Равнодействующая - это геометрическая сумма всех отдельно действующих сил:
R = F1 + F2 + F3
Согласно условию задачи, силы могут иметь два направления: вверх или вниз. Если направить оси Y традиционно вверх, то сила, сонаправленная с осью, будет иметь знак "+", а противонаправленная - "-". В условиях задачи предлагается всего четыре варианта равнодействующей. Всем четырём удовлетворяет только один ответ: 1 Н, 3 Н и 7 Н. Проверим:
1 + 3 + 7 = 11
7 + (-3) + (-1) = 7 - 3 - 1 = 3
7 + (-1) + 3 = 7 - 1 + 3 = 9
7 + (-3) + 1 = 5
Вообще здесь работают свойства сложения чётных и нечётных чисел. Смысл такой: поскольку равнодействующая сил имеет нечётное значение (3, 5, 9 или 11), то числа, из которых складывается это нечётное значение, должны быть чётным и нечётным (одно чётное + одно нечётное = нечётное). Так как у нас три силы, а не две, то одна из сил должна иметь нечётное значение, а сумма двух других - чётное.
Очевидно, что вода, которая уже находится в ванной, будет поглощать тепло добавленной воды, так как её температура ниже:
t1 < t2.
Добавленная же вода будет отдавать тепло. Количество этого тепла будет одинаковым для обоих объёмов воды, как и температура t3 - температура объёма V1 будет повышаться до t3, а температура объёма V2 будет понижаться до t3. Можем записать уравнение теплового баланса:
Q1 = Q2
Q = cmΔt
Представим массу как произведение плотности и объёма:
m2 = p*V2 = p*0,25V. Подставим выражения масс в уравнения для их Q:
Q1 = cm1Δt = c*p*0,5V*Δt
Δt = t3 - t1 => Q1 = c*p*0,5V*(t3 - t1)
Q2 = cm2Δt' = c*p*0,25V*Δt'
Δt' = t3 - t2 => Q2 = c*p*0,25V*(t3 - t2). Приравняем согласно тепловому балансу:
Q1 = Q2
c*p*0,5V*(t3 - t1) = c*p*0,25V*(t3 - t2)
Однако изменение температуры того объёма воды, который отдаёт тепло Q2, оказывается отрицательным. Чтобы не нарушать равенства, возьмём эту разницу под знак модуля и сделаем перестановку переменных:
|Δt'| = |t3 - t2| = |t2 - t3|, тогда:
c*p*0,5V*(t3 - t1) = c*p*0,25V*|t2 - t3| - в физическом смысле объём воды V2 теперь не отдаёт тепло, а получает его (мы избавились от знака "минус" перед Q2). Конечно, в реальности он всё так же отдаёт тепло, но для решения вопроса нам "на руку" именно обратное действие. Далее сократим обе части равенства на (c*p*V):
Равнодействующая - это геометрическая сумма всех отдельно действующих сил:
R = F1 + F2 + F3
Согласно условию задачи, силы могут иметь два направления: вверх или вниз. Если направить оси Y традиционно вверх, то сила, сонаправленная с осью, будет иметь знак "+", а противонаправленная - "-". В условиях задачи предлагается всего четыре варианта равнодействующей. Всем четырём удовлетворяет только один ответ: 1 Н, 3 Н и 7 Н. Проверим:
1 + 3 + 7 = 11
7 + (-3) + (-1) = 7 - 3 - 1 = 3
7 + (-1) + 3 = 7 - 1 + 3 = 9
7 + (-3) + 1 = 5
Вообще здесь работают свойства сложения чётных и нечётных чисел. Смысл такой: поскольку равнодействующая сил имеет нечётное значение (3, 5, 9 или 11), то числа, из которых складывается это нечётное значение, должны быть чётным и нечётным (одно чётное + одно нечётное = нечётное). Так как у нас три силы, а не две, то одна из сил должна иметь нечётное значение, а сумма двух других - чётное.
