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 = ?13,89

Автомобиль, едущий со скоростью 50 km/h, тормозит с постоянным замедлением 3 m/s² до полной остановки. Сколько длится торможение? Найдите t.

v₀ = 50 km/ha = −3 m/s²v = 0
t = s
2.КинематикаСложная
v₀ = 17 m/s30 m

Мяч бросают вертикально вверх со скоростью 17 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 = 17 m/sh₀ = 30 mg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Законы НьютонаСредняя
θ = 35°a = ?m = 11 kg

Брусок массой 11 kg скользит вниз по гладкой наклонной плоскости под углом 35° к горизонту. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a бруска вдоль плоскости.

m = 11 kgθ = 35°μ = 0g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
m1​ = 7,5 kg5 kgμ = 0,25

Брусок массой 7,5 kg на горизонтальном столе соединён лёгкой нитью, перекинутой через блок без трения, с подвешенным грузом массой 5 kg. Коэффициент трения скольжения между бруском и столом 0,25. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T нити.

m1 = 7,5 kgm2 = 5 kgμ = 0,25g = 9,81 m/s²
T = N
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
v0​ = ?30°R = 25 m

Мяч бросают с горизонтальной поверхности под углом 30° к горизонту, и он падает на расстоянии 25 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите начальную скорость v0.

θ = 30°R = 25 mg = 9,81 m/s²
v0 = m/s
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
h = 5 mv0​ = 21 m/s20°x = ?

Мяч бросают под углом 20° к горизонту с вершины скалы высотой 5 m. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите горизонтальное расстояние x, которое мяч пролетает до удара о землю.

v0 = 21 m/sθ = 20°h = 5 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Работа и энергияСредняя
45°L = 0,5 m10 kg

Шарик массой 10 kg висит на лёгкой нити длиной 0,5 m. Его отводят в сторону, пока нить не составит 45° с вертикалью, и отпускают без начальной скорости. Найдите силу натяжения T нити в момент прохождения шариком нижней точки.

m = 10 kgL = 0,5 mθ = 45°g = 9,81 m/s²
T = N
8.Работа и энергияСложная
h = 1,5 mL = 2 mμ = 0,25k = 4000 N/m

Брусок массой 1 kg отпускают без начальной скорости на высоте 1,5 m на гладкой рампе. Внизу он пересекает шероховатую горизонтальную полосу длиной 2 m (μ = 0,25), а затем наезжает на пружину (k = 4000 N/m) на гладкой поверхности. Найдите скорость v бруска, когда он достигает пружины.

m = 1 kgh = 1,5 mL = 2 mμ = 0,25k = 4000 N/mg = 9,81 m/s²
v = m/s
9.Импульс и столкновенияСредняя
1,5 kgv = ?10 gh = 7 cm

Пуля массой 10 g, выпущенная горизонтально, попадает в деревянный брусок массой 1,5 kg, подвешенный на лёгких нитях, и застревает в нём. Брусок отклоняется и поднимается на 7 cm выше начального положения. Примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v пули до удара.

m = 10 gM = 1,5 kgh = 7 cmg = 9,81 m/s²
v = m/s
10.Импульс и столкновенияСложная
19 m/s7 m/s

Мяч массой 0,15 kg ударяется о стену со скоростью 19 m/s и отскакивает прямо назад со скоростью 7 m/s. Контакт длится 25 ms. Найдите среднюю силу Favg, с которой стена действует на мяч.

m = 0,15 kgvin = 19 m/svout = 7 m/sΔt = 25 ms
Favg = N
11.Гидростатическое давлениеСредняя
затворd = 2 mH = 1,5 m

Вертикальный прямоугольный затвор шириной 1 m находится в стенке резервуара с жидкостью (вода), его верхний край на 2 m ниже поверхности. Найдите равнодействующую силу гидростатического давления F на затвор.

d = 2 mH = 1,5 mb = 1 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
12.Гидростатическое давлениеСложная
затворd = 1,5 mH = 2,5 m

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

d = 1,5 mH = 2,5 mb = 1 mρ = 1260 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
13.Неразрывность и БернуллиСредняя
12d1​ = 100 mm, p1​ = 140 kPad2​ = 50 mm, p2​ = ?

