Фізика для інженерів: шпаргалка-підсумок

Аркуші з формулами, ключові кроки методів для кожної теми та 20 задач для практики, з повними розв’язками наприкінці.

Нові задачіНазад до курсу

У вікні друку виберіть «Зберегти як PDF», щоб зберегти копію на пристрої.

1Формули та методи

Кінематика

Швидкість
v = v0 + a·t
Переміщення
s = v0·t + ½·a·t²
Без часу
v² = v0² + 2·a·s
Одиниці
1 m/s = 3,6 km/h

Метод

  1. Випишіть, що відомо: v₀, v, a, t і s, з одиницями.
  2. Оберіть рівняння, що містить три відомі величини й невідому.
  3. Оберіть один додатний напрямок і протилежно напрямленим величинам дайте знак мінус.
  4. Розв’яжіть і перевірте, чи відповідь фізично розумна.

Закони Ньютона

Другий закон
ΣF = m·a
Вага
W = m·g
Тертя ковзання
Ff = μ·N
На похилій площині
уздовж: m·g·sin θ, по нормалі: m·g·cos θ

Метод

  1. Накресліть розрахункову схему з усіма силами, що діють на тіло.
  2. Оберіть додатний напрямок уздовж руху.
  3. Розкладіть сили на складові вздовж руху й перпендикулярно до нього (на похилій площині: m·g·sin θ уздовж, m·g·cos θ перпендикулярно до площини).
  4. Застосуйте ΣF = m·a уздовж руху; тертя μ·N напрямлене проти руху.

Рух тіла, кинутого під кутом

Складові
vx = v0cos θ, vy = v0sin θ
Положення
x = vxt, y = h + vyt − ½gt²
Максимальна висота
H = h + vy²/(2g)
Дальність (рівна поверхня)
R = v0²·sin 2θ/g

Метод

  1. Розкладіть початкову швидкість на складові: vx = v₀·cos θ і vy = v₀·sin θ.
  2. Горизонтальний рух відбувається зі сталою швидкістю; вертикальний — з прискоренням −g.
  3. Знайдіть час польоту з вертикального руху.
  4. Підставте цей час у горизонтальний рух, щоб знайти дальність.

Робота й енергія

Кінетична енергія
Ek = ½mv²
Потенціальна енергія
Ep = mgh
Енергетичний баланс
Ek1 + Ep1 + W = Ek2 + Ep2 + losses
Робота сили тертя
W = μ·N·d
Потужність
P = W/t

Імпульс і зіткнення

Імпульс
p = m·v
Збереження
Σm·v (before) = Σm·v (after)
Абсолютно непружний удар
v′ = (m1v1 + m2v2)/(m1 + m2)
Імпульс сили
J = F·Δt = m·Δv

Метод

  1. Оберіть додатний напрямок і дайте кожній швидкості її знак.
  2. Запишіть сумарний імпульс до зіткнення: Σm·v.
  3. При абсолютно непружному зіткненні тіла після нього рухаються разом; при пружному зберігається також кінетична енергія.
  4. Прирівняйте імпульс до зіткнення до імпульсу після й розв’яжіть.

Гідростатична сила

Тиск на глибині
p = ρgh
Сила тиску на вертикальну стінку
F = ρg·hc·A
Центр тиску
yp = yc + Ic/(ycA)
Прямокутник
Ic = bH³/12

Нерозривність і Бернуллі

Нерозривність
A1v1 = A2v2
Бернуллі
p1 + ½ρv1² + ρgz1 = p2 + ½ρv2² + ρgz2
Витрата
Q = A·v
Площа круга
A = πd²/4

Рівняння стану ідеального газу

Рівняння стану ідеального газу
pV = nRT
Газова стала
R = 8,314 J/(mol·K)
Об’єднаний газовий закон
p1V1/T1 = p2V2/T2
Молі
n = m/M
Температура
T[K] = T[°C] + 273,15

