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 4 m/s² до полной остановки. Сколько длится торможение? Найдите t.

v₀ = 50 km/ha = −4 m/s²v = 0
t = s
2.КинематикаСложная
v₀ = 13 m/s40 m

Мяч бросают вертикально вверх со скоростью 13 m/s с края крыши на высоте 40 m над землёй. Сопротивлением воздуха пренебречь, g = 9,81 m/s². Через какое время после броска он упадёт на землю? Найдите t.

v₀ = 13 m/sh₀ = 40 mg = 9,81 m/s²
t = s
3.Законы НьютонаСредняя
θ = 35°45 kgF = ?

Ящик массой 45 kg толкают вверх по наклонной плоскости под углом 35° к горизонту с постоянной скоростью силой, параллельной плоскости. Коэффициент трения скольжения равен 0,4. Примите g = 9,81 m/s². Найдите толкающую силу F.

m = 45 kgθ = 35°μ = 0,4g = 9,81 m/s²
F = N
4.Законы НьютонаСложная
m1​ = 2,5 kg4,5 kgμ = 0,1

Брусок массой 2,5 kg на горизонтальном столе соединён лёгкой нитью, перекинутой через блок без трения, с подвешенным грузом массой 4,5 kg. Коэффициент трения скольжения между бруском и столом 0,1. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T нити.

m1 = 2,5 kgm2 = 4,5 kgμ = 0,1g = 9,81 m/s²
T = N
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
v0​ = 12 m/s45°дальность

Мяч бросают под углом 45° к горизонту с ровной поверхности. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите время полёта t до удара мяча о землю.

v0 = 12 m/sθ = 45°g = 9,81 m/s²
t = s
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
h = 45 mv0​ = 19 m/s40°дальность

Мяч бросают под углом 40° к горизонту с вершины скалы высотой 45 m. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите время полёта t до удара мяча о землю.

v0 = 19 m/sθ = 40°h = 45 mg = 9,81 m/s²
t = s
7.Работа и энергияСредняя
40°d = 12 mμ = 0,3

Брусок без начальной скорости скользит по наклонной плоскости под углом 40° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,3. Найдите его скорость v после того, как он проскользит 12 m вдоль плоскости.

θ = 40°μ = 0,3d = 12 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
8.Работа и энергияСложная
h = 5,6 mR = 2 mv = ?

Тележку массой 10 kg отпускают без начальной скорости на высоте 5,6 m на гладкой трассе, переходящей в вертикальную «мёртвую петлю» радиусом 2 m. Найдите скорость v тележки в верхней точке петли.

m = 10 kgh = 5,6 mR = 2 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
9.Импульс и столкновенияСредняя
1,5 kg6 m/s4 kg

Тележка массой 1,5 kg, движущаяся со скоростью 6 m/s, испытывает абсолютно упругий центральный удар с покоящейся тележкой массой 4 kg на дорожке без трения. Найдите скорость v′1 первой тележки после столкновения (положительную в направлении её первоначального движения).

m1 = 1,5 kgm2 = 4 kgv1 = 6 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
10.Импульс и столкновенияСложная
23 m/s19 m/s

Мяч массой 0,6 kg ударяется о стену со скоростью 23 m/s и отскакивает прямо назад со скоростью 19 m/s. Контакт длится 50 ms. Найдите модуль импульса силы J, который стена сообщает мячу.

m = 0,6 kgvin = 23 m/svout = 19 m/sΔt = 50 ms
J = N·s
11.Гидростатическое давлениеСредняя
затворd = 2 mH = 2,5 m

Вертикальный прямоугольный затвор шириной 3 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 = 2,5 mb = 3 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
12.Гидростатическое давлениеСложная
затворd = 2,5 mH = 3 m

Вертикальный прямоугольный затвор шириной 1,5 m находится в стенке резервуара с жидкостью (вода), его верхний край на 2,5 m ниже поверхности. Найдите равнодействующую силу гидростатического давления F на затвор.

d = 2,5 mH = 3 mb = 1,5 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
13.Неразрывность и БернуллиСредняя
12d1​ = 150 mm, p1​ = ?d2​ = 75 mm, p2​ = 250 kPa

Вода с расходом 40 L/s течёт по горизонтальной трубе, сужающейся с 150 mm до 75 mm. Давление в узком сечении равно 250 kPa. Пренебрегая потерями, найдите давление p1 в широком сечении.

Q = 40 L/sd1 = 150 mmd2 = 75 mmp2 = 250 kPaρ = 1000 kg/m³
p1 = kPa
14.Неразрывность и БернуллиСложная
12d1​ = 75 mm, p1​ = 360 kPad2​ = 25 mm, p2​ = ?Δz = 1 m

Вода поднимается по трубе, которая сужается с 75 mm до 25 mm и поднимается на 1 m. В сечении 1 давление 360 kPa, а скорость 1,25 m/s. Пренебрегая потерями, найдите давление p2 в сечении 2.

d1 = 75 mmd2 = 25 mmp1 = 360 kPav1 = 1,25 m/sΔz = 1 mρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
15.Уравнение состояния идеального газаСредняя
330 g (O₂)P = 700 kPaT = 65 °CV = ?

