) = 0,1072 m

Скорость после удара

V = √(2·9,81·0,1072) = 1,45 m/s

Столкновение

v = (m + M)·V/m = 3,01·1,45/0,01 = 436,5 m/s

Ответ

v = 436,5 m/s
11.Гидростатическое давление

Ответ: F = 147,2 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 + 3/2 = 2,5 m
A = H·b = 3·2 = 6 m²
затворd = 1 mH = 3 mF

Равнодействующая сила

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·2,5·6 = 147,2 kN

Ответ

F = 147,2 kN
12.Гидростатическое давление

Ответ: ycp = 3,111 m

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 + 2/2 = 3 m
A = H·b = 2·2 = 4 m²
затворd = 2 mH = 2 mF

Равнодействующая сила

F = ρ·g·yc·A = 880·9,81·3·4 = 103,6 kN

Центр давления

Давление растёт с глубиной, поэтому равнодействующая приложена ниже центра тяжести.

Ic = b·H³/12 = 2·2³/12 = 1,333 m⁴
ycp = yc + Ic/(yc·A) = 3 + 1,333/(3·4) = 3,111 m

Ответ

ycp = 3,111 m
13.Неразрывность и Бернулли

Ответ: Q = 2,79 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) = √(2·9,81·2) = 6,264 m/s

Действительный расход

Коэффициент расхода учитывает сжатие струи и трение у кромки.

Q = Cd·A·√(2gh) = 0,63·0,0007069·6,264 = 0,00279 m³/s = 2,79 L/s

Ответ

Q = 2,79 L/s
14.Неразрывность и Бернулли

Ответ: H = 7,027 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 = 30/50 = 0,6
v2 = √(2p1/(ρ(1 − β⁴))) = √(2·60000/(1000·0,8704)) = 11,74 m/s

Высота струи

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

H = v2²/(2g) = 11,74²/(2·9,81) = 7,027 m

Ответ

H = 7,027 m
15.Уравнение состояния идеального газа

Ответ: V = 123,5 L

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

Моли

n = 450/44,01 = 10,22 mol
T = 90 + 273,15 = 363,1 K

Объём

V = nRT/P = 10,22·8,314·363,1/250 = 123,5 L

Ответ

V = 123,5 L
16.Уравнение состояния идеального газа

Ответ: ρ = 13,7 kg/m³

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

Преобразуйте газовый закон

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 60 + 273,15 = 333,1 K

Плотность

ρ = 950·39,95/(8,314·333,1) = 13,7 kg/m³

Ответ

ρ = 13,7 kg/m³
17.Тепловые машины и холодильники

Ответ: Wmax = 774,1 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 = 30 + 273,15 = 303,1 K

КПД Карно

ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 303,1/1023 = 70,37 %

Наибольшая работа

Wmax = ηmax·QH = 0,7037·1100 = 774,1 kJ

Ответ

Wmax = 774,1 kJ
18.Тепловые машины и холодильники

Ответ: Ẇmin = 0,513 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 = 35 + 273,15 = 308,1 K
TL = -10 + 273,15 = 263,1 K

Наилучший возможный COP

COPR,max = TL/(TH − TL) = 263,1/(308,1 − 263,1) = 5,848

Минимальная мощность

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

Ẇmin = Q̇L/COP = 3/5,848 = 0,513 kW

Ответ

Ẇmin = 0,513 kW
19.Волны, звук и оптика

Ответ: f7 = 1501 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 = 4·0,4/7 = 0,2286 m

Частота

f = v/λ = 343/0,2286 = 1501 Hz

Ответ

f7 = 1501 Hz
20.Волны, звук и оптика

Ответ: θa = 28,9 °

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.

Критический угол на оболочке

sin θc = 1,42/1,5 = 0,9467 → θc = 71,2°

Числовая апертура

NA = √(1,5² − 1,42²) = 0,4833

Угол приёма

θa = arcsin(0,4833) = 28,9°

Ответ

θa = 28,9°

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