Вода течёт по горизонтальной трубе, которая сужается с 100 mm до 50 mm. В широкой части давление 140 kPa, а скорость 0,75 m/s. Пренебрегая потерями, найдите давление p2 в узкой части.

d1 = 100 mmd2 = 50 mmp1 = 140 kPav1 = 0,75 m/sρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
14.Неразрывность и БернуллиСложная
pair​ = 80 kPav = ?d = 40 mmh = 3 m

В закрытом резервуаре над водой находится сжатый воздух с избыточным давлением 80 kPa. Вода вытекает в атмосферу через отверстие диаметром 40 mm, расположенное на 3 m ниже поверхности воды. Пренебрегая потерями, найдите скорость струи v. Примите g = 9,81 m/s².

pair = 80 kPa (избыточное)h = 3 md = 40 mmρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
v = m/s
15.Уравнение состояния идеального газаСредняя
90 g (CO₂)P = 400 kPaT = 0 °CV = ?

Какой объём V занимает 90 g газа (CO₂) при 400 kPa и 0 °C? Считайте газ идеальным.

m = 90 gM = 44,01 g/molP = 400 kPaT = 0 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
16.Уравнение состояния идеального газаСложная
Состояние 1Состояние 2

Постоянное количество газа (CO₂) переходит от 200 kPa, 10 L, 10 °C к 700 kPa и 90 °C. Найдите новый объём V2.

P1 = 200 kPaV1 = 10 LT1 = 10 °CP2 = 700 kPaT2 = 90 °C
V2 = L
17.Тепловые машины и холодильникиСредняя
TH​ = 325 °CTL​ = 15 °CEQH​ = 2400 kJQL​W = ?

Тепловая машина работает между горячим резервуаром при 325 °C и холодным при 15 °C. Она получает 2400 kJ теплоты. Найдите наибольшую работу Wmax, которую она могла бы совершить.

TH = 325 °CTL = 15 °CQH = 2400 kJ
Wmax = kJ
18.Тепловые машины и холодильникиСложная
TH​ = 21 °CTL​ = 7 °CHPQ̇H​ = 7 kWQ̇L​Ẇ = ?

Тепловой насос поддерживает в доме 21 °C, когда на улице 7 °C, и подаёт в дом 7 kW теплоты. Найдите минимальную необходимую мощность Ẇmin.

TH = 21 °CTL = 7 °CQ̇H = 7 kW
Ẇmin = kW
19.Волны, звук и оптикаСредняя
FF1,5 cmdo​ = 4 cmf = 25 cm

Предмет высотой 1,5 cm находится в 4 cm перед тонкой собирающей линзой с фокусным расстоянием 25 cm. Найдите высоту изображения hi (отрицательную для перевёрнутого изображения).

ho = 1,5 cmdo = 4 cmf = 25 cm
hi = cm
20.Волны, звук и оптикаСложная
f1​ = 15 cmf2​ = −15 cm18 cm40 cm

Две тонкие линзы имеют общую ось и находятся на расстоянии 40 cm друг от друга: линза 1 с f₁ = 15 cm и линза 2 с f₂ = −15 cm. Предмет находится в 18 cm перед линзой 1. Найдите положение di2 итогового изображения, отсчитываемое от линзы 2 (положительное за линзой 2, действительное — положительное).

f1 = 15 cmf2 = −15 cms = 40 cmdo = 18 cm
di2 = cm

3Растворы

1.Кинематика

Ответ: t = 4,63 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 = 50/3,6 = 13,89 m/s

Время торможения

0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 13,89/3 = 4,63 s

Ответ

t = 4,63 s
2.Кинематика

Ответ: hmax = 44,73 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 = 17²/(2·9,81) = 14,73 m

Высота над землёй

hmax = 30 + 14,73 = 44,73 m

Ответ

hmax = 44,73 m
3.Законы Ньютона

Ответ: a = 5,627 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 35° − 0·cos 35°) = 9,81·(0,5736 − 0) = 5,627 m/s²

Ответ

a = 5,627 m/s²
4.Законы Ньютона

Ответ: T = 36,79 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) = (49,05 − 18,39)/12,5 = 2,453 m/s²

Натяжение из уравнения для бруска на столе

T − μ·m1·g = m1·a
T = 7,5·2,453 + 18,39 = 36,79 N

Ответ

T = 36,79 N
5.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: v0 = 16,83 m/s

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.

Выражаем v₀ из формулы дальности

v₀ = √(g·R/sin 2θ) = √(9,81·25/sin 60°) = 16,83 m/s

Ответ

v0 = 16,83 m/s
6.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: x = 39,06 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 = 21·cos 20° = 19,73 m/s
vy = v0·sin θ = 21·sin 20° = 7,182 m/s

Время полёта

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

0 = 5 + 7,182·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (7,182 + √(51,59 + 98,1))/9,81 = 1,979 s

Горизонтальное расстояние

x = vx·t = 19,73·1,979 = 39,06 m

Ответ

x = 39,06 m
7.Работа и энергия

Ответ: T = 155,6 N

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 нижней точке

v² = 2gL(1 − cos θ) = 2·9,81·0,5·(1 − cos 45°) = 2,873 m²/s²

Силы в нижней точке

m·g = 10·9,81 = 98,1 N
T = mg + mv²/L = 98,1 + 10·2,873/0,5 = 155,6 N

Ответ

T = 155,6 N

Проверка: T = mg(3 − 2cos θ) = 155,6 N.

