Задачи прикладного характера (страница 3)
Купаясь в ванне, Игорь прикинул, что на него со стороны воды действует сила Архимеда \(F_A = \rho g V\), где \(\rho\) – плотность воды в кг/м\(^3\), \(g\) – ускорение свободного падения в м/с\(^2\), \(V\) – объем Игоря в м\(^3\). Игорь задумался, во сколько раз увеличилась бы сила, действующая на него со стороны воды в ванне, если бы при неизменной плотности его объем увеличился в 8 раз. Какой ответ должен получить Игорь?
Пусть до увеличения объем Игоря был \(V_{\text{Игоря}}\) м\(^3\), сила Архимеда, с которой на него действовала вода, была \(F_{A_{1}}\), тогда
после увеличения объем Игоря стал \(8V_{\text{Игоря}}\) м\(^3\). Сила Архимеда после увеличения объема Игоря стала \[F_{A_{2}} = \rho g\cdot 8V_{\text{Игоря}} = 8\rho g V_{\text{Игоря}} = 8F_{A_{1}}.\]
Сила тока в неразветвлённой части полной цепи с \(n\) параллельно соединенными одинаковыми элементами ЭДС может быть найдена по формуле \[I = \dfrac{\mathcal{E}}{R + \frac{r}{n}},\] где \(\mathcal{E}\) – ЭДС каждого источника (в вольтах), \(R = 5,25\) Ом – сопротивление цепи в Омах, \(r = 3\) Ом – внутреннее сопротивление каждого источника. Сила тока составила половину от силы тока короткого замыкания одного источника \(I_{\text{кз}} = \dfrac{\mathcal{E}}{r}\). Сколько элементов ЭДС в цепи?
После подстановки в уравнение \[\dfrac{\mathcal{E}}{R + \frac{r}{n}} = \dfrac{1}{2}\cdot\dfrac{\mathcal{E}}{r}\] известных значений, получим \[\dfrac{\mathcal{E}}{5,25 + \frac{3}{n}} = \dfrac{1}{2}\cdot\dfrac{\mathcal{E}}{3},\] что равносильно \(\dfrac{1}{5,25 + \frac{3}{n}} = \dfrac{1}{6}\), что равносильно \(5,25 + \dfrac{3}{n} = 6\), откуда находим \(n = 4\).
Иван вертикально бросил камень вниз с двух башен А и В (с начальными скоростями, равными 0). В результате он обнаружил, что время падения камня с башни А равно 2 секундам, а с башни В – 2,5 секундам. Иван может приближенно рассчитать высоту любой башни по формуле \(h = 5t^2\), где \(h\) – высота этой башни в метрах, \(t\) – время падения с неё камня в секундах. На сколько согласно подсчётам Ивана башня В выше, чем башня А? Ответ дайте в метрах.
Первый способ:
Разность высот башен В и А равна \(5\cdot{2,5}^2 - 5\cdot 2^2 = 5\cdot(6,25 - 4) = 5\cdot 2,25 = 11,25\) метров.
Второй способ:
Высота башни В равна \(5\cdot{2,5}^2 = 5\cdot 6,25 = 31,25\) метров,
высота башни А равна \(5\cdot 2^2 = 5\cdot 4 = 20\) метров,
башня В выше башни А на \(31,25 - 20 = 11,25\) метров.
Высота подброшенной Борисом вверх гранаты до взрыва меняется по закону \(h = 1 + 25t - 5t^2\), где \(h\) – высота в метрах, \(t\) – время в секундах, отсчитываемое от момента броска. При этом граната взрывается, как только достигнет высоты \(h = 31\) метр. Какое максимальное время пролетит граната до взрыва? Ответ дайте в секундах.
Так как граната взрывается на высоте \(h = 31\) метр, то момент \(t\) взрыва может быть найден из уравнения \[1 + 25t - 5t^2 = 31\qquad\Leftrightarrow\qquad 5t^2 - 25t + 30 = 0 \qquad\Leftrightarrow\qquad 5(t^2 - 5t + 6) = 0,\] откуда находим корни \[t_1 = 2, \ t_2 = 3.\] Так как граната взрывается сразу, как только впервые достигнет высоты \(h = 31\) метр, то максимальное время с момента броска до взрыва равно \(2\) секунды (через 2 секунды после броска граната достигает высоты 31 метр, взрывается и её высота больше не меняется по закону \(h = 1 + 25t - 5t^2\)).
