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)2,222 s10

Автомобиль, едущий со скоростью 36 km/h, тормозит с постоянным замедлением 4,5 m/s² до полной остановки. Найдите тормозной путь s.

v₀ = 36 km/ha = −4,5 m/s²v = 0
s = m
2.КинематикаСложная
a = 40 m/s²

Модель ракеты запускают вертикально вверх из состояния покоя. Двигатель сообщает ей постоянное ускорение 40 m/s², направленное вверх, в течение 2 s, после чего двигатель выключается и ракета движется свободно. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Через сколько времени после старта она упадёт на землю? Найдите t.

a = 40 m/s²t1 = 2 sg = 9,81 m/s²
t = s
3.Законы НьютонаСредняя
ящикv₀ = 10 m/sμ = ?

Ящик скользит по горизонтальному полу с начальной скоростью 10 m/s и останавливается через 34 m. Примите g = 9,81 m/s². Найдите коэффициент трения скольжения μ.

v₀ = 10 m/sd = 34 mg = 9,81 m/s²
μ =
4.Законы НьютонаСложная
m1​ = 2,5 kg4 kgμ = 0,1

Брусок массой 2,5 kg на горизонтальном столе соединён лёгкой нитью, перекинутой через блок без трения, с подвешенным грузом массой 4 kg. Коэффициент трения скольжения между бруском и столом 0,1. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a системы.

m1 = 2,5 kgm2 = 4 kgμ = 0,1g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
v0​ = 14 m/s65°дальностьH = ?

Мяч бросают под углом 65° к горизонту с ровной поверхности. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите наибольшую высоту H, которой достигает мяч.

v0 = 14 m/sθ = 65°g = 9,81 m/s²
H = m
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
h = 15 mv0​ = 22 m/s35°дальность

Мяч бросают под углом 35° к горизонту с вершины скалы высотой 15 m. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите время полёта t до удара мяча о землю.

v0 = 22 m/sθ = 35°h = 15 mg = 9,81 m/s²
t = s
7.Работа и энергияСредняя
0,05 kgk = 1500 N/mh = ?

Игрушечная пусковая установка имеет вертикальную пружину жёсткостью 1500 N/m. На неё кладут мяч массой 0,05 kg, сжимают пружину на 6 cm и отпускают. Пренебрегая сопротивлением воздуха и массой пружины, найдите высоту h, на которую поднимется мяч, отсчитывая от его положения при сжатой пружине.

m = 0,05 kgk = 1500 N/mx = 6 cmg = 9,81 m/s²
h = m
8.Работа и энергияСложная
F = 140 N35°μ = 0,1510 kg

Брусок массой 10 kg начинает движение из состояния покоя у основания наклонной плоскости 35° и тянется вверх по ней постоянной силой 140 N, параллельной плоскости. Коэффициент трения скольжения равен 0,15. Найдите скорость v бруска после того, как он переместится на 3 m вверх по плоскости.

m = 10 kgF = 140 Nθ = 35°μ = 0,15d = 3 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
9.Импульс и столкновенияСредняя
2 kg11 m/s3,5 kg

Тележка массой 2 kg, движущаяся со скоростью 11 m/s, испытывает абсолютно упругий центральный удар с покоящейся тележкой массой 3,5 kg на дорожке без трения. Найдите скорость v′1 первой тележки после столкновения (положительную в направлении её первоначального движения).

m1 = 2 kgm2 = 3,5 kgv1 = 11 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
10.Импульс и столкновенияСложная
13 m/s4 m/s

Мяч массой 0,35 kg ударяется о стену со скоростью 13 m/s и отскакивает прямо назад со скоростью 4 m/s. Контакт длится 20 ms. Найдите среднюю силу Favg, с которой стена действует на мяч.

m = 0,35 kgvin = 13 m/svout = 4 m/sΔt = 20 ms
Favg = N
11.Гидростатическое давлениеСредняя
затворd = 0,5 mH = 3 m

Вертикальный прямоугольный затвор шириной 3 m находится в стенке резервуара с жидкостью (вода), его верхний край на 0,5 m ниже поверхности. Найдите равнодействующую силу гидростатического давления F на затвор.

d = 0,5 mH = 3 mb = 3 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
12.Гидростатическое давлениеСложная
затворd = 2 mH = 2,5 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 = 2,5 mb = 3 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
13.Неразрывность и БернуллиСредняя
12d1​ = 75 mm, p1​ = 280 kPad2​ = 25 mm, p2​ = ?

