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 s12,5

Водитель, едущий со скоростью 45 km/h, видит препятствие. Время её реакции 0,8 s, после чего автомобиль тормозит с постоянным замедлением 7 m/s². Найдите полный остановочный путь d с момента, когда она увидела препятствие.

v₀ = 45 km/htr = 0,8 sa = −7 m/s²
d = m
2.КинематикаСложная
AB: 16 m/s15 m

Мяч A без начальной скорости падает с высоты 15 m. В тот же момент мяч B бросают вертикально вверх с земли прямо под ним со скоростью 16 m/s. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². На какой высоте y над землёй они встретятся?

H = 15 mv0B = 16 m/sg = 9,81 m/s²
y = m
3.Законы НьютонаСредняя
7 kg5 kg

Грузы массами 7 kg и 5 kg висят по обе стороны лёгкого блока без трения и связаны лёгкой нитью. Систему отпускают из состояния покоя. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T нити.

m1 = 7 kgm2 = 5 kgg = 9,81 m/s²
T = N
4.Законы НьютонаСложная
m1​ = 3,5 kg1,5 kgμ = 0,2

Брусок массой 3,5 kg на горизонтальном столе соединён лёгкой нитью, перекинутой через блок без трения, с подвешенным грузом массой 1,5 kg. Коэффициент трения скольжения между бруском и столом 0,2. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T нити.

m1 = 3,5 kgm2 = 1,5 kgμ = 0,2g = 9,81 m/s²
T = N
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
v0​ = 30 m/s60°дальностьH = ?

Мяч бросают под углом 60° к горизонту с ровной поверхности. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите наибольшую высоту H, которой достигает мяч.

v0 = 30 m/sθ = 60°g = 9,81 m/s²
H = m
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
27 mv0​ = 33 m/s70°x = ?

Мяч бросают с уровня земли со скоростью 33 m/s под углом 70° к горизонту. Он падает на плоскую крышу здания высотой 27 m, уже опускаясь. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите горизонтальное расстояние x от точки броска до места падения.

v₀ = 33 m/sθ = 70°hroof = 27 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Работа и энергияСредняя
54 km/h2°1000 kg

Автомобиль массой 1000 kg въезжает на подъём 2° с постоянной скоростью 54 km/h. Сопротивление воздуха и сопротивление качению вместе составляют 450 N. Найдите мощность P, которую должны развивать колёса, в kW.

m = 1000 kgθ = 2°Fr = 450 Nv = 54 km/hg = 9,81 m/s²
P = kW
8.Работа и энергияСложная
h = 4,5 mL = 1,5 mμ = 0,15k = 4000 N/m

Брусок массой 2 kg отпускают без начальной скорости на высоте 4,5 m на гладкой рампе. Внизу он пересекает шероховатую горизонтальную полосу длиной 1,5 m (μ = 0,15), а затем наезжает на пружину (k = 4000 N/m) на гладкой поверхности. Найдите скорость v бруска, когда он достигает пружины.

m = 2 kgh = 4,5 mL = 1,5 mμ = 0,15k = 4000 N/mg = 9,81 m/s²
v = m/s
9.Импульс и столкновенияСредняя
1,5 kg9 m/s4 kg

Тележка массой 1,5 kg, движущаяся со скоростью 9 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 = 1,5 kgm2 = 4 kgv1 = 9 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
10.Импульс и столкновенияСложная
28 m/s9 m/s

Мяч массой 0,2 kg ударяется о стену со скоростью 28 m/s и отскакивает прямо назад со скоростью 9 m/s. Контакт длится 20 ms. Найдите модуль импульса силы J, который стена сообщает мячу.

m = 0,2 kgvin = 28 m/svout = 9 m/sΔt = 20 ms
J = N·s
11.Гидростатическое давлениеСредняя
затворd = 2 mH = 2 m

Вертикальный прямоугольный затвор шириной 1 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 = 2 mb = 1 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
d1​ = 200 mmd2​ = 150 mm12p1​ − p2​ = 33 kPaQ = ?

Вода течёт через горизонтальный расходомер Вентури с входным диаметром 200 mm и диаметром горловины 150 mm. Давление на входе на 33 kPa выше, чем в горловине. Пренебрегая потерями, найдите расход Q.

d1 = 200 mmd2 = 150 mmp1 − p2 = 33 kPaρ = 1000 kg/m³
Q = L/s
14.Неразрывность и БернуллиСложная
H = ?d1​ = 100 mmp1​ = 130 kPad2​ = 20 mm

Сопло фонтана направлено вертикально вверх. Непосредственно под соплом подводящая труба имеет диаметр 100 mm и избыточное давление 130 kPa. Выходной диаметр сопла 20 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 = 130 kPa (избыточное)d2 = 20 mmρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
H = m
15.Уравнение состояния идеального газаСредняя
20 g (N₂)V = 20 LT = 85 °CP = ?

