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
полицияa = 5,5 m/s²автомобиль21 m/s

Автомобиль, превышающий скорость, движется с постоянной скоростью 21 m/s и проезжает мимо стоящего полицейского автомобиля. В этот момент полицейский автомобиль трогается и равноускоренно разгоняется с ускорением 5,5 m/s². Через сколько времени полицейский автомобиль догонит нарушителя? Найдите t.

vcar = 21 m/sapolice = 5,5 m/s²v0,police = 0
t = s
2.КинематикаСложная
t (s)v (m/s)9 s

Трамвай трогается с места и разгоняется с ускорением 1,5 m/s² в течение 9 s, затем движется с постоянной скоростью 12 s и, наконец, тормозит с замедлением 3 m/s² до остановки. Найдите полный путь s между двумя остановками.

a1 = 1,5 m/s²t1 = 9 st2 = 12 sa3 = −3 m/s²
s = m
3.Законы НьютонаСредняя
θ = 40°a = ?m = 17 kg

Брусок массой 17 kg скользит вниз по гладкой наклонной плоскости под углом 40° к горизонту. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a бруска вдоль плоскости.

m = 17 kgθ = 40°μ = 0g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
m1​ = 5,5 kg4,5 kgбез трения

Брусок массой 5,5 kg на горизонтальном столе соединён лёгкой нитью, перекинутой через блок без трения, с подвешенным грузом массой 4,5 kg. Трения о стол нет. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T нити.

m1 = 5,5 kgm2 = 4,5 kgμ = 0g = 9,81 m/s²
T = N
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
v0​ = 38 m/s65°дальность

Мяч бросают под углом 65° к горизонту с ровной поверхности. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите время полёта t до удара мяча о землю.

v0 = 38 m/sθ = 65°g = 9,81 m/s²
t = s
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
h = 20 mv0​ = 11 m/s45°дальность

Мяч бросают под углом 45° к горизонту с вершины скалы высотой 20 m. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите время полёта t до удара мяча о землю.

v0 = 11 m/sθ = 45°h = 20 mg = 9,81 m/s²
t = s
7.Работа и энергияСредняя
20°d = 13 mμ = 0,2

Брусок без начальной скорости скользит по наклонной плоскости под углом 20° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,2. Найдите его скорость v после того, как он проскользит 13 m вдоль плоскости.

θ = 20°μ = 0,2d = 13 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
8.Работа и энергияСложная
2 kg4 kgμ = 0,4d = 0,5 m

Брусок массой 2 kg лежит на шероховатом горизонтальном столе (μ = 0,4). От него лёгкая нить идёт через гладкий блок на краю стола к висящему грузу массой 4 kg. Систему отпускают из состояния покоя. Найдите скорость v грузов после того, как висящий груз опустится на 0,5 m.

m1 = 2 kgm2 = 4 kgμ = 0,4d = 0,5 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
9.Импульс и столкновенияСредняя
1 kg8 m/s4,5 kg

Тележка массой 1 kg, движущаяся со скоростью 8 m/s, испытывает абсолютно упругий центральный удар с покоящейся тележкой массой 4,5 kg на дорожке без трения. Найдите скорость v′2 второй тележки после столкновения.

m1 = 1 kgm2 = 4,5 kgv1 = 8 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
10.Импульс и столкновенияСложная
1200 kgv1​ = ?1100 kg

Автомобиль массой 1200 kg врезается в припаркованный автомобиль массой 1100 kg. Сцепившиеся автомобили скользят 16 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 = 1200 kgm2 = 1100 kgd = 16 mμ = 0,8g = 9,81 m/s²
v1 = m/s
11.Гидростатическое давлениеСредняя
затворd = 4 mH = 1 m

Вертикальный прямоугольный затвор шириной 1 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 = 1 mb = 1 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
12.Гидростатическое давлениеСложная
затворd = 4 mH = 3 m

Вертикальный прямоугольный затвор шириной 3 m находится в стенке резервуара с жидкостью (глицерин), его верхний край на 4 m ниже поверхности. Найдите равнодействующую силу гидростатического давления F на затвор.

d = 4 mH = 3 mb = 3 mρ = 1260 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
13.Неразрывность и БернуллиСредняя
12d1​ = 75 mm, p1​ = 130 kPad2​ = 40 mm, p2​ = ?

