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 = 4 m/s²автомобиль24 m/s

Автомобиль, превышающий скорость, движется с постоянной скоростью 24 m/s и проезжает мимо стоящего полицейского автомобиля. В этот момент полицейский автомобиль трогается и равноускоренно разгоняется с ускорением 4 m/s². Через сколько времени полицейский автомобиль догонит нарушителя? Найдите t.

vcar = 24 m/sapolice = 4 m/s²v0,police = 0
t = s
2.КинематикаСложная
a = 28 m/s²

Модель ракеты запускают вертикально вверх из состояния покоя. Двигатель сообщает ей постоянное ускорение 28 m/s², направленное вверх, в течение 3 s, после чего двигатель выключается и ракета движется свободно. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите наибольшую высоту hmax, которой достигает ракета.

a = 28 m/s²t1 = 3 sg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Законы НьютонаСредняя
θ = 40°a = ?m = 5 kg

Брусок массой 5 kg скользит вниз по наклонной плоскости под углом 40° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,15. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a бруска вдоль плоскости.

m = 5 kgθ = 40°μ = 0,15g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
3 kg12 kgTF = 60 Nμ = 0,1

Два бруска на горизонтальном полу связаны лёгкой горизонтальной нитью. Горизонтальная сила 60 N тянет передний брусок массой 12 kg; брусок массой 3 kg тащится сзади. Коэффициент трения скольжения для обоих брусков равен 0,1. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a брусков.

m1 = 3 kgm2 = 12 kgF = 60 Nμ = 0,1g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
v0​ = 40 m/s30°x = ?

Мяч бросают под углом 30° к горизонту с ровной поверхности. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите горизонтальное расстояние x, которое мяч пролетает до удара о землю.

v0 = 40 m/sθ = 30°g = 9,81 m/s²
x = m
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
h = 25 mv0​ = 16 m/s40°дальность

Мяч бросают под углом 40° к горизонту с вершины скалы высотой 25 m. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите время полёта t до удара мяча о землю.

v0 = 16 m/sθ = 40°h = 25 mg = 9,81 m/s²
t = s
7.Работа и энергияСредняя
35°d = 2 mμ = 0,1

Брусок без начальной скорости скользит по наклонной плоскости под углом 35° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,1. Найдите его скорость v после того, как он проскользит 2 m вдоль плоскости.

θ = 35°μ = 0,1d = 2 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
8.Работа и энергияСложная
h = 3 mL = 4 mμ = 0,3k = 1000 N/m

Брусок массой 2,5 kg отпускают без начальной скорости на высоте 3 m на гладкой рампе. Внизу он пересекает шероховатую горизонтальную полосу длиной 4 m (μ = 0,3), а затем наезжает на пружину (k = 1000 N/m) на гладкой поверхности. Найдите наибольшее сжатие x пружины.

m = 2,5 kgh = 3 mL = 4 mμ = 0,3k = 1000 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
9.Импульс и столкновенияСредняя
4 kg3 m/s3,5 kg

Тележка массой 4 kg, движущаяся со скоростью 3 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 = 4 kgm2 = 3,5 kgv1 = 3 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
10.Импульс и столкновенияСложная
13 m/s10 m/s

Мяч массой 0,3 kg ударяется о стену со скоростью 13 m/s и отскакивает прямо назад со скоростью 10 m/s. Контакт длится 25 ms. Найдите модуль импульса силы J, который стена сообщает мячу.

m = 0,3 kgvin = 13 m/svout = 10 m/sΔt = 25 ms
J = N·s
11.Гидростатическое давлениеСредняя
затворd = 0,5 mH = 2,5 m

Вертикальный прямоугольный затвор шириной 1,5 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 = 2,5 mb = 1,5 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
12.Гидростатическое давлениеСложная
затворd = 4 mH = 2 m

Вертикальный прямоугольный затвор шириной 1,5 m находится в стенке резервуара с жидкостью (масло), его верхний край на 4 m ниже поверхности. Найдите равнодействующую силу гидростатического давления F на затвор.

d = 4 mH = 2 mb = 1,5 mρ = 880 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
13.Неразрывность и БернуллиСредняя
12d1​ = 100 mm, p1​ = 260 kPad2​ = 50 mm, p2​ = ?

