공학물리: 벼락치기 팩

공식 모음, 모든 주제의 핵심 풀이 단계, 연습 문제 20개가 들어 있으며 전체 풀이는 맨 뒤에 있습니다.

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1공식과 풀이 방법

운동학

속도
v = v0 + a·t
변위
s = v0·t + ½·a·t²
시간 없이
v² = v0² + 2·a·s
단위
1 m/s = 3.6 km/h

방법

  1. 아는 값을 단위와 함께 적으세요: v₀, v, a, t, s.
  2. 아는 세 값과 미지수를 포함하는 식을 고르세요.
  3. 양의 방향을 하나 정하고 반대 방향의 양에는 음의 부호를 붙이세요.
  4. 풀고 나서 답이 물리적으로 타당한지 확인하세요.

뉴턴 법칙

뉴턴 제2법칙
ΣF = m·a
무게
W = m·g
운동 마찰
Ff = μ·N
경사면에서
경사면 방향: m·g·sin θ, 수직 방향: m·g·cos θ

방법

  1. 물체에 작용하는 모든 힘을 넣어 자유물체도를 그리세요.
  2. 운동 방향을 따라 양의 방향을 정하세요.
  3. 힘을 운동 방향과 그 수직 방향 성분으로 나누세요(빗면에서는 빗면을 따라 m·g·sin θ, 빗면 안쪽으로 m·g·cos θ).
  4. 운동 방향으로 ΣF = m·a를 적용하세요. 마찰력은 운동 반대 방향으로 μ·N입니다.

포물선 운동

성분
vx = v0cos θ, vy = v0sin θ
위치
x = vxt, y = h + vyt − ½gt²
최고 높이
H = h + vy²/(2g)
수평 도달 거리 (평지)
R = v0²·sin 2θ/g

방법

  1. 발사 속도를 성분으로 나누세요: vx = v₀·cos θ, vy = v₀·sin θ.
  2. 수평 운동은 등속이고, 연직 운동의 가속도는 −g입니다.
  3. 연직 운동에서 비행 시간을 구하세요.
  4. 그 시간을 수평 운동에 넣어 수평 도달 거리를 구하세요.

일과 에너지

운동 에너지
Ek = ½mv²
위치 에너지
Ep = mgh
에너지 수지
Ek1 + Ep1 + W = Ek2 + Ep2 + losses
마찰력이 한 일
W = μ·N·d
전력
P = W/t

운동량과 충돌

운동량
p = m·v
보존
Σm·v (before) = Σm·v (after)
완전 비탄성
v′ = (m1v1 + m2v2)/(m1 + m2)
충격량
J = F·Δt = m·Δv

방법

  1. 양의 방향을 정하고 각 속도에 부호를 붙이세요.
  2. 충돌 전 전체 운동량을 쓰세요: Σm·v.
  3. 완전 비탄성 충돌에서는 충돌 후 물체들이 함께 움직이고, 탄성 충돌에서는 운동 에너지도 보존됩니다.
  4. 충돌 전 운동량과 충돌 후 운동량을 같게 놓고 푸세요.

정수압

깊이에 따른 압력
p = ρgh
수직 벽에 작용하는 힘
F = ρg·hc·A
압력 중심
yp = yc + Ic/(ycA)
직사각형
Ic = bH³/12

연속 방정식과 베르누이

연속 방정식
A1v1 = A2v2
베르누이 방정식
p1 + ½ρv1² + ρgz1 = p2 + ½ρv2² + ρgz2
유량
Q = A·v
원의 넓이
A = πd²/4

이상 기체 법칙

이상 기체 법칙
pV = nRT
기체 상수
R = 8.314 J/(mol·K)
보일-샤를 법칙
p1V1/T1 = p2V2/T2
몰수
n = m/M
온도
T[K] = T[°C] + 273.15

열기관과 냉동기

효율
η = W/QH = 1 − QC/QH
카르노 효율
ηC = 1 − TC/TH (kelvin)
냉동기 COP
COPR = QC/W
열펌프 COP
COPHP = QH/W = COPR + 1
에너지 수지
QH = W + QC