Какой объём V занимает 330 g газа (O₂) при 700 kPa и 65 °C? Считайте газ идеальным.

m = 330 gM = 32 g/molP = 700 kPaT = 65 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
16.Уравнение состояния идеального газаСложная
O₂, M = 32 g/molP = 450 kPaT = 100 °Cρ = ?

Найдите плотность ρ газа (O₂) при 450 kPa и 100 °C, считая его идеальным.

M = 32 g/molP = 450 kPaT = 100 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
17.Тепловые машины и холодильникиСредняя
TH​ = 600 °CTL​ = ?EQH​ = 4100 kJQL​ = 1541 kJW

Обратимая тепловая машина (машина Карно) за цикл получает 4100 kJ теплоты от резервуара при 600 °C и отдаёт 1541 kJ. Найдите температуру TL холодного резервуара в °C.

TH = 600 °CQH = 4100 kJQL = 1541 kJ
TL = °C
18.Тепловые машины и холодильникиСложная
TH​ = 21 °CTL​ = 10 °CHPQ̇H​ = 9,5 kWQ̇L​Ẇ = ?

Тепловой насос подаёт 9,5 kW теплоты в систему отопления при 21 °C, забирая теплоту от источника при 10 °C. Его действительный COP составляет 30% от COP Карно между этими температурами. Найдите потребляемую им электрическую мощность Ẇ.

TH = 21 °CTL = 10 °CηII = 30%Q̇H = 9,5 kW
Ẇ = kW
19.Волны, звук и оптикаСредняя
100 dB?10 m100 m

Малый источник посылает звук одинаково во все стороны. Уровень на расстоянии 10 m от него равен 100 dB. Найдите уровень β2 на расстоянии 100 m, пренебрегая поглощением и отражениями.

β1 = 100 dBr1 = 10 mr2 = 100 m
β2 = dB
20.Волны, звук и оптикаСложная
λ = 550 nmd = 0,5 mmL = 2,5 my = ?

Свет с длиной волны 550 nm падает на две щели на расстоянии 0,5 mm друг от друга. Экран находится на расстоянии 2,5 m. Найдите расстояние y2 от центральной светлой полосы до светлой полосы номер 2.

λ = 550 nmd = 0,5 mmL = 2,5 mm = 2
y2 = mm

3Растворы

1.Кинематика

Ответ: t = 3,472 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 = 13,89/4 = 3,472 s

Ответ

t = 3,472 s
2.Кинематика

Ответ: t = 4,473 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.

Уравнение движения

Вверх — положительное направление, земля находится на h₀ ниже точки броска.

−40 = 13·t − ½·9,81·t²
4,905·t² − 13·t − 40 = 0

Решите квадратное уравнение

Физический смысл имеет только положительный корень.

t = (13 + √(13² + 2·9,81·40))/9,81 = 4,473 s

Ответ

t = 4,473 s
3.Законы Ньютона

Ответ: F = 397,9 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 = 253,2 + 144,6 = 397,9 N

Ответ

F = 397,9 N
4.Законы Ньютона

Ответ: T = 17,34 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 − 2,453)/7 = 5,956 m/s²

Натяжение из уравнения для бруска на столе

T − μ·m1·g = m1·a
T = 2,5·5,956 + 2,453 = 17,34 N

Ответ

T = 17,34 N
5.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: t = 1,73 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 = 12·cos 45° = 8,485 m/s
vy = v0·sin θ = 12·sin 45° = 8,485 m/s

Время полёта

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

t = 2·8,485/9,81 = 1,73 s

Ответ

t = 1,73 s
6.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: t = 4,52 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 40° = 14,55 m/s
vy = v0·sin θ = 19·sin 40° = 12,21 m/s

Время полёта

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

0 = 45 + 12,21·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (12,21 + √(149,2 + 882,9))/9,81 = 4,52 s

Ответ

t = 4,52 s
7.Работа и энергия

Ответ: v = 9,861 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 = √(2·9,81·12·(0,6428 − 0,3·0,766)) = 9,861 m/s

Ответ

v = 9,861 m/s
8.Работа и энергия

Ответ: v = 5,603 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). При движении по окружности равнодействующая, направленная к центру, должна быть равна mv²/r.

Скорость в верхней точке

v² = 2g(h − 2R) = 2·9,81·(5,6 − 4) = 31,39 m²/s²
v = 5,603 m/s

Ответ

v = 5,603 m/s

Тележка едва проходит петлю при h = 2,5R; тогда в верхней точке N = 0.

9.Импульс и столкновения

Ответ: v′1 = −2,727 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 = (1,5 − 4)/(1,5 + 4)·6 = −2,727 m/s
v′2 = 2·1,5/(1,5 + 4)·6 = 3,273 m/s

Ответ

v′1 = −2,727 m/s

Знак минус означает, что первая тележка отскакивает назад.