Вода течёт по горизонтальной трубе, которая сужается с 75 mm до 25 mm. В широкой части давление 280 kPa, а скорость 0,75 m/s. Пренебрегая потерями, найдите давление p2 в узкой части.

d1 = 75 mmd2 = 25 mmp1 = 280 kPav1 = 0,75 m/sρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
14.Неразрывность и БернуллиСложная
12d1​ = 75 mm, p1​ = 390 kPad2​ = 50 mm, p2​ = ?Δz = 5 m

Вода поднимается по трубе, которая сужается с 75 mm до 50 mm и поднимается на 5 m. В сечении 1 давление 390 kPa, а скорость 1,5 m/s. Пренебрегая потерями, найдите давление p2 в сечении 2.

d1 = 75 mmd2 = 50 mmp1 = 390 kPav1 = 1,5 m/sΔz = 5 mρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
15.Уравнение состояния идеального газаСредняя
140 g (CH₄)V = 5 LT = 85 °CP = ?

Резервуар объёмом 5 L содержит 140 g газа (CH₄) при 85 °C. Считайте газ идеальным и найдите давление P.

m = 140 gM = 16,04 g/molV = 5 LT = 85 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
16.Уравнение состояния идеального газаСложная
Состояние 1Состояние 2

Постоянное количество газа (CO₂) переходит от 150 kPa, 10 L, 40 °C к 100 kPa и 160 °C. Найдите новый объём V2.

P1 = 150 kPaV1 = 10 LT1 = 40 °CP2 = 100 kPaT2 = 160 °C
V2 = L
17.Тепловые машины и холодильникиСредняя
TH​ = 725 °CTL​ = 30 °CEQH​ = 2200 kJQL​W = ?

Тепловая машина работает между горячим резервуаром при 725 °C и холодным при 30 °C. Она получает 2200 kJ теплоты. Найдите наибольшую работу Wmax, которую она могла бы совершить.

TH = 725 °CTL = 30 °CQH = 2200 kJ
Wmax = kJ
18.Тепловые машины и холодильникиСложная
TH​ = 35 °CTL​ = -20 °CRQ̇H​Q̇L​ = 4 kWẆ

Холодильник поддерживает в холодной камере -20 °C на кухне при 35 °C, отводя из камеры теплоту 4 kW. Найдите наибольший возможный холодильный коэффициент COPmax.

TH = 35 °CTL = -20 °CQ̇L = 4 kW
COPmax =
19.Волны, звук и оптикаСредняя
L = 0,8 mn = 5

Труба, закрытая с одного конца имеет длину 0,8 m. Скорость звука равна 343 m/s. Найдите частоту f5 для режима: гармоника номер 5.

v = 343 m/sn = 5L = 0,8 m
f5 = Hz
20.Волны, звук и оптикаСложная
λ = ?19,3°

Решётка с 300 штрихами на миллиметр даёт максимум порядка 2 для спектральной линии под углом 19,3° к направлению прямого прохождения. Найдите длину волны λ линии.

N = 300 mm⁻¹θ2 = 19,3°m = 2
λ = nm

3Растворы

1.Кинематика

Ответ: s = 11,11 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.

Единицы

v₀ = 36/3,6 = 10 m/s

Тормозной путь

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 10²/(2·4,5) = 11,11 m

Ответ

s = 11,11 m
2.Кинематика

Ответ: t = 19,26 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.

Активный участок

v₁ = 40·2 = 80 m/s
h₁ = ½·40·2² = 80 m

Свободный полёт до земли

Решите −h₁ = v₁·t₂ − ½·g·t₂² и возьмите положительный корень.

t₂ = (80 + √(80² + 2·9,81·80))/9,81 = 17,26 s
t = 2 + 17,26 = 19,26 s

Ответ

t = 19,26 s
3.Законы Ньютона

Ответ: μ = 0,1499

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) = 10²/(2·34) = 1,471 m/s²

Коэффициент трения

μ·m·g = m·a → μ = a/g = 1,471/9,81 = 0,1499

Ответ

μ = 0,1499
4.Законы Ньютона

Ответ: a = 5,66 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.

Ускорение системы

a = (m2·g − μ·m1·g)/(m1 + m2) = (39,24 − 2,453)/6,5 = 5,66 m/s²

Ответ

a = 5,66 m/s²
5.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: H = 8,206 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 = 14·cos 65° = 5,917 m/s
vy = v0·sin θ = 14·sin 65° = 12,69 m/s

Высшая точка

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

H = vy²/(2g) = 12,69²/(2·9,81) = 8,206 m

Ответ

H = 8,206 m
6.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: t = 3,457 s

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 = 22·cos 35° = 18,02 m/s
vy = v0·sin θ = 22·sin 35° = 12,62 m/s

Время полёта

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

0 = 15 + 12,62·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (12,62 + √(159,2 + 294,3))/9,81 = 3,457 s

Ответ

t = 3,457 s
7.Работа и энергия

Ответ: h = 5,505 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 = 6 cm = 0,06 m
½kx² = ½·1500·0,06² = 2,7 J

Высота

m·g = 0,05·9,81 = 0,4905 N
h = ½kx²/(mg) = 2,7/0,4905 = 5,505 m

Ответ

h = 5,505 m
8.Работа и энергия

Ответ: v = 6,558 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).