파동, 소리, 광학

파동의 속력
v = fλ, T = 1/f
줄
v = √(T/μ), μ = m/L
음의 세기 수준
β = 10·log10(I/I0), I0 = 10⁻¹² W/m²
점음원
I = P/(4πr²)
정상파
줄 또는 열린 관 fn = n·v/(2L); 닫힌 관 fn = n·v/(4L), n은 홀수
도플러 효과
f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs)
굴절률
n = c/v, λ = λ0/n
스넬의 법칙
n1sin θ1 = n2sin θ2
임계각
sin θc = n2/n1
광섬유
NA = sin θa = √(n1² − n2²)
렌즈와 거울
1/f = 1/do + 1/di, m = −di/do, mirror f = R/2
이중 슬릿
d·sin θ = mλ, ym = mλL/d
회절 격자
d = 1/N, d·sin θ = mλ, mmax ≤ d/λ
단일 슬릿
a·sin θ = mλ (dark), w = 2λL/a

방법

  1. 문제의 종류를 파악하세요: 파동의 속력, 음의 세기 수준, 정상파, 도플러, 굴절, 렌즈나 거울, 또는 간섭.
  2. 관계식을 먼저 쓰세요: v = fλ, β = 10·log(I/I₀), fₙ = n·v/(2L) 또는 n·v/(4L), f′ = f(v ± vo)/(v ∓ vs), n₁sin θ₁ = n₂sin θ₂, 1/f = 1/d₀ + 1/dᵢ, d·sin θ = mλ.
  3. 단위를 바꾸세요: nm, mm, cm를 m로. 그리고 각이 법선에서 재어진 것인지 확인하세요.
  4. 부호와 타당성을 확인하세요: 허상은 dᵢ < 0이고, 다가오는 음원은 더 높게 들리며, 닫힌 관에는 홀수 배진동만 있습니다.

2연습 문제

1.운동학보통
t (s)v (m/s)t = ?30

108 km/h로 달리던 자동차가 7 m/s²의 일정한 감속도로 제동하여 멈춘다. 제동하는 데 걸리는 시간 t을(를) 구하시오.

v₀ = 108 km/ha = −7 m/s²v = 0
t = s
2.운동학어려움
v₀ = 7 m/s25 m

지면에서 25 m 높이에 있는 지붕 가장자리에서 공을 7 m/s로 똑바로 위로 던진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 쓴다. 던진 뒤 공이 지면에 닿을 때까지의 시간 t을(를) 구하시오.

v₀ = 7 m/sh₀ = 25 mg = 9.81 m/s²
t = s
3.뉴턴 법칙보통
8 kg2.5 kg

8 kg과 2.5 kg인 질량이 가볍고 마찰 없는 도르래 양쪽에 가벼운 줄로 연결되어 매달려 있다. 계를 정지 상태에서 놓는다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 질량들의 가속도 a을(를) 구하시오.

m1 = 8 kgm2 = 2.5 kgg = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
θ = 25°블록v₀ = 3.5 m/s

블록을 밀어 25° 경사로 위로 3.5 m/s의 속력으로 미끄러져 올라가게 한다. 운동 마찰 계수는 0.25이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 블록은 멈추기 전까지 경사로를 따라 얼마나 멀리 d 미끄러지는가?

v₀ = 3.5 m/sθ = 25°μ = 0.25g = 9.81 m/s²
d = m
5.포물선 운동보통
v0​ = ?15°R = 45 m

평지에서 공을 수평 위 15°로 발사하자 45 m 떨어진 곳에 떨어진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 발사 속력 v0을(를) 구하시오.

θ = 15°R = 45 mg = 9.81 m/s²
v0 = m/s
6.포물선 운동어려움
h = 40 mv0​ = 12 m/s15°x = ?

공을 높이 40 m인 절벽 위에서 수평에서 15° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿기 전까지 이동한 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v0 = 12 m/sθ = 15°h = 40 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.일과 에너지보통
100 km/h

평평한 도로를 100 km/h로 달리던 자동차가 급제동해 바퀴가 잠긴 채 미끄러져 멈춘다. 타이어와 도로 사이의 운동 마찰 계수는 0.4이다. 정지 거리 d을(를) 구하시오.

v = 100 km/hμ = 0.4g = 9.81 m/s²
d = m
8.일과 에너지어려움
h = 1 mL = 5 mμ = 0.1k = 500 N/m

질량 2 kg인 블록을 매끄러운 경사로의 높이 1 m에서 가만히 놓는다. 아래에서 길이 5 m인 거친 수평 구간(μ = 0.1)을 지난 뒤, 매끄러운 면에서 스프링(k = 500 N/m)에 부딪힌다. 스프링의 최대 압축량 x을(를) 구하시오.