Совершенный газ описывается законом Менделеева-Клапейрона: \(pV = \nu RT\), где \(p\) – давление в Паскалях, \(V\) – объем в м\(^3\), \(\nu\) – количество вещества в молях, \(T\) – температура в градусах Кельвина, \(R\) – универсальная газовая постоянная, равная \(8,31\) Дж/(К\(\cdot\)моль). Во сколько раз надо увеличить температуру совершенного газа, чтобы при неизменном давлении его объем вырос в 3 раза?
Пусть \(V_1\) – начальный объём газа в м\(^3\), \(T_1\) – начальная температура газа в градусах Кельвина, \(T_2\) – конечная температура газа в градусах Кельвина (т.е. после увеличения объема в 3 раза), тогда \(3V_1\) – конечный объём.
Для начальных параметров известно, что \[pV_1 = \nu R T_1,\] для конечных параметров известно, что \[p\cdot 3V_1 = \nu R T_2.\] Умножая первое уравнение на \(3\), получаем \[3pV_1 = 3\nu R T_1,\] откуда заключаем, что \(3\nu R T_1 = \nu R T_2\), следовательно, \(T_2 = 3 T_1\), то есть, температуру совершенного газа надо увеличить в \(3\) раза.
Совершенный газ описывается законом Менделеева-Клапейрона: \(pV = \nu RT\), где \(p\) – давление в Паскалях, \(V\) – объем в \(\text{м}^3\), \(\nu\) – количество вещества в молях, \(T\) – температура в градусах Кельвина, \(R\) – универсальная газовая постоянная, равная \(8,31\) Дж/(К\(\cdot\)моль). В некоторый момент давление газа увеличилось в \(2\) раза по сравнению с первоначальным. Во сколько раз при этом должен был увеличиться объем газа, чтобы его температура увеличилась в 7 раз?
Пусть \(V_1\) – начальный объём газа в м\(^3\), \(p_1\) – начальное давление газа в Паскалях, \(T_1\) – начальная температура газа в градусах Кельвина, \(V_2\) – конечный объем газа в м\(^3\), тогда \(7T_1\) – конечная температура, \(2p_1\) – конечное давление газа.
Для начальных параметров известно, что \[p_1V_1 = \nu R T_1,\] для конечных параметров известно, что \[2p_1V_2 = \nu R\cdot 7T_1.\] Умножая первое уравнение на \(7\), получаем \[7p_1V_1 = 7\nu R T_1,\] откуда заключаем, что \(7p_1V_1 = 2p_1V_2\), следовательно, \(V_2 = 3,5 V_1\), то есть, объем совершенного газа должен увеличиться в \(3,5\) раза.
Закон Ома гласит, что сила тока полной цепи, измеряемая в амперах, равна \[I = \dfrac{\mathcal{E}}{R+r},\] где \(\mathcal{E}\) – ЭДС источника (в вольтах), \(R\) – сопротивление цепи в Омах, \(r = 3\) Ом – внутреннее сопротивление источника. При каком сопротивлении цепи сила тока будет составлять \(0,3\) от силы тока короткого замыкания \[I_{\text{кз}} = \dfrac{\mathcal{E}}{r}?\] Ответ дайте в Омах.
\(I = 0,3 I_{\text{кз}}\) равносильно тому, что \[\dfrac{\mathcal{E}}{R+3} = 0,3\cdot \dfrac{\mathcal{E}}{3}\qquad\Leftrightarrow\qquad \dfrac{1}{R+3} = 0,3\cdot \dfrac{1}{3}\qquad\Leftrightarrow\qquad \dfrac{1}{R+3} = 0,1 \qquad\Leftrightarrow\qquad R + 3 = 10,\] откуда находим \(R = 7\) Ом.