(1 + 3) = 4 (чётное) + 7 (нечётное) = 11 (нечётное)
(7 + (-3)) = 4 (чётное) + (-1) (нечётное) = 3 (нечётное)
(7 + (-1)) = 6 (чётное) + 3 (нечётное) = 9 (нечётное)
(7 + (-3)) = 4 (чётное) + 1 (нечётное) = 5 (нечётное)
Остальные варианты ответа не подходят, поскольку не во всех суммах получаются заданные значения равнодействующей. Например:
8 + 0,5 + 2,5 = 11 - подходит
8 + (-0,5) + (-2,5) = 5 - подходит
8 + (-0,5) + 2,5 = (8 + (-0,5)) + 2,5 = 10 - не подходит
или 8 + (-2,5) + 0,5 = (8 + (-2,5)) + 0,5 = 6 - не подходит
Последние две суммы, которые не подходят, иллюстрируют свойство сложения двух нечётных чисел - в таком случае всегда получается чётное число.
ответ: 1 Н, 3 Н и 7 Н.
Дано:
t1 = 25 °C
t2 = 70 °C
V1 = 0,5V
V1 + V2 = 0,75V
t3 - ?
Очевидно, что вода, которая уже находится в ванной, будет поглощать тепло добавленной воды, так как её температура ниже:
t1 < t2.
Добавленная же вода будет отдавать тепло. Количество этого тепла будет одинаковым для обоих объёмов воды, как и температура t3 - температура объёма V1 будет повышаться до t3, а температура объёма V2 будет понижаться до t3. Можем записать уравнение теплового баланса:
Q1 = Q2
Q = cmΔt
Представим массу как произведение плотности и объёма:
m = р*V, тогда
m1 = р*V1 = p*0,5V
m2 = p*V2
V2 выразим из уравнения:
V1 + V2 = 0,75V => V2 = 0,75V - V1 = 0,75V - 0,5V = V*(0,75 - 0,5) = 0,25V, значит
m2 = p*V2 = p*0,25V. Подставим выражения масс в уравнения для их Q:
Q1 = cm1Δt = c*p*0,5V*Δt
Δt = t3 - t1 => Q1 = c*p*0,5V*(t3 - t1)
Q2 = cm2Δt' = c*p*0,25V*Δt'
Δt' = t3 - t2 => Q2 = c*p*0,25V*(t3 - t2). Приравняем согласно тепловому балансу:
Q1 = Q2
c*p*0,5V*(t3 - t1) = c*p*0,25V*(t3 - t2)
Однако изменение температуры того объёма воды, который отдаёт тепло Q2, оказывается отрицательным. Чтобы не нарушать равенства, возьмём эту разницу под знак модуля и сделаем перестановку переменных:
|Δt'| = |t3 - t2| = |t2 - t3|, тогда:
c*p*0,5V*(t3 - t1) = c*p*0,25V*|t2 - t3| - в физическом смысле объём воды V2 теперь не отдаёт тепло, а получает его (мы избавились от знака "минус" перед Q2). Конечно, в реальности он всё так же отдаёт тепло, но для решения вопроса нам "на руку" именно обратное действие. Далее сократим обе части равенства на (c*p*V):
c*p*0,5V*(t3 - t1) = c*p*0,25V*|t2 - t3| | : (c*p*V)
0,5*(t3 - t1) = 0,25*|t2 - t3| - теперь можно найти t3, раскрыв скобки в левой части и модуль в правой:
0,5t3 - 0,5t1 = 0,25t2 - 0,25t3
0,5t3 + 0,25t3 = 0,25t2 + 0,5t1
t3*(0,5 + 0,25) = 0,25t2 + 0,5t1
t3 = (0,25t2 + 0,5t1)/(0,5 + 0,25) = (0,25*70 + 0,5*25)/0,75 = (17,5 + 12,5)/0,75 = 30/0,75 = 30*100/75 = 6*100/15 = 2*100/5 = 200/5 = 40 °С
ответ: 40 °С. А)