Квант
«Квант» улыбается

[Из «Каталога несуществующих объектов»]

60

честава, полного домашнего адреса, профессии и занимаемой должности родителей, а также приложить справку из школа с указанием класса и годовых оценок по математике и физике. Заявление и справку вместе с решением первого (вступительного) задания по математике, о котором написано в статье «Новый пример во Всесоюзную заочную математическую школе» в этом номере журнала, нужно выслать не позднее 5 мая по адресу: 117049 Москва, Ленинский пр., 4, МИСиС, 3ФТШ.

Несолько слов о самом институте. Московский институт стали и сплавов готовит инженерные и научные кадры для металлургической и машиностроительной промышленности и ряда новых отраслей науки и техники. На многих кафедрах института обучение строится так, что студенты уже с первого курса приобретятся к самостоятельной научной работе.

Поступив в МИСиС, вы сможете занимать теории и экспериментом в области физики твердого тела, исследовать свойства вещества при низких температурах, изучать высокотемпературные процессы в жидкости и твердых телах, создавать сплавы с новых свойствами и новые получоводниковые приборы.

Поправка
В «Кваните» № 11 за 1987 г. на с. 49 неверно даны условия упражнения 8 и 9. Правильные условия:
8 (МФТИ, 1986). Решите систему уравнений
sin⁡x=sin⁡2y,2sin⁡(4x+8y)=×sin⁡(3x+10y)+5cos⁡(7x+2y)=4.\begin{align*} \sin x &= \sin 2y, \\ 2 \sin (4x+8y) &= \times \sin (3x+10y) + 5\cos (7x+2y) = 4. \end{align*}

9 (МФТИ, 1982). Найдите все решения системы уравнений
tgx⋅sin⁡y++2ctg x⋅cos⁡y=5/2,2ctg x⋅sin⁡y−−tgx⋅cos⁡y=5/2,\begin{align*} tg x \cdot \sin y + & + 2 \text{ctg } x \cdot \cos y = \sqrt{5/2}, \\ 2 \text{ctg } x \cdot \sin y - & -tg x \cdot \cos y = \sqrt{5/2}, \end{align*}

удовлетворяющие условиям π/2<x<3π/2\pi/2 < x < 3\pi/2, 0<y<π0 < y < \pi.

Велосипед придумали давно. Но жизнь предывляет все новые требования. И нет предела человекской изобретательности!

Велосипед-гармошка. Руль заменен байном, что позволяет музыкант совершенствовать свое искусство на ходу.

Велосипед для езды по ступенкам лестницы.

Симметричный велосипед. Специально созданный, чтобы одинаково движется в общих направлениях.

Из «Каталога несуществующих объектов»

61

Московский физико-технический институт
Математика
Вариант 1

  1. 9/5. 2. a∈(−∞;−2)∪(2;+∞)a \in (-\infty; -2) \cup (2; +\infty).
  2. 512/3. Указание. Пусть AD=aAD=a. Так как BDBD — бисекстраса угла BB, треугольник ABDABD равноведренный (AB=ADAB=AD, рис. 1). Из подобия △BOC∼△AOD\triangle BOC \sim \triangle AOD следует, что BC=313aBC = \frac{3}{13} a. Из прямогоугольного треугольника ABHABH находится aa. 4.{−1/3;−2/3;−5/4;−4/3}4. \{-1/3; -2/3; -5/4; -4/3\}. Указание. Заменой y=cos⁡2xy=\cos 2x уравнение приводится к виду y(4y2−4y−3)=0y(4y^2-4y-3)=0. Выбираем корни этого уравнения, содержащие во множестве решений неравенства (−11/8;−7/8)∪(−3/4;−1/4)(-11/8; -7/8) \cup (-3/4; -1/4).
  3. arccos 35/37 + 12/37 - 2/27. Решение. Рассмотримечение SMN примыты плоскостью, перpendикулярной основанием ADAD и BCBC трапеции ABCDABCD (рис. 2). Так как MN=3MN=3 и OM/ON=2OM/ON=2, OM=2OM=2, ON=1ON=1. Из треугольников MSOMSO и MSNMSN получаем ∠MSO=arccos⁡2/3\angle MSO=\arccos 2/3, ∠MSN=arccos⁡1/21\angle MSN=\arccos 1/21. Из точки FF проведем прямую FLFL, перpendикулярную SMSM, FL=SFsin⁡∠MSO=1/3FL=SF \sin \angle MSO=1/3, FK=1FK=1. Из прямогоугольного треугольника FPOFPO находится радиус цилиндра PO=1PO=1. Так как PO=FKPO=FK, цилиндр имеет единственный общую точку KK с гранью SBCSBC. Рассмотримечение примыты плоскостью, содержащей верхнее основание цилиндра (рис. 3), — это трапеция K1L1L2K2K_1L_1L_2K_2 с основанием K1K2K_1K_2, лежащем в плоскости SADSAD, и L1L2L_1L_2, лежащем в плоскости SADSAD. Так как △SAD∼△SL2L1\triangle SAD \sim \triangle SL_2L_1 и △SBC∼△SK2K1\triangle SBC \sim \triangle SK_2K_1, получаем L1L2=2/9L_1L_2=2/9, K1K2=2/3K_1K_2=2/3 и ∠L1K1K2=arctg6\angle L_1K_1K_2=\arctg 6. Отсюда следует, что прямые K1L1K_1L_1 и K2L2K_2L_2 пересекаются в точке QQ, лежащей на окружности. Осталось найти площадь фигуры L1L2N2KN1L_1L_2N_2KN_1, для чего следует найти площадь сектора FN1KFN_1K и площади треугольников N1QFN_1QF и QL1L2QL_1L_2.