m = 2 kgh = 1 mL = 5 mμ = 0.1k = 500 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
9.운동량과 충돌보통
1200 kg18 m/s1400 kg

18 m/s로 움직이는 1200 kg 자동차가 정지해 있는 1400 kg 자동차와 충돌해 두 차가 한 덩어리가 된다. 충돌에서 잃은 운동 에너지 ΔK은(는) 얼마인가?

m1 = 1200 kgv1 = 18 m/sm2 = 1400 kgv2 = 0
ΔK = J
10.운동량과 충돌어려움
2.5 kgv = ?10 g40°L = 1.3 m

10 g 총알을 길이 1.3 m의 가벼운 줄에 매달린 2.5 kg 블록에 수평으로 쏘아 박히게 한다. 줄은 연직에서 최대 40°까지 흔들려 나간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 전 총알의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 10 gM = 2.5 kgL = 1.3 mθ = 40°g = 9.81 m/s²
v = m/s
11.정수압보통
수문d = 1 mH = 2 m

폭 1.5 m인 연직 직사각형 수문이 물이(가) 담긴 탱크 벽에 있고, 위쪽 가장자리는 수면 아래 1 m에 있다. 수문에 작용하는 정수압 합력 F을(를) 구하시오.

d = 1 mH = 2 mb = 1.5 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
12.정수압어려움
수문d = 3 mH = 1.5 m

폭 2 m인 연직 직사각형 수문이 기름이(가) 담긴 탱크 벽에 있고, 위쪽 가장자리는 수면 아래 3 m에 있다. 수문에 작용하는 정수압 합력 F을(를) 구하시오.

d = 3 mH = 1.5 mb = 2 mρ = 880 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
13.연속 방정식과 베르누이보통
12d1​ = 200 mm, p1​ = 380 kPad2​ = 100 mm, p2​ = ?

물이 200 mm에서 100 mm(으)로 좁아지는 수평관을 흐른다. 넓은 부분의 압력은 380 kPa, 유속은 0.5 m/s이다. 손실을 무시하고 좁은 부분의 압력 p2을(를) 구하시오.

d1 = 200 mmd2 = 100 mmp1 = 380 kPav1 = 0.5 m/sρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
14.연속 방정식과 베르누이어려움
d1​ = 100 mmd2​ = 60 mm12Δh = 320 mm수은Q = ?

수평 벤투리미터(입구 100 mm, 목 60 mm)에 물이 흐른다. 입구와 목 사이에 연결된 수은 U자관 마노미터의 액면 차는 320 mm이다. 유량 계수는 0.96이다. 유량 Q을(를) 구하시오. 물은 ρ = 1000 kg/m³, 수은은 13 600 kg/m³, g = 9.81 m/s²를 사용하시오.

d1 = 100 mmd2 = 60 mmΔh = 320 mmCd = 0.96ρHg = 13 600 kg/m³g = 9.81 m/s²
Q = L/s
15.이상 기체 법칙보통
He 340 gP = 100 kPaT = 50 °CV = ?

100 kPa, 50 °C에서 He 340 g이(가) 차지하는 부피 V은(는) 얼마인가? 이상 기체로 본다.

m = 340 gM = 4.003 g/molP = 100 kPaT = 50 °CR = 8.314 J/(mol·K)
V = L
16.이상 기체 법칙어려움
상태 1상태 2

일정량의 O₂이(가) 150 kPa, 5 L, 25 °C에서 300 kPa, 110 °C(으)로 변한다. 새 부피 V2을(를) 구하시오.

P1 = 150 kPaV1 = 5 LT1 = 25 °CP2 = 300 kPaT2 = 110 °C
V2 = L
17.열기관과 냉동기보통
TH​ = 475 °CTL​ = 25 °CEQH​ = 5000 kJQL​W = ?

열기관이 475 °C의 고온 열원과 25 °C의 저온 열원 사이에서 작동한다. 이 기관은 5000 kJ의 열을 받는다. 얻을 수 있는 최대 일 Wmax을(를) 구하시오.