Вода течёт по горизонтальной трубе, которая сужается с 100 mm до 50 mm. В широкой части давление 260 kPa, а скорость 2,5 m/s. Пренебрегая потерями, найдите давление p2 в узкой части.

d1 = 100 mmd2 = 50 mmp1 = 260 kPav1 = 2,5 m/sρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
14.Неразрывность и БернуллиСложная
12d1​ = 75 mm, p1​ = 290 kPad2​ = 50 mm, p2​ = ?Δz = 1 m

Вода поднимается по трубе, которая сужается с 75 mm до 50 mm и поднимается на 1 m. В сечении 1 давление 290 kPa, а скорость 3 m/s. Пренебрегая потерями, найдите давление p2 в сечении 2.

d1 = 75 mmd2 = 50 mmp1 = 290 kPav1 = 3 m/sΔz = 1 mρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
15.Уравнение состояния идеального газаСредняя
370 g (Ar)V = 20 LT = 0 °CP = ?

Резервуар объёмом 20 L содержит 370 g газа (Ar) при 0 °C. Считайте газ идеальным и найдите давление P.

m = 370 gM = 39,95 g/molV = 20 LT = 0 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
16.Уравнение состояния идеального газаСложная
CH₄, M = 16,04 g/molP = 550 kPaT = 140 °Cρ = ?

Найдите плотность ρ газа (CH₄) при 550 kPa и 140 °C, считая его идеальным.

M = 16,04 g/molP = 550 kPaT = 140 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
17.Тепловые машины и холодильникиСредняя
TH​ = 700 °CTL​ = 10 °CEQH​QL​W

Тепловая машина работает между горячим резервуаром при 700 °C и холодным при 10 °C. Найдите наибольший возможный термический КПД ηmax.

TH = 700 °CTL = 10 °C
ηmax = %
18.Тепловые машины и холодильникиСложная
TH​ = 550 °CTL​ = 15 °CEQH​ = 3600 kJQL​ = 2196 kJW = 1404 kJ

Тепловая машина за цикл получает 3600 kJ теплоты от резервуара при 550 °C, совершает 1404 kJ работы, а остаток отдаёт резервуару при 15 °C. Найдите суммарную генерацию энтропии Sgen за цикл.

TH = 550 °CTL = 15 °CQH = 3600 kJW = 1404 kJ
Sgen = kJ/K
19.Волны, звук и оптикаСредняя
FFdo​ = 25 cmf = −5 cm

Предмет находится в 25 cm перед тонкой рассеивающей линзой с фокусным расстоянием 5 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 = 25 cmf = −5 cm
di = cm
20.Волны, звук и оптикаСложная
Fdo​ = 6 cmR = 16 cm

Предмет находится в 6 cm перед выпуклым зеркалом с радиусом кривизны 16 cm. Найдите расстояние до изображения di: положительное для изображения перед зеркалом (действительного) и отрицательное для изображения за ним (мнимого).

do = 6 cmR = 16 cm
di = cm

3Растворы

1.Кинематика

Ответ: t = 12 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 = 2·24/4 = 12 s

Ответ

t = 12 s

В этот момент полицейский автомобиль движется со скоростью 2v = 48 m/s.

2.Кинематика

Ответ: hmax = 485,6 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.

Активный участок

v₁ = 28·3 = 84 m/s
h₁ = ½·28·3² = 126 m

Свободный полёт вверх

В наивысшей точке скорость равна нулю.

Δh = v₁²/(2g) = 84²/(2·9,81) = 359,6 m
hmax = 126 + 359,6 = 485,6 m

Ответ

hmax = 485,6 m
3.Законы Ньютона

Ответ: a = 5,179 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° − 0,15·cos 40°) = 9,81·(0,6428 − 0,1149) = 5,179 m/s²

Ответ

a = 5,179 m/s²
4.Законы Ньютона

Ответ: a = 3,019 m/s²

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.

Вся система

a = (F − μ·(m1 + m2)·g)/(m1 + m2) = (60 − 14,71)/15 = 3,019 m/s²

Ответ

a = 3,019 m/s²
5.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: x = 141,2 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 = 40·cos 30° = 34,64 m/s
vy = v0·sin θ = 40·sin 30° = 20 m/s

Время полёта

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

t = 2·20/9,81 = 4,077 s

Горизонтальное расстояние

x = vx·t = 34,64·4,077 = 141,2 m

Ответ

x = 141,2 m
6.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: t = 3,538 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 = 16·cos 40° = 12,26 m/s
vy = v0·sin θ = 16·sin 40° = 10,28 m/s

Время полёта

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

0 = 25 + 10,28·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (10,28 + √(105,8 + 490,5))/9,81 = 3,538 s

