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)t = ?30

Автомобиль, едущий со скоростью 108 km/h, тормозит с постоянным замедлением 6,5 m/s² до полной остановки. Сколько длится торможение? Найдите t.

v₀ = 108 km/ha = −6,5 m/s²v = 0
t = s
2.КинематикаСложная
v₀ = 9 m/s20 m

Мяч бросают вертикально вверх со скоростью 9 m/s с края крыши на высоте 20 m над землёй. Сопротивлением воздуха пренебречь, g = 9,81 m/s². Найдите наибольшую высоту hmax над землёй.

v₀ = 9 m/sh₀ = 20 mg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Законы НьютонаСредняя
θ = 25°a = ?m = 7 kg

Брусок массой 7 kg скользит вниз по наклонной плоскости под углом 25° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,3. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a бруска вдоль плоскости.

m = 7 kgθ = 25°μ = 0,3g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
θ = 15°брусокv₀ = 9 m/s

Бруску сообщают толчок, и он начинает скользить вверх по наклонной плоскости под углом 15° со скоростью 9 m/s. Коэффициент трения скольжения равен 0,25. Примите g = 9,81 m/s². Какое расстояние d вдоль плоскости он проскользит до остановки?

v₀ = 9 m/sθ = 15°μ = 0,25g = 9,81 m/s²
d = m
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
v0​ = 38 m/s25°x = ?

Мяч бросают под углом 25° к горизонту с ровной поверхности. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите горизонтальное расстояние x, которое мяч пролетает до удара о землю.

v0 = 38 m/sθ = 25°g = 9,81 m/s²
x = m
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
h = 25 mv0​ = 19 m/s15°дальность

Мяч бросают под углом 15° к горизонту с вершины скалы высотой 25 m. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите время полёта t до удара мяча о землю.

v0 = 19 m/sθ = 15°h = 25 mg = 9,81 m/s²
t = s
7.Работа и энергияСредняя
70 km/h

Автомобиль, движущийся со скоростью 70 km/h по горизонтальной дороге, резко тормозит и с заблокированными колёсами скользит до остановки. Коэффициент трения скольжения между шинами и дорогой равен 0,6. Найдите тормозной путь d.

v = 70 km/hμ = 0,6g = 9,81 m/s²
d = m
8.Работа и энергияСложная
h = 4,5 mL = 5 mμ = 0,25k = 5000 N/m

Брусок массой 1 kg отпускают без начальной скорости на высоте 4,5 m на гладкой рампе. Внизу он пересекает шероховатую горизонтальную полосу длиной 5 m (μ = 0,25), а затем наезжает на пружину (k = 5000 N/m) на гладкой поверхности. Найдите наибольшее сжатие x пружины.

m = 1 kgh = 4,5 mL = 5 mμ = 0,25k = 5000 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
9.Импульс и столкновенияСредняя
500 kg19 m/s1100 kg

Автомобиль массой 500 kg, движущийся со скоростью 19 m/s, налетает на стоящий автомобиль массой 1100 kg, и они сцепляются. Какой процент ΔK/K исходной кинетической энергии теряется?

m1 = 500 kgv1 = 19 m/sm2 = 1100 kgv2 = 0
ΔK/K = %
10.Импульс и столкновенияСложная
2,5 kgv = ?12 g30°L = 1,1 m

Пуля массой 12 g, выпущенная горизонтально, попадает в брусок массой 2,5 kg, подвешенный на лёгких нитях длиной 1,1 m, и застревает в нём. Нити отклоняются на наибольший угол 30° от вертикали. Примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v пули до удара.

m = 12 gM = 2,5 kgL = 1,1 mθ = 30°g = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Гидростатическое давлениеСредняя
затворd = 3 mH = 2 m

Вертикальный прямоугольный затвор шириной 2 m находится в стенке резервуара с жидкостью (вода), его верхний край на 3 m ниже поверхности. Найдите равнодействующую силу гидростатического давления F на затвор.

d = 3 mH = 2 mb = 2 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 глубину ycp центра давления под поверхностью.

d = 4 mH = 3 mb = 2 mρ = 880 kg/m³g = 9,81 m/s²
ycp = m
13.Неразрывность и БернуллиСредняя
v = ?p0​pp0​ − p = 750 Paточка торможения

Трубка Пито — Прандтля в аэродинамической трубе показывает разность 750 Pa между давлением торможения и статическим давлением. Плотность воздуха 1,2 kg/m³. Найдите скорость воздуха v.

p0 − p = 750 Paρ = 1,2 kg/m³
v = m/s
14.Неразрывность и БернуллиСложная
12d1​ = 150 mm, p1​ = 120 kPad2​ = 100 mm, p2​ = ?Δz = 6 m

Вода поднимается по трубе, которая сужается с 150 mm до 100 mm и поднимается на 6 m. В сечении 1 давление 120 kPa, а скорость 1,25 m/s. Пренебрегая потерями, найдите давление p2 в сечении 2.

d1 = 150 mmd2 = 100 mmp1 = 120 kPav1 = 1,25 m/sΔz = 6 mρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
15.Уравнение состояния идеального газаСредняя
150 g (CO₂)V = 30 LT = 75 °CP = ?

