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
경찰a = 2.5 m/s²자동차22 m/s

일정한 22 m/s로 과속하는 자동차가 정지해 있는 경찰차를 지나간다. 그 순간 경찰차가 출발해 2.5 m/s²로 균일하게 가속한다. 경찰차는 출발점에서 얼마나 떨어진 곳에서 따라잡는가? d을(를) 구하시오.

vcar = 22 m/sapolice = 2.5 m/s²v0,police = 0
d = m
2.운동학어려움
AB: 14 m/s30 m

공 A를 높이 30 m에서 가만히 떨어뜨린다. 같은 순간 바로 아래 지면에서 공 B를 14 m/s로 똑바로 위로 던진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 두 공은 지면에서 몇 m 높이 y에서 만나는가?

H = 30 mv0B = 14 m/sg = 9.81 m/s²
y = m
3.뉴턴 법칙보통
θ = 45°a = ?m = 18 kg

질량 18 kg인 블록이 수평과 45°를 이루는 경사면을 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.3이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 경사면을 따르는 블록의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 18 kgθ = 45°μ = 0.3g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
6 kg9 kgTF = 80 Nμ = 0.2

평평한 바닥 위의 두 블록이 가벼운 수평 줄로 연결되어 있다. 수평력 80 N이 앞쪽의 9 kg 블록을 끌고, 6 kg 블록은 뒤에서 끌려온다. 두 블록 모두 운동 마찰 계수는 0.2이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 연결 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m1 = 6 kgm2 = 9 kgF = 80 Nμ = 0.2g = 9.81 m/s²
T = N
5.포물선 운동보통
v0​ = 36 m/s55°수평 도달 거리

공을 평지에서 수평에서 55° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿을 때까지의 비행 시간 t을(를) 구하시오.

v0 = 36 m/sθ = 55°g = 9.81 m/s²
t = s
6.포물선 운동어려움
h = 50 mv0​ = 24 m/s50°α = ?

50 m 절벽 꼭대기에서 공을 24 m/s, 수평 위 50°로 발사한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 공은 수평 아래 몇 도 α의 각으로 지면에 닿는가?

v₀ = 24 m/sθ = 50°h = 50 mg = 9.81 m/s²
α = °
7.일과 에너지보통
0.25 kgk = 200 N/mh = ?

장난감 발사기에 강성 200 N/m인 수직 스프링이 있다. 0.25 kg 공을 올려놓고 스프링을 10 cm 압축한 다음 놓는다. 공기 저항과 스프링의 질량을 무시하고, 스프링이 압축되었을 때의 위치에서 잰 공의 상승 높이 h을(를) 구하시오.

m = 0.25 kgk = 200 N/mx = 10 cmg = 9.81 m/s²
h = m
8.일과 에너지어려움
h = 1.5 mL = 2.5 mμ = 0.25k = 800 N/m

질량 10 kg인 블록을 매끄러운 경사로의 높이 1.5 m에서 가만히 놓는다. 아래에서 길이 2.5 m인 거친 수평 구간(μ = 0.25)을 지난 뒤, 매끄러운 면에서 스프링(k = 800 N/m)에 부딪힌다. 스프링의 최대 압축량 x을(를) 구하시오.

m = 10 kgh = 1.5 mL = 2.5 mμ = 0.25k = 800 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
9.운동량과 충돌보통
4.5 kgv = ?10 gh = 13 cm

10 g 총알을 가벼운 줄에 매달린 4.5 kg 나무 블록에 수평으로 쏘아 박히게 한다. 블록은 처음보다 13 cm 높아질 때까지 흔들려 올라간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 전 총알의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 10 gM = 4.5 kgh = 13 cmg = 9.81 m/s²
v = m/s
10.운동량과 충돌어려움
20 m/s12 m/s

질량 0.55 kg인 공이 20 m/s로 벽에 부딪힌 뒤 12 m/s로 똑바로 튀어나온다. 접촉 시간은 5 ms이다. 벽이 공에 가한 충격량의 크기 J을(를) 구하시오.

m = 0.55 kgvin = 20 m/svout = 12 m/sΔt = 5 ms
J = N·s
11.정수압보통
수문d = 1.5 mH = 2.5 m

폭 1.5 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 = 2.5 mb = 1.5 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
12.정수압어려움
수문d = 4 mH = 2.5 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 = 2.5 mb = 1 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
13.연속 방정식과 베르누이보통
Q = ?d = 20 mm, Cd​ = 0.61h = 1.5 m