Резервуар объёмом 20 L содержит 20 g газа (N₂) при 85 °C. Считайте газ идеальным и найдите давление P.

m = 20 gM = 28,01 g/molV = 20 LT = 85 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
16.Уравнение состояния идеального газаСложная
O₂, M = 32 g/molP = 850 kPaT = 20 °Cρ = ?

Найдите плотность ρ газа (O₂) при 850 kPa и 20 °C, считая его идеальным.

M = 32 g/molP = 850 kPaT = 20 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
17.Тепловые машины и холодильникиСредняя
TH​ = 850 °CTL​ = 30 °CEQH​QL​η = 44%

Тепловая машина получает теплоту от источника при 850 °C и отдаёт теплоту окружающей среде при 30 °C. Её действительный термический КПД равен 44%. Найдите её эксергетический КПД (КПД по второму закону) ηII — отношение действительного КПД к КПД Карно.

TH = 850 °CTL = 30 °Cη = 44%
ηII = %
18.Тепловые машины и холодильникиСложная
TH​ = 300 °CTL​ = 30 °CEQH​ = 1000 kJQL​ = 760 kJW = 240 kJ

Тепловая машина за цикл получает 1000 kJ теплоты от резервуара при 300 °C, совершает 240 kJ работы, а остаток отдаёт резервуару при 30 °C. Найдите суммарную генерацию энтропии Sgen за цикл.

TH = 300 °CTL = 30 °CQH = 1000 kJW = 240 kJ
Sgen = kJ/K
19.Волны, звук и оптикаСредняя
FF1 cmdo​ = 4 cmf = 8 cm

Предмет высотой 1 cm находится в 4 cm перед тонкой собирающей линзой с фокусным расстоянием 8 cm. Найдите высоту изображения hi (отрицательную для перевёрнутого изображения).

ho = 1 cmdo = 4 cmf = 8 cm
hi = cm
20.Волны, звук и оптикаСложная
θa​ = ?n1​ = 1,46n2​ = 1,36n0​ = 1,00

У оптического волокна сердцевина с n₁ = 1,46 и оболочка с n₂ = 1,36. 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 = 1,46n2 = 1,36n0 = 1,00
θa = °

3Растворы

1.Кинематика

Ответ: d = 21,16 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 = 45/3,6 = 12,5 m/s

Путь за время реакции

d1 = v₀·tr = 12,5·0,8 = 10 m

Тормозной путь

d2 = v₀²/(2a) = 12,5²/(2·7) = 11,16 m

Итого

d = 10 + 11,16 = 21,16 m

Ответ

d = 21,16 m
2.Кинематика

Ответ: y = 10,69 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.

15 − ½g·t² = 16·t − ½g·t² → t = 15/16 = 0,9375 s

Высота встречи

y = 16·0,9375 − ½·9,81·0,9375² = 10,69 m

Ответ

y = 10,69 m
3.Законы Ньютона

Ответ: T = 57,23 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.

Ускорение

Движущая равнодействующая — это разность весов; она разгоняет полную массу.

a = (7 − 5)·9,81/(7 + 5) = 1,635 m/s²

Натяжение по лёгкому грузу

T − m2·g = m2·a → T = 5·(9,81 + 1,635) = 57,23 N

Ответ

T = 57,23 N
4.Законы Ньютона

Ответ: T = 12,36 N

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) = (14,71 − 6,867)/5 = 1,57 m/s²

Натяжение из уравнения для бруска на столе

T − μ·m1·g = m1·a
T = 3,5·1,57 + 6,867 = 12,36 N

Ответ

T = 12,36 N
5.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: H = 34,4 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

Высшая точка

В верхней точке вертикальная скорость равна нулю: vy² = 2gH.

H = vy²/(2g) = 25,98²/(2·9,81) = 34,4 m

Ответ

H = 34,4 m
6.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: x = 59,59 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.

Разложите начальную скорость

vx = 11,29 m/s, vy = 31,01 m/s

Время до падения на крышу

Больший корень: мяч опускается.

27 = 31,01·t − 4,905·t²
t = (31,01 + √(31,01² − 2·9,81·27))/9,81 = 5,279 s

Горизонтальное расстояние

x = vx·t = 11,29·5,279 = 59,59 m

Ответ

x = 59,59 m
7.Работа и энергия

Ответ: P = 11,89 kW

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). Мощность — это сила, умноженная на скорость: P = F·v.

Сила тяги

m·g = 1000·9,81 = 9810 N
mg·sin θ = 9810·sin 2° = 342,4 N
F = 342,4 + 450 = 792,4 N

Мощность

v = 54/3,6 = 15 m/s
P = F·v = 792,4·15 = 11885 W = 11,89 kW

Ответ

P = 11,89 kW
8.Работа и энергия

Ответ: v = 9,158 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).