TH = 475 °CTL = 25 °CQH = 5000 kJ
Wmax = kJ
18.열기관과 냉동기어려움
TH​ = 32 °CTL​ = 2 °CRQ̇H​Q̇L​ = 3 kWẆ

냉장고가 32 °C인 부엌에서 냉장실을 2 °C로 유지하며 냉장실에서 3 kW의 열을 제거한다. 가능한 최대 성능 계수 COPmax을(를) 구하시오.

TH = 32 °CTL = 2 °CQ̇L = 3 kW
COPmax =
19.파동, 소리, 광학보통
FFdo​ = 18 cmf = −10 cm

물체가 초점 거리 10 cm인 얇은 발산 렌즈 앞 18 cm에 서 있다. 상거리 di을(를) 구하시오. 부호 규약 1/f = 1/do + 1/di를 쓴다(오목 렌즈는 f < 0, 허상은 di < 0).

do = 18 cmf = −10 cm
di = cm
20.파동, 소리, 광학어려움
λ = ?13.9°

1 mm당 400개의 선이 있는 격자에서 스펙트럼선의 1차 극대가 직진 방향에서 13.9°에 나타난다. 그 선의 파장 λ을(를) 구하시오.

N = 400 mm⁻¹θ1 = 13.9°m = 1
λ = nm

3용액

1.운동학

답: t = 4.286 s

등가속도 운동: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t², v² = v₀² + 2·a·s. 아는 세 양과 구하려는 양이 들어 있는 식을 고르고, 양의 방향을 하나 정해 부호를 일관되게 쓰세요.

단위

v₀ = 108/3.6 = 30 m/s

제동 시간

0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 30/7 = 4.286 s

답

t = 4.286 s
2.운동학

답: t = 3.081 s

등가속도 운동: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t², v² = v₀² + 2·a·s. 아는 세 양과 구하려는 양이 들어 있는 식을 고르고, 양의 방향을 하나 정해 부호를 일관되게 쓰세요.

운동 방정식

위쪽이 양이고, 지면은 출발점보다 h₀ 아래에 있습니다.

−25 = 7·t − ½·9.81·t²
4.905·t² − 7·t − 25 = 0

이차방정식 풀기

물리적으로 의미 있는 것은 양의 근뿐입니다.

t = (7 + √(7² + 2·9.81·25))/9.81 = 3.081 s

답

t = 3.081 s
3.뉴턴 법칙

답: a = 5.139 m/s²

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.

가속도

알짜 구동력은 무게의 차이이며, 전체 질량을 움직입니다.

a = (8 − 2.5)·9.81/(8 + 2.5) = 5.139 m/s²

답

a = 5.139 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: d = 0.9617 m

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.

감속도

두 힘 모두 경사면 아래를 향하며, 질량은 약분됩니다.

a = 9.81·(sin 25° + 0.25·cos 25°) = 6.369 m/s²

거리

d = v₀²/(2a) = 3.5²/(2·6.369) = 0.9617 m

답

d = 0.9617 m
5.포물선 운동

답: v0 = 29.71 m/s

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.

수평 도달 거리 공식을 v₀에 대해 풀기

v₀ = √(g·R/sin 2θ) = √(9.81·45/sin 30°) = 29.71 m/s

답

v0 = 29.71 m/s
6.포물선 운동

답: x = 36.97 m

포물선 운동: 공기 저항이 없으면 x = vxt, y = h + vyt − ½gt². 두 방향은 독립이며 같은 시간만 공유합니다.

초기 속도 분해

수평 속도는 일정하고, 연직 운동은 아래쪽으로 일정한 가속도 g = 9.81 m/s²을(를) 가집니다.

vx = v0·cos θ = 12·cos 15° = 11.59 m/s
vy = v0·sin θ = 12·sin 15° = 3.106 m/s

체공 시간

y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0을 풀어 양의 근을 택합니다.

0 = 40 + 3.106·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (3.106 + √(9.646 + 784.8))/9.81 = 3.19 s

수평 거리

x = vx·t = 11.59·3.19 = 36.97 m

답

x = 36.97 m
7.일과 에너지

답: d = 98.32 m

일-에너지 원리: 운동 에너지의 변화는 모든 힘이 한 일과 같습니다. 중력과 스프링을 위치 에너지(mgh와 ½kx²)로 쓰면 수지가 됩니다: 처음 에너지 = 나중 에너지 + 마찰로 잃은 에너지 (μN·d).