큰 열린 탱크의 물이 지름 20 mm의 예연 오리피스로 빠져나간다. 수위는 오리피스보다 1.5 m 위로 유지되고 유량 계수는 0.61이다. 유량 Q을(를) 구하시오. g = 9.81 m/s²를 사용하시오.

d = 20 mmh = 1.5 mCd = 0.61g = 9.81 m/s²
Q = L/s
14.연속 방정식과 베르누이어려움
H = ?d1​ = 100 mmp1​ = 130 kPad2​ = 20 mm

분수 노즐이 똑바로 위를 향한다. 노즐 바로 아래 공급관의 지름은 100 mm, 계기 압력은 130 kPa이다. 노즐 출구 지름은 20 mm이며 노즐 전후의 높이 차는 무시할 수 있다. 손실과 공기 저항을 무시하고 분류가 노즐 위로 올라가는 높이 H을(를) 구하시오. g = 9.81 m/s²를 사용하시오.

d1 = 100 mmp1 = 130 kPa (게이지압)d2 = 20 mmρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
H = m
15.이상 기체 법칙보통
CH₄ 260 gP = 750 kPaT = 95 °CV = ?

750 kPa, 95 °C에서 CH₄ 260 g이(가) 차지하는 부피 V은(는) 얼마인가? 이상 기체로 본다.

m = 260 gM = 16.04 g/molP = 750 kPaT = 95 °CR = 8.314 J/(mol·K)
V = L
16.이상 기체 법칙어려움
CO₂, M = 44.01 g/molP = 350 kPaT = 180 °Cρ = ?

350 kPa, 180 °C에서 CO₂의 밀도 ρ을(를) 이상 기체로 보고 구하시오.

M = 44.01 g/molP = 350 kPaT = 180 °CR = 8.314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
17.열기관과 냉동기보통
TH​ = 275 °CTL​ = ?EQH​ = 1500 kJQL​ = 857 kJW

가역(카르노) 열기관이 사이클마다 275 °C의 열저장소에서 1500 kJ의 열을 받고 857 kJ를 방출한다. 저온 열저장소의 온도 TL을(를) °C로 구하시오.

TH = 275 °CQH = 1500 kJQL = 857 kJ
TL = °C
18.열기관과 냉동기어려움
TH​ = 32 °CTL​ = 2 °CRQ̇H​Q̇L​ = 2 kWẆ

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

TH = 32 °CTL = 2 °CQ̇L = 2 kW
COPmax =
19.파동, 소리, 광학보통
L = 0.65 mn = 5

양 끝이 고정된 줄의 길이는 0.65 m이고 그 위로 파동이 180 m/s로 진행한다. 5번째 배진동의 진동수 f5을(를) 구하시오.

v = 180 m/sn = 5L = 0.65 m
f5 = Hz
20.파동, 소리, 광학어려움
θa​ = ?n1​ = 1.5n2​ = 1.48n0​ = 1.00

광섬유의 코어는 n₁ = 1.5이고 클래딩은 n₂ = 1.48이다. 공기 중의 빛이 섬유의 끝면으로 들어가 전반사로 계속 안내될 수 있는 섬유 축에 대한 최대 각 θa을(를) 구하시오.

n1 = 1.5n2 = 1.48n0 = 1.00
θa = °

3용액

1.운동학

답: d = 387.2 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.

같은 거리

v·t = ½·a·t² → t = 2v/a = 2·22/2.5 = 17.6 s

거리

d = v·t = 22·17.6 = 387.2 m

답

d = 387.2 m

그 순간 경찰차는 2v = 44 m/s로 움직입니다.

2.운동학

답: y = 7.477 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.

30 − ½g·t² = 14·t − ½g·t² → t = 30/14 = 2.143 s

만나는 높이

y = 14·2.143 − ½·9.81·2.143² = 7.477 m

답

y = 7.477 m
3.뉴턴 법칙

답: a = 4.856 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 45° − 0.3·cos 45°) = 9.81·(0.7071 − 0.2121) = 4.856 m/s²

답

a = 4.856 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: T = 32 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.

전체 계

a = (F − μ·(m1 + m2)·g)/(m1 + m2) = (80 − 29.43)/15 = 3.371 m/s²

뒤쪽 블록만

T = m1·(a + μ·g) = 6·(3.371 + 1.962) = 32 N

답

T = 32 N

두 블록의 μ가 같으면 마찰이 빠집니다: T = F·m₁/(m₁ + m₂).