Резервуар объёмом 30 L содержит 150 g газа (CO₂) при 75 °C. Считайте газ идеальным и найдите давление P.

m = 150 gM = 44,01 g/molV = 30 LT = 75 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
16.Уравнение состояния идеального газаСложная
Состояние 1Состояние 2

Постоянное количество газа (CO₂) переходит от 250 kPa, 5 L, 10 °C к 400 kPa и 200 °C. Найдите новый объём V2.

P1 = 250 kPaV1 = 5 LT1 = 10 °CP2 = 400 kPaT2 = 200 °C
V2 = L
17.Тепловые машины и холодильникиСредняя
TH​ = 300 °CTL​ = 30 °CEQH​QL​η = 19%

Тепловая машина получает теплоту от источника при 300 °C и отдаёт теплоту окружающей среде при 30 °C. Её действительный термический КПД равен 19%. Найдите её эксергетический КПД (КПД по второму закону) ηII — отношение действительного КПД к КПД Карно.

TH = 300 °CTL = 30 °Cη = 19%
ηII = %
18.Тепловые машины и холодильникиСложная
TH​ = 550 °CT0​ = 27 °CTL​ = -30 °CERWQ̇H​ = 160 kWQ̇L​ = ?

Тепловая машина Карно получает 160 kW теплоты от источника при 550 °C и отдаёт теплоту окружающей среде при 27 °C. Вся её работа приводит холодильную машину Карно, которая отводит теплоту из морозильной камеры при -30 °C и тоже отдаёт теплоту окружающей среде при 27 °C. Найдите тепловой поток Q̇L, отводимый из морозильной камеры.

TH = 550 °CT0 = 27 °CTL = -30 °CQ̇H = 160 kW
Q̇L = kW
19.Волны, звук и оптикаСредняя
FF1 cmdo​ = 8 cmf = 15 cm

Предмет высотой 1 cm находится в 8 cm перед тонкой собирающей линзой с фокусным расстоянием 15 cm. Найдите высоту изображения hi (отрицательную для перевёрнутого изображения).

ho = 1 cmdo = 8 cmf = 15 cm
hi = cm
20.Волны, звук и оптикаСложная
Fdo​ = 30 cmR = 60 cm

Предмет находится в 30 cm перед выпуклым зеркалом с радиусом кривизны 60 cm. Найдите увеличение m (отрицательное для перевёрнутого изображения).

do = 30 cmR = 60 cm
m =

3Растворы

1.Кинематика

Ответ: t = 4,615 s

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 = 108/3,6 = 30 m/s

Время торможения

0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 30/6,5 = 4,615 s

Ответ

t = 4,615 s
2.Кинематика

Ответ: hmax = 24,13 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 = 9²/(2·9,81) = 4,128 m

Высота над землёй

hmax = 20 + 4,128 = 24,13 m

Ответ

hmax = 24,13 m
3.Законы Ньютона

Ответ: a = 1,479 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 25° − 0,3·cos 25°) = 9,81·(0,4226 − 0,2719) = 1,479 m/s²

Ответ

a = 1,479 m/s²
4.Законы Ньютона

Ответ: d = 8,252 m

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

Обе силы направлены вниз по склону; масса сокращается.

a = 9,81·(sin 15° + 0,25·cos 15°) = 4,908 m/s²

Путь

d = v₀²/(2a) = 9²/(2·4,908) = 8,252 m

Ответ

d = 8,252 m
5.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: x = 112,8 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 = 38·cos 25° = 34,44 m/s
vy = v0·sin θ = 38·sin 25° = 16,06 m/s

Время полёта

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

t = 2·16,06/9,81 = 3,274 s

Горизонтальное расстояние

x = vx·t = 34,44·3,274 = 112,8 m

Ответ

x = 112,8 m
6.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: t = 2,814 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 = 19·cos 15° = 18,35 m/s
vy = v0·sin θ = 19·sin 15° = 4,918 m/s

Время полёта

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

0 = 25 + 4,918·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (4,918 + √(24,18 + 490,5))/9,81 = 2,814 s

Ответ

t = 2,814 s
7.Работа и энергия

Ответ: d = 32,12 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).