Вариант 2

  1. x=−π/3+2πkx=-\pi/3+2\pi k (k∈Zk \in \mathbb{Z}).
  2. ∠B=arccos⁡2/3\angle B=\arccos \sqrt{2}/3. Указание. Пусть ∠B=φ\angle B=\varphi, BL=cBL=c, CL=aCL=a, тогда
    {a2=c2+3c2cos⁡2φ2a2=4c2−3c2cos⁡2φ,\begin{cases} a^2=c^2+3c^2\cos^2\varphi \\ 2a^2=4c^2-3c^2\cos^2\varphi, \end{cases}
    откуда cos⁡φ=3/2\cos \varphi=\sqrt{3}/2.
  3. 3/253/2\sqrt{5}. Указание. Касательная y=2x−1y=2x-1 пересекает ось OxOx в точке C(1/2;0)C(1/2; 0). Опустив из точки OO перpendикуляр OKOK на хорду ABAB, находим его длину из треугольника OKCOKC, а затем из треугольника OKBOKB — радиус окружности.
    1. a⩽11/10a \leqslant 11/10; 2) a⩽32a \leqslant \frac{3}{2}, a⩾15/2a \geqslant 15/2. Указание. 2) Если неравенство D(y,a)=(9−12a)y2+(6+4a)y−4⩾0D(y,a)=(9-12a)y^2+(6+4a)y-4 \geqslant 0 () имеет решение, то требуется пара (x,y)(x,y) существует. При a=3/4a=3/4 неравенство становится линейным. Для того чтобы неравенство () имело решение, необходимо и достаточно, чтобы либо (2a+3)2+4(9−12a)⩾0(2a+3)^2+4(9-12a) \geqslant 0, либо a<3/4a<3/4 и (2a+3)2+4(9−12a)<0(2a+3)^2+4(9-12a)<0.
  4. 4510243m3\frac{45}{1024}\sqrt{3}m^3. Решение. Пусть SOSO — высота примыты SABCSABC, KK — центр сферы, K1K_1 — проекция этой точки на плоскость ABCABC. Прием прямые BOBO и SOSO за координатные оси yy и zz соответствующего, а прямую, перpendикулярную плоскости SOBSOB, — за ось xx. Оси xx и yy изображены на рисунке 4. Положим AB=aAB=a, SO=hSO=h, тогда, проводя необходимые вычисления, получим A(−a2;−a36;0)A\left(-\frac{a}{2}; \frac{-a\sqrt{3}}{6}; 0\right), P(a8;a324;h2)P\left(\frac{a}{8}; \frac{a\sqrt{3}}{24}; \frac{h}{2}\right), M(−a7;4321;0)M\left(-\frac{a}{7}; \frac{4\sqrt{3}}{21}; 0\right).
    По условияю сфера проходит через точки AA и CC, поэтому ее центр KK лежит в координатной плоскости yzyz. Так как KK лежит на прямой MPMP, то MK=λMPMK=\lambda MP при некотором λ\lambda. λ\lambda находится приладлежности конуса вектора OM+λMPOM+\lambda MP плоскости yzyz. Получаем λ=815\lambda=\frac{8}{15} и K(0;a3/9;4/15h)K(0; a\sqrt{3}/9; 4/15h). Найдем связь между aa и mm. Сечение сферы плоскостью ABCABC — окружность, радиус которого определяем по формуле расстояния AK1=13133aAK_1=\frac{1}{3}\sqrt{\frac{13}{3}}a (см. рис. 4).
    В треугольнике AQCAQC имеем AQ=2AK1sin⁡π3=133aAQ=2AK_1\sin \frac{\pi}{3}=\frac{\sqrt{13}}{3}a, и, применяя теорему косинусов, получаем m2+a2−ma=(133a)2m^2+a^2-ma=\left(\frac{\sqrt{13}}{3}a\right)^2, откуда a=34ma=\frac{3}{4}m. Высоту примыды hh находится AK=m3AK=\frac{m}{\sqrt{3}}. Следовательно, h=h=

