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)0.8 s30

108 km/h로 달리던 운전자가 장애물을 본다. 반응 시간은 0.8 s이고, 그 후 자동차는 일정한 감속도 6 m/s²로 제동한다. 장애물을 본 순간부터의 총 정지 거리 d을(를) 구하시오.

v₀ = 108 km/htr = 0.8 sa = −6 m/s²
d = m
2.운동학어려움
a = 26 m/s²

모형 로켓을 정지 상태에서 똑바로 위로 발사한다. 엔진은 1.5 s 동안 위쪽으로 일정한 가속도 26 m/s²를 주고, 그 후 엔진이 멈추면 로켓은 자유 운동을 한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 로켓이 도달하는 최고 높이 hmax을(를) 구하시오.

a = 26 m/s²t1 = 1.5 sg = 9.81 m/s²
hmax = m
3.뉴턴 법칙보통
θ = 35°45 kgF = ?

45 kg 상자를 수평과 35°를 이루는 경사로 위로 경사로에 평행한 힘으로 일정한 속력으로 민다. 운동 마찰 계수는 0.4이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 미는 힘 F을(를) 구하시오.

m = 45 kgθ = 35°μ = 0.4g = 9.81 m/s²
F = N
4.뉴턴 법칙어려움
θ = 20°블록v₀ = 6.5 m/s

블록을 밀어 20° 경사로 위로 6.5 m/s의 속력으로 미끄러져 올라가게 한다. 운동 마찰 계수는 0.1이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 블록은 멈추기 전까지 경사로를 따라 얼마나 멀리 d 미끄러지는가?

v₀ = 6.5 m/sθ = 20°μ = 0.1g = 9.81 m/s²
d = m
5.포물선 운동보통
v0​ = 26 m/s30°수평 도달 거리H = ?

공을 평지에서 수평에서 30° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 도달하는 최대 높이 H을(를) 구하시오.

v0 = 26 m/sθ = 30°g = 9.81 m/s²
H = m
6.포물선 운동어려움
h = 30 mv0​ = 25 m/s20°H = ?

30 m 절벽 꼭대기에서 공을 25 m/s, 수평 위 20°로 발사한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 절벽 밑 지면으로부터의 최고 높이 H을(를) 구하시오.

v₀ = 25 m/sθ = 20°h = 30 mg = 9.81 m/s²
H = m
7.일과 에너지보통
40°d = 19 mμ = 0.1

질량 2.5 kg인 블록이 수평과 40°를 이루는 경사면을 19 m 미끄러져 내려가며, 운동 마찰 계수는 0.1이다. 마찰에 대해 한 일 Wf을(를) 구하시오.

m = 2.5 kgθ = 40°μ = 0.1d = 19 mg = 9.81 m/s²
Wf = J
8.일과 에너지어려움
4 kg5 kgμ = 0.3d = 0.5 m

4 kg 블록이 거친 수평 테이블(μ = 0.3) 위에 놓여 있다. 가벼운 줄이 블록에서 테이블 가장자리의 매끄러운 도르래를 지나 매달린 5 kg 블록에 연결되어 있다. 계를 정지 상태에서 놓는다. 매달린 블록이 0.5 m 내려간 뒤 블록들의 속력 v을(를) 구하시오.

m1 = 4 kgm2 = 5 kgμ = 0.3d = 0.5 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
9.운동량과 충돌보통
1200 kg17 m/s1400 kg

17 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 = 17 m/sm2 = 1400 kgv2 = 0
ΔK = J
10.운동량과 충돌어려움
30 m/s8 m/s

질량 0.3 kg인 공이 30 m/s로 벽에 부딪힌 뒤 8 m/s로 똑바로 튀어나온다. 접촉 시간은 50 ms이다. 벽이 공에 작용한 평균 힘 Favg을(를) 구하시오.

m = 0.3 kgvin = 30 m/svout = 8 m/sΔt = 50 ms
Favg = N
11.정수압보통
수문d = 2 mH = 1.5 m

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

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

폭 1 m인 연직 직사각형 수문이 바닷물이(가) 담긴 탱크 벽에 있고, 위쪽 가장자리는 수면 아래 1.5 m에 있다. 수면 아래 압력 중심의 깊이 ycp을(를) 구하시오.

d = 1.5 mH = 3 mb = 1 mρ = 1025 kg/m³g = 9.81 m/s²
ycp = m
13.연속 방정식과 베르누이보통
12d1​ = 100 mm, p1​ = 380 kPad2​ = 50 mm, p2​ = ?

물이 100 mm에서 50 mm(으)로 좁아지는 수평관을 흐른다. 넓은 부분의 압력은 380 kPa, 유속은 1.25 m/s이다. 손실을 무시하고 좁은 부분의 압력 p2을(를) 구하시오.

d1 = 100 mmd2 = 50 mmp1 = 380 kPav1 = 1.25 m/sρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
14.연속 방정식과 베르누이어려움
12d1​ = 200 mm, p1​ = 380 kPad2​ = 100 mm, p2​ = ?Δz = 6 m

물이 200 mm에서 100 mm(으)로 좁아지며 6 m 올라가는 관을 따라 위로 흐른다. 단면 1의 압력은 380 kPa, 유속은 3 m/s이다. 손실을 무시하고 단면 2의 압력 p2을(를) 구하시오.

d1 = 200 mmd2 = 100 mmp1 = 380 kPav1 = 3 m/sΔz = 6 mρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
15.이상 기체 법칙보통
CO₂ 450 gV = 20 LT = 25 °CP = ?

