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
a = ?s = 2300 m

비행기가 이륙하려면 260 km/h의 속력이 필요하고 쓸 수 있는 활주로 길이는 2300 m이다. 정지 상태에서 출발한다면 필요한 일정한 가속도 a은(는) 얼마인가?

v₀ = 0v = 260 km/hs = 2300 m
a = m/s²
2.운동학어려움
AB: 29 m/s25 m

공 A를 높이 25 m에서 가만히 떨어뜨린다. 같은 순간 바로 아래 지면에서 공 B를 29 m/s로 똑바로 위로 던진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 두 공은 지면에서 몇 m 높이 y에서 만나는가?

H = 25 mv0B = 29 m/sg = 9.81 m/s²
y = m
3.뉴턴 법칙보통
θ = 25°a = ?m = 6 kg

질량 6 kg인 블록이 수평과 25°를 이루는 마찰 없는 경사면을 미끄러져 내려간다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 경사면을 따르는 블록의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 6 kgθ = 25°μ = 0g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 5 kg7.5 kgθ = 20°

20° 경사로 위의 5 kg 블록이 경사로 꼭대기의 마찰 없는 도르래를 지나는 가벼운 줄로 매달린 7.5 kg 질량과 연결되어 있다. 매달린 질량은 아래로 움직인다. 경사로에는 마찰이 없다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 계의 가속도 a을(를) 구하시오.

m1 = 5 kgm2 = 7.5 kgθ = 20°μ = 0g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.포물선 운동보통
v0​ = ?40°R = 100 m

평지에서 공을 수평 위 40°로 발사하자 100 m 떨어진 곳에 떨어진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 발사 속력 v0을(를) 구하시오.

θ = 40°R = 100 mg = 9.81 m/s²
v0 = m/s
6.포물선 운동어려움
h = 45 mv0​ = 13 m/s60°수평 도달 거리

공을 높이 45 m인 절벽 위에서 수평에서 60° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿을 때까지의 비행 시간 t을(를) 구하시오.

v0 = 13 m/sθ = 60°h = 45 mg = 9.81 m/s²
t = s
7.일과 에너지보통
90°L = 0.5 m5 kg

5 kg 공이 길이 0.5 m인 가벼운 줄에 매달려 있다. 줄이 연직과 90°를 이룰 때까지 옆으로 당겼다가 가만히 놓는다. 공이 가장 낮은 점을 지날 때 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m = 5 kgL = 0.5 mθ = 90°g = 9.81 m/s²
T = N
8.일과 에너지어려움
F = 285 N30°μ = 0.2520 kg

20 kg 블록이 30° 경사면의 아래에서 정지 상태로 출발해, 경사면에 평행한 일정한 힘 285 N에 의해 위로 끌려 올라간다. 운동 마찰 계수는 0.25이다. 블록이 경사면을 따라 5 m 올라간 뒤의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 20 kgF = 285 Nθ = 30°μ = 0.25d = 5 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
9.운동량과 충돌보통
1700 kg19 m/s1400 kg

19 m/s로 움직이는 1700 kg 자동차가 정지해 있는 1400 kg 자동차와 충돌해 두 차가 한 덩어리가 된다. 충돌에서 잃은 운동 에너지 ΔK은(는) 얼마인가?

m1 = 1700 kgv1 = 19 m/sm2 = 1400 kgv2 = 0
ΔK = J
10.운동량과 충돌어려움
4 kgv = ?12 g30°L = 0.8 m

12 g 총알을 길이 0.8 m의 가벼운 줄에 매달린 4 kg 블록에 수평으로 쏘아 박히게 한다. 줄은 연직에서 최대 30°까지 흔들려 나간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 전 총알의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 12 gM = 4 kgL = 0.8 mθ = 30°g = 9.81 m/s²
v = m/s
11.정수압보통
수문d = 4 mH = 2 m

폭 1 m인 연직 직사각형 수문이 물이(가) 담긴 탱크 벽에 있고, 위쪽 가장자리는 수면 아래 4 m에 있다. 수문에 작용하는 정수압 합력 F을(를) 구하시오.

