На заводе имеется генератор с ЭДС
и внутренним сопротивлением r = 1 Ом. Инженер подключает к генератору нагрузку, используя реостат, чтобы установить сопротивление нагрузки R (в омах). Сила тока в цепи (в амперах) определяется законом Ома:
Тепловая мощность (в ваттах), выделяемая в нагрузке, может быть рассчитана по формуле Джоуля — Ленца:
Какая максимальная тепловая мощность P может быть выделена нагрузкой?
ИЛИ
Амплитуда вынужденных колебаний корабля при качке на волнении выражается формулой

где k = 0,91 — коэффициент, зависящий от отношения ширины корабля к длине волны, θ0 = 9° — угол наибольшего волнового склона, τ — период волны (в секундах), T = 14,7 с — период свободных качаний корабля на тихой воде, n = 0,0792 — коэффициент, зависящий от величины сопротивления воды. При каком периоде волны амплитуда вынужденных колебаний корабля будет наибольшей? Ответ дайте в секундах.
Решение. Используя данные в условии формулы, выразим выделяемую тепловую мощность через ЭДС и сопротивление:
Подставив заданные значения ε и r, получим функцию
Найдём производную этой функции:

Сопротивление нагрузки не может быть отрицательным, поэтому будем рассматривать поведение функции
при
Производная положительна при
и отрицательна при
Следовательно, функция
возрастает на отрезке
и убывает на луче
Таким образом, функция
достигает наибольшего значения в точке 1. Наибольшая тепловая мощность, которая может выделяться нагрузкой, равна 625 Вт.
Ответ: 625 Вт.
Примечания Дмитрия Гущина.
1. Знающий физику читатель решит эту задачу проще: максимальная тепловая мощность выделяется, если сопротивление нагрузки равно внутреннему сопротивлению источника. При
подставляя величину ЭДС из условия, находим:
Вт.
Без доказательства этот факт приводится, например, в учебнике физики для 11 класса А. В. Грачева. Докажем ниже.
2. Решим задачу в общем виде. В выражении для мощности разделим числитель и знаменатель на R, получим:

Числитель и знаменатель полученной дроби положительны, а тогда при фиксированном значении числителя, наибольшее значение дроби достигается при наименьшем значении знаменателя. Используя неравенство о среднем арифметическом и среднем геометрическом, получаем оценку:

причем равенство достигается, если
то есть при
Таким образом, наибольшая тепловая мощность равна 
3. Для интересующихся читателей отметим, что коэффициент полезного действия источника
при
составляет всего 50%, то есть половина мощности теряется. Поэтому на практике согласование используют только цепях, где мощность сигнала важнее экономии энергии: в слаботочных радиотехнических цепях, акустических системах, радиосвязи, на телебашнях. В таких устройствах потери в виде тепла на передатчике — это плата за мощность сигнала.
Однако вовсе не редко поступают наоборот. В мощных источниках, например, в генераторах электростанций, на линиях электропередач, в лампах накаливания, зарядках для телефонов и ноутбуков внутреннее сопротивление источника делают как можно более малым, чтобы сопротивление нагрузки было много больше внутреннего сопротивления источника, а потому и КПД был высоким. В этих случаях экономически целесообразно отказаться от максимума мощности в пользу повышения КПД, чтобы, как образно сказала бы нейросеть, «не греть воздух вместо того, чтобы крутить мотор».
Кратко можно было бы сказать так: к максимуму мощности стремятся при передачи информации, а к наибольшему КПД — при передаче энергии.
ИЛИ
Значение амплитуды
поэтому наибольшее значение величин A и A2 достигаются в одной точке. Пусть
достаточно исследовать на экстремум функцию
где

Знаменатель при
положителен. Найдём производную:

откуда после преобразований получаем:

На области определения сомножитель
и знаменатель положительны, поэтому производная обращается в нуль только если
откуда
По условию,
а потому
при
при
поэтому точка x0 — точка максимума функции f. Следовательно, амплитуда вынужденных колебаний корабля будет наибольшей, если

Ответ: 15.
Критерии проверки:| Критерии оценивания выполнения задания | Баллы |
|---|
| Обоснованно получены верные ответы в обоих пунктах | 2 |
| Обоснованно получен верный ответ в пункте а), ИЛИ получены неверные ответы из-за вычислительной ошибки, но при этом имеется верная последовательность всех шагов решения пункта а) и пункта б) | 1 |
| Решение не соответствует ни одному из критериев, перечисленных выше | 0 |
| Максимальный балл | 2 |