공학물리: 벼락치기 팩

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

새 문제강의로 돌아가기

인쇄 창에서 “PDF로 저장”을 선택하면 기기에 사본을 보관할 수 있습니다.

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 m/s²s = 1900 m

비행기가 정지 상태에서 출발해 활주로를 따라 2 m/s²로 균일하게 가속한다. 1900 m 후의 속력 v을(를) 구하시오.

v₀ = 0a = 2 m/s²s = 1900 m
v = m/s
2.운동학어려움
AB: 29 m/s60 m

공 A를 높이 60 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 언제 만나는가? t을(를) 구하시오.

H = 60 mv0B = 29 m/sg = 9.81 m/s²
t = s
3.뉴턴 법칙보통
3.5 kg1.5 kg

3.5 kg과 1.5 kg인 질량이 가볍고 마찰 없는 도르래 양쪽에 가벼운 줄로 연결되어 매달려 있다. 계를 정지 상태에서 놓는다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m1 = 3.5 kgm2 = 1.5 kgg = 9.81 m/s²
T = N
4.뉴턴 법칙어려움
θ = 15°블록v₀ = 5 m/s

블록을 밀어 15° 경사로 위로 5 m/s의 속력으로 미끄러져 올라가게 한다. 운동 마찰 계수는 0.2이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 블록은 멈추기 전까지 경사로를 따라 얼마나 멀리 d 미끄러지는가?

v₀ = 5 m/sθ = 15°μ = 0.2g = 9.81 m/s²
d = m
5.포물선 운동보통
v0​ = 38 m/s50°수평 도달 거리H = ?

공을 평지에서 수평에서 50° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 도달하는 최대 높이 H을(를) 구하시오.

v0 = 38 m/sθ = 50°g = 9.81 m/s²
H = m
6.포물선 운동어려움
h = 5 mv0​ = 31 m/s25°수평 도달 거리

공을 높이 5 m인 절벽 위에서 수평에서 25° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿을 때까지의 비행 시간 t을(를) 구하시오.

v0 = 31 m/sθ = 25°h = 5 mg = 9.81 m/s²
t = s
7.일과 에너지보통
40°d = 8 mμ = 0.1

질량 4 kg인 블록이 수평과 40°를 이루는 경사면을 8 m 미끄러져 내려가며, 운동 마찰 계수는 0.1이다. 마찰에 대해 한 일 Wf을(를) 구하시오.

m = 4 kgθ = 40°μ = 0.1d = 8 mg = 9.81 m/s²
Wf = J
8.일과 에너지어려움
k = 5000 N/m20°μ = 0.13 kg

20° 경사면 아래에 있는 강성 5000 N/m인 스프링을 3 kg 블록으로 20 cm 압축했다가 놓는다. 블록과 경사면 사이의 운동 마찰 계수는 0.1이다. 블록은 놓은 점에서 경사면을 따라 얼마나 멀리 d 올라간 뒤 멈추는가? (스프링이 미는 짧은 거리는 무시하고, 마찰과 중력은 전체 거리 d에 걸쳐 작용한다고 하시오.)

m = 3 kgk = 5000 N/mx = 20 cmθ = 20°μ = 0.1g = 9.81 m/s²
d = m
9.운동량과 충돌보통
4.5 kgv = ?10 gh = 20 cm

10 g 총알을 가벼운 줄에 매달린 4.5 kg 나무 블록에 수평으로 쏘아 박히게 한다. 블록은 처음보다 20 cm 높아질 때까지 흔들려 올라간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 전 총알의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 10 gM = 4.5 kgh = 20 cmg = 9.81 m/s²
v = m/s
10.운동량과 충돌어려움
29 m/s7 m/s

질량 0.3 kg인 공이 29 m/s로 벽에 부딪힌 뒤 7 m/s로 똑바로 튀어나온다. 접촉 시간은 5 ms이다. 벽이 공에 가한 충격량의 크기 J을(를) 구하시오.

m = 0.3 kgvin = 29 m/svout = 7 m/sΔt = 5 ms
J = N·s
11.정수압보통
수문d = 1.5 mH = 3 m

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

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

폭 3 m인 연직 직사각형 수문이 바닷물이(가) 담긴 탱크 벽에 있고, 위쪽 가장자리는 수면 아래 1 m에 있다. 수면 아래 압력 중심의 깊이 ycp을(를) 구하시오.

d = 1 mH = 1.5 mb = 3 mρ = 1025 kg/m³g = 9.81 m/s²
ycp = m
13.연속 방정식과 베르누이보통
d1​ = 80 mmd2​ = 40 mm12p1​ − p2​ = 45 kPaQ = ?