Силы вдоль плоскости

m·g = 10·9,81 = 98,1 N
mg·sin θ = 56,27 N
μ·mg·cos θ = 12,05 N

Работа и энергия

½mv² = (140 − 68,32)·3 = 215 J
v = √(2·215/10) = 6,558 m/s

Ответ

v = 6,558 m/s
9.Импульс и столкновения

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

Ответ

v′1 = −3 m/s

Знак минус означает, что первая тележка отскакивает назад.

10.Импульс и столкновения

Ответ: Favg = 297,5 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 = 0,35·(4 + 13) = 5,95 N·s

Средняя сила

Favg = J/Δt = 5,95/0,02 = 297,5 N

Ответ

Favg = 297,5 N
11.Гидростатическое давление

Ответ: F = 176,6 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 = 0,5 + 3/2 = 2 m
A = H·b = 3·3 = 9 m²
затворd = 0,5 mH = 3 mF

Равнодействующая сила

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·2·9 = 176,6 kN

Ответ

F = 176,6 kN
12.Гидростатическое давление

Ответ: F = 239,1 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 + 2,5/2 = 3,25 m
A = H·b = 2,5·3 = 7,5 m²
затворd = 2 mH = 2,5 mF

Равнодействующая сила

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·3,25·7,5 = 239,1 kN

Ответ

F = 239,1 kN
13.Неразрывность и Бернулли

Ответ: p2 = 257,5 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 = 0,75·(75/25)² = 6,75 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(0,75² − 6,75²)/1000 = −22,5 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) = 280 + (−22,5) = 257,5 kPa

Ответ

p2 = 257,5 kPa
14.Неразрывность и Бернулли

Ответ: p2 = 336,4 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 = 1,5·(75/50)² = 3,375 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(1,5² − 3,375²)/1000 = −4,57 kPa
ρgΔz = 1000·9,81·5/1000 = 49,05 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) − ρgΔz = 390 + (−4,57) − 49,05 = 336,4 kPa

Ответ

p2 = 336,4 kPa
15.Уравнение состояния идеального газа

Ответ: P = 5198 kPa

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

Моли

n = m/M = 140/16,04 = 8,728 mol
T = 85 + 273,15 = 358,1 K

Давление

P = nRT/V = 8,728·8,314·358,1/0,005 = 5198 kPa

Ответ

P = 5198 kPa
16.Уравнение состояния идеального газа

Ответ: V2 = 20,75 L

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

Абсолютные температуры

T1 = 313,1 K, T2 = 433,1 K

Объединённый газовый закон

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 10·(150/100)·(433,1/313,1) = 20,75 L

Ответ

V2 = 20,75 L
17.Тепловые машины и холодильники

Ответ: Wmax = 1532 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 = 725 + 273,15 = 998,1 K
TL = 30 + 273,15 = 303,1 K

КПД Карно

ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 303,1/998,1 = 69,63 %

Наибольшая работа

Wmax = ηmax·QH = 0,6963·2200 = 1532 kJ

Ответ

Wmax = 1532 kJ
18.Тепловые машины и холодильники

Ответ: COPmax = 4,603

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 = -20 + 273,15 = 253,1 K

Наилучший возможный COP

COPR,max = TL/(TH − TL) = 253,1/(308,1 − 253,1) = 4,603

Ответ

COPmax = 4,603
19.Волны, звук и оптика

Ответ: f5 = 535,9 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 = 4·0,8/5 = 0,64 m

Частота

f = v/λ = 343/0,64 = 535,9 Hz

Ответ

f5 = 535,9 Hz
20.Волны, звук и оптика

Ответ: λ = 550,9 nm

Интерференция и дифракция: свет от двух щелей на расстоянии d друг от друга приходит в точку на экране с разностью хода d·sin θ. Светлые полосы появляются там, где d·sin θ = mλ (m = 0, ±1, ±2, …). Для экрана на расстоянии L ≫ d m-я светлая полоса находится при y = mλL/d, а расстояние между полосами равно Δy = λL/d. У решётки с N штрихами на миллиметр d = 1/N, а резкие максимумы находятся при d·sin θ = mλ; так как sin θ ≤ 1, наивысший порядок — наибольшее целое число m ≤ d/λ. У одной щели шириной a тёмные полосы находятся при a·sin θ = mλ, m = ±1, ±2, …

Длина волны

λ = d·sin θ/m = 3,333 × 10⁻⁶·sin 19,3°/2 = 550,9 nm

Ответ

λ = 550,9 nm

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