Рис. 1.
Рис. 2.
Рис. 3.

62

Рис. 4. Рис. 5.

54a, и объем пирамиды равен 13⋅a234×54a=4510243m3.\frac{5}{4} a, \text{ и объем пирамиды равен } \frac{1}{3} \cdot \frac{a^2 \sqrt{3}}{4} \times \frac{5}{4} a = \frac{45}{1024} \sqrt{3} m^3.

Физика

Вариант 1

  1. Арбуз движется по окружности радиусом RR со скоростью vv, равной скорости самолета, и имеет центристремительное ускорение a=v2/Ra = v^2/R, направленное к центру окружности (рис. 5). На арбуз действуют сила тяжестями mgmg и сила упругости со стороны пружинных весов F=15mg/16F = 15mg/16. Уравнение второго закона Ньютона, записанное в проекциях на радиальное направление, имеет вид mg−F=mamg - F = ma. Подставив в последнее равенство выражения для FF и aa, получаем после простых преобразований

v=gR/4≈2 km/c.v = \sqrt{gR}/4 \approx 2 \text{ km/c.}

  1. Для нахождения участков цикла, где температура растет, проведем ряд изотерм (рис. 6). Теперь наглядо видно, что температура растет на участке 2-3 и на участке 1-4 — части проезда 1-2. Причем температура T4T_4 является максимальной для процесса 1-2.

Пусть T3T_3 — температура газа в точке 3, а p1p_1 и p2p_2 — давления в точках 1 и 2. Выразим T3T_3 и p2p_2 через T1T_1 и p1p_1. Для точек 3 и 1 V3/T3=V1/T1V_3/T_3 = V_1/T_1, открываем T3=T1V3/V1T_3 = T_1V_3/V_1. По условию V3/V1=5/2V_3/V_1 = 5/2, поэтому T3=5T1/2T_3 = 5T_1/2. Для точек 2 и 1 p2V3=p1V1p_2V_3 = p_1V_1, таким образом, p2=p1V1/V3=2p1/5p_2 = p_1V_1/V_3 = 2p_1/5.

Используя первый закон термодинамики для участка 2-3, найдем количество теплотых процессов 1-2:

Q23=32R(T3−T1)=94RT1.Q_{23} = \frac{3}{2} R(T_3 - T_1) = \frac{9}{4} RT_1.

Для определения температуры T4T_4, давления p4p_4 и объем V4V_4 записем уравнение прямой для процесса 1-2 в виде p=AV+Bp = AV + B, где A=(p1−p2)/(V1−V3)=−2p1/(5V1)A = (p_1 - p_2)/(V_1 - V_3) = -2p_1/(5V_1), B=(p2V1−p1V3)/(V1−V3)=7p1/5B = (p_2V_1 - p_1V_3)/(V_1 - V_3) = 7p_1/5. Итак, искомое уравнение прямой

p=−25p1VV1+75p1.p = -\frac{2}{5} p_1 \frac{V}{V_1} + \frac{7}{5} p_1.

Исключая из этого уравнения давление pp с помощью уравнения Мендлеева—Клапейрона pV=RTpV = RT, записанное для одного моля газа, получаем зависимости температуры от объема в процессе 1-2:

T=−25p1V1V2+75p1RV.T = -\frac{2}{5} \frac{p_1}{V_1} V^2 + \frac{7}{5} \frac{p_1}{R} V.

Исследование на экстремум этой зависимости дает, что температура максимальная при V=V4=7V1/4V = V_4 = 7V_1/4 и равна T=T4=49T1/40T = T_4 = 49T_1/40. При этом p4=RT4/V4=7p1/10p_4 = RT_4/V_4 = 7p_1/10.

