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)4,63 s27,78

Автомобиль, едущий со скоростью 100 km/h, тормозит с постоянным замедлением 6 m/s² до полной остановки. Найдите тормозной путь s.

v₀ = 100 km/ha = −6 m/s²v = 0
s = m
2.КинематикаСложная
v₀ = 10 m/s40 m

Мяч бросают вертикально вверх со скоростью 10 m/s с края крыши на высоте 40 m над землёй. Сопротивлением воздуха пренебречь, g = 9,81 m/s². Найдите наибольшую высоту hmax над землёй.

v₀ = 10 m/sh₀ = 40 mg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Законы НьютонаСредняя
θ = 40°a = ?m = 12 kg

Брусок массой 12 kg скользит вниз по наклонной плоскости под углом 40° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,3. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a бруска вдоль плоскости.

m = 12 kgθ = 40°μ = 0,3g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
m1​ = 1,5 kg1,5 kgμ = 0,3

Брусок массой 1,5 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 0,3. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T нити.

m1 = 1,5 kgm2 = 1,5 kgμ = 0,3g = 9,81 m/s²
T = N
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
v0​ = 36 m/s45°дальностьH = ?

Мяч бросают под углом 45° к горизонту с ровной поверхности. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите наибольшую высоту H, которой достигает мяч.

v0 = 36 m/sθ = 45°g = 9,81 m/s²
H = m
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
h = 45 mv0​ = 12 m/s45°α = ?

Мяч бросают со скоростью 12 m/s под углом 45° к горизонту с вершины обрыва высотой 45 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Под каким углом α к горизонту (ниже горизонта) он ударяется о землю?

v₀ = 12 m/sθ = 45°h = 45 mg = 9,81 m/s²
α = °
7.Работа и энергияСредняя
0,2 kgk = 400 N/mh = ?

Игрушечная пусковая установка имеет вертикальную пружину жёсткостью 400 N/m. На неё кладут мяч массой 0,2 kg, сжимают пружину на 5 cm и отпускают. Пренебрегая сопротивлением воздуха и массой пружины, найдите высоту h, на которую поднимется мяч, отсчитывая от его положения при сжатой пружине.

m = 0,2 kgk = 400 N/mx = 5 cmg = 9,81 m/s²
h = m
8.Работа и энергияСложная
h = 11,3 mR = 2,5 mv = ?

Тележку массой 2 kg отпускают без начальной скорости на высоте 11,3 m на гладкой трассе, переходящей в вертикальную «мёртвую петлю» радиусом 2,5 m. Найдите скорость v тележки в верхней точке петли.

m = 2 kgh = 11,3 mR = 2,5 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
9.Импульс и столкновенияСредняя
1 kg10 m/s4,5 kg

Тележка массой 1 kg, движущаяся со скоростью 10 m/s, испытывает абсолютно упругий центральный удар с покоящейся тележкой массой 4,5 kg на дорожке без трения. Найдите скорость v′1 первой тележки после столкновения (положительную в направлении её первоначального движения).

m1 = 1 kgm2 = 4,5 kgv1 = 10 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
10.Импульс и столкновенияСложная
16 m/s13 m/s

Мяч массой 0,4 kg ударяется о стену со скоростью 16 m/s и отскакивает прямо назад со скоростью 13 m/s. Контакт длится 40 ms. Найдите среднюю силу Favg, с которой стена действует на мяч.

m = 0,4 kgvin = 16 m/svout = 13 m/sΔt = 40 ms
Favg = N
11.Гидростатическое давлениеСредняя
затворd = 4 mH = 2 m

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

Вертикальный прямоугольный затвор шириной 2 m находится в стенке резервуара с жидкостью (глицерин), его верхний край на 2,5 m ниже поверхности. Найдите глубину ycp центра давления под поверхностью.

d = 2,5 mH = 3 mb = 2 mρ = 1260 kg/m³g = 9,81 m/s²
ycp = m
13.Неразрывность и БернуллиСредняя
d1​ = 100 mmd2​ = 60 mm12p1​ − p2​ = 59 kPaQ = ?

Вода течёт через горизонтальный расходомер Вентури с входным диаметром 100 mm и диаметром горловины 60 mm. Давление на входе на 59 kPa выше, чем в горловине. Пренебрегая потерями, найдите расход Q.

d1 = 100 mmd2 = 60 mmp1 − p2 = 59 kPaρ = 1000 kg/m³
Q = L/s
14.Неразрывность и БернуллиСложная
H = ?d1​ = 100 mmp1​ = 50 kPad2​ = 40 mm

Сопло фонтана направлено вертикально вверх. Непосредственно под соплом подводящая труба имеет диаметр 100 mm и избыточное давление 50 kPa. Выходной диаметр сопла 40 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 = 50 kPa (избыточное)d2 = 40 mmρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
H = m
15.Уравнение состояния идеального газаСредняя
20 g (Ar)P = 400 kPaT = 95 °CV = ?