Теплові машини й холодильники

ККД
η = W/QH = 1 − QC/QH
ККД Карно
ηC = 1 − TC/TH (kelvin)
COP холодильника
COPR = QC/W
COP теплового насоса
COPHP = QH/W = COPR + 1
Енергетичний баланс
QH = W + QC

Хвилі, звук і оптика

Швидкість хвилі
v = fλ, T = 1/f
Струна
v = √(T/μ), μ = m/L
Рівень звуку
β = 10·log10(I/I0), I0 = 10⁻¹² W/m²
Точкове джерело
I = P/(4πr²)
Стоячі хвилі
струна або відкрита труба fn = n·v/(2L); закрита труба fn = n·v/(4L), n непарне
Ефект Доплера
f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs)
Показник заломлення
n = c/v, λ = λ0/n
Закон Снеліуса
n1sin θ1 = n2sin θ2
Критичний кут
sin θc = n2/n1
Оптичне волокно
NA = sin θa = √(n1² − n2²)
Лінзи та дзеркала
1/f = 1/do + 1/di, m = −di/do, mirror f = R/2
Подвійна щілина
d·sin θ = mλ, ym = mλL/d
Ґратка
d = 1/N, d·sin θ = mλ, mmax ≤ d/λ
Одна щілина
a·sin θ = mλ (dark), w = 2λL/a

Метод

  1. Визначте тип задачі: швидкість хвилі, рівень звуку, стояча хвиля, ефект Доплера, заломлення, лінза чи дзеркало або інтерференція.
  2. Спершу запишіть співвідношення: v = fλ, β = 10·log(I/I₀), fₙ = n·v/(2L) або n·v/(4L), f′ = f(v ± vo)/(v ∓ vs), n₁sin θ₁ = n₂sin θ₂, 1/f = 1/d₀ + 1/dᵢ, d·sin θ = mλ.
  3. Переведіть одиниці: нм, мм і см у м, і перевірте, чи кути відлічено від нормалі.
  4. Перевірте знаки та правдоподібність: уявне зображення має dᵢ < 0, джерело, що наближається, звучить вище, закрита труба має лише непарні гармоніки.

2Задачі для практики

1.КінематикаСередня
t (s)v (m/s)0,7 s13,89

Водійка, що їде зі швидкістю 50 km/h, бачить перешкоду. Її час реакції 0,7 s, після чого автомобіль гальмує зі сталим сповільненням 6 m/s². Знайдіть повний гальмівний шлях d від моменту, коли вона побачила перешкоду.

v₀ = 50 km/htr = 0,7 sa = −6 m/s²
d = m
2.КінематикаСкладна
t (s)v (m/s)4 s

Трамвай рушає з місця й розганяється з прискоренням 1,5 m/s² протягом 4 s, потім їде зі сталою швидкістю 26 s і нарешті гальмує з прискоренням 3 m/s² до зупинки. Знайдіть повний час руху t.

a1 = 1,5 m/s²t1 = 4 st2 = 26 sa3 = −3 m/s²
t = s
3.Закони НьютонаСередня
θ = 30°a = ?m = 5 kg

Брусок масою 5 kg ковзає вниз похилою площиною під кутом 30° до горизонту. Коефіцієнт тертя ковзання 0,2. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть прискорення a бруска вздовж площини.

m = 5 kgθ = 30°μ = 0,2g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Закони НьютонаСкладна
m1​ = 1,5 kg3,5 kgμ = 0,2

Брусок масою 1,5 kg на горизонтальному столі з’єднаний легкою ниткою, перекинутою через блок без тертя, з підвішеним вантажем масою 3,5 kg. Коефіцієнт тертя ковзання між бруском і столом 0,2. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть силу натягу T нитки.

m1 = 1,5 kgm2 = 3,5 kgμ = 0,2g = 9,81 m/s²
T = N
5.Рух тіла, кинутого під кутомСередня
15 my = ?v0​ = 24 m/s30°

М’яч б’ють з рівної землі зі швидкістю 24 m/s під кутом 30° над горизонталлю в бік стіни на відстані 15 m. Нехтуйте опором повітря й прийміть g = 9,81 m/s². На якій висоті y м’яч пролітає повз стіну?

v₀ = 24 m/sθ = 30°x = 15 mg = 9,81 m/s²
y = m
6.Рух тіла, кинутого під кутомСкладна
h = 25 mv0​ = 30 m/s50°H = ?

