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)6,667 s33,33

Автомобиль, едущий со скоростью 120 km/h, тормозит с постоянным замедлением 5 m/s² до полной остановки. Найдите тормозной путь s.

v₀ = 120 km/ha = −5 m/s²v = 0
s = m
2.КинематикаСложная
v₀ = 5 m/s30 m

Мяч бросают вертикально вверх со скоростью 5 m/s с края крыши на высоте 30 m над землёй. Сопротивлением воздуха пренебречь, g = 9,81 m/s². Найдите наибольшую высоту hmax над землёй.

v₀ = 5 m/sh₀ = 30 mg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Законы НьютонаСредняя
θ = 20°20 kgF = ?

Ящик массой 20 kg толкают вверх по наклонной плоскости под углом 20° к горизонту с постоянной скоростью силой, параллельной плоскости. Коэффициент трения скольжения равен 0,1. Примите g = 9,81 m/s². Найдите толкающую силу F.

m = 20 kgθ = 20°μ = 0,1g = 9,81 m/s²
F = N
4.Законы НьютонаСложная
m1​ = 5,5 kg1 kgμ = 0,1

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

m1 = 5,5 kgm2 = 1 kgμ = 0,1g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
v0​ = 18 m/s45°x = ?

Мяч бросают под углом 45° к горизонту с ровной поверхности. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите горизонтальное расстояние x, которое мяч пролетает до удара о землю.

v0 = 18 m/sθ = 45°g = 9,81 m/s²
x = m
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
h = 30 mv0​ = 30 m/s40°x = ?

Мяч бросают под углом 40° к горизонту с вершины скалы высотой 30 m. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите горизонтальное расстояние x, которое мяч пролетает до удара о землю.

v0 = 30 m/sθ = 40°h = 30 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Работа и энергияСредняя
35°d = 19 mμ = 0,25

Брусок массой 10 kg скользит 19 m по наклонной плоскости под углом 35° к горизонту с коэффициентом трения скольжения 0,25. Найдите работу Wf против силы трения.

m = 10 kgθ = 35°μ = 0,25d = 19 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
8.Работа и энергияСложная
k = 2000 N/m20°μ = 0,153 kg

Пружину жёсткостью 2000 N/m у основания наклонной плоскости 20° сжимают на 8 cm бруском массой 3 kg и отпускают. Коэффициент трения скольжения между бруском и плоскостью равен 0,15. Какое расстояние d пройдёт брусок вверх по плоскости от точки отпускания до остановки? (Пренебрегите коротким участком, на котором толкает пружина, т. е. учитывайте трение и силу тяжести на всём расстоянии d.)

m = 3 kgk = 2000 N/mx = 8 cmθ = 20°μ = 0,15g = 9,81 m/s²
d = m
9.Импульс и столкновенияСредняя
2 kgv = ?10 gh = 5 cm

Пуля массой 10 g, выпущенная горизонтально, попадает в деревянный брусок массой 2 kg, подвешенный на лёгких нитях, и застревает в нём. Брусок отклоняется и поднимается на 5 cm выше начального положения. Примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v пули до удара.

m = 10 gM = 2 kgh = 5 cmg = 9,81 m/s²
v = m/s
10.Импульс и столкновенияСложная
1500 kgv1​ = ?1700 kg

Автомобиль массой 1500 kg врезается в припаркованный автомобиль массой 1700 kg. Сцепившиеся автомобили скользят 10,5 m до остановки. Коэффициент трения скольжения между шинами и дорогой равен 0,8. Примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v1 первого автомобиля непосредственно перед столкновением.

m1 = 1500 kgm2 = 1700 kgd = 10,5 mμ = 0,8g = 9,81 m/s²
v1 = m/s
11.Гидростатическое давлениеСредняя
затворd = 2,5 mH = 1,5 m

Вертикальный прямоугольный затвор шириной 3 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 = 1,5 mb = 3 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
12.Гидростатическое давлениеСложная
затворd = 1,5 mH = 2,5 m

Вертикальный прямоугольный затвор шириной 3 m находится в стенке резервуара с жидкостью (морская вода), его верхний край на 1,5 m ниже поверхности. Найдите глубину ycp центра давления под поверхностью.

d = 1,5 mH = 2,5 mb = 3 mρ = 1025 kg/m³g = 9,81 m/s²
ycp = m
13.Неразрывность и БернуллиСредняя
12d1​ = 200 mm, p1​ = ?d2​ = 150 mm, p2​ = 170 kPa

Вода с расходом 24 L/s течёт по горизонтальной трубе, сужающейся с 200 mm до 150 mm. Давление в узком сечении равно 170 kPa. Пренебрегая потерями, найдите давление p1 в широком сечении.