Энергия после шероховатой полосы

Рампа гладкая, поэтому энергию забирает только полоса.

mgh − μmgL = 19,62·(4,5 − 0,15·1,5) = 83,88 J

Скорость у пружины

½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9,81·4,275) = 9,158 m/s

Ответ

v = 9,158 m/s
9.Импульс и столкновения

Ответ: v′1 = −4,091 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 = (1,5 − 4)/(1,5 + 4)·9 = −4,091 m/s
v′2 = 2·1,5/(1,5 + 4)·9 = 4,909 m/s

Ответ

v′1 = −4,091 m/s

Знак минус означает, что первая тележка отскакивает назад.

10.Импульс и столкновения

Ответ: J = 7,4 N·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.

Изменение импульса

J = m·Δv = 0,2·(9 + 28) = 7,4 N·s

Ответ

J = 7,4 N·s
11.Гидростатическое давление

Ответ: F = 58,86 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 + 2/2 = 3 m
A = H·b = 2·1 = 2 m²
затворd = 2 mH = 2 mF

Равнодействующая сила

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·3·2 = 58,86 kN

Ответ

F = 58,86 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 = 173,6 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.

Неразрывность

v1 = v2·(150/200)² = 0,5625·v2

Уравнение Бернулли между входом и горловиной

Труба горизонтальна, поэтому меняются только давление и скорость.

p1 − p2 = ½ρv2²(1 − β⁴)
v2 = √(2·33000/(1000·(1 − 0,3164))) = 9,826 m/s
v1 = 5,527 m/s

Расход

Q = A2·v2 = 0,01767·9,826 = 0,1736 m³/s = 173,6 L/s

Ответ

Q = 173,6 L/s
14.Неразрывность и Бернулли

Ответ: H = 13,27 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 = 20/100 = 0,2
v2 = √(2p1/(ρ(1 − β⁴))) = √(2·130000/(1000·0,9984)) = 16,14 m/s

Высота струи

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

H = v2²/(2g) = 16,14²/(2·9,81) = 13,27 m

Ответ

H = 13,27 m
15.Уравнение состояния идеального газа

Ответ: P = 106,3 kPa

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

Моли

n = m/M = 20/28,01 = 0,714 mol
T = 85 + 273,15 = 358,1 K

Давление

P = nRT/V = 0,714·8,314·358,1/0,02 = 106,3 kPa

Ответ

P = 106,3 kPa
16.Уравнение состояния идеального газа

Ответ: ρ = 11,16 kg/m³

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

Преобразуйте газовый закон

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 20 + 273,15 = 293,1 K

Плотность

ρ = 850·32/(8,314·293,1) = 11,16 kg/m³

Ответ

ρ = 11,16 kg/m³
17.Тепловые машины и холодильники

Ответ: ηII = 60,27 %

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 = 850 + 273,15 = 1123 K
TL = 30 + 273,15 = 303,1 K

КПД Карно

ηCarnot = 1 − 303,1/1123 = 73,01 %

КПД по второму закону

ηII = η/ηCarnot = 44/73,01 = 60,27 %

Ответ

ηII = 60,27 %
18.Тепловые машины и холодильники

Ответ: Sgen = 0,7623 kJ/K

Генерация энтропии: за полный цикл энтропия рабочего тела в итоге не меняется. Горячий резервуар теряет QH/TH, а холодный получает QL/TL. Их сумма — это генерируемая энтропия, равная нулю для обратимого цикла и положительная для любого реального.

Отводимая теплота

QL = QH − W = 1000 − 240 = 760 kJ

Абсолютные температуры

TH = 300 + 273,15 = 573,1 K
TL = 30 + 273,15 = 303,1 K

Изменения энтропии резервуаров

ΔSH = −1000/573,1 = −1,745 kJ/K
ΔSL = 760/303,1 = 2,507 kJ/K
Sgen = 2,507 − 1,745 = 0,7623 kJ/K

Ответ

Sgen = 0,7623 kJ/K

Sgen > 0, поэтому машина возможна, но необратима.

19.Волны, звук и оптика

Ответ: hi = 2 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.

Формула тонкой линзы

1/di = 1/f − 1/do = 1/8 − 1/4
di = −8 cm
FF4 cmf = 8 cm

Увеличение и высота

m = −(−8)/4 = 2
hi = 2·1 = 2 cm

Ответ

hi = 2 cm
20.Волны, звук и оптика

Ответ: θa = 32,08 °

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 = 1,36/1,46 = 0,9315 → θc = 68,67°

Числовая апертура

NA = √(1,46² − 1,36²) = 0,531

Угол приёма

θa = arcsin(0,531) = 32,08°

Ответ

θa = 32,08°

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