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
a = ?s = 1600 m

Для зльоту літаку потрібна швидкість 280 km/h, а довжина злітної смуги 1600 m. Яке стале прискорення a йому потрібне, якщо він рушає з місця?

v₀ = 0v = 280 km/hs = 1600 m
a = m/s²
2.КінематикаСкладна
a = 26 m/s²

Модель ракети запускають вертикально вгору зі стану спокою. Двигун надає їй сталого прискорення вгору 26 m/s² протягом 1 s, після чого вимикається, і ракета рухається вільно. Нехтуйте опором повітря й прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть найбільшу висоту hmax, якої досягає ракета.

a = 26 m/s²t1 = 1 sg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Закони НьютонаСередня
θ = 20°10 kgF = ?

Ящик масою 10 kg штовхають угору похилою площиною під кутом 20° до горизонталі зі сталою швидкістю силою, паралельною площині. Коефіцієнт тертя ковзання 0,2. Прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть силу F, з якою штовхають ящик.

m = 10 kgθ = 20°μ = 0,2g = 9,81 m/s²
F = N
4.Закони НьютонаСкладна
10 kg12 kgTF = 125 Nμ = 0,15

Два бруски на рівній підлозі з’єднані легкою горизонтальною ниткою. Горизонтальна сила 125 N тягне передній брусок масою 12 kg; брусок масою 10 kg тягнеться позаду. Коефіцієнт тертя ковзання для обох брусків 0,15. Прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть силу натягу T з’єднувальної нитки.

m1 = 10 kgm2 = 12 kgF = 125 Nμ = 0,15g = 9,81 m/s²
T = N
5.Рух тіла, кинутого під кутомСередня
v0​ = 38 m/s30°дальність

М’яч кидають під кутом 30° до горизонту з рівної поверхні. Опором повітря знехтуйте. Знайдіть час польоту t до удару м’яча об землю.

v0 = 38 m/sθ = 30°g = 9,81 m/s²
t = s
6.Рух тіла, кинутого під кутомСкладна
3 mv0​ = 40 m/s40°x = ?

М’яч кидають з рівня землі зі швидкістю 40 m/s під кутом 40° над горизонталлю. Він падає на пласкому даху будівлі заввишки 3 m, уже рухаючись униз. Нехтуйте опором повітря й прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть горизонтальну відстань x від точки кидання до місця падіння.

v₀ = 40 m/sθ = 40°hroof = 3 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Робота й енергіяСередня
25°d = 8 mμ = 0,15

Брусок без початкової швидкості ковзає похилою площиною під кутом 25° до горизонту. Коефіцієнт тертя ковзання 0,15. Знайдіть його швидкість v після того, як він проковзає 8 m вздовж площини.

θ = 25°μ = 0,15d = 8 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
8.Робота й енергіяСкладна
h = 5 mL = 5 mμ = 0,2k = 5000 N/m

Брусок масою 0,5 kg відпускають без початкової швидкості на висоті 5 m на гладкій рампі. Унизу він перетинає шорстку горизонтальну смугу довжиною 5 m (μ = 0,2), а потім натрапляє на пружину (k = 5000 N/m) на гладкій поверхні. Знайдіть найбільше стиснення x пружини.

m = 0,5 kgh = 5 mL = 5 mμ = 0,2k = 5000 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
9.Імпульс і зіткненняСередня
3,5 kg4 m/s0,5 kg

Візок масою 3,5 kg, що рухається зі швидкістю 4 m/s, зазнає абсолютно пружного центрального удару з нерухомим візком масою 0,5 kg на доріжці без тертя. Знайдіть швидкість v′2 другого візка після зіткнення.

m1 = 3,5 kgm2 = 0,5 kgv1 = 4 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
10.Імпульс і зіткненняСкладна
4 kgv = ?15 g15°L = 1,7 m

Куля масою 15 g, випущена горизонтально, влучає в брусок масою 4 kg, підвішений на легких нитках завдовжки 1,7 m, і застрягає в ньому. Нитки відхиляються на найбільший кут 15° від вертикалі. Прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть швидкість v кулі до удару.

m = 15 gM = 4 kgL = 1,7 mθ = 15°g = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Гідростатична силаСередня
затворd = 2 mH = 3 m

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

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

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

d = 1,5 mH = 3 mb = 1,5 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
13.Нерозривність і БернулліСередня
12d1​ = 100 mm, p1​ = 200 kPad2​ = 75 mm, p2​ = ?

Вода тече горизонтальною трубою, що звужується з 100 mm до 75 mm. У широкій частині тиск 200 kPa, а швидкість 1 m/s. Нехтуючи втратами, знайдіть тиск p2 у вузькій частині.

d1 = 100 mmd2 = 75 mmp1 = 200 kPav1 = 1 m/sρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
14.Нерозривність і БернулліСкладна
12d1​ = 100 mm, p1​ = 150 kPad2​ = 75 mm, p2​ = ?Δz = 4 m

Вода піднімається трубою, що звужується з 100 mm до 75 mm і піднімається на 4 m. У перерізі 1 тиск 150 kPa, а швидкість 1,25 m/s. Нехтуючи втратами, знайдіть тиск p2 у перерізі 2.

d1 = 100 mmd2 = 75 mmp1 = 150 kPav1 = 1,25 m/sΔz = 4 mρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
15.Рівняння стану ідеального газуСередня
210 g (Ar)P = 150 kPaT = 80 °CV = ?