Вода течёт по горизонтальной трубе, которая сужается с 75 mm до 40 mm. В широкой части давление 130 kPa, а скорость 2 m/s. Пренебрегая потерями, найдите давление p2 в узкой части.

d1 = 75 mmd2 = 40 mmp1 = 130 kPav1 = 2 m/sρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
14.Неразрывность и БернуллиСложная
12d1​ = 75 mm, p1​ = 340 kPad2​ = 40 mm, p2​ = ?Δz = 2 m

Вода поднимается по трубе, которая сужается с 75 mm до 40 mm и поднимается на 2 m. В сечении 1 давление 340 kPa, а скорость 0,5 m/s. Пренебрегая потерями, найдите давление p2 в сечении 2.

d1 = 75 mmd2 = 40 mmp1 = 340 kPav1 = 0,5 m/sΔz = 2 mρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
15.Уравнение состояния идеального газаСредняя
190 g (CO₂)V = 5 LT = 70 °CP = ?

Резервуар объёмом 5 L содержит 190 g газа (CO₂) при 70 °C. Считайте газ идеальным и найдите давление P.

m = 190 gM = 44,01 g/molV = 5 LT = 70 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
16.Уравнение состояния идеального газаСложная
Состояние 1Состояние 2

Постоянное количество газа (Ar) переходит от 350 kPa, 2 L, 20 °C к 100 kPa и 70 °C. Найдите новый объём V2.

P1 = 350 kPaV1 = 2 LT1 = 20 °CP2 = 100 kPaT2 = 70 °C
V2 = L
17.Тепловые машины и холодильникиСредняя
TH​ = 800 °CTL​ = 30 °CEQH​QL​W

Тепловая машина работает между горячим резервуаром при 800 °C и холодным при 30 °C. Найдите наибольший возможный термический КПД ηmax.

TH = 800 °CTL = 30 °C
ηmax = %
18.Тепловые машины и холодильникиСложная
850 °CTm​ = ?25 °CABWA​WB​

Две машины Карно работают последовательно. Машина A получает теплоту от резервуара при 850 °C и отдаёт теплоту промежуточному резервуару при температуре Tm. Машина B забирает всю эту теплоту и отдаёт теплоту резервуару при 25 °C. Обе машины имеют одинаковый термический КПД. Найдите Tm в °C.

TH = 850 °CTL = 25 °C
Tm = °C
19.Волны, звук и оптикаСредняя
FF3 cmdo​ = 8 cmf = −10 cm

Предмет высотой 3 cm находится в 8 cm перед тонкой рассеивающей линзой с фокусным расстоянием 10 cm. Найдите высоту изображения hi (отрицательную для перевёрнутого изображения).

ho = 3 cmdo = 8 cmf = −10 cm
hi = cm
20.Волны, звук и оптикаСложная
Fdo​ = 15 cmR = 40 cm

Предмет находится в 15 cm перед вогнутым зеркалом с радиусом кривизны 40 cm. Найдите расстояние до изображения di: положительное для изображения перед зеркалом (действительного) и отрицательное для изображения за ним (мнимого).

do = 15 cmR = 40 cm
di = cm

3Растворы

1.Кинематика

Ответ: t = 7,636 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.

Равные пути

v·t = ½·a·t² → t = 2v/a = 2·21/5,5 = 7,636 s

Ответ

t = 7,636 s

В этот момент полицейский автомобиль движется со скоростью 2v = 42 m/s.

2.Кинематика

Ответ: s = 253,1 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.

Наибольшая скорость

v = a1·t1 = 1,5·9 = 13,5 m/s

Путь на каждом этапе

s1 = ½·1,5·9² = 60,75 m
s2 = 13,5·12 = 162 m
s3 = 13,5²/(2·3) = 30,38 m

Полный путь

s = 60,75 + 162 + 30,38 = 253,1 m

Ответ

s = 253,1 m
3.Законы Ньютона

Ответ: a = 6,306 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·cos 40°) = 9,81·(0,6428 − 0) = 6,306 m/s²

Ответ

a = 6,306 m/s²
4.Законы Ньютона

Ответ: T = 24,28 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) = (44,15 − 0)/10 = 4,415 m/s²

Натяжение из уравнения для бруска на столе

T − μ·m1·g = m1·a
T = 5,5·4,415 + 0 = 24,28 N

Ответ

T = 24,28 N
5.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: t = 7,021 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 = 38·cos 65° = 16,06 m/s
vy = v0·sin θ = 38·sin 65° = 34,44 m/s

Время полёта

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

t = 2·34,44/9,81 = 7,021 s

Ответ

t = 7,021 s
6.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: t = 2,962 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 = 11·cos 45° = 7,778 m/s
vy = v0·sin θ = 11·sin 45° = 7,778 m/s

Время полёта

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

0 = 20 + 7,778·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (7,778 + √(60,5 + 392,4))/9,81 = 2,962 s

Ответ

t = 2,962 s
7.Работа и энергия

Ответ: v = 6,269 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 = √(2·9,81·13·(0,342 − 0,2·0,9397)) = 6,269 m/s

Ответ

v = 6,269 m/s
8.Работа и энергия

Ответ: v = 2,287 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).

