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 = 2.5 m/s²s = 1000 m

비행기가 정지 상태에서 출발해 활주로를 따라 2.5 m/s²로 균일하게 가속한다. 1000 m 후의 속력 v을(를) 구하시오.

v₀ = 0a = 2.5 m/s²s = 1000 m
v = m/s
2.운동학어려움
AB: 30 m/s60 m

공 A를 높이 60 m에서 가만히 떨어뜨린다. 같은 순간 바로 아래 지면에서 공 B를 30 m/s로 똑바로 위로 던진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 두 공은 지면에서 몇 m 높이 y에서 만나는가?

H = 60 mv0B = 30 m/sg = 9.81 m/s²
y = m
3.뉴턴 법칙보통
10 kg2.5 kg

10 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 = 10 kgm2 = 2.5 kgg = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
θ = 35°블록v₀ = 6 m/s

블록을 밀어 35° 경사로 위로 6 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 = 6 m/sθ = 35°μ = 0.25g = 9.81 m/s²
d = m
5.포물선 운동보통
v0​ = 16 m/s25°수평 도달 거리H = ?

공을 평지에서 수평에서 25° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 도달하는 최대 높이 H을(를) 구하시오.

v0 = 16 m/sθ = 25°g = 9.81 m/s²
H = m
6.포물선 운동어려움
h = 20 mv0​ = 24 m/s55°x = ?

공을 높이 20 m인 절벽 위에서 수평에서 55° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿기 전까지 이동한 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v0 = 24 m/sθ = 55°h = 20 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.일과 에너지보통
90 km/h8°1800 kg

1800 kg 자동차가 8° 경사로를 일정한 90 km/h로 올라간다. 공기 저항과 구름 저항을 합하면 300 N이다. 바퀴가 내야 하는 동력 P을(를) kW 단위로 구하시오.

m = 1800 kgθ = 8°Fr = 300 Nv = 90 km/hg = 9.81 m/s²
P = kW
8.일과 에너지어려움
h = 4 mL = 2.5 mμ = 0.1k = 5000 N/m

질량 2.5 kg인 블록을 매끄러운 경사로의 높이 4 m에서 가만히 놓는다. 아래에서 길이 2.5 m인 거친 수평 구간(μ = 0.1)을 지난 뒤, 매끄러운 면에서 스프링(k = 5000 N/m)에 부딪힌다. 블록이 스프링에 닿을 때의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 2.5 kgh = 4 mL = 2.5 mμ = 0.1k = 5000 N/mg = 9.81 m/s²
v = m/s
9.운동량과 충돌보통
3.5 kg5 m/s2.5 kg

5 m/s로 움직이는 질량 3.5 kg인 글라이더가 마찰 없는 트랙 위에 정지해 있는 질량 2.5 kg인 글라이더와 완전 탄성 정면충돌을 한다. 충돌 후 첫 번째 글라이더의 속도 v′1을(를) 구하시오(처음 진행 방향을 양으로 한다).

m1 = 3.5 kgm2 = 2.5 kgv1 = 5 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
10.운동량과 충돌어려움
17 m/s6 m/s

질량 0.2 kg인 공이 17 m/s로 벽에 부딪힌 뒤 6 m/s로 똑바로 튀어나온다. 접촉 시간은 5 ms이다. 벽이 공에 가한 충격량의 크기 J을(를) 구하시오.

m = 0.2 kgvin = 17 m/svout = 6 m/sΔt = 5 ms
J = N·s
11.정수압보통
수문d = 1 mH = 3 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 = 3 mb = 1.5 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
12.정수압어려움
수문d = 4 mH = 3 m

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

d = 4 mH = 3 mb = 1 mρ = 1025 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
13.연속 방정식과 베르누이보통
Q = ?d = 20 mm, Cd​ = 0.64h = 6 m

큰 열린 탱크의 물이 지름 20 mm의 예연 오리피스로 빠져나간다. 수위는 오리피스보다 6 m 위로 유지되고 유량 계수는 0.64이다. 유량 Q을(를) 구하시오. g = 9.81 m/s²를 사용하시오.

d = 20 mmh = 6 mCd = 0.64g = 9.81 m/s²
Q = L/s
14.연속 방정식과 베르누이어려움
12d1​ = 150 mm, p1​ = 370 kPad2​ = 75 mm, p2​ = ?Δz = 8 m

물이 150 mm에서 75 mm(으)로 좁아지며 8 m 올라가는 관을 따라 위로 흐른다. 단면 1의 압력은 370 kPa, 유속은 0.5 m/s이다. 손실을 무시하고 단면 2의 압력 p2을(를) 구하시오.

d1 = 150 mmd2 = 75 mmp1 = 370 kPav1 = 0.5 m/sΔz = 8 mρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
15.이상 기체 법칙보통
CO₂ 140 gP = 800 kPaT = 5 °CV = ?