М’яч кидають зі швидкістю 30 m/s під кутом 50° над горизонталлю з вершини скелі заввишки 25 m. Нехтуйте опором повітря й прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть найбільшу висоту H над землею біля підніжжя скелі.

v₀ = 30 m/sθ = 50°h = 25 mg = 9,81 m/s²
H = m
7.Робота й енергіяСередня
120 km/h

Автомобіль, що рухається зі швидкістю 120 km/h рівною дорогою, різко гальмує й зупиняється юзом із заблокованими колесами. Коефіцієнт тертя ковзання між шинами й дорогою 0,6. Знайдіть гальмівний шлях d.

v = 120 km/hμ = 0,6g = 9,81 m/s²
d = m
8.Робота й енергіяСкладна
h = 3,5 mL = 2 mμ = 0,25k = 1000 N/m

Брусок масою 10 kg відпускають без початкової швидкості на висоті 3,5 m на гладкій рампі. Унизу він перетинає шорстку горизонтальну смугу довжиною 2 m (μ = 0,25), а потім натрапляє на пружину (k = 1000 N/m) на гладкій поверхні. Знайдіть найбільше стиснення x пружини.

m = 10 kgh = 3,5 mL = 2 mμ = 0,25k = 1000 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
9.Імпульс і зіткненняСередня
1700 kg11 m/s1700 kg

Автомобіль масою 1700 kg, що рухається зі швидкістю 11 m/s, налітає на нерухомий автомобіль масою 1700 kg, і вони зчіплюються. Скільки кінетичної енергії ΔK втрачається під час зіткнення?

m1 = 1700 kgv1 = 11 m/sm2 = 1700 kgv2 = 0
ΔK = J
10.Імпульс і зіткненняСкладна
24 m/s18 m/s

М’яч масою 0,55 kg ударяється об стіну зі швидкістю 24 m/s і відскакує прямо назад зі швидкістю 18 m/s. Контакт триває 20 ms. Знайдіть модуль імпульсу сили J, який стіна надає м’ячу.

m = 0,55 kgvin = 24 m/svout = 18 m/sΔt = 20 ms
J = N·s
11.Гідростатична силаСередня
затворd = 2,5 mH = 1,5 m

Вертикальний прямокутний затвор шириною 1,5 m розташований у стінці резервуара з рідиною (вода), його верхній край на 2,5 m нижче поверхні. Знайдіть рівнодійну гідростатичну силу F на затвор.

d = 2,5 mH = 1,5 mb = 1,5 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
12.Гідростатична силаСкладна
затворd = 2,5 mH = 3 m

Вертикальний прямокутний затвор шириною 2 m розташований у стінці резервуара з рідиною (олія), його верхній край на 2,5 m нижче поверхні. Знайдіть рівнодійну гідростатичну силу F на затвор.

d = 2,5 mH = 3 mb = 2 mρ = 880 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
13.Нерозривність і БернулліСередня
12d1​ = 150 mm, p1​ = 290 kPad2​ = 50 mm, p2​ = ?

Вода тече горизонтальною трубою, що звужується з 150 mm до 50 mm. У широкій частині тиск 290 kPa, а швидкість 1 m/s. Нехтуючи втратами, знайдіть тиск p2 у вузькій частині.

d1 = 150 mmd2 = 50 mmp1 = 290 kPav1 = 1 m/sρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
14.Нерозривність і БернулліСкладна
pair​ = 60 kPaQ = ?d = 30 mmh = 2 m

У закритому резервуарі над водою стиснене повітря з надлишковим тиском 60 kPa. Вода витікає в атмосферу через отвір діаметром 30 mm, розташований на 2 m нижче за поверхню води. Нехтуючи втратами, знайдіть витрату Q. Візьміть g = 9,81 m/s².

pair = 60 kPa (надлишковий)h = 2 md = 30 mmρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
Q = L/s
15.Рівняння стану ідеального газуСередня
160 g (N₂)V = 10 LT = 50 °CP = ?

