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 = ?20

Автомобиль, едущий со скоростью 72 km/h, тормозит с постоянным замедлением 6 m/s² до полной остановки. Сколько длится торможение? Найдите t.

v₀ = 72 km/ha = −6 m/s²v = 0
t = s
2.КинематикаСложная
a = 40 m/s²

Модель ракеты запускают вертикально вверх из состояния покоя. Двигатель сообщает ей постоянное ускорение 40 m/s², направленное вверх, в течение 1 s, после чего двигатель выключается и ракета движется свободно. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Через сколько времени после старта она упадёт на землю? Найдите t.

a = 40 m/s²t1 = 1 sg = 9,81 m/s²
t = s
3.Законы НьютонаСредняя
θ = 40°5 kgF = ?

Ящик массой 5 kg толкают вверх по наклонной плоскости под углом 40° к горизонту с постоянной скоростью силой, параллельной плоскости. Коэффициент трения скольжения равен 0,25. Примите g = 9,81 m/s². Найдите толкающую силу F.

m = 5 kgθ = 40°μ = 0,25g = 9,81 m/s²
F = N
4.Законы НьютонаСложная
12 kg11 kgTF = 150 Nμ = 0,25

Два бруска на горизонтальном полу связаны лёгкой горизонтальной нитью. Горизонтальная сила 150 N тянет передний брусок массой 11 kg; брусок массой 12 kg тащится сзади. Коэффициент трения скольжения для обоих брусков равен 0,25. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T соединительной нити.

m1 = 12 kgm2 = 11 kgF = 150 Nμ = 0,25g = 9,81 m/s²
T = N
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
v0​ = ?65°R = 35 m

Мяч бросают с горизонтальной поверхности под углом 65° к горизонту, и он падает на расстоянии 35 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите начальную скорость v0.

θ = 65°R = 35 mg = 9,81 m/s²
v0 = m/s
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
h = 15 mv0​ = 30 m/s15°дальность

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

v0 = 30 m/sθ = 15°h = 15 mg = 9,81 m/s²
t = s
7.Работа и энергияСредняя
30°d = 16 mμ = 0,25

Брусок массой 2 kg скользит 16 m по наклонной плоскости под углом 30° к горизонту с коэффициентом трения скольжения 0,25. Найдите работу Wf против силы трения.

m = 2 kgθ = 30°μ = 0,25d = 16 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
8.Работа и энергияСложная
h = 1 mL = 1,5 mμ = 0,1k = 800 N/m

Брусок массой 1 kg отпускают без начальной скорости на высоте 1 m на гладкой рампе. Внизу он пересекает шероховатую горизонтальную полосу длиной 1,5 m (μ = 0,1), а затем наезжает на пружину (k = 800 N/m) на гладкой поверхности. Найдите наибольшее сжатие x пружины.

m = 1 kgh = 1 mL = 1,5 mμ = 0,1k = 800 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
9.Импульс и столкновенияСредняя
8 kg46 m/s6 kgv′2​ = ?

Снаряд массой 14 kg, движущийся горизонтально со скоростью 39 m/s, разрывается на два осколка, движущихся вдоль той же прямой. Осколок массой 8 kg продолжает движение вперёд со скоростью 46 m/s. Найдите скорость v′2 осколка массой 6 kg (положительна в исходном направлении).

M = 14 kgu = 39 m/sm1 = 8 kgv′1 = 46 m/sm2 = 6 kg
v′2 = m/s
10.Импульс и столкновенияСложная
8 m/s19 m/s

Мяч массой 0,5 kg ударяется о стену со скоростью 8 m/s и отскакивает прямо назад со скоростью 19 m/s. Контакт длится 5 ms. Найдите среднюю силу Favg, с которой стена действует на мяч.

m = 0,5 kgvin = 8 m/svout = 19 m/sΔt = 5 ms
Favg = N
11.Гидростатическое давлениеСредняя
затворd = 4 mH = 3 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 = 3 mb = 1 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
12.Гидростатическое давлениеСложная
затворd = 2 mH = 2 m

Вертикальный прямоугольный затвор шириной 3 m находится в стенке резервуара с жидкостью (морская вода), его верхний край на 2 m ниже поверхности. Найдите глубину ycp центра давления под поверхностью.

d = 2 mH = 2 mb = 3 mρ = 1025 kg/m³g = 9,81 m/s²
ycp = m
13.Неразрывность и БернуллиСредняя
d1​ = 100 mmd2​ = 60 mm12p1​ − p2​ = 6 kPaQ = ?