800 kPa, 5 °C에서 CO₂ 140 g이(가) 차지하는 부피 V은(는) 얼마인가? 이상 기체로 본다.

m = 140 gM = 44.01 g/molP = 800 kPaT = 5 °CR = 8.314 J/(mol·K)
V = L
16.이상 기체 법칙어려움
상태 1상태 2

일정량의 Ar이(가) 100 kPa, 5 L, 20 °C에서 500 kPa, 120 °C(으)로 변한다. 새 부피 V2을(를) 구하시오.

P1 = 100 kPaV1 = 5 LT1 = 20 °CP2 = 500 kPaT2 = 120 °C
V2 = L
17.열기관과 냉동기보통
TH​ = 325 °CTL​ = ?EQH​ = 4400 kJQL​ = 2193 kJW

가역(카르노) 열기관이 사이클마다 325 °C의 열저장소에서 4400 kJ의 열을 받고 2193 kJ를 방출한다. 저온 열저장소의 온도 TL을(를) °C로 구하시오.

TH = 325 °CQH = 4400 kJQL = 2193 kJ
TL = °C
18.열기관과 냉동기어려움
1050 °CTm​ = ?10 °CABWA​WB​

두 카르노 기관이 직렬로 작동한다. 기관 A는 1050 °C의 열저장소에서 열을 받아 온도 Tm의 중간 열저장소로 열을 방출한다. 기관 B는 그 열을 모두 받아 10 °C의 열저장소로 열을 방출한다. 두 기관이 같은 일을 한다. Tm을(를) °C로 구하시오.

TH = 1050 °CTL = 10 °C
Tm = °C
19.파동, 소리, 광학보통
FFdo​ = 15 cmf = 8 cm

물체가 초점 거리 8 cm인 얇은 수렴 렌즈 앞 15 cm에 서 있다. 상거리 di을(를) 구하시오. 부호 규약 1/f = 1/do + 1/di를 쓴다(오목 렌즈는 f < 0, 허상은 di < 0).

do = 15 cmf = 8 cm
di = cm
20.파동, 소리, 광학어려움
λ = 500 nmθ

회절 격자에 1 mm당 100개의 선이 있다. 파장 500 nm의 빛이 수직으로 입사한다. 볼 수 있는 밝은 극대의 가장 높은 차수 mmax은(는) 얼마인가?

N = 100 mm⁻¹λ = 500 nm
mmax =

3용액

1.운동학

답: v = 70.71 m/s

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.

그 거리 후의 속력

v = √(2·a·s) = √(2·2.5·1000) = 70.71 m/s

답

v = 70.71 m/s
(254.6 km/h)
2.운동학

답: y = 40.38 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.

60 − ½g·t² = 30·t − ½g·t² → t = 60/30 = 2 s

만나는 높이

y = 30·2 − ½·9.81·2² = 40.38 m

답

y = 40.38 m
3.뉴턴 법칙

답: a = 5.886 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 = (10 − 2.5)·9.81/(10 + 2.5) = 5.886 m/s²

답

a = 5.886 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: d = 2.357 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 35° + 0.25·cos 35°) = 7.636 m/s²

거리

d = v₀²/(2a) = 6²/(2·7.636) = 2.357 m

답

d = 2.357 m
5.포물선 운동

답: H = 2.33 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 = 16·cos 25° = 14.5 m/s
vy = v0·sin θ = 16·sin 25° = 6.762 m/s

최고점

최고점에서 연직 속도는 0입니다: vy² = 2gH.

H = vy²/(2g) = 6.762²/(2·9.81) = 2.33 m

답

H = 2.33 m
6.포물선 운동

답: x = 66.75 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 = 24·cos 55° = 13.77 m/s
vy = v0·sin θ = 24·sin 55° = 19.66 m/s

체공 시간

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

0 = 20 + 19.66·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (19.66 + √(386.5 + 392.4))/9.81 = 4.849 s

수평 거리

x = vx·t = 13.77·4.849 = 66.75 m

답

x = 66.75 m
7.일과 에너지

답: P = 68.94 kW

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). 동력은 힘 × 속력입니다: P = F·v.

구동력

m·g = 1800·9.81 = 17658 N
mg·sin θ = 17658·sin 8° = 2458 N
F = 2458 + 300 = 2758 N

전력

v = 90/3.6 = 25 m/s
P = F·v = 2758·25 = 68938 W = 68.94 kW

답

P = 68.94 kW
8.일과 에너지

답: v = 8.578 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).