Резервуар об’ємом 10 L містить 160 g газу (N₂) при 50 °C. Вважайте газ ідеальним і знайдіть тиск P.

m = 160 gM = 28,01 g/molV = 10 LT = 50 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
16.Рівняння стану ідеального газуСкладна
Стан 1Стан 2

Стала кількість газу (Ar) переходить від 100 kPa, 20 L, 40 °C до 750 kPa і 80 °C. Знайдіть новий об’єм V2.

P1 = 100 kPaV1 = 20 LT1 = 40 °CP2 = 750 kPaT2 = 80 °C
V2 = L
17.Теплові машини й холодильникиСередня
TH​ = 250 °CTL​ = 10 °CEQH​QL​W

Теплова машина працює між гарячим резервуаром при 250 °C і холодним при 10 °C. Знайдіть найбільший можливий термічний ККД ηmax.

TH = 250 °CTL = 10 °C
ηmax = %
18.Теплові машини й холодильникиСкладна
TH​ = 21 °CTL​ = 2 °CHPQ̇H​ = 15 kWQ̇L​Ẇ = ?

Тепловий насос підтримує в будинку 21 °C, коли надворі 2 °C, і подає в будинок 15 kW теплоти. Знайдіть мінімальну потрібну потужність Ẇmin.

TH = 21 °CTL = 2 °CQ̇H = 15 kW
Ẇmin = kW
19.Хвилі, звук і оптикаСередня
L = 0,8 mn = 5

Труба, відкрита з обох кінців: довжина 0,8 м. Швидкість звуку — 343 м/с. Знайдіть частоту f5 для моди «гармоніка номер 5».

v = 343 m/sn = 5L = 0,8 m
f5 = Hz
20.Хвилі, звук і оптикаСкладна
f1​ = 15 cmf2​ = 15 cm40 cm60 cm

Дві тонкі лінзи мають спільну вісь і розташовані на відстані 60 см одна від одної: лінза 1 з f₁ = 15 см і лінза 2 з f₂ = 15 см. Предмет стоїть на відстані 40 см перед лінзою 1. Знайдіть положення di2 кінцевого зображення, виміряне від лінзи 2 (додатне за лінзою 2, правило «дійсне — додатне»).

f1 = 15 cmf2 = 15 cms = 60 cmdo = 40 cm
di2 = cm

3Розчини

1.Кінематика

Відповідь: d = 25,8 m

Рух зі сталим прискоренням: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² і v² = v₀² + 2·a·s. Виберіть рівняння, до якого входять три відомі величини й шукана, і стежте за знаками відносно одного додатного напрямку.

Одиниці

v₀ = 50/3,6 = 13,89 m/s

Шлях за час реакції

d1 = v₀·tr = 13,89·0,7 = 9,722 m

Гальмівний шлях

d2 = v₀²/(2a) = 13,89²/(2·6) = 16,08 m

Разом

d = 9,722 + 16,08 = 25,8 m

Відповідь

d = 25,8 m
2.Кінематика

Відповідь: t = 32 s

Рух зі сталим прискоренням: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² і v² = v₀² + 2·a·s. Виберіть рівняння, до якого входять три відомі величини й шукана, і стежте за знаками відносно одного додатного напрямку.

Найбільша швидкість

v = a1·t1 = 1,5·4 = 6 m/s

Час гальмування

t3 = v/a3 = 6/3 = 2 s

Загальний час

t = 4 + 26 + 2 = 32 s

Відповідь

t = 32 s
3.Закони Ньютона

Відповідь: a = 3,206 m/s²

Другий закон Ньютона: рівнодійна сил, що діють на тіло, дорівнює добутку його маси на прискорення, ΣF = m·a. Накресліть розрахункову схему, виберіть додатний напрямок уздовж руху й додайте всі сили в цьому напрямку: прикладені сили, тертя μ·N проти руху та складові сили тяжіння.