10.Импульс и столкновения

Ответ: J = 25,2 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 = 0,6·(19 + 23) = 25,2 N·s

Ответ

J = 25,2 N·s
11.Гидростатическое давление

Ответ: F = 239,1 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 + 2,5/2 = 3,25 m
A = H·b = 2,5·3 = 7,5 m²
затворd = 2 mH = 2,5 mF

Равнодействующая сила

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·3,25·7,5 = 239,1 kN

Ответ

F = 239,1 kN
12.Гидростатическое давление

Ответ: F = 176,6 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 = 2,5 + 3/2 = 4 m
A = H·b = 3·1,5 = 4,5 m²
затворd = 2,5 mH = 3 mF

Равнодействующая сила

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·4·4,5 = 176,6 kN

Ответ

F = 176,6 kN
13.Неразрывность и Бернулли

Ответ: p1 = 288,4 kPa

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.

Скорости

v1 = Q/A1 = 0,04/0,01767 = 2,264 m/s
v2 = Q/A2 = 0,04/0,004418 = 9,054 m/s

Бернулли

p1 = p2 + ½ρ(v2² − v1²) = 250 + ½·1000·(9,054² − 2,264²)/1000 = 250 + 38,43 = 288,4 kPa

Ответ

p1 = 288,4 kPa
14.Неразрывность и Бернулли

Ответ: p2 = 287,7 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·(75/25)² = 11,25 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(1,25² − 11,25²)/1000 = −62,5 kPa
ρgΔz = 1000·9,81·1/1000 = 9,81 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) − ρgΔz = 360 + (−62,5) − 9,81 = 287,7 kPa

Ответ

p2 = 287,7 kPa
15.Уравнение состояния идеального газа

Ответ: V = 41,42 L

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

Моли

n = 330/32 = 10,31 mol
T = 65 + 273,15 = 338,1 K

Объём

V = nRT/P = 10,31·8,314·338,1/700 = 41,42 L

Ответ

V = 41,42 L
16.Уравнение состояния идеального газа

Ответ: ρ = 4,642 kg/m³

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

Преобразуйте газовый закон

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 100 + 273,15 = 373,1 K

Плотность

ρ = 450·32/(8,314·373,1) = 4,642 kg/m³

Ответ

ρ = 4,642 kg/m³
17.Тепловые машины и холодильники

Ответ: TL = 55,03 °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.

Абсолютная температура источника

TH = 600 + 273,15 = 873,1 K

Отношение теплот для обратимого цикла

TL = TH·QL/QH = 873,1·1541/4100 = 328,2 K = 55,03 °C

Ответ

TL = 55,03 °C
18.Тепловые машины и холодильники

Ответ: Ẇ = 1,184 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 = 21 + 273,15 = 294,1 K
TL = 10 + 273,15 = 283,1 K

COP Карно и действительный COP

COPmax = 294,1/(294,1 − 283,1) = 26,74
COP = 0,3·26,74 = 8,022

Потребляемая мощность

Ẇ = Q̇H/COP = 9,5/8,022 = 1,184 kW

Ответ

Ẇ = 1,184 kW
19.Волны, звук и оптика

Ответ: β2 = 80 dB

Волны: периодическая волна проходит одну длину волны за один период, поэтому v = fλ при T = 1/f. На натянутой струне v = √(T/μ), где T — сила натяжения, а μ = m/L — масса на метр. Звук в воздухе распространяется со скоростью около 343 m/s при 20 °C, свет в вакууме — со скоростью c = 3,00 × 10⁸ m/s. Громкость измеряется в логарифмическом масштабе: β = 10·log₁₀(I/I₀) dB, где I₀ = 10⁻¹² W/m², поэтому десятикратная интенсивность добавляет 10 dB. Точечный источник распределяет мощность P по сфере: I = P/(4πr²).

Отношение интенсивностей

I₂/I₁ = (10/100)² = 0,01

Новый уровень

β₂ = 100 + 10·log₁₀(0,01) = 80 dB

Ответ

β2 = 80 dB

Каждое удвоение расстояния снижает уровень примерно на 6 dB.

20.Волны, звук и оптика

Ответ: y2 = 5,5 mm

Интерференция и дифракция: свет от двух щелей на расстоянии d друг от друга приходит в точку на экране с разностью хода d·sin θ. Светлые полосы появляются там, где d·sin θ = mλ (m = 0, ±1, ±2, …). Для экрана на расстоянии L ≫ d m-я светлая полоса находится при y = mλL/d, а расстояние между полосами равно Δy = λL/d. У решётки с N штрихами на миллиметр d = 1/N, а резкие максимумы находятся при d·sin θ = mλ; так как sin θ ≤ 1, наивысший порядок — наибольшее целое число m ≤ d/λ. У одной щели шириной a тёмные полосы находятся при a·sin θ = mλ, m = ±1, ±2, …

Расстояние между полосами

Δy = λL/d = 550 × 10⁻⁹·2,5/(0,5 × 10⁻³) = 2,75 mm

Полоса номер 2

y2 = 2·2,75 = 5,5 mm

Ответ

y2 = 5,5 mm

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