Какой объём V занимает 20 g газа (Ar) при 400 kPa и 95 °C? Считайте газ идеальным.

m = 20 gM = 39,95 g/molP = 400 kPaT = 95 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
16.Уравнение состояния идеального газаСложная
Состояние 1Состояние 2

Постоянное количество газа (CO₂) переходит от 400 kPa, 10 L, 30 °C к 550 kPa и 220 °C. Найдите новый объём V2.

P1 = 400 kPaV1 = 10 LT1 = 30 °CP2 = 550 kPaT2 = 220 °C
V2 = L
17.Тепловые машины и холодильникиСредняя
TH​ = 20 °CTL​ = -10 °CRQ̇H​ = ?Q̇L​ = 5 kWẆ

Обратимый холодильник поддерживает в холодильной камере -10 °C, отводя 5 kW теплоты, и отдаёт теплоту окружающей среде при 20 °C. Найдите тепловой поток Q̇H, который он отдаёт.

TL = -10 °CTH = 20 °CQ̇L = 5 kW
Q̇H = kW
18.Тепловые машины и холодильникиСложная
TH​ = 750 °CTL​ = 20 °CEQH​ = 3300 kJQL​ = 1419 kJW = 1881 kJ

Тепловая машина за цикл получает 3300 kJ теплоты от резервуара при 750 °C, совершает 1881 kJ работы, а остаток отдаёт резервуару при 20 °C. Найдите суммарную генерацию энтропии Sgen за цикл.

TH = 750 °CTL = 20 °CQH = 3300 kJW = 1881 kJ
Sgen = kJ/K
19.Волны, звук и оптикаСредняя
FFdo​ = 6 cmf = −10 cm

Предмет находится в 6 cm перед тонкой рассеивающей линзой с фокусным расстоянием 10 cm. Найдите расстояние до изображения di. Используйте правило знаков 1/f = 1/do + 1/di (f < 0 для рассеивающей линзы, di < 0 для мнимого изображения).

do = 6 cmf = −10 cm
di = cm
20.Волны, звук и оптикаСложная
Fdo​ = 8 cmR = 20 cm

Предмет находится в 8 cm перед выпуклым зеркалом с радиусом кривизны 20 cm. Найдите расстояние до изображения di: положительное для изображения перед зеркалом (действительного) и отрицательное для изображения за ним (мнимого).

do = 8 cmR = 20 cm
di = cm

3Растворы

1.Кинематика

Ответ: s = 64,3 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 = 100/3,6 = 27,78 m/s

Тормозной путь

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 27,78²/(2·6) = 64,3 m

Ответ

s = 64,3 m
2.Кинематика

Ответ: hmax = 45,1 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.

Подъём над крышей

0 = v₀² − 2·g·Δh → Δh = 10²/(2·9,81) = 5,097 m

Высота над землёй

hmax = 40 + 5,097 = 45,1 m

Ответ

hmax = 45,1 m
3.Законы Ньютона

Ответ: a = 4,051 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.

Силы вдоль плоскости

Вниз по плоскости — положительное направление.

m·a = m·g·sin θ − μ·m·g·cos θ

Ускорение

a = 9,81·(sin 40° − 0,3·cos 40°) = 9,81·(0,6428 − 0,2298) = 4,051 m/s²

Ответ

a = 4,051 m/s²
4.Законы Ньютона

Ответ: T = 9,565 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 − 4,414)/3 = 3,434 m/s²

Натяжение из уравнения для бруска на столе

T − μ·m1·g = m1·a
T = 1,5·3,434 + 4,414 = 9,565 N

Ответ

T = 9,565 N
5.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: H = 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 = 36·cos 45° = 25,46 m/s
vy = v0·sin θ = 36·sin 45° = 25,46 m/s

Высшая точка

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

H = vy²/(2g) = 25,46²/(2·9,81) = 33,03 m

Ответ

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

Ответ: α = 74,65 °

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 = 12·cos 45° = 8,485 m/s
vy0 = 12·sin 45° = 8,485 m/s

Вертикальная скорость при ударе

Закон сохранения энергии или v² = v₀² + 2as по вертикали.

vy = √(8,485² + 2·9,81·45) = 30,9 m/s

Угол падения

tan α = vy/vx = 30,9/8,485 → α = 74,65°

Ответ

α = 74,65°
7.Работа и энергия

Ответ: h = 0,2548 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 = 5 cm = 0,05 m
½kx² = ½·400·0,05² = 0,5 J

Высота

m·g = 0,2·9,81 = 1,962 N
h = ½kx²/(mg) = 0,5/1,962 = 0,2548 m

Ответ

h = 0,2548 m
8.Работа и энергия

Ответ: v = 11,12 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). При движении по окружности равнодействующая, направленная к центру, должна быть равна mv²/r.