Сили вздовж площини

Униз уздовж площини — додатний напрямок.

m·a = m·g·sin θ − μ·m·g·cos θ

Прискорення

a = 9,81·(sin 30° − 0,2·cos 30°) = 9,81·(0,5 − 0,1732) = 3,206 m/s²

Відповідь

a = 3,206 m/s²
4.Закони Ньютона

Відповідь: T = 12,36 N

Другий закон Ньютона: рівнодійна сил, що діють на тіло, дорівнює добутку його маси на прискорення, ΣF = m·a. Накресліть розрахункову схему, виберіть додатний напрямок уздовж руху й додайте всі сили в цьому напрямку: прикладені сили, тертя μ·N проти руху та складові сили тяжіння.

Прискорення системи

a = (m2·g − μ·m1·g)/(m1 + m2) = (34,34 − 2,943)/5 = 6,278 m/s²

Натяг із рівняння для бруска на столі

T − μ·m1·g = m1·a
T = 1,5·6,278 + 2,943 = 12,36 N

Відповідь

T = 12,36 N
5.Рух тіла, кинутого під кутом

Відповідь: y = 6,106 m

Рух тіла, кинутого під кутом: без опору повітря x = vxt і y = h + vyt − ½gt². Обидва напрями незалежні, їх пов’язує лише спільний час.

Час до стіни

vx = 24·cos 30° = 20,78 m/s
t = x/vx = 15/20,78 = 0,7217 s

Висота в цей момент

y = 12·0,7217 − ½·9,81·0,7217² = 6,106 m

Відповідь

y = 6,106 m

Біля стіни м’яч ще піднімається.

6.Рух тіла, кинутого під кутом

Відповідь: H = 51,92 m

Рух тіла, кинутого під кутом: без опору повітря x = vxt і y = h + vyt − ½gt². Обидва напрями незалежні, їх пов’язує лише спільний час.

Початкова вертикальна швидкість

vy = 30·sin 50° = 22,98 m/s

Підйом над скелею

Δh = vy²/(2g) = 22,98²/(2·9,81) = 26,92 m

Висота над землею

H = 25 + 26,92 = 51,92 m

Відповідь

H = 51,92 m
7.Робота й енергія

Відповідь: d = 94,39 m

Теорема про кінетичну енергію: зміна кінетичної енергії дорівнює роботі всіх сил. Якщо записати тяжіння й пружини як потенціальну енергію (mgh і ½kx²), виходить баланс: початкова енергія = кінцева енергія + енергія, втрачена на тертя (μN·d).

Швидкість в основних одиницях

v = 120/3,6 = 33,33 m/s

Енергетичний баланс

½mv² = μmg·d → d = v²/(2μg) = 33,33²/(2·0,6·9,81) = 94,39 m

Відповідь

d = 94,39 m

Подвоєння швидкості збільшує гальмівний шлях учетверо.

8.Робота й енергія

Відповідь: x = 76,72 cm

Теорема про кінетичну енергію: зміна кінетичної енергії дорівнює роботі всіх сил. Якщо записати тяжіння й пружини як потенціальну енергію (mgh і ½kx²), виходить баланс: початкова енергія = кінцева енергія + енергія, втрачена на тертя (μN·d).

Енергія після шорсткої смуги

Рампа гладка, тож енергію забирає лише смуга.

mgh − μmgL = 98,1·(3,5 − 0,25·2) = 294,3 J

Найбільше стиснення

½kx² = 294,3 → x = √(2·294,3/1000) = 0,7672 m = 76,72 cm

Відповідь

x = 76,72 cm
9.Імпульс і зіткнення

Відповідь: ΔK = 51425 J

Закон збереження імпульсу: якщо під час зіткнення зовнішні сили не діють, сумарний імпульс Σm·v до зіткнення дорівнює сумарному імпульсу після. Швидкість має напрямок, тож виберіть додатний напрямок, а швидкості, спрямовані в протилежний бік, беріть зі знаком мінус. У пружному зіткненні зберігається й кінетична енергія; в абсолютно непружному тіла злипаються.