거친 구간을 지난 뒤 남은 에너지

경사로는 매끄러우므로 에너지를 빼앗는 것은 거친 구간뿐입니다.

mgh − μmgL = 24.53·(4 − 0.1·2.5) = 91.97 J

스프링에서의 속력

½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9.81·3.75) = 8.578 m/s

답

v = 8.578 m/s
9.운동량과 충돌

답: v′1 = 0.8333 m/s

운동량 보존: 충돌하는 동안 외력이 작용하지 않으면 충돌 전 전체 운동량 Σm·v는 충돌 후와 같습니다. 속도에는 방향이 있으므로 양의 방향을 정하고 반대 방향 속도에는 음의 부호를 붙이세요. 탄성 충돌에서는 운동 에너지도 보존되고, 완전 비탄성 충돌에서는 두 물체가 한 덩어리가 됩니다.

정지한 표적과의 탄성 충돌

운동량 보존과 에너지 보존을 연립해 풀면 이 두 결과가 나옵니다.

v′1 = (3.5 − 2.5)/(3.5 + 2.5)·5 = 0.8333 m/s
v′2 = 2·3.5/(3.5 + 2.5)·5 = 5.833 m/s

답

v′1 = 0.8333 m/s
10.운동량과 충돌

답: J = 4.6 N·s

운동량 보존: 충돌하는 동안 외력이 작용하지 않으면 충돌 전 전체 운동량 Σm·v는 충돌 후와 같습니다. 속도에는 방향이 있으므로 양의 방향을 정하고 반대 방향 속도에는 음의 부호를 붙이세요. 탄성 충돌에서는 운동 에너지도 보존되고, 완전 비탄성 충돌에서는 두 물체가 한 덩어리가 됩니다.

운동량 변화

J = m·Δv = 0.2·(6 + 17) = 4.6 N·s

답

J = 4.6 N·s
11.정수압

답: F = 110.4 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 + 3/2 = 2.5 m
A = H·b = 3·1.5 = 4.5 m²
수문d = 1 mH = 3 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 1000·9.81·2.5·4.5 = 110.4 kN

답

F = 110.4 kN
12.정수압

답: F = 165.9 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 = 4 + 3/2 = 5.5 m
A = H·b = 3·1 = 3 m²
수문d = 4 mH = 3 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 1025·9.81·5.5·3 = 165.9 kN

답

F = 165.9 kN
13.연속 방정식과 베르누이

답: Q = 2.181 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.

이상 분류 속도

√(2gh) = √(2·9.81·6) = 10.85 m/s

실제 유량

유량 계수는 분류의 수축과 가장자리의 마찰을 반영합니다.

Q = Cd·A·√(2gh) = 0.64·0.0003142·10.85 = 0.002181 m³/s = 2.181 L/s

답

Q = 2.181 L/s
14.연속 방정식과 베르누이

답: p2 = 289.6 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 = 0.5·(150/75)² = 2 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(0.5² − 2²)/1000 = −1.875 kPa
ρgΔz = 1000·9.81·8/1000 = 78.48 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) − ρgΔz = 370 + (−1.875) − 78.48 = 289.6 kPa

답

p2 = 289.6 kPa
15.이상 기체 법칙

답: V = 9.196 L

이상 기체 법칙: PV = nRT, n = m/M.

몰수

n = 140/44.01 = 3.181 mol
T = 5 + 273.15 = 278.1 K

부피

V = nRT/P = 3.181·8.314·278.1/800 = 9.196 L

답

V = 9.196 L
16.이상 기체 법칙

답: V2 = 1.341 L

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

절대 온도

T1 = 293.1 K, T2 = 393.1 K

보일-샤를 법칙

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 5·(100/500)·(393.1/293.1) = 1.341 L

답

V2 = 1.341 L
17.열기관과 냉동기

답: TL = 24.97 °C

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.

열원의 절대 온도

TH = 325 + 273.15 = 598.1 K

가역 사이클의 열 비

TL = TH·QL/QH = 598.1·2193/4400 = 298.1 K = 24.97 °C

답

TL = 24.97 °C
18.열기관과 냉동기

답: Tm = 530 °C

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 = 1050 + 273.15 = 1323 K
TL = 10 + 273.15 = 283.1 K

같은 일

W = Q·(1 − Tlow/Thigh)이고 모든 열저장소에서 Q/T가 같으므로 W는 온도 강하에 비례합니다.

Tm = (1323 + 283.1)/2 = 803.2 K = 530 °C

답

Tm = 530 °C
19.파동, 소리, 광학

답: di = 17.14 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 = 1/8 − 1/15
di = 17.14 cm
FF15 cmf = 8 cm

광선도

실상, 렌즈의 반대쪽

답

di = 17.14 cm
20.파동, 소리, 광학

답: mmax = 19

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.

선 간격

d = 1/100 mm = 10 µm

가장 높은 차수

m ≤ d/λ = 10 µm/0.5 µm = 20 → mmax = 19

답

mmax = 19

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