입구 지름 80 mm, 목 지름 40 mm인 수평 벤투리미터에 물이 흐른다. 입구의 압력은 목보다 45 kPa 높다. 손실을 무시하고 유량 Q을(를) 구하시오.

d1 = 80 mmd2 = 40 mmp1 − p2 = 45 kPaρ = 1000 kg/m³
Q = L/s
14.연속 방정식과 베르누이어려움
12d1​ = 75 mm, p1​ = 360 kPad2​ = 40 mm, p2​ = ?Δz = 7 m

물이 75 mm에서 40 mm(으)로 좁아지며 7 m 올라가는 관을 따라 위로 흐른다. 단면 1의 압력은 360 kPa, 유속은 1 m/s이다. 손실을 무시하고 단면 2의 압력 p2을(를) 구하시오.

d1 = 75 mmd2 = 40 mmp1 = 360 kPav1 = 1 m/sΔz = 7 mρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
15.이상 기체 법칙보통
CH₄ 100 gV = 30 LT = 55 °CP = ?

부피 30 L인 탱크에 55 °C의 CH₄ 100 g이(가) 들어 있다. 이상 기체로 보고 압력 P을(를) 구하시오.

m = 100 gM = 16.04 g/molV = 30 LT = 55 °CR = 8.314 J/(mol·K)
P = kPa
16.이상 기체 법칙어려움
상태 1상태 2

일정량의 N₂이(가) 200 kPa, 10 L, 25 °C에서 300 kPa, 100 °C(으)로 변한다. 새 부피 V2을(를) 구하시오.

P1 = 200 kPaV1 = 10 LT1 = 25 °CP2 = 300 kPaT2 = 100 °C
V2 = L
17.열기관과 냉동기보통
TH​ = 650 °CTL​ = 40 °CEQH​ = 1300 kJQL​W = ?

열기관이 650 °C의 고온 열원과 40 °C의 저온 열원 사이에서 작동한다. 이 기관은 1300 kJ의 열을 받는다. 얻을 수 있는 최대 일 Wmax을(를) 구하시오.

TH = 650 °CTL = 40 °CQH = 1300 kJ
Wmax = kJ
18.열기관과 냉동기어려움
TH​ = 22 °CTL​ = 2 °CHPQ̇H​ = 11 kWQ̇L​Ẇ = ?

열펌프가 바깥이 2 °C일 때 집을 22 °C로 유지하며 집에 11 kW의 열을 공급한다. 최소 입력 동력 Ẇmin을(를) 구하시오.

TH = 22 °CTL = 2 °CQ̇H = 11 kW
Ẇmin = kW
19.파동, 소리, 광학보통
S20 m/sOf = 1200 Hz

1200 Hz의 음원이 정지한 관측자에게서 멀어지며 20 m/s로 움직인다. 소리의 속력은 343 m/s이다. 관측자가 듣는 진동수 f′을(를) 구하시오.

f = 1200 Hzv = 343 m/svs = 20 m/s
f′ = Hz
20.파동, 소리, 광학어려움
λ = 589 nmθ2​ = ?

파장 589 nm의 빛이 1 mm당 500개의 선이 있는 격자에 수직으로 입사한다. 2차 극대의 각 θ2을(를) 구하시오.

N = 500 mm⁻¹λ = 589 nmm = 2
θ2 = °

3용액

1.운동학

답: v = 87.18 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) = √(2·2·1900) = 87.18 m/s

답

v = 87.18 m/s
(313.8 km/h)
2.운동학

답: t = 2.069 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.

만나는 시간

위쪽을 양으로 하고, 지면은 y = 0입니다.

60 − ½g·t² = 29·t − ½g·t² → t = 60/29 = 2.069 s

답

t = 2.069 s
3.뉴턴 법칙

답: T = 20.6 N

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 = (3.5 − 1.5)·9.81/(3.5 + 1.5) = 3.924 m/s²

가벼운 질량에서 구한 장력

T − m2·g = m2·a → T = 1.5·(9.81 + 3.924) = 20.6 N

답

T = 20.6 N
4.뉴턴 법칙

답: d = 2.819 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 15° + 0.2·cos 15°) = 4.434 m/s²

거리

d = v₀²/(2a) = 5²/(2·4.434) = 2.819 m

답

d = 2.819 m
5.포물선 운동

답: H = 43.19 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 = 38·cos 50° = 24.43 m/s
vy = v0·sin θ = 38·sin 50° = 29.11 m/s

최고점

최고점에서 연직 속도는 0입니다: vy² = 2gH.

H = vy²/(2g) = 29.11²/(2·9.81) = 43.19 m

답

H = 43.19 m
6.포물선 운동

답: t = 3.01 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 = 31·cos 25° = 28.1 m/s
vy = v0·sin θ = 31·sin 25° = 13.1 m/s

체공 시간

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

0 = 5 + 13.1·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (13.1 + √(171.6 + 98.1))/9.81 = 3.01 s

답

t = 3.01 s
7.일과 에너지

답: Wf = 24.05 J

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).

마찰력

N = mg·cos θ = 39.24·0.766 = 30.06 N
F = μN = 0.1·30.06 = 3.006 N

마찰에 대한 일

Wf = F·d = 3.006·8 = 24.05 J

답

Wf = 24.05 J
8.일과 에너지

답: d = 7.794 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).

스프링 에너지

x = 20 cm = 0.2 m
½kx² = ½·5000·0.2² = 100 J

경사면을 따른 에너지 수지

m·g = 3·9.81 = 29.43 N
½kx² = mg·d·(sin θ + μ·cos θ)
d = 100/(29.43·(0.342 + 0.1·0.9397)) = 7.794 m

답

d = 7.794 m
9.운동량과 충돌

답: v = 893.4 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.