Спільна швидкість

v′ = m1·v1/(m1 + m2) = 1700·11/3400 = 5,5 m/s

Кінетична енергія до й після

Kbefore = ½·1700·11² = 102850 J
Kafter = ½·3400·5,5² = 51425 J

Втрачена енергія

ΔK = 102850 − 51425 = 51425 J

Відповідь

ΔK = 51425 J

Втрачена енергія йде на деформацію, теплоту й звук.

10.Імпульс і зіткнення

Відповідь: J = 23,1 N·s

Закон збереження імпульсу: якщо під час зіткнення зовнішні сили не діють, сумарний імпульс Σm·v до зіткнення дорівнює сумарному імпульсу після. Швидкість має напрямок, тож виберіть додатний напрямок, а швидкості, спрямовані в протилежний бік, беріть зі знаком мінус. У пружному зіткненні зберігається й кінетична енергія; в абсолютно непружному тіла злипаються.

Зміна імпульсу

J = m·Δv = 0,55·(18 + 24) = 23,1 N·s

Відповідь

J = 23,1 N·s
11.Гідростатична сила

Відповідь: F = 71,74 kN

Гідростатична сила на плоску поверхню: F = ρ·g·yc·A. Вона діє в центрі тиску, ycp = yc + Ic/(ycA), що завжди лежить нижче центра ваги.

Глибина центра ваги і площа

yc = d + H/2 = 2,5 + 1,5/2 = 3,25 m
A = H·b = 1,5·1,5 = 2,25 m²
затворd = 2,5 mH = 1,5 mF

Рівнодійна сила

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·3,25·2,25 = 71,74 kN

Відповідь

F = 71,74 kN
12.Гідростатична сила

Відповідь: F = 207,2 kN

Гідростатична сила на плоску поверхню: F = ρ·g·yc·A. Вона діє в центрі тиску, ycp = yc + Ic/(ycA), що завжди лежить нижче центра ваги.

Глибина центра ваги і площа

yc = d + H/2 = 2,5 + 3/2 = 4 m
A = H·b = 3·2 = 6 m²
затворd = 2,5 mH = 3 mF

Рівнодійна сила

F = ρ·g·yc·A = 880·9,81·4·6 = 207,2 kN

Відповідь

F = 207,2 kN
13.Нерозривність і Бернуллі

Відповідь: p2 = 250 kPa

Нерозривність і Бернуллі: для нестисливої рідини витрата однакова в кожному перерізі, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Уздовж лінії течії без втрат p + ½ρv² + ρgz стале, тож там, де рідина швидша або вища, тиск нижчий.

Нерозривність і Бернуллі

Рахуйте в Pa, потім поділіть на 1000, щоб отримати kPa.

v2 = v1·(d1/d2)² = 1·(150/50)² = 9 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(1² − 9²)/1000 = −40 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) = 290 + (−40) = 250 kPa

Відповідь

p2 = 250 kPa
14.Нерозривність і Бернуллі

Відповідь: Q = 8,92 L/s

Нерозривність і Бернуллі: для нестисливої рідини витрата однакова в кожному перерізі, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Уздовж лінії течії без втрат p + ½ρv² + ρgz стале, тож там, де рідина швидша або вища, тиск нижчий.

Рівняння Бернуллі від поверхні до струменя

v = √(2·(60000/1000 + 9,81·2)) = 12,62 m/s

Витрата

Q = A·v = 0,0007069·12,62 = 0,00892 m³/s = 8,92 L/s

Відповідь

Q = 8,92 L/s
15.Рівняння стану ідеального газу

Відповідь: P = 1535 kPa

Рівняння стану ідеального газу: PV = nRT, де n = m/M.