d = 4 mH = 2 mb = 1 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
12.정수압어려움
수문d = 0.5 mH = 1 m

폭 3 m인 연직 직사각형 수문이 기름이(가) 담긴 탱크 벽에 있고, 위쪽 가장자리는 수면 아래 0.5 m에 있다. 수문에 작용하는 정수압 합력 F을(를) 구하시오.

d = 0.5 mH = 1 mb = 3 mρ = 880 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
13.연속 방정식과 베르누이보통
v = ?p0​pp0​ − p = 1100 Pa정체점

풍동의 피토 정압관이 정체압과 정압의 차이를 1100 Pa로 나타낸다. 공기 밀도는 1.2 kg/m³이다. 풍속 v을(를) 구하시오.

p0 − p = 1100 Paρ = 1.2 kg/m³
v = m/s
14.연속 방정식과 베르누이어려움
12d1​ = 150 mm, p1​ = 230 kPad2​ = 100 mm, p2​ = ?Δz = 1 m

물이 150 mm에서 100 mm(으)로 좁아지며 1 m 올라가는 관을 따라 위로 흐른다. 단면 1의 압력은 230 kPa, 유속은 1.5 m/s이다. 손실을 무시하고 단면 2의 압력 p2을(를) 구하시오.

d1 = 150 mmd2 = 100 mmp1 = 230 kPav1 = 1.5 m/sΔz = 1 mρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
15.이상 기체 법칙보통
O₂ 250 gV = 30 LT = 90 °CP = ?

부피 30 L인 탱크에 90 °C의 O₂ 250 g이(가) 들어 있다. 이상 기체로 보고 압력 P을(를) 구하시오.

m = 250 gM = 32 g/molV = 30 LT = 90 °CR = 8.314 J/(mol·K)
P = kPa
16.이상 기체 법칙어려움
상태 1상태 2

일정량의 O₂이(가) 200 kPa, 2 L, 35 °C에서 350 kPa, 90 °C(으)로 변한다. 새 부피 V2을(를) 구하시오.

P1 = 200 kPaV1 = 2 LT1 = 35 °CP2 = 350 kPaT2 = 90 °C
V2 = L
17.열기관과 냉동기보통
TH​ = 400 °CTL​ = 40 °CEQH​QL​η = 29%

열기관이 400 °C의 열원에서 열을 받고 40 °C의 주위로 열을 방출한다. 실제 열효율은 29%이다. 실제 효율과 카르노 효율의 비인 제2법칙 효율 ηII을(를) 구하시오.

TH = 400 °CTL = 40 °Cη = 29%
ηII = %
18.열기관과 냉동기어려움
TH​ = 21 °CTL​ = -5 °CHPQ̇H​ = 12 kWQ̇L​Ẇ = ?

열펌프가 -5 °C의 열원에서 열을 흡수해 21 °C의 난방 시스템에 12 kW의 열을 공급한다. 실제 COP는 이 두 온도 사이의 카르노 COP의 50%이다. 소비하는 전력 Ẇ을(를) 구하시오.

TH = 21 °CTL = -5 °CηII = 50%Q̇H = 12 kW
Ẇ = kW
19.파동, 소리, 광학보통
P3 × 85 dB

기계 한 대가 어떤 점에서 85 dB의 음의 세기 수준을 낸다. 같은 기계 3대가 동시에 작동할 때 그 점에서의 수준 β을(를) 구하시오(비간섭성 음원).

β1 = 85 dBn = 3
β = dB
20.파동, 소리, 광학어려움
θn1​ = 1.62n2​ = 1.57n0​ = 1.00

광섬유의 코어는 n₁ = 1.62이고 클래딩은 n₂ = 1.57이다. 개구수 NA을(를) 구하시오.

n1 = 1.62n2 = 1.57
NA =

3용액

1.운동학

답: a = 1.134 m/s²

Motion with constant acceleration: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² and v² = v₀² + 2·a·s. Pick the equation that contains the three things you know and the one you want, and keep the signs consistent with one positive direction.