Ответ

t = 3,538 s
7.Работа и энергия

Ответ: v = 4,392 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 = √(2·9,81·2·(0,5736 − 0,1·0,8192)) = 4,392 m/s

Ответ

v = 4,392 m/s
8.Работа и энергия

Ответ: x = 29,71 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 = 24,53·(3 − 0,3·4) = 44,15 J

Наибольшее сжатие

½kx² = 44,15 → x = √(2·44,15/1000) = 0,2971 m = 29,71 cm

Ответ

x = 29,71 cm
9.Импульс и столкновения

Ответ: v′1 = 0,2 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 = (4 − 3,5)/(4 + 3,5)·3 = 0,2 m/s
v′2 = 2·4/(4 + 3,5)·3 = 3,2 m/s

Ответ

v′1 = 0,2 m/s
10.Импульс и столкновения

Ответ: J = 6,9 N·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.

Изменение импульса

J = m·Δv = 0,3·(10 + 13) = 6,9 N·s

Ответ

J = 6,9 N·s
11.Гидростатическое давление

Ответ: F = 64,38 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 + 2,5/2 = 1,75 m
A = H·b = 2,5·1,5 = 3,75 m²
затворd = 0,5 mH = 2,5 mF

Равнодействующая сила

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·1,75·3,75 = 64,38 kN

Ответ

F = 64,38 kN
12.Гидростатическое давление

Ответ: F = 129,5 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 = 4 + 2/2 = 5 m
A = H·b = 2·1,5 = 3 m²
затворd = 4 mH = 2 mF

Равнодействующая сила

F = ρ·g·yc·A = 880·9,81·5·3 = 129,5 kN

Ответ

F = 129,5 kN
13.Неразрывность и Бернулли

Ответ: p2 = 213,1 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 = 2,5·(100/50)² = 10 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(2,5² − 10²)/1000 = −46,88 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) = 260 + (−46,88) = 213,1 kPa

Ответ

p2 = 213,1 kPa
14.Неразрывность и Бернулли

Ответ: p2 = 261,9 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 = 3·(75/50)² = 6,75 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(3² − 6,75²)/1000 = −18,28 kPa
ρgΔz = 1000·9,81·1/1000 = 9,81 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) − ρgΔz = 290 + (−18,28) − 9,81 = 261,9 kPa

Ответ

p2 = 261,9 kPa
15.Уравнение состояния идеального газа

Ответ: P = 1052 kPa

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

Моли

n = m/M = 370/39,95 = 9,262 mol
T = 0 + 273,15 = 273,1 K

Давление

P = nRT/V = 9,262·8,314·273,1/0,02 = 1052 kPa

Ответ

P = 1052 kPa
16.Уравнение состояния идеального газа

Ответ: ρ = 2,568 kg/m³

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

Преобразуйте газовый закон

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 140 + 273,15 = 413,1 K

Плотность

ρ = 550·16,04/(8,314·413,1) = 2,568 kg/m³

Ответ

ρ = 2,568 kg/m³
17.Тепловые машины и холодильники

Ответ: ηmax = 70,9 %

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 = 700 + 273,15 = 973,1 K
TL = 10 + 273,15 = 283,1 K

КПД Карно

ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 283,1/973,1 = 70,9 %

Ответ

ηmax = 70,9 %
18.Тепловые машины и холодильники

Ответ: Sgen = 3,248 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 = 3600 − 1404 = 2196 kJ

Абсолютные температуры

TH = 550 + 273,15 = 823,1 K
TL = 15 + 273,15 = 288,1 K

Изменения энтропии резервуаров

ΔSH = −3600/823,1 = −4,373 kJ/K
ΔSL = 2196/288,1 = 7,621 kJ/K
Sgen = 7,621 − 4,373 = 3,248 kJ/K

Ответ

Sgen = 3,248 kJ/K

Sgen > 0, поэтому машина возможна, но необратима.

19.Волны, звук и оптика

Ответ: di = −4,167 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/(−5) − 1/25
di = −4,167 cm
FF25 cmf = −5 cm

Ход лучей

мнимое, по ту же сторону, что и предмет

Ответ

di = −4,167 cm
20.Волны, звук и оптика

Ответ: di = −3,429 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 = −8 cm

Уравнение зеркала

1/di = 1/f − 1/do = 1/(−8) − 1/6
di = −3,429 cm
F6 cmf = −8 cm

Ход лучей

мнимое изображение за зеркалом

Ответ

di = −3,429 cm

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