기본 단위의 속력

v = 100/3.6 = 27.78 m/s

에너지 수지

½mv² = μmg·d → d = v²/(2μg) = 27.78²/(2·0.4·9.81) = 98.32 m

답

d = 98.32 m

속력이 두 배가 되면 정지 거리는 네 배가 됩니다.

8.일과 에너지

답: x = 19.81 cm

일-에너지 원리: 운동 에너지의 변화는 모든 힘이 한 일과 같습니다. 중력과 스프링을 위치 에너지(mgh와 ½kx²)로 쓰면 수지가 됩니다: 처음 에너지 = 나중 에너지 + 마찰로 잃은 에너지 (μN·d).

거친 구간을 지난 뒤 남은 에너지

경사로는 매끄러우므로 에너지를 빼앗는 것은 거친 구간뿐입니다.

mgh − μmgL = 19.62·(1 − 0.1·5) = 9.81 J

최대 압축량

½kx² = 9.81 → x = √(2·9.81/500) = 0.1981 m = 19.81 cm

답

x = 19.81 cm
9.운동량과 충돌

답: ΔK = 104677 J

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.

공통 속도

v′ = m1·v1/(m1 + m2) = 1200·18/2600 = 8.308 m/s

충돌 전후의 운동 에너지

Kbefore = ½·1200·18² = 194400 J
Kafter = ½·2600·8.308² = 89723 J

잃은 에너지

ΔK = 194400 − 89723 = 104677 J

답

ΔK = 104677 J

잃은 에너지는 변형, 열, 소리로 갑니다.

10.운동량과 충돌

답: v = 613.1 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.

블록의 상승

h = L·(1 − cos θ) = 1.3·(1 − cos 40°) = 0.3041 m

충돌 후의 속력

V = √(2·9.81·0.3041) = 2.443 m/s

충돌

v = (m + M)·V/m = 2.51·2.443/0.01 = 613.1 m/s

답

v = 613.1 m/s
11.정수압

답: F = 58.86 kN

평면에 작용하는 정수압: F = ρ·g·yc·A. 이 힘은 압력 중심 ycp = yc + Ic/(ycA)에 작용하며, 이는 항상 도심 아래에 있습니다.

도심 깊이와 면적

yc = d + H/2 = 1 + 2/2 = 2 m
A = H·b = 2·1.5 = 3 m²
수문d = 1 mH = 2 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 1000·9.81·2·3 = 58.86 kN

답

F = 58.86 kN
12.정수압

답: F = 97.12 kN

평면에 작용하는 정수압: F = ρ·g·yc·A. 이 힘은 압력 중심 ycp = yc + Ic/(ycA)에 작용하며, 이는 항상 도심 아래에 있습니다.

도심 깊이와 면적

yc = d + H/2 = 3 + 1.5/2 = 3.75 m
A = H·b = 1.5·2 = 3 m²
수문d = 3 mH = 1.5 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 880·9.81·3.75·3 = 97.12 kN

답

F = 97.12 kN
13.연속 방정식과 베르누이

답: p2 = 378.1 kPa

연속 방정식과 베르누이: 비압축성 유체는 모든 단면에서 유량이 같습니다: Q = A₁v₁ = A₂v₂. 손실 없는 유선을 따라 p + ½ρv² + ρgz는 일정하므로, 유체가 빠르거나 높은 곳일수록 압력이 낮습니다.

연속 방정식과 베르누이

Pa로 계산한 뒤 1000으로 나눠 kPa를 얻습니다.

v2 = v1·(d1/d2)² = 0.5·(200/100)² = 2 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(0.5² − 2²)/1000 = −1.875 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) = 380 + (−1.875) = 378.1 kPa

답

p2 = 378.1 kPa
14.연속 방정식과 베르누이

답: Q = 25.88 L/s

Continuity and Bernoulli: for an incompressible fluid the flow rate is the same at every section, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Along a streamline without losses, p + ½ρv² + ρgz is constant, so where the fluid is faster or higher its pressure is lower.

마노미터에서 구한 압력 차

Δp = (13600 − 1000)·9.81·0.32 = 39554 Pa

목의 유속

연속 방정식과 베르누이 식을 함께 쓰면 이상적인 목의 유속이 나옵니다.