Выделившаяся и потерянная энергия

m₂g·d = 39,24·0,5 = 19,62 J
μ·m₁g·d = 0,4·19,62·0,5 = 3,924 J

Кинетическая энергия обоих грузов

½(m₁ + m₂)v² = 15,7 → v = √(2·15,7/6) = 2,287 m/s

Ответ

v = 2,287 m/s
9.Импульс и столкновения

Ответ: v′2 = 2,909 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)·8 = −5,091 m/s
v′2 = 2·1/(1 + 4,5)·8 = 2,909 m/s

Ответ

v′2 = 2,909 m/s
10.Импульс и столкновения

Ответ: v1 = 30,37 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) = √(2·0,8·9,81·16) = 15,85 m/s

Импульс при столкновении

m1·v1 = (m1 + m2)·V → v1 = 2300·15,85/1200 = 30,37 m/s

Ответ

v1 = 30,37 m/s
(109,3 km/h)
11.Гидростатическое давление

Ответ: F = 44,15 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 + 1/2 = 4,5 m
A = H·b = 1·1 = 1 m²
затворd = 4 mH = 1 mF

Равнодействующая сила

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·4,5·1 = 44,15 kN

Ответ

F = 44,15 kN
12.Гидростатическое давление

Ответ: F = 611,8 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 = 3·3 = 9 m²
затворd = 4 mH = 3 mF

Равнодействующая сила

F = ρ·g·yc·A = 1260·9,81·5,5·9 = 611,8 kN

Ответ

F = 611,8 kN
13.Неразрывность и Бернулли

Ответ: p2 = 107,3 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 = 2·(75/40)² = 7,031 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(2² − 7,031²)/1000 = −22,72 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) = 130 + (−22,72) = 107,3 kPa

Ответ

p2 = 107,3 kPa
14.Неразрывность и Бернулли

Ответ: p2 = 319 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 = 0,5·(75/40)² = 1,758 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(0,5² − 1,758²)/1000 = −1,42 kPa
ρgΔz = 1000·9,81·2/1000 = 19,62 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) − ρgΔz = 340 + (−1,42) − 19,62 = 319 kPa

Ответ

p2 = 319 kPa
15.Уравнение состояния идеального газа

Ответ: P = 2463 kPa

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

Моли

n = m/M = 190/44,01 = 4,317 mol
T = 70 + 273,15 = 343,1 K

Давление

P = nRT/V = 4,317·8,314·343,1/0,005 = 2463 kPa

Ответ

P = 2463 kPa
16.Уравнение состояния идеального газа

Ответ: V2 = 8,194 L

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

Абсолютные температуры

T1 = 293,1 K, T2 = 343,1 K

Объединённый газовый закон

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 2·(350/100)·(343,1/293,1) = 8,194 L

Ответ

V2 = 8,194 L
17.Тепловые машины и холодильники

Ответ: ηmax = 71,75 %

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 = 800 + 273,15 = 1073 K
TL = 30 + 273,15 = 303,1 K

КПД Карно

ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 303,1/1073 = 71,75 %

Ответ

ηmax = 71,75 %
18.Тепловые машины и холодильники

Ответ: Tm = 305,5 °C

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 = 25 + 273,15 = 298,1 K

Равные КПД

1 − Tm/TH = 1 − TL/Tm даёт Tm² = TH·TL.

Tm = √(1123·298,1) = 578,7 K = 305,5 °C

Ответ

Tm = 305,5 °C
19.Волны, звук и оптика

Ответ: hi = 1,667 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) − 1/8
di = −4,444 cm
FF8 cmf = −10 cm

Увеличение и высота

m = −(−4,444)/8 = 0,5556
hi = 0,5556·3 = 1,667 cm

Ответ

hi = 1,667 cm
20.Волны, звук и оптика

Ответ: di = −60 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 = 20 cm

Уравнение зеркала

1/di = 1/f − 1/do = 1/20 − 1/15
di = −60 cm
F15 cmf = 20 cm

Ход лучей

мнимое изображение за зеркалом

Ответ

di = −60 cm

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