Согласно первому закону термодинамики подведенное к газу на участке 1-4 количество теплотеней энергии газа, а AA — работа газа. Посокльку

ΔU=32R(T4−T1)=2780RT1,\Delta U = \frac{3}{2} R(T_4 - T_1) = \frac{27}{80} RT_1,

A=p1+p42(V4−V1)=5180p1V1=5180RT1,A = \frac{p_1 + p_4}{2} (V_4 - V_1) = \frac{51}{80} p_1V_1 = \frac{51}{80} RT_1,

имеем

Q14=2780RT1+5180RT1=3940RT1.Q_{14} = \frac{27}{80} RT_1 + \frac{51}{80} RT_1 = \frac{39}{40} RT_1.

Окончательное суммарное количество теплотеней, подведенное к газу на участкех, где его температура растет, равно

Q=Q23+Q14=12940RT1≈8 кДж.Q = Q_{23} + Q_{14} = \frac{129}{40} RT_1 \approx 8 \text{ кДж.}

  1. Пусть RR — сопротивление одного волтметра, rr — внутреннее сопротивление источника. При замкнутом ключе ток через волтметр V1V_1 равен E/(R+r)\mathcal{E}/(R + r), а напряжение на нем равно E/(R+r)\mathcal{E}/(R + r). По условию задачи E/(R+r)=0,8E\mathcal{E}/(R + r) = 0,8\mathcal{E}.

Отсюда r=R/4r = R/4. При разомкнутом ключе показания волтметров одинаковы и равны

U=E2R+rR=49E.U = \frac{\mathcal{E}}{2R + r} R = \frac{4}{9}\mathcal{E}.

  1. Пусть P⃗1\vec{P}_1 есть импульс фоотнов, падающих в единицу времени на пластинку, P⃗2\vec{P}_2 — импульс отраженных фоотнов за единицу времени и P⃗\vec{P} — импульс, полученный пластинкой за это же время (рис. 7). Понятоно, что P1=W/cP_1 = W/c, P2=0,4P1=0,4W/cP_2 = 0,4P_1 = 0,4W/c. По закону сохранения импульса

P⃗1=P⃗2+P⃗.\vec{P}_1 = \vec{P}_2 + \vec{P}.

Отсюда, использую теорему косинусов, получаем

P=P12+P22−2P1P2cos⁡(180∘−2α)=1,56W/c.P = \sqrt{P_1^2 + P_2^2 - 2P_1P_2\cos(180^\circ - 2\alpha)} = \sqrt{1,56W/c}.

Полученный пластинкой в единицу времени импульс и есть сила FF, действующего на пласт

63

стиинку:
F=1,56Wc≈4,16⋅10−7 H.F = \sqrt{1,56} \frac{W}{c} \approx 4,16 \cdot 10^{-7} \text{ H}.

Вариант 2

  1. Ясно, что центр масс неваляшки находится в некоторой точке CC на ее оси симметрины (рис. 8). Пусть OC=xOC = x. На неваляшки на наклонной плоскости действуют силы тяжестями MgMg, сила нормального давления NN и сила треяния FF. Так как неваляшка находится в равновесии, то сумма моментов всех сил относительно оси, проходящей через точку касания AA с наклонной плоскостью, должна быть равна нулю; поэтому точки CC и AA находится на одной вертикали. По теореме синусов для треугольника OCA
    xsin⁡α=Rsin⁡(180∘−β),\frac{x}{\sin \alpha} = \frac{R}{\sin(180^\circ - \beta)}, откуда x=sin⁡αsin⁡βRx = \frac{\sin \alpha}{\sin \beta} R.