β = 60/100 = 0.6
v2 = √(2·39554/(1000·(1 − 0.1296))) = 9.533 m/s

실제 유량

Q = Cd·A2·v2 = 0.96·0.002827·9.533 = 0.02588 m³/s = 25.88 L/s

답

Q = 25.88 L/s
15.이상 기체 법칙

답: V = 2282 L

이상 기체 법칙: PV = nRT, n = m/M.

몰수

n = 340/4.003 = 84.94 mol
T = 50 + 273.15 = 323.1 K

부피

V = nRT/P = 84.94·8.314·323.1/100 = 2282 L

답

V = 2282 L
16.이상 기체 법칙

답: V2 = 3.213 L

보일-샤를 법칙: 일정량의 이상 기체에서 P1V1/T1 = P2V2/T2.

절대 온도

T1 = 298.1 K, T2 = 383.1 K

보일-샤를 법칙

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 5·(150/300)·(383.1/298.1) = 3.213 L

답

V2 = 3.213 L
17.열기관과 냉동기

답: Wmax = 3007 kJ

제2법칙의 한계: 절대 온도 TH와 TL인 열원 사이에서 작동하는 어떤 사이클도 가역(카르노) 사이클을 넘을 수 없습니다: ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL), COPHP,max = TH/(TH − TL). 에너지는 항상 보존됩니다: QH = W + QL.

절대 온도

TH = 475 + 273.15 = 748.1 K
TL = 25 + 273.15 = 298.1 K

카르노 효율

ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 298.1/748.1 = 60.15 %

최대 일

Wmax = ηmax·QH = 0.6015·5000 = 3007 kJ

답

Wmax = 3007 kJ
18.열기관과 냉동기

답: COPmax = 9.172

제2법칙의 한계: 절대 온도 TH와 TL인 열원 사이에서 작동하는 어떤 사이클도 가역(카르노) 사이클을 넘을 수 없습니다: ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL), COPHP,max = TH/(TH − TL). 에너지는 항상 보존됩니다: QH = W + QL.

절대 온도

TH = 32 + 273.15 = 305.1 K
TL = 2 + 273.15 = 275.1 K

가능한 최고 COP

COPR,max = TL/(TH − TL) = 275.1/(305.1 − 275.1) = 9.172

답

COPmax = 9.172
19.파동, 소리, 광학

답: di = −6.429 cm

기하 광학: 경계에서 n₁·sin θ₁ = n₂·sin θ₂(스넬의 법칙)이며, 각은 법선에서 재고 n = c/v입니다. 더 느린 매질로 들어가면 광선은 법선 쪽으로 굽습니다. 밀한 매질(n₁ > n₂)에서 임계각 θc = arcsin(n₂/n₁)을 넘으면 모든 빛이 반사됩니다: 전반사. 얇은 렌즈와 구면 거울은 1/f = 1/do + 1/di를 따르며 배율은 m = −di/do입니다. 부호 규약: 볼록 렌즈와 오목 거울은 f > 0(f = R/2), 오목 렌즈와 볼록 거울은 f < 0이고, 실상은 di > 0, 허상은 di < 0이며, 거꾸로 선 상은 m < 0입니다.

얇은 렌즈 공식

1/di = 1/f − 1/do = 1/(−10) − 1/18
di = −6.429 cm
FF18 cmf = −10 cm

광선도

허상, 물체와 같은 쪽

답

di = −6.429 cm
20.파동, 소리, 광학

답: λ = 600.6 nm

간섭과 회절: 거리 d만큼 떨어진 두 슬릿을 지난 빛은 경로차 d·sin θ를 가지고 스크린의 한 점에 도달합니다. 밝은 무늬는 d·sin θ = mλ(m = 0, ±1, ±2, …)인 곳에 나타납니다. 스크린까지의 거리 L ≫ d이면 m번째 밝은 무늬는 y = mλL/d에 있고 무늬 간격은 Δy = λL/d입니다. 1 mm당 N개의 선이 있는 격자는 d = 1/N이고 d·sin θ = mλ에서 날카로운 극대를 만듭니다. sin θ ≤ 1이므로 가장 높은 차수는 m ≤ d/λ를 만족하는 가장 큰 정수입니다. 폭 a의 단일 슬릿은 a·sin θ = mλ (m = ±1, ±2, …)에서 어두운 무늬를 만듭니다.

파장

λ = d·sin θ/m = 2.5 × 10⁻⁶·sin 13.9°/1 = 600.6 nm

답

λ = 600.6 nm

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