단위

v = 260/3.6 = 72.22 m/s

가속도

a = v²/(2s) = 72.22²/(2·2300) = 1.134 m/s²

답

a = 1.134 m/s²
2.운동학

답: y = 21.35 m

Motion with constant acceleration: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² and v² = v₀² + 2·a·s. Pick the equation that contains the three things you know and the one you want, and keep the signs consistent with one positive direction.

만나는 시간

위쪽을 양으로 하고, 지면은 y = 0입니다.

25 − ½g·t² = 29·t − ½g·t² → t = 25/29 = 0.8621 s

만나는 높이

y = 29·0.8621 − ½·9.81·0.8621² = 21.35 m

답

y = 21.35 m
3.뉴턴 법칙

답: a = 4.146 m/s²

뉴턴 제2법칙: 물체에 작용하는 알짜힘은 질량과 가속도의 곱과 같습니다: ΣF = m·a. 자유물체도를 그리고, 운동 방향을 따라 양의 방향을 정한 뒤, 그 방향의 모든 힘을 더하세요: 가한 힘, 운동을 방해하는 마찰력 μ·N, 중력의 성분.

경사면 방향의 힘

경사면 아래쪽이 양입니다.

m·a = m·g·sin θ − μ·m·g·cos θ

가속도

a = 9.81·(sin 25° − 0·cos 25°) = 9.81·(0.4226 − 0) = 4.146 m/s²

답

a = 4.146 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: a = 4.544 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.

줄 방향의 힘

m₂·g = 73.58 N
m₁·g·sin θ = 16.78 N
μ·m₁·g·cos θ = 0 N

계의 가속도

a = (73.58 − 16.78 − 0)/12.5 = 4.544 m/s²

답

a = 4.544 m/s²
5.포물선 운동

답: v0 = 31.56 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) = √(9.81·100/sin 80°) = 31.56 m/s

답

v0 = 31.56 m/s
6.포물선 운동

답: t = 4.387 s

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 = 13·cos 60° = 6.5 m/s
vy = v0·sin θ = 13·sin 60° = 11.26 m/s

체공 시간

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

0 = 45 + 11.26·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (11.26 + √(126.7 + 882.9))/9.81 = 4.387 s

답

t = 4.387 s
7.일과 에너지

답: T = 147.2 N

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). 원 궤도에서는 중심을 향한 알짜힘이 mv²/r과 같아야 합니다.

바닥에서의 속력

v² = 2gL(1 − cos θ) = 2·9.81·0.5·(1 − cos 90°) = 9.81 m²/s²

바닥에서의 힘

m·g = 5·9.81 = 49.05 N
T = mg + mv²/L = 49.05 + 5·9.81/0.5 = 147.2 N

답

T = 147.2 N

검산: T = mg(3 − 2cos θ) = 147.2 N.

8.일과 에너지

답: v = 8.498 m/s

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).

경사면 방향의 힘

m·g = 20·9.81 = 196.2 N
mg·sin θ = 98.1 N
μ·mg·cos θ = 42.48 N

일–에너지

½mv² = (285 − 140.6)·5 = 722.1 J
v = √(2·722.1/20) = 8.498 m/s

답

v = 8.498 m/s
9.운동량과 충돌

답: ΔK = 138577 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) = 1700·19/3100 = 10.42 m/s

충돌 전후의 운동 에너지

Kbefore = ½·1700·19² = 306850 J
Kafter = ½·3100·10.42² = 168273 J

잃은 에너지

ΔK = 306850 − 168273 = 138577 J

답

ΔK = 138577 J

잃은 에너지는 변형, 열, 소리로 갑니다.

10.운동량과 충돌

답: v = 484.8 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) = 0.8·(1 − cos 30°) = 0.1072 m

충돌 후의 속력

V = √(2·9.81·0.1072) = 1.45 m/s

충돌

v = (m + M)·V/m = 4.012·1.45/0.012 = 484.8 m/s

답

v = 484.8 m/s
11.정수압

답: F = 98.1 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 = 4 + 2/2 = 5 m
A = H·b = 2·1 = 2 m²
수문d = 4 mH = 2 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 1000·9.81·5·2 = 98.1 kN

답

F = 98.1 kN
12.정수압

답: F = 25.9 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 = 0.5 + 1/2 = 1 m
A = H·b = 1·3 = 3 m²
수문d = 0.5 mH = 1 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 880·9.81·1·3 = 25.9 kN

답

F = 25.9 kN
13.연속 방정식과 베르누이

답: v = 42.82 m/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.