5.포물선 운동

답: t = 6.012 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 = 36·cos 55° = 20.65 m/s
vy = v0·sin θ = 36·sin 55° = 29.49 m/s

체공 시간

출발점과 착지점이 같은 높이: t = 2vy/g.

t = 2·29.49/9.81 = 6.012 s

답

t = 6.012 s
6.포물선 운동

답: α = 66.99 °

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.

초기 속도 분해

vx = 24·cos 50° = 15.43 m/s
vy0 = 24·sin 50° = 18.39 m/s

충돌 시 수직 속력

에너지 또는 수직 방향의 v² = v₀² + 2as.

vy = √(18.39² + 2·9.81·50) = 36.32 m/s

충돌 각

tan α = vy/vx = 36.32/15.43 → α = 66.99°

답

α = 66.99°
7.일과 에너지

답: h = 0.4077 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 = 10 cm = 0.1 m
½kx² = ½·200·0.1² = 1 J

높이

m·g = 0.25·9.81 = 2.453 N
h = ½kx²/(mg) = 1/2.453 = 0.4077 m

답

h = 0.4077 m
8.일과 에너지

답: x = 46.32 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 = 98.1·(1.5 − 0.25·2.5) = 85.84 J

최대 압축량

½kx² = 85.84 → x = √(2·85.84/800) = 0.4632 m = 46.32 cm

답

x = 46.32 cm
9.운동량과 충돌

답: v = 720.3 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) = √(2·9.81·0.13) = 1.597 m/s

충돌

m·v = (m + M)·V → v = (0.01 + 4.5)·1.597/0.01 = 720.3 m/s

답

v = 720.3 m/s
10.운동량과 충돌

답: J = 17.6 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 = 0.55·(12 + 20) = 17.6 N·s

답

J = 17.6 N·s
11.정수압

답: F = 101.2 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 + 2.5/2 = 2.75 m
A = H·b = 2.5·1.5 = 3.75 m²
수문d = 1.5 mH = 2.5 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 1000·9.81·2.75·3.75 = 101.2 kN

답

F = 101.2 kN
12.정수압

답: F = 128.8 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 + 2.5/2 = 5.25 m
A = H·b = 2.5·1 = 2.5 m²
수문d = 4 mH = 2.5 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 1000·9.81·5.25·2.5 = 128.8 kN

답

F = 128.8 kN
13.연속 방정식과 베르누이

답: Q = 1.04 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) = √(2·9.81·1.5) = 5.425 m/s

실제 유량

유량 계수는 분류의 수축과 가장자리의 마찰을 반영합니다.

Q = Cd·A·√(2gh) = 0.61·0.0003142·5.425 = 0.00104 m³/s = 1.04 L/s

답

Q = 1.04 L/s
14.연속 방정식과 베르누이

답: H = 13.27 m

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.

출구 유속

β = 20/100 = 0.2
v2 = √(2p1/(ρ(1 − β⁴))) = √(2·130000/(1000·0.9984)) = 16.14 m/s

분류의 높이

분류를 따른 베르누이 식: 꼭대기에서 유속은 0이고 압력은 다시 대기압입니다.

H = v2²/(2g) = 16.14²/(2·9.81) = 13.27 m

답

H = 13.27 m
15.이상 기체 법칙

답: V = 66.15 L

이상 기체 법칙: PV = nRT, n = m/M.

몰수

n = 260/16.04 = 16.21 mol
T = 95 + 273.15 = 368.1 K

부피

V = nRT/P = 16.21·8.314·368.1/750 = 66.15 L

답

V = 66.15 L
16.이상 기체 법칙

답: ρ = 4.089 kg/m³

이상 기체의 밀도: ρ = PM/(RT).

기체 법칙 정리

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 180 + 273.15 = 453.1 K

밀도

ρ = 350·44.01/(8.314·453.1) = 4.089 kg/m³

답

ρ = 4.089 kg/m³
17.열기관과 냉동기

답: TL = 40.03 °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 = 275 + 273.15 = 548.1 K

가역 사이클의 열 비

TL = TH·QL/QH = 548.1·857/1500 = 313.2 K = 40.03 °C

답

TL = 40.03 °C
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: f5 = 692.3 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.

이 진동 모드의 파장

λ = 2L/n = 2·0.65/5 = 0.26 m

진동수

f = v/λ = 180/0.26 = 692.3 Hz

답

f5 = 692.3 Hz
20.파동, 소리, 광학

답: θa = 14.13 °

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 = 1.48/1.5 = 0.9867 → θc = 80.63°

개구수

NA = √(1.5² − 1.48²) = 0.2441

수광각

θa = arcsin(0.2441) = 14.13°

답

θa = 14.13°

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