Вода течёт через горизонтальный расходомер Вентури с входным диаметром 100 mm и диаметром горловины 60 mm. Давление на входе на 6 kPa выше, чем в горловине. Пренебрегая потерями, найдите расход Q.

d1 = 100 mmd2 = 60 mmp1 − p2 = 6 kPaρ = 1000 kg/m³
Q = L/s
14.Неразрывность и БернуллиСложная
12d1​ = 150 mm, p1​ = 200 kPad2​ = 75 mm, p2​ = ?Δz = 6 m

Вода поднимается по трубе, которая сужается с 150 mm до 75 mm и поднимается на 6 m. В сечении 1 давление 200 kPa, а скорость 0,75 m/s. Пренебрегая потерями, найдите давление p2 в сечении 2.

d1 = 150 mmd2 = 75 mmp1 = 200 kPav1 = 0,75 m/sΔz = 6 mρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
15.Уравнение состояния идеального газаСредняя
300 g (N₂)V = 20 LT = 30 °CP = ?

Резервуар объёмом 20 L содержит 300 g газа (N₂) при 30 °C. Считайте газ идеальным и найдите давление P.

m = 300 gM = 28,01 g/molV = 20 LT = 30 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
16.Уравнение состояния идеального газаСложная
N₂, M = 28,01 g/molP = 1000 kPaT = 80 °Cρ = ?

Найдите плотность ρ газа (N₂) при 1000 kPa и 80 °C, считая его идеальным.

M = 28,01 g/molP = 1000 kPaT = 80 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
17.Тепловые машины и холодильникиСредняя
TH​ = 425 °CTL​ = 10 °CEQH​ = 3800 kJQL​W = ?

Тепловая машина работает между горячим резервуаром при 425 °C и холодным при 10 °C. Она получает 3800 kJ теплоты. Найдите наибольшую работу Wmax, которую она могла бы совершить.

TH = 425 °CTL = 10 °CQH = 3800 kJ
Wmax = kJ
18.Тепловые машины и холодильникиСложная
TH​ = 28 °CTL​ = -10 °CRQ̇H​Q̇L​ = 3 kWẆ

Холодильник поддерживает в холодной камере -10 °C на кухне при 28 °C, отводя из камеры теплоту 3 kW. Найдите наибольший возможный холодильный коэффициент COPmax.

TH = 28 °CTL = -10 °CQ̇L = 3 kW
COPmax =
19.Волны, звук и оптикаСредняя
FFdo​ = 30 cmf = 15 cm

Предмет находится в 30 cm перед тонкой собирающей линзой с фокусным расстоянием 15 cm. Найдите увеличение m (отрицательное для перевёрнутого изображения).

do = 30 cmf = 15 cm
m =
20.Волны, звук и оптикаСложная
Fdo​ = 4 cmR = 30 cm

Предмет находится в 4 cm перед вогнутым зеркалом с радиусом кривизны 30 cm. Найдите расстояние до изображения di: положительное для изображения перед зеркалом (действительного) и отрицательное для изображения за ним (мнимого).

do = 4 cmR = 30 cm
di = cm

3Растворы

1.Кинематика

Ответ: t = 3,333 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 = 72/3,6 = 20 m/s

Время торможения

0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 20/6 = 3,333 s

Ответ

t = 3,333 s
2.Кинематика

Ответ: t = 9,628 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.

Активный участок

v₁ = 40·1 = 40 m/s
h₁ = ½·40·1² = 20 m

Свободный полёт до земли

Решите −h₁ = v₁·t₂ − ½·g·t₂² и возьмите положительный корень.

t₂ = (40 + √(40² + 2·9,81·20))/9,81 = 8,628 s
t = 1 + 8,628 = 9,628 s

Ответ

t = 9,628 s
3.Законы Ньютона

Ответ: F = 40,92 N

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.

Силы вдоль плоскости

Постоянная скорость: силы уравновешены.

F = m·g·sin θ + μ·m·g·cos θ

Толкающая сила

F = 31,53 + 9,394 = 40,92 N

Ответ

F = 40,92 N
4.Законы Ньютона

Ответ: T = 78,26 N

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) = (150 − 56,41)/23 = 4,069 m/s²

Только задний брусок

T = m1·(a + μ·g) = 12·(4,069 + 2,453) = 78,26 N

Ответ

T = 78,26 N

При одинаковом μ для обоих брусков трение выпадает: T = F·m₁/(m₁ + m₂).

5.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: v0 = 21,17 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) = √(9,81·35/sin 130°) = 21,17 m/s

Ответ

v0 = 21,17 m/s
6.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: t = 2,711 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 = 30·cos 15° = 28,98 m/s
vy = v0·sin θ = 30·sin 15° = 7,765 m/s

Время полёта

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

0 = 15 + 7,765·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (7,765 + √(60,29 + 294,3))/9,81 = 2,711 s

Ответ

t = 2,711 s
7.Работа и энергия

Ответ: Wf = 67,97 J

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).