Який об’єм V займає 210 g газу (Ar) при 150 kPa і 80 °C? Вважайте газ ідеальним.

m = 210 gM = 39,95 g/molP = 150 kPaT = 80 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
16.Рівняння стану ідеального газуСкладна
Стан 1Стан 2

Стала кількість газу (N₂) переходить від 350 kPa, 20 L, 35 °C до 700 kPa і 60 °C. Знайдіть новий об’єм V2.

P1 = 350 kPaV1 = 20 LT1 = 35 °CP2 = 700 kPaT2 = 60 °C
V2 = L
17.Теплові машини й холодильникиСередня
TH​ = 600 °CTL​ = ?EQH​ = 600 kJQL​ = 212 kJW

Оборотний тепловий двигун (Карно) отримує за цикл 600 kJ теплоти від резервуара з температурою 600 °C і віддає 212 kJ. Знайдіть температуру TL холодного резервуара в °C.

TH = 600 °CQH = 600 kJQL = 212 kJ
TL = °C
18.Теплові машини й холодильникиСкладна
TH​ = 32 °CTL​ = 2 °CRQ̇H​Q̇L​ = 2 kWẆ

Холодильник підтримує в холодній камері 2 °C на кухні при 32 °C, відводячи з камери теплоту 2 kW. Знайдіть найбільший можливий холодильний коефіцієнт COPmax.

TH = 32 °CTL = 2 °CQ̇L = 2 kW
COPmax =
19.Хвилі, звук і оптикаСередня
FFdo​ = 60 cmf = −25 cm

Предмет стоїть на відстані 60 см перед тонкою лінзою (розсіювальна) з фокусною відстанню 25 см. Знайдіть відстань до зображення di. Користуйтеся правилом знаків 1/f = 1/do + 1/di (f < 0 для розсіювальної лінзи, di < 0 для уявного зображення).

do = 60 cmf = −25 cm
di = cm
20.Хвилі, звук і оптикаСкладна
Fdo​ = 30 cmR = 20 cm

Предмет розташований на відстані 30 см перед увігнуте дзеркалом із радіусом кривини 20 см. Знайдіть відстань до зображення di: додатну для зображення перед дзеркалом (дійсного) і від’ємну для зображення за ним (уявного).

do = 30 cmR = 20 cm
di = cm

3Розчини

1.Кінематика

Відповідь: a = 1,89 m/s²

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.

Одиниці

v = 280/3,6 = 77,78 m/s

Прискорення

a = v²/(2s) = 77,78²/(2·1600) = 1,89 m/s²

Відповідь

a = 1,89 m/s²
2.Кінематика

Відповідь: hmax = 47,45 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.

Активна ділянка

v₁ = 26·1 = 26 m/s
h₁ = ½·26·1² = 13 m

Вільний політ угору

У найвищій точці швидкість дорівнює нулю.

Δh = v₁²/(2g) = 26²/(2·9,81) = 34,45 m
hmax = 13 + 34,45 = 47,45 m

Відповідь

hmax = 47,45 m
3.Закони Ньютона

Відповідь: F = 51,99 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.

Сили вздовж площини

Стала швидкість: сили зрівноважені.

F = m·g·sin θ + μ·m·g·cos θ

Сила, з якою штовхають

F = 33,55 + 18,44 = 51,99 N

Відповідь

F = 51,99 N
4.Закони Ньютона

Відповідь: T = 56,82 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.

Уся система

a = (F − μ·(m1 + m2)·g)/(m1 + m2) = (125 − 32,37)/22 = 4,21 m/s²

Лише задній брусок

T = m1·(a + μ·g) = 10·(4,21 + 1,472) = 56,82 N

Відповідь

T = 56,82 N

За однакового μ для обох брусків тертя випадає: T = F·m₁/(m₁ + m₂).

5.Рух тіла, кинутого під кутом

Відповідь: t = 3,874 s

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

Розкладіть початкову швидкість

Горизонтальна швидкість стала; вертикальний рух має стале прискорення g = 9,81 m/s² донизу.

vx = v0·cos θ = 38·cos 30° = 32,91 m/s
vy = v0·sin θ = 38·sin 30° = 19 m/s

Час польоту

Старт і приземлення на одній висоті: t = 2vy/g.

t = 2·19/9,81 = 3,874 s

Відповідь

t = 3,874 s
6.Рух тіла, кинутого під кутом

Відповідь: x = 157 m

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.

Розкладіть початкову швидкість

vx = 30,64 m/s, vy = 25,71 m/s

Час до падіння на дах

Більший корінь: м’яч опускається.