충돌 후의 흔들림

V = √(2·g·h) = √(2·9.81·0.2) = 1.981 m/s

충돌

m·v = (m + M)·V → v = (0.01 + 4.5)·1.981/0.01 = 893.4 m/s

답

v = 893.4 m/s
10.운동량과 충돌

답: J = 10.8 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 = 0.3·(7 + 29) = 10.8 N·s

답

J = 10.8 N·s
11.정수압

답: F = 88.29 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 = 1.5 + 3/2 = 3 m
A = H·b = 3·1 = 3 m²
수문d = 1.5 mH = 3 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 1000·9.81·3·3 = 88.29 kN

답

F = 88.29 kN
12.정수압

답: ycp = 1.857 m

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 + 1.5/2 = 1.75 m
A = H·b = 1.5·3 = 4.5 m²
수문d = 1 mH = 1.5 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 1025·9.81·1.75·4.5 = 79.19 kN

압력 중심

압력은 깊이에 따라 커지므로 합력은 도심 아래에 작용합니다.

Ic = b·H³/12 = 3·1.5³/12 = 0.8438 m⁴
ycp = yc + Ic/(yc·A) = 1.75 + 0.8438/(1.75·4.5) = 1.857 m

답

ycp = 1.857 m
13.연속 방정식과 베르누이

답: Q = 12.31 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.

연속 방정식

v1 = v2·(40/80)² = 0.25·v2

입구와 목 사이의 베르누이 식

관이 수평이므로 압력과 유속만 변합니다.

p1 − p2 = ½ρv2²(1 − β⁴)
v2 = √(2·45000/(1000·(1 − 0.0625))) = 9.798 m/s
v1 = 2.449 m/s

유량

Q = A2·v2 = 0.001257·9.798 = 0.01231 m³/s = 12.31 L/s

답

Q = 12.31 L/s
14.연속 방정식과 베르누이

답: p2 = 285.7 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·(75/40)² = 3.516 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(1² − 3.516²)/1000 = −5.68 kPa
ρgΔz = 1000·9.81·7/1000 = 68.67 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) − ρgΔz = 360 + (−5.68) − 68.67 = 285.7 kPa

답

p2 = 285.7 kPa
15.이상 기체 법칙

답: P = 567 kPa

이상 기체 법칙: PV = nRT, n = m/M.

몰수

n = m/M = 100/16.04 = 6.234 mol
T = 55 + 273.15 = 328.1 K

압력

P = nRT/V = 6.234·8.314·328.1/0.03 = 567 kPa

답

P = 567 kPa
16.이상 기체 법칙

답: V2 = 8.344 L

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

절대 온도

T1 = 298.1 K, T2 = 373.1 K

보일-샤를 법칙

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 10·(200/300)·(373.1/298.1) = 8.344 L

답

V2 = 8.344 L
17.열기관과 냉동기

답: Wmax = 859 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 = 650 + 273.15 = 923.1 K
TL = 40 + 273.15 = 313.1 K

카르노 효율

ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 313.1/923.1 = 66.08 %

최대 일

Wmax = ηmax·QH = 0.6608·1300 = 859 kJ

답

Wmax = 859 kJ
18.열기관과 냉동기

답: Ẇmin = 0.7454 kW

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 = 22 + 273.15 = 295.1 K
TL = 2 + 273.15 = 275.1 K

가능한 최고 COP

COPHP,max = TH/(TH − TL) = 295.1/(295.1 − 275.1) = 14.76

최소 동력

COP가 가장 큰 가역 기계가 가장 적은 일을 필요로 합니다.

Ẇmin = Q̇H/COP = 11/14.76 = 0.7454 kW

답

Ẇmin = 0.7454 kW
19.파동, 소리, 광학

답: f′ = 1134 Hz

정상파와 도플러 효과: 양 끝이 고정된 줄이나 양 끝이 열린 관에는 반파장의 정수 배가 들어맞습니다: L = nλ/2, fn = n·v/(2L), n = 1, 2, 3, … 한쪽 끝이 닫힌 관은 닫힌 끝이 마디이고 열린 끝이 배입니다: L = nλ/4이며 n은 홀수만 가능하고 fn = n·v/(4L)입니다. 음원이나 관측자가 둘을 잇는 직선을 따라 움직이면 f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs)입니다. 서로를 향해 움직일 때는 위쪽 부호를 쓰세요. 진동수가 거의 같은 두 파동은 |f₁ − f₂|로 맥놀이합니다.

도플러 공식

f′ = f·(v − vo)/(v + vs) = 1200·(343 − 0)/(343 + 20)
f′ = 1134 Hz

답

f′ = 1134 Hz
20.파동, 소리, 광학

답: θ2 = 36.09 °

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 = 1/500 mm = 2 × 10⁻⁶ m

격자 방정식

sin θ = mλ/d = 2·589 × 10⁻⁹/(2 × 10⁻⁶) = 0.589
θ = 36.09°

답

θ2 = 36.09°

ExamProblems · examproblems.com/courses/physics-for-engineers