정체점까지의 베르누이 식

유동이 끝부분에서 정지하므로 운동 에너지가 추가 압력으로 나타납니다.

p0 − p = ½ρv²
v = √(2·1100/1.2) = 42.82 m/s

답

v = 42.82 m/s
14.연속 방정식과 베르누이

답: p2 = 215.6 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 = 1.5·(150/100)² = 3.375 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(1.5² − 3.375²)/1000 = −4.57 kPa
ρgΔz = 1000·9.81·1/1000 = 9.81 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) − ρgΔz = 230 + (−4.57) − 9.81 = 215.6 kPa

답

p2 = 215.6 kPa
15.이상 기체 법칙

답: P = 786.3 kPa

이상 기체 법칙: PV = nRT, n = m/M.

몰수

n = m/M = 250/32 = 7.813 mol
T = 90 + 273.15 = 363.1 K

압력

P = nRT/V = 7.813·8.314·363.1/0.03 = 786.3 kPa

답

P = 786.3 kPa
16.이상 기체 법칙

답: V2 = 1.347 L

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

절대 온도

T1 = 308.1 K, T2 = 363.1 K

보일-샤를 법칙

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 2·(200/350)·(363.1/308.1) = 1.347 L

답

V2 = 1.347 L
17.열기관과 냉동기

답: ηII = 54.23 %

Second-law limits: no cycle working between reservoirs at absolute temperatures TH and TL can beat the reversible (Carnot) cycle: ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL) and COPHP,max = TH/(TH − TL). Energy is always conserved: QH = W + QL.

절대 온도

TH = 400 + 273.15 = 673.1 K
TL = 40 + 273.15 = 313.1 K

카르노 효율

ηCarnot = 1 − 313.1/673.1 = 53.48 %

제2법칙 효율

ηII = η/ηCarnot = 29/53.48 = 54.23 %

답

ηII = 54.23 %
18.열기관과 냉동기

답: Ẇ = 2.121 kW

Second-law limits: no cycle working between reservoirs at absolute temperatures TH and TL can beat the reversible (Carnot) cycle: ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL) and COPHP,max = TH/(TH − TL). Energy is always conserved: QH = W + QL.

절대 온도

TH = 21 + 273.15 = 294.1 K
TL = -5 + 273.15 = 268.1 K

카르노 COP와 실제 COP

COPmax = 294.1/(294.1 − 268.1) = 11.31
COP = 0.5·11.31 = 5.657

입력 동력

Ẇ = Q̇H/COP = 12/5.657 = 2.121 kW

답

Ẇ = 2.121 kW
19.파동, 소리, 광학

답: β = 89.77 dB

파동: 주기적인 파동은 한 주기에 한 파장을 이동하므로 v = fλ이고 T = 1/f입니다. 팽팽한 줄에서는 v = √(T/μ)이며, T는 장력, μ = m/L은 1미터당 질량입니다. 공기 중의 소리는 20 °C에서 약 343 m/s로, 진공 중의 빛은 c = 3.00 × 10⁸ m/s로 진행합니다. 소리의 크기는 로그 눈금으로 측정합니다: β = 10·log₁₀(I/I₀) dB, I₀ = 10⁻¹² W/m²이므로 세기가 10배가 되면 10 dB가 늘어납니다. 점음원은 일률 P를 구면 위로 퍼뜨립니다: I = P/(4πr²).

전체 세기

I = 3·I₁

난이도

β = 85 + 10·log₁₀(3) = 89.77 dB

답

β = 89.77 dB
20.파동, 소리, 광학

답: NA = 0.3994

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.

클래딩에서의 임계각

sin θc = 1.57/1.62 = 0.9691 → θc = 75.73°

개구수

NA = √(1.62² − 1.57²) = 0.3994

답

NA = 0.3994

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