Скорость в основных единицах

v = 70/3,6 = 19,44 m/s

Энергетический баланс

½mv² = μmg·d → d = v²/(2μg) = 19,44²/(2·0,6·9,81) = 32,12 m

Ответ

d = 32,12 m

При удвоении скорости тормозной путь увеличивается в четыре раза.

8.Работа и энергия

Ответ: x = 11,29 cm

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 = 9,81·(4,5 − 0,25·5) = 31,88 J

Наибольшее сжатие

½kx² = 31,88 → x = √(2·31,88/5000) = 0,1129 m = 11,29 cm

Ответ

x = 11,29 cm
9.Импульс и столкновения

Ответ: ΔK/K = 68,75 %

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.

Общая скорость

v′ = m1·v1/(m1 + m2) = 500·19/1600 = 5,938 m/s

Кинетическая энергия до и после

Kbefore = ½·500·19² = 90250 J
Kafter = ½·1600·5,938² = 28203 J

Потерянная доля

ΔK/K = 62047/90250 = 68,75 %

Ответ

ΔK/K = 68,75 %

Потерянная энергия идёт на деформацию, теплоту и звук.

10.Импульс и столкновения

Ответ: v = 356 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.

Подъём бруска

h = L·(1 − cos θ) = 1,1·(1 − cos 30°) = 0,1474 m

Скорость после удара

V = √(2·9,81·0,1474) = 1,7 m/s

Столкновение

v = (m + M)·V/m = 2,512·1,7/0,012 = 356 m/s

Ответ

v = 356 m/s
11.Гидростатическое давление

Ответ: F = 157 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 = 3 + 2/2 = 4 m
A = H·b = 2·2 = 4 m²
затворd = 3 mH = 2 mF

Равнодействующая сила

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·4·4 = 157 kN

Ответ

F = 157 kN
12.Гидростатическое давление

Ответ: ycp = 5,636 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 = 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

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) = 5,5 + 4,5/(5,5·6) = 5,636 m

Ответ

ycp = 5,636 m
13.Неразрывность и Бернулли

Ответ: v = 35,36 m/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.

Уравнение Бернулли до точки торможения

У носика поток останавливается, поэтому его кинетическая энергия проявляется как дополнительное давление.

p0 − p = ½ρv²
v = √(2·750/1,2) = 35,36 m/s

Ответ

v = 35,36 m/s
14.Неразрывность и Бернулли

Ответ: p2 = 57,97 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 = 1,25·(150/100)² = 2,813 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(1,25² − 2,813²)/1000 = −3,174 kPa
ρgΔz = 1000·9,81·6/1000 = 58,86 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) − ρgΔz = 120 + (−3,174) − 58,86 = 57,97 kPa

Ответ

p2 = 57,97 kPa
15.Уравнение состояния идеального газа

Ответ: P = 328,8 kPa

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

Моли

n = m/M = 150/44,01 = 3,408 mol
T = 75 + 273,15 = 348,1 K

Давление

P = nRT/V = 3,408·8,314·348,1/0,03 = 328,8 kPa

Ответ

P = 328,8 kPa
16.Уравнение состояния идеального газа

Ответ: V2 = 5,222 L

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

Абсолютные температуры

T1 = 283,1 K, T2 = 473,1 K

Объединённый газовый закон

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 5·(250/400)·(473,1/283,1) = 5,222 L

Ответ

V2 = 5,222 L
17.Тепловые машины и холодильники

Ответ: ηII = 40,33 %

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

КПД Карно

ηCarnot = 1 − 303,1/573,1 = 47,11 %

КПД по второму закону

ηII = η/ηCarnot = 19/47,11 = 40,33 %

Ответ

ηII = 40,33 %
18.Тепловые машины и холодильники

Ответ: Q̇L = 433,7 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 = 550 + 273,15 = 823,1 K
T0 = 27 + 273,15 = 300,1 K
TL = -30 + 273,15 = 243,1 K

Работа машины

η = 1 − 300,1/823,1 = 0,6354
Ẇ = 0,6354·160 = 101,7 kW

Теплота, отводимая холодильником

COPR = 243,1/(300,1 − 243,1) = 4,266
Q̇L = 4,266·101,7 = 433,7 kW

Ответ

Q̇L = 433,7 kW
19.Волны, звук и оптика

Ответ: hi = 2,143 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 = 1/15 − 1/8
di = −17,14 cm
FF8 cmf = 15 cm

Увеличение и высота

m = −(−17,14)/8 = 2,143
hi = 2,143·1 = 2,143 cm

Ответ

hi = 2,143 cm
20.Волны, звук и оптика

Ответ: m = 0,5

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 = −30 cm

Уравнение зеркала

1/di = 1/f − 1/do = 1/(−30) − 1/30
di = −15 cm
F30 cmf = −30 cm

Увеличение

m = −(−15)/30 = 0,5

Ответ

m = 0,5

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