Q = 24 L/sd1 = 200 mmd2 = 150 mmp2 = 170 kPaρ = 1000 kg/m³
p1 = kPa
14.Неразрывность и БернуллиСложная
H = ?d1​ = 100 mmp1​ = 140 kPad2​ = 20 mm

Сопло фонтана направлено вертикально вверх. Непосредственно под соплом подводящая труба имеет диаметр 100 mm и избыточное давление 140 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 = 140 kPa (избыточное)d2 = 20 mmρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
H = m
15.Уравнение состояния идеального газаСредняя
500 g (N₂)P = 750 kPaT = 10 °CV = ?

Какой объём V занимает 500 g газа (N₂) при 750 kPa и 10 °C? Считайте газ идеальным.

m = 500 gM = 28,01 g/molP = 750 kPaT = 10 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
16.Уравнение состояния идеального газаСложная
O₂, M = 32 g/molP = 800 kPaT = 190 °Cρ = ?

Найдите плотность ρ газа (O₂) при 800 kPa и 190 °C, считая его идеальным.

M = 32 g/molP = 800 kPaT = 190 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
17.Тепловые машины и холодильникиСредняя
TH​ = 625 °CTL​ = 10 °CEQH​QL​W

Тепловая машина работает между горячим резервуаром при 625 °C и холодным при 10 °C. Найдите наибольший возможный термический КПД ηmax.

TH = 625 °CTL = 10 °C
ηmax = %
18.Тепловые машины и холодильникиСложная
TH​ = 32 °CTL​ = -18 °CRQ̇H​Q̇L​ = 2 kWẆ = ?

Холодильник поддерживает в холодной камере -18 °C на кухне при 32 °C, отводя из камеры теплоту 2 kW. Найдите минимальную необходимую мощность Ẇmin.

TH = 32 °CTL = -18 °CQ̇L = 2 kW
Ẇmin = kW
19.Волны, звук и оптикаСредняя
Pβ = ?r = 8 m

Малый громкоговоритель излучает звуковую мощность 0,1 W одинаково во все стороны. Найдите уровень интенсивности звука β на расстоянии 8 m.

P = 0,1 Wr = 8 mI0 = 10⁻¹² W/m²
β = dB
20.Волны, звук и оптикаСложная
Fdo​ = 5 cmR = 40 cm

Предмет находится в 5 cm перед выпуклым зеркалом с радиусом кривизны 40 cm. Найдите увеличение m (отрицательное для перевёрнутого изображения).

do = 5 cmR = 40 cm
m =

3Растворы

1.Кинематика

Ответ: s = 111,1 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 = 120/3,6 = 33,33 m/s

Тормозной путь

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 33,33²/(2·5) = 111,1 m

Ответ

s = 111,1 m
2.Кинематика

Ответ: hmax = 31,27 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.

Подъём над крышей

0 = v₀² − 2·g·Δh → Δh = 5²/(2·9,81) = 1,274 m

Высота над землёй

hmax = 30 + 1,274 = 31,27 m

Ответ

hmax = 31,27 m
3.Законы Ньютона

Ответ: F = 85,54 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 плоскости

Постоянная скорость: силы уравновешены.

F = m·g·sin θ + μ·m·g·cos θ

Толкающая сила

F = 67,1 + 18,44 = 85,54 N

Ответ

F = 85,54 N
4.Законы Ньютона

Ответ: a = 0,6792 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) = (9,81 − 5,396)/6,5 = 0,6792 m/s²

Ответ

a = 0,6792 m/s²
5.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: x = 33,03 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 = 18·cos 45° = 12,73 m/s
vy = v0·sin θ = 18·sin 45° = 12,73 m/s

Время полёта

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

t = 2·12,73/9,81 = 2,595 s

Горизонтальное расстояние

x = vx·t = 12,73·2,595 = 33,03 m

Ответ

x = 33,03 m
6.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: x = 117,8 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 40° = 22,98 m/s
vy = v0·sin θ = 30·sin 40° = 19,28 m/s

Время полёта

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

0 = 30 + 19,28·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (19,28 + √(371,9 + 588,6))/9,81 = 5,125 s

Горизонтальное расстояние

x = vx·t = 22,98·5,125 = 117,8 m

Ответ

x = 117,8 m
7.Работа и энергия

Ответ: Wf = 381,7 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 = 98,1·0,8192 = 80,36 N
F = μN = 0,25·80,36 = 20,09 N

Работа против трения

Wf = F·d = 20,09·19 = 381,7 J

Ответ

Wf = 381,7 J
8.Работа и энергия

Ответ: d = 0,4503 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 = 8 cm = 0,08 m
½kx² = ½·2000·0,08² = 6,4 J

Энергетический баланс вдоль плоскости

m·g = 3·9,81 = 29,43 N
½kx² = mg·d·(sin θ + μ·cos θ)
d = 6,4/(29,43·(0,342 + 0,15·0,9397)) = 0,4503 m

Ответ

d = 0,4503 m
9.Импульс и столкновения

Ответ: v = 199,1 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.