8.Работа и энергия

Ответ: v = 4,429 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).

Энергия после шероховатой полосы

Рампа гладкая, поэтому энергию забирает только полоса.

mgh − μmgL = 9,81·(1,5 − 0,25·2) = 9,81 J

Скорость у пружины

½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9,81·1) = 4,429 m/s

Ответ

v = 4,429 m/s
9.Импульс и столкновения

Ответ: v = 177 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) = √(2·9,81·0,07) = 1,172 m/s

Столкновение

m·v = (m + M)·V → v = (0,01 + 1,5)·1,172/0,01 = 177 m/s

Ответ

v = 177 m/s
10.Импульс и столкновения

Ответ: Favg = 156 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 = 0,15·(7 + 19) = 3,9 N·s

Средняя сила

Favg = J/Δt = 3,9/0,025 = 156 N

Ответ

Favg = 156 N
11.Гидростатическое давление

Ответ: F = 40,47 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 + 1,5/2 = 2,75 m
A = H·b = 1,5·1 = 1,5 m²
затворd = 2 mH = 1,5 mF

Равнодействующая сила

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·2,75·1,5 = 40,47 kN

Ответ

F = 40,47 kN
12.Гидростатическое давление

Ответ: F = 84,98 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 = 1,5 + 2,5/2 = 2,75 m
A = H·b = 2,5·1 = 2,5 m²
затворd = 1,5 mH = 2,5 mF

Равнодействующая сила

F = ρ·g·yc·A = 1260·9,81·2,75·2,5 = 84,98 kN

Ответ

F = 84,98 kN
13.Неразрывность и Бернулли

Ответ: p2 = 135,8 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 = 0,75·(100/50)² = 3 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(0,75² − 3²)/1000 = −4,219 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) = 140 + (−4,219) = 135,8 kPa

Ответ

p2 = 135,8 kPa
14.Неразрывность и Бернулли

Ответ: v = 14,79 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 от поверхности до струи

v = √(2·(80000/1000 + 9,81·3)) = 14,79 m/s

Ответ

v = 14,79 m/s
15.Уравнение состояния идеального газа

Ответ: V = 11,61 L

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

Моли

n = 90/44,01 = 2,045 mol
T = 0 + 273,15 = 273,1 K

Объём

V = nRT/P = 2,045·8,314·273,1/400 = 11,61 L

Ответ

V = 11,61 L
16.Уравнение состояния идеального газа

Ответ: V2 = 3,664 L

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

Абсолютные температуры

T1 = 283,1 K, T2 = 363,1 K

Объединённый газовый закон

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 10·(200/700)·(363,1/283,1) = 3,664 L

Ответ

V2 = 3,664 L
17.Тепловые машины и холодильники

Ответ: Wmax = 1244 kJ

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 = 325 + 273,15 = 598,1 K
TL = 15 + 273,15 = 288,1 K

КПД Карно

ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 288,1/598,1 = 51,83 %

Наибольшая работа

Wmax = ηmax·QH = 0,5183·2400 = 1244 kJ

Ответ

Wmax = 1244 kJ
18.Тепловые машины и холодильники

Ответ: Ẇmin = 0,3332 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 = 21 + 273,15 = 294,1 K
TL = 7 + 273,15 = 280,1 K

Наилучший возможный COP

COPHP,max = TH/(TH − TL) = 294,1/(294,1 − 280,1) = 21,01

Минимальная мощность

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

Ẇmin = Q̇H/COP = 7/21,01 = 0,3332 kW

Ответ

Ẇmin = 0,3332 kW
19.Волны, звук и оптика

Ответ: hi = 1,786 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 = 1/25 − 1/4
di = −4,762 cm
FF4 cmf = 25 cm

Увеличение и высота

m = −(−4,762)/4 = 1,19
hi = 1,19·1,5 = 1,786 cm

Ответ

hi = 1,786 cm
20.Волны, звук и оптика

Ответ: di2 = −21,43 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.

Изображение линзы 1

1/di1 = 1/15 − 1/18 → di1 = 90 cm

Предмет для линзы 2

do2 = 40 − 90 = −50 cm

Итоговое изображение

1/di2 = 1/(−15) − 1/(−50) → di2 = −21,43 cm

Ответ

di2 = −21,43 cm

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