Молі

n = m/M = 160/28,01 = 5,712 mol
T = 50 + 273,15 = 323,1 K

Тиск

P = nRT/V = 5,712·8,314·323,1/0,01 = 1535 kPa

Відповідь

P = 1535 kPa
16.Рівняння стану ідеального газу

Відповідь: V2 = 3,007 L

Об’єднаний газовий закон: для сталої кількості ідеального газу P1V1/T1 = P2V2/T2.

Абсолютні температури

T1 = 313,1 K, T2 = 353,1 K

Об’єднаний газовий закон

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 20·(100/750)·(353,1/313,1) = 3,007 L

Відповідь

V2 = 3,007 L
17.Теплові машини й холодильники

Відповідь: ηmax = 45,88 %

Обмеження другого закону: жоден цикл між резервуарами з абсолютними температурами TH і TL не може перевершити оборотний цикл (Карно): ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL) і COPHP,max = TH/(TH − TL). Енергія завжди зберігається: QH = W + QL.

Абсолютні температури

TH = 250 + 273,15 = 523,1 K
TL = 10 + 273,15 = 283,1 K

ККД Карно

ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 283,1/523,1 = 45,88 %

Відповідь

ηmax = 45,88 %
18.Теплові машини й холодильники

Відповідь: Ẇmin = 0,9689 kW

Обмеження другого закону: жоден цикл між резервуарами з абсолютними температурами TH і TL не може перевершити оборотний цикл (Карно): ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL) і COPHP,max = TH/(TH − TL). Енергія завжди зберігається: QH = W + QL.

Абсолютні температури

TH = 21 + 273,15 = 294,1 K
TL = 2 + 273,15 = 275,1 K

Найкращий можливий COP

COPHP,max = TH/(TH − TL) = 294,1/(294,1 − 275,1) = 15,48

Мінімальна потужність

Найменше роботи потребує оборотна машина, що має найбільший COP.

Ẇmin = Q̇H/COP = 15/15,48 = 0,9689 kW

Відповідь

Ẇmin = 0,9689 kW
19.Хвилі, звук і оптика

Відповідь: f5 = 1072 Hz

Стоячі хвилі та ефект Доплера: у струні, закріпленій з обох кінців, або в трубі, відкритій з обох кінців, вкладається ціле число півхвиль: L = nλ/2, fn = n·v/(2L), n = 1, 2, 3, … Труба, закрита з одного кінця, має вузол на закритому кінці й пучність на відкритому: L = nλ/4 лише для непарних n, fn = n·v/(4L). Коли джерело або спостерігач рухаються вздовж лінії між ними, f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs): для руху назустріч один одному беріть верхні знаки. Дві хвилі з майже однаковою частотою дають биття з частотою |f₁ − f₂|.

Довжина хвилі цієї моди

λ = 2L/n = 2·0,8/5 = 0,32 m

Частота

f = v/λ = 343/0,32 = 1072 Hz

Відповідь

f5 = 1072 Hz
20.Хвилі, звук і оптика

Відповідь: di2 = 25,71 cm

Геометрична оптика: на межі n₁·sin θ₁ = n₂·sin θ₂ (закон Снеліуса), кути відлічують від нормалі, а n = c/v. У повільнішому середовищі промінь заломлюється до нормалі. Із густішого середовища (n₁ > n₂) за межею критичного кута θc = arcsin(n₂/n₁) усе світло відбивається: повне внутрішнє відбиття. Тонкі лінзи та сферичні дзеркала підпорядковуються рівнянню 1/f = 1/do + 1/di зі збільшенням m = −di/do. Правило знаків: f > 0 для збірної лінзи й увігнутого дзеркала (f = R/2), f < 0 для розсіювальної лінзи й опуклого дзеркала; di > 0 для дійсного зображення, di < 0 для уявного, а m < 0 для перевернутого зображення.

Зображення від лінзи 1

1/di1 = 1/15 − 1/40 → di1 = 24 cm

Предмет для лінзи 2

do2 = 60 − 24 = 36 cm

Кінцеве зображення

1/di2 = 1/15 − 1/36 → di2 = 25,71 cm

Відповідь

di2 = 25,71 cm

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