Отклонение после удара

V = √(2·g·h) = √(2·9,81·0,05) = 0,9905 m/s

Столкновение

m·v = (m + M)·V → v = (0,01 + 2)·0,9905/0,01 = 199,1 m/s

Ответ

v = 199,1 m/s
10.Импульс и столкновения

Ответ: v1 = 27,39 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) = √(2·0,8·9,81·10,5) = 12,84 m/s

Импульс при столкновении

m1·v1 = (m1 + m2)·V → v1 = 3200·12,84/1500 = 27,39 m/s

Ответ

v1 = 27,39 m/s
(98,59 km/h)
11.Гидростатическое давление

Ответ: F = 143,5 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 + 1,5/2 = 3,25 m
A = H·b = 1,5·3 = 4,5 m²
затворd = 2,5 mH = 1,5 mF

Равнодействующая сила

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·3,25·4,5 = 143,5 kN

Ответ

F = 143,5 kN
12.Гидростатическое давление

Ответ: ycp = 2,939 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 = 1,5 + 2,5/2 = 2,75 m
A = H·b = 2,5·3 = 7,5 m²
затворd = 1,5 mH = 2,5 mF

Равнодействующая сила

F = ρ·g·yc·A = 1025·9,81·2,75·7,5 = 207,4 kN

Центр давления

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

Ic = b·H³/12 = 3·2,5³/12 = 3,906 m⁴
ycp = yc + Ic/(yc·A) = 2,75 + 3,906/(2,75·7,5) = 2,939 m

Ответ

ycp = 2,939 m
13.Неразрывность и Бернулли

Ответ: p1 = 170,6 kPa

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.

Скорости

v1 = Q/A1 = 0,024/0,03142 = 0,7639 m/s
v2 = Q/A2 = 0,024/0,01767 = 1,358 m/s

Бернулли

p1 = p2 + ½ρ(v2² − v1²) = 170 + ½·1000·(1,358² − 0,7639²)/1000 = 170 + 0,6304 = 170,6 kPa

Ответ

p1 = 170,6 kPa
14.Неразрывность и Бернулли

Ответ: H = 14,29 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))) = √(2·140000/(1000·0,9984)) = 16,75 m/s

Высота струи

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

H = v2²/(2g) = 16,75²/(2·9,81) = 14,29 m

Ответ

H = 14,29 m
15.Уравнение состояния идеального газа

Ответ: V = 56,03 L

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

Моли

n = 500/28,01 = 17,85 mol
T = 10 + 273,15 = 283,1 K

Объём

V = nRT/P = 17,85·8,314·283,1/750 = 56,03 L

Ответ

V = 56,03 L
16.Уравнение состояния идеального газа

Ответ: ρ = 6,648 kg/m³

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

Преобразуйте газовый закон

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 190 + 273,15 = 463,1 K

Плотность

ρ = 800·32/(8,314·463,1) = 6,648 kg/m³

Ответ

ρ = 6,648 kg/m³
17.Тепловые машины и холодильники

Ответ: ηmax = 68,47 %

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 = 625 + 273,15 = 898,1 K
TL = 10 + 273,15 = 283,1 K

КПД Карно

ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 283,1/898,1 = 68,47 %

Ответ

ηmax = 68,47 %
18.Тепловые машины и холодильники

Ответ: Ẇmin = 0,3919 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 = 32 + 273,15 = 305,1 K
TL = -18 + 273,15 = 255,1 K

Наилучший возможный COP

COPR,max = TL/(TH − TL) = 255,1/(305,1 − 255,1) = 5,103

Минимальная мощность

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

Ẇmin = Q̇L/COP = 2/5,103 = 0,3919 kW

Ответ

Ẇmin = 0,3919 kW
19.Волны, звук и оптика

Ответ: β = 80,95 dB

Волны: периодическая волна проходит одну длину волны за один период, поэтому v = fλ при T = 1/f. На натянутой струне v = √(T/μ), где T — сила натяжения, а μ = m/L — масса на метр. Звук в воздухе распространяется со скоростью около 343 m/s при 20 °C, свет в вакууме — со скоростью c = 3,00 × 10⁸ m/s. Громкость измеряется в логарифмическом масштабе: β = 10·log₁₀(I/I₀) dB, где I₀ = 10⁻¹² W/m², поэтому десятикратная интенсивность добавляет 10 dB. Точечный источник распределяет мощность P по сфере: I = P/(4πr²).

Интенсивность

I = P/(4πr²) = 0,0001243 W/m²

Уровень

β = 10·log₁₀(0,0001243/10⁻¹²) = 80,95 dB

Ответ

β = 80,95 dB
20.Волны, звук и оптика

Ответ: m = 0,8

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.

Фокусное расстояние

f = −R/2 = −20 cm

Уравнение зеркала

1/di = 1/f − 1/do = 1/(−20) − 1/5
di = −4 cm
F5 cmf = −20 cm

Увеличение

m = −(−4)/5 = 0,8

Ответ

m = 0,8

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