На горизонтальной поверхности стояла при увеличении массы неваляшки на массу пластилина mm игрушка потеряет устойчивость (завалится), если центр масс системы неваляшка — пластилин достигнет точки OO, т. е. при условии
Mx=m(h−R)Mx = m(h - R).
Отсюда с учетом полученного выражения для xx находится на ось XX, направленную вертикально вверх),
F=FA−pSF = F_A - pS.
Здесь FA=ρgVF_A = \rho gV — архимедова (выталкивающая) сила, которая действовала бы на часть опоры ABCABC, если бы эта часть со всех сторон была окружена водой, pp — давление в жидкостях на глубине hh, которое складывает из атмосферного давления p0≈105p_0 \approx 10^5 Па и добавочного давления ρgh\rho gh со стороны воды: p=p0+ρghp = p_0 + \rho gh. Таким образом,
F=ρg(V−hS)−p0S≈−9⋅104 H.F = \rho g(V - hS) - p_0S \approx -9 \cdot 10^4 \text{ H}.
Знак «минус» у проекции силы на ось XX означает, что сила, действующая со стороны воды на ось, действующая со стороны воды на ось, направлена вниз.
Заметим, что без учета atmosферного давления F=ρg(VhS)≈104 HF = \rho g(V hS) \approx 10^4 \text{ H} и сила направлена вверх.
Неучет абитурентами atmosферного давления при решении задачи не считался существенной ошибкой.
3. Магнитный поток Φ\Phi через колючо меняется со временем tt по гармоничскому закону
Φ=B0Scos⁡(2πvt),\Phi = B_0 S \cos(2\pi vt), где S=L2/πS = L^2/\pi — площадь колюца. В колюце, имеющим сопротивление R=L(ρ1+ρ2)/sR = L(\rho_1 + \rho_2)/s, возникает ЭДС индукции e=−Φ′=2πvB0Ssin⁡(2πvt)e = -\Phi' = 2\pi vB_0 S \sin(2\pi vt) и ток i=e/R=2vB0Lssin⁡(2πvt)/(ρ1+ρ2)i = e/R = 2vB_0 Ls \sin(2\pi vt)/(\rho_1 + \rho_2). Действующое значение тока
I=2vB0Lsρ1+ρ2,I = \frac{\sqrt{2}vB_0 Ls}{\rho_1 + \rho_2},
следовательно, мощность тепловых потерь в колюце
P=I2R=2v2B02L3sρ1+ρ2.P = I^2 R = \frac{2v^2 B_0^2 L^3 s}{\rho_1 + \rho_2}.
4. Ход лучей показан на рисунке 9. Из рисунка AC=Htgβ1AC = H tg\beta_1. Так как sin⁡β1=sin⁡α/n1\sin \beta_1 = \sin \alpha/n_1, то AC=Hsin⁡α/n12−sin⁡2αAC = H \sin \alpha/\sqrt{n_1^2 - \sin^2 \alpha}. Аналогично BC=Hsin⁡α/n22−sin⁡2αBC = H \sin \alpha/\sqrt{n_2^2 - \sin^2 \alpha}, KM=2AB=2(AC−BC)KM = 2AB = 2(AC - BC), x=KMcos⁡α=2(AC−BC)cos⁡αx = KM \cos \alpha = 2(AC - BC) \cos \alpha. Подставив найденные ранее выражения для ACAC и BCBC, находим расстояние xx между вышедшими из пластинки пучками:
x=2Hsin⁡αcos⁡α)(1n12−sin⁡2α−1n22−sin⁡2α)=H3(14n12−1−14n22−1).x = 2H \sin \alpha \cos \alpha) \left( \frac{1}{\sqrt{n_1^2 - \sin^2 \alpha}} - \frac{1}{\sqrt{n_2^2 - \sin^2 \alpha}} \right) = H \sqrt{3} \left( \frac{1}{\sqrt{4n_1^2 - 1}} - \frac{1}{\sqrt{4n_2^2 - 1}} \right).

Московский институт электронного машиностроения
Вариант 1

  1. {a - 2; 4 - 2a} при a≠−1/2,4/3,1;{5}a \neq -1/2, 4/3, 1; \{5\} при a=−1/2;{−2/3}a = -1/2; \{-2/3\} при a=4/3;{−1}a = 4/3; \{-1\} при a=1a = 1. Указание. Уравнение равnocильного системы
    {x2−(2−a)x−2a2+8a−8=0,x≠a,x≠3a−1.\begin{cases} x^2 - (2 - a)x - 2a^2 + 8a - 8 = 0, \\ x \neq a, \\ x \neq 3a - 1. \end{cases}
  2. x1=arctg2+πmx_1 = \arctg 2 + \pi m, x2=5π6+2πnx_2 = \frac{5\pi}{6} + 2\pi n (m,n∈Zm, n \in Z).
    Указание. Уравнение равnocильного системы
    2 sin x−4x - 4 cos x=1−2 ctg xx = 1 - 2 \text{ ctg } x, 1−2 ctg x≥01 - 2 \text{ ctg } x \geq 0.
  3. Верно: примая A1DA_1D перpendикулярна пластинки ABC1ABC_1.
  4. a) Неравенства равnocильны, если множества их решений совпадают.
  5. a = 1 и a = -1. Пусть y=∣x−1∣y = |x - 1|. Тогда (y−a−1)(y2−1+a)=0(y - a - 1)(y^2 - 1 + a) = 0, откуда y=a+1y = a + 1, y≥0y \geq 0, либо y2=1−ay^2 = 1 - a, y≥0y \geq 0.

Рис. 7.
Рис. 8.
Рис. 9.