Скорость в верхней точке

v² = 2g(h − 2R) = 2·9,81·(11,3 − 5) = 123,6 m²/s²
v = 11,12 m/s

Ответ

v = 11,12 m/s

Тележка едва проходит петлю при h = 2,5R; тогда в верхней точке N = 0.

9.Импульс и столкновения

Ответ: v′1 = −6,364 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 − 4,5)/(1 + 4,5)·10 = −6,364 m/s
v′2 = 2·1/(1 + 4,5)·10 = 3,636 m/s

Ответ

v′1 = −6,364 m/s

Знак минус означает, что первая тележка отскакивает назад.

10.Импульс и столкновения

Ответ: Favg = 290 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 = 0,4·(13 + 16) = 11,6 N·s

Средняя сила

Favg = J/Δt = 11,6/0,04 = 290 N

Ответ

Favg = 290 N
11.Гидростатическое давление

Ответ: F = 196,2 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 = 4 + 2/2 = 5 m
A = H·b = 2·2 = 4 m²
затворd = 4 mH = 2 mF

Равнодействующая сила

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·5·4 = 196,2 kN

Ответ

F = 196,2 kN
12.Гидростатическое давление

Ответ: ycp = 4,188 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 = 2,5 + 3/2 = 4 m
A = H·b = 3·2 = 6 m²
затворd = 2,5 mH = 3 mF

Равнодействующая сила

F = ρ·g·yc·A = 1260·9,81·4·6 = 296,7 kN

Центр давления

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

Ic = b·H³/12 = 2·3³/12 = 4,5 m⁴
ycp = yc + Ic/(yc·A) = 4 + 4,5/(4·6) = 4,188 m

Ответ

ycp = 4,188 m
13.Неразрывность и Бернулли

Ответ: Q = 32,92 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·(60/100)² = 0,36·v2

Уравнение Бернулли между входом и горловиной

Труба горизонтальна, поэтому меняются только давление и скорость.

p1 − p2 = ½ρv2²(1 − β⁴)
v2 = √(2·59000/(1000·(1 − 0,1296))) = 11,64 m/s
v1 = 4,192 m/s

Расход

Q = A2·v2 = 0,002827·11,64 = 0,03292 m³/s = 32,92 L/s

Ответ

Q = 32,92 L/s
14.Неразрывность и Бернулли

Ответ: H = 5,231 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 = 40/100 = 0,4
v2 = √(2p1/(ρ(1 − β⁴))) = √(2·50000/(1000·0,9744)) = 10,13 m/s

Высота струи

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

H = v2²/(2g) = 10,13²/(2·9,81) = 5,231 m

Ответ

H = 5,231 m
15.Уравнение состояния идеального газа

Ответ: V = 3,831 L

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

Моли

n = 20/39,95 = 0,5006 mol
T = 95 + 273,15 = 368,1 K

Объём

V = nRT/P = 0,5006·8,314·368,1/400 = 3,831 L

Ответ

V = 3,831 L
16.Уравнение состояния идеального газа

Ответ: V2 = 11,83 L

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

Абсолютные температуры

T1 = 303,1 K, T2 = 493,1 K

Объединённый газовый закон

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 10·(400/550)·(493,1/303,1) = 11,83 L

Ответ

V2 = 11,83 L
17.Тепловые машины и холодильники

Ответ: Q̇H = 5,57 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 = 20 + 273,15 = 293,1 K
TL = -10 + 273,15 = 263,1 K

Отношение теплот для обратимого цикла

Q̇H = Q̇L·TH/TL = 5·293,1/263,1 = 5,57 kW

Ответ

Q̇H = 5,57 kW

Потребляемая мощность: Ẇ = 0,57 kW.

18.Тепловые машины и холодильники

Ответ: Sgen = 1,615 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 = 3300 − 1881 = 1419 kJ

Абсолютные температуры

TH = 750 + 273,15 = 1023 K
TL = 20 + 273,15 = 293,1 K

Изменения энтропии резервуаров

ΔSH = −3300/1023 = −3,225 kJ/K
ΔSL = 1419/293,1 = 4,841 kJ/K
Sgen = 4,841 − 3,225 = 1,615 kJ/K

Ответ

Sgen = 1,615 kJ/K

Sgen > 0, поэтому машина возможна, но необратима.

19.Волны, звук и оптика

Ответ: di = −3,75 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/(−10) − 1/6
di = −3,75 cm
FF6 cmf = −10 cm

Ход лучей

мнимое, по ту же сторону, что и предмет

Ответ

di = −3,75 cm
20.Волны, звук и оптика

Ответ: di = −4,444 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.

Фокусное расстояние

f = −R/2 = −10 cm

Уравнение зеркала

1/di = 1/f − 1/do = 1/(−10) − 1/8
di = −4,444 cm
F8 cmf = −10 cm

Ход лучей

мнимое изображение за зеркалом

Ответ

di = −4,444 cm

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