Сила трения

N = mg·cos θ = 19,62·0,866 = 16,99 N
F = μN = 0,25·16,99 = 4,248 N

Работа против трения

Wf = F·d = 4,248·16 = 67,97 J

Ответ

Wf = 67,97 J
8.Работа и энергия

Ответ: x = 14,44 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·(1 − 0,1·1,5) = 8,338 J

Наибольшее сжатие

½kx² = 8,338 → x = √(2·8,338/800) = 0,1444 m = 14,44 cm

Ответ

x = 14,44 cm
9.Импульс и столкновения

Ответ: v′2 = 29,67 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.

Импульс до удара

p = M·u = 14·39 = 546 kg·m/s

Импульс после удара

546 = 8·46 + 6·v′2
v′2 = (546 − 368)/6 = 29,67 m/s

Ответ

v′2 = 29,67 m/s
10.Импульс и столкновения

Ответ: Favg = 2700 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 = 0,5·(19 + 8) = 13,5 N·s

Средняя сила

Favg = J/Δt = 13,5/0,005 = 2700 N

Ответ

Favg = 2700 N
11.Гидростатическое давление

Ответ: F = 161,9 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 = 3·1 = 3 m²
затворd = 4 mH = 3 mF

Равнодействующая сила

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·5,5·3 = 161,9 kN

Ответ

F = 161,9 kN
12.Гидростатическое давление

Ответ: ycp = 3,111 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 + 2/2 = 3 m
A = H·b = 2·3 = 6 m²
затворd = 2 mH = 2 mF

Равнодействующая сила

F = ρ·g·yc·A = 1025·9,81·3·6 = 181 kN

Центр давления

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

Ic = b·H³/12 = 3·2³/12 = 2 m⁴
ycp = yc + Ic/(yc·A) = 3 + 2/(3·6) = 3,111 m

Ответ

ycp = 3,111 m
13.Неразрывность и Бернулли

Ответ: Q = 10,5 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 = √(2·6000/(1000·(1 − 0,1296))) = 3,713 m/s
v1 = 1,337 m/s

Расход

Q = A2·v2 = 0,002827·3,713 = 0,0105 m³/s = 10,5 L/s

Ответ

Q = 10,5 L/s
14.Неразрывность и Бернулли

Ответ: p2 = 136,9 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 = 0,75·(150/75)² = 3 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(0,75² − 3²)/1000 = −4,219 kPa
ρgΔz = 1000·9,81·6/1000 = 58,86 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) − ρgΔz = 200 + (−4,219) − 58,86 = 136,9 kPa

Ответ

p2 = 136,9 kPa
15.Уравнение состояния идеального газа

Ответ: P = 1350 kPa

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

Моли

n = m/M = 300/28,01 = 10,71 mol
T = 30 + 273,15 = 303,1 K

Давление

P = nRT/V = 10,71·8,314·303,1/0,02 = 1350 kPa

Ответ

P = 1350 kPa
16.Уравнение состояния идеального газа

Ответ: ρ = 9,54 kg/m³

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

Преобразуйте газовый закон

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 80 + 273,15 = 353,1 K

Плотность

ρ = 1000·28,01/(8,314·353,1) = 9,54 kg/m³

Ответ

ρ = 9,54 kg/m³
17.Тепловые машины и холодильники

Ответ: Wmax = 2259 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 = 425 + 273,15 = 698,1 K
TL = 10 + 273,15 = 283,1 K

КПД Карно

ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 283,1/698,1 = 59,44 %

Наибольшая работа

Wmax = ηmax·QH = 0,5944·3800 = 2259 kJ

Ответ

Wmax = 2259 kJ
18.Тепловые машины и холодильники

Ответ: COPmax = 6,925

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 = 28 + 273,15 = 301,1 K
TL = -10 + 273,15 = 263,1 K

Наилучший возможный COP

COPR,max = TL/(TH − TL) = 263,1/(301,1 − 263,1) = 6,925

Ответ

COPmax = 6,925
19.Волны, звук и оптика

Ответ: m = −1

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 − 1/30
di = 30 cm
FF30 cmf = 15 cm

Увеличение

m = −di/do = −30/30 = −1

Ответ

m = −1
20.Волны, звук и оптика

Ответ: di = −5,455 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 = 15 cm

Уравнение зеркала

1/di = 1/f − 1/do = 1/15 − 1/4
di = −5,455 cm
F4 cmf = 15 cm

Ход лучей

мнимое изображение за зеркалом

Ответ

di = −5,455 cm

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