3 = 25,71·t − 4,905·t²
t = (25,71 + √(25,71² − 2·9,81·3))/9,81 = 5,122 s

Горизонтальна відстань

x = vx·t = 30,64·5,122 = 157 m

Відповідь

x = 157 m
7.Робота й енергія

Відповідь: v = 6,708 m/s

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).

Енергетичний баланс уздовж площини

Брусок опускається на висоту d·sin θ, а тертя забирає μmg·cos θ·d. Маса скорочується.

½v² = g·d·(sin θ − μ·cos θ)
v = √(2·9,81·8·(0,4226 − 0,15·0,9063)) = 6,708 m/s

Відповідь

v = 6,708 m/s
8.Робота й енергія

Відповідь: x = 8,859 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 = 4,905·(5 − 0,2·5) = 19,62 J

Найбільше стиснення

½kx² = 19,62 → x = √(2·19,62/5000) = 0,08859 m = 8,859 cm

Відповідь

x = 8,859 cm
9.Імпульс і зіткнення

Відповідь: v′2 = 7 m/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.

Пружний удар об нерухоме тіло

Спільний розв’язок рівнянь збереження імпульсу й енергії дає ці два результати.

v′1 = (3,5 − 0,5)/(3,5 + 0,5)·4 = 3 m/s
v′2 = 2·3,5/(3,5 + 0,5)·4 = 7 m/s

Відповідь

v′2 = 7 m/s
10.Імпульс і зіткнення

Відповідь: v = 285,4 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.

Підйом бруска

h = L·(1 − cos θ) = 1,7·(1 − cos 15°) = 0,05793 m

Швидкість після удару

V = √(2·9,81·0,05793) = 1,066 m/s

Зіткнення

v = (m + M)·V/m = 4,015·1,066/0,015 = 285,4 m/s

Відповідь

v = 285,4 m/s
11.Гідростатична сила

Відповідь: F = 103 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 + 3/2 = 3,5 m
A = H·b = 3·1 = 3 m²
затворd = 2 mH = 3 mF

Рівнодійна сила

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·3,5·3 = 103 kN

Відповідь

F = 103 kN
12.Гідростатична сила

Відповідь: F = 132,4 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 = 1,5 + 3/2 = 3 m
A = H·b = 3·1,5 = 4,5 m²
затворd = 1,5 mH = 3 mF

Рівнодійна сила

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·3·4,5 = 132,4 kN

Відповідь

F = 132,4 kN
13.Нерозривність і Бернуллі

Відповідь: p2 = 198,9 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·(100/75)² = 1,778 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(1² − 1,778²)/1000 = −1,08 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) = 200 + (−1,08) = 198,9 kPa

Відповідь

p2 = 198,9 kPa
14.Нерозривність і Бернуллі

Відповідь: p2 = 109,1 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 = 1,25·(100/75)² = 2,222 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(1,25² − 2,222²)/1000 = −1,688 kPa
ρgΔz = 1000·9,81·4/1000 = 39,24 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) − ρgΔz = 150 + (−1,688) − 39,24 = 109,1 kPa

Відповідь

p2 = 109,1 kPa
15.Рівняння стану ідеального газу

Відповідь: V = 102,9 L

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

Молі

n = 210/39,95 = 5,257 mol
T = 80 + 273,15 = 353,1 K

Об’єм

V = nRT/P = 5,257·8,314·353,1/150 = 102,9 L

Відповідь

V = 102,9 L
16.Рівняння стану ідеального газу

Відповідь: V2 = 10,81 L

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

Абсолютні температури

T1 = 308,1 K, T2 = 333,1 K

Об’єднаний газовий закон

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 20·(350/700)·(333,1/308,1) = 10,81 L

Відповідь

V2 = 10,81 L
17.Теплові машини й холодильники

Відповідь: TL = 35,36 °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.

Абсолютна температура джерела

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

Відношення теплот оборотного циклу

TL = TH·QL/QH = 873,1·212/600 = 308,5 K = 35,36 °C

Відповідь

TL = 35,36 °C
18.Теплові машини й холодильники

Відповідь: COPmax = 9,172

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 = 32 + 273,15 = 305,1 K
TL = 2 + 273,15 = 275,1 K

Найкращий можливий COP

COPR,max = TL/(TH − TL) = 275,1/(305,1 − 275,1) = 9,172

Відповідь

COPmax = 9,172
19.Хвилі, звук і оптика

Відповідь: di = −17,65 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.

Рівняння тонкої лінзи

1/di = 1/f − 1/do = 1/(−25) − 1/60
di = −17,65 cm
FF60 cmf = −25 cm

Хід променів

уявне, з того самого боку, що й предмет

Відповідь

di = −17,65 cm
20.Хвилі, звук і оптика

Відповідь: di = 15 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.

Фокусна відстань

f = R/2 = 10 cm

Рівняння дзеркала

1/di = 1/f − 1/do = 1/10 − 1/30
di = 15 cm
F30 cmf = 10 cm

Хід променів

дійсне зображення перед дзеркалом

Відповідь

di = 15 cm

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