부피 20 L인 탱크에 25 °C의 CO₂ 450 g이(가) 들어 있다. 이상 기체로 보고 압력 P을(를) 구하시오.

m = 450 gM = 44.01 g/molV = 20 LT = 25 °CR = 8.314 J/(mol·K)
P = kPa
16.이상 기체 법칙어려움
O₂, M = 32 g/molP = 950 kPaT = 180 °Cρ = ?

950 kPa, 180 °C에서 O₂의 밀도 ρ을(를) 이상 기체로 보고 구하시오.

M = 32 g/molP = 950 kPaT = 180 °CR = 8.314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
17.열기관과 냉동기보통
TH​ = 25 °CTL​ = 0 °CRQ̇H​ = ?Q̇L​ = 1 kWẆ

가역 냉장고가 1 kW의 열을 제거해 냉장실을 0 °C로 유지하고, 25 °C의 주위로 열을 방출한다. 열을 방출하는 비율 Q̇H을(를) 구하시오.

TL = 0 °CTH = 25 °CQ̇L = 1 kW
Q̇H = kW
18.열기관과 냉동기어려움
TH​ = 22 °CTL​ = 7 °CHPQ̇H​ = 14 kWQ̇L​Ẇ = ?

열펌프가 바깥이 7 °C일 때 집을 22 °C로 유지하며 집에 14 kW의 열을 공급한다. 최소 입력 동력 Ẇmin을(를) 구하시오.

TH = 22 °CTL = 7 °CQ̇H = 14 kW
Ẇmin = kW
19.파동, 소리, 광학보통
Pβ = ?r = 8 m

작은 스피커가 모든 방향으로 똑같이 0.5 W의 음향 출력을 내보낸다. 8 m 떨어진 곳의 음의 세기 수준 β을(를) 구하시오.

P = 0.5 Wr = 8 mI0 = 10⁻¹² W/m²
β = dB
20.파동, 소리, 광학어려움
λ = 532 nmθ

회절 격자에 1 mm당 200개의 선이 있다. 파장 532 nm의 빛이 수직으로 입사한다. 볼 수 있는 밝은 극대의 가장 높은 차수 mmax은(는) 얼마인가?

N = 200 mm⁻¹λ = 532 nm
mmax =

3용액

1.운동학

답: d = 99 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.

단위

v₀ = 108/3.6 = 30 m/s

반응 거리

d1 = v₀·tr = 30·0.8 = 24 m

제동 거리

d2 = v₀²/(2a) = 30²/(2·6) = 75 m

합계

d = 24 + 75 = 99 m

답

d = 99 m
2.운동학

답: hmax = 106.8 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.

동력 비행 단계

v₁ = 26·1.5 = 39 m/s
h₁ = ½·26·1.5² = 29.25 m

위로의 자유 비행

최고점에서 속도는 0입니다.

Δh = v₁²/(2g) = 39²/(2·9.81) = 77.52 m
hmax = 29.25 + 77.52 = 106.8 m

답

hmax = 106.8 m
3.뉴턴 법칙

답: F = 397.9 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.

경사면 방향의 힘

일정한 속력: 힘이 평형을 이룹니다.

F = m·g·sin θ + μ·m·g·cos θ

미는 힘

F = 253.2 + 144.6 = 397.9 N

답

F = 397.9 N
4.뉴턴 법칙

답: d = 4.939 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 20° + 0.1·cos 20°) = 4.277 m/s²

거리

d = v₀²/(2a) = 6.5²/(2·4.277) = 4.939 m

답

d = 4.939 m
5.포물선 운동

답: H = 8.614 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 = 26·cos 30° = 22.52 m/s
vy = v0·sin θ = 26·sin 30° = 13 m/s

최고점

최고점에서 연직 속도는 0입니다: vy² = 2gH.

H = vy²/(2g) = 13²/(2·9.81) = 8.614 m

답

H = 8.614 m
6.포물선 운동

답: H = 33.73 m

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.

처음 수직 속력

vy = 25·sin 20° = 8.551 m/s

절벽 위로 올라간 높이

Δh = vy²/(2g) = 8.551²/(2·9.81) = 3.726 m

지면으로부터의 높이

H = 30 + 3.726 = 33.73 m

답

H = 33.73 m
7.일과 에너지

답: Wf = 35.7 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 = 24.53·0.766 = 18.79 N
F = μN = 0.1·18.79 = 1.879 N

마찰에 대한 일

Wf = F·d = 1.879·19 = 35.7 J

답

Wf = 35.7 J
8.일과 에너지

답: v = 2.035 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).

방출되고 손실된 에너지

m₂g·d = 49.05·0.5 = 24.53 J
μ·m₁g·d = 0.3·39.24·0.5 = 5.886 J

두 블록의 운동 에너지

½(m₁ + m₂)v² = 18.64 → v = √(2·18.64/9) = 2.035 m/s

답

v = 2.035 m/s
9.운동량과 충돌

답: ΔK = 93369 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) = 1200·17/2600 = 7.846 m/s

충돌 전후의 운동 에너지

Kbefore = ½·1200·17² = 173400 J
Kafter = ½·2600·7.846² = 80031 J

잃은 에너지

ΔK = 173400 − 80031 = 93369 J

답

ΔK = 93369 J

잃은 에너지는 변형, 열, 소리로 갑니다.

10.운동량과 충돌

답: Favg = 228 N

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·(8 + 30) = 11.4 N·s

평균 힘

Favg = J/Δt = 11.4/0.05 = 228 N

답

Favg = 228 N
11.정수압

답: F = 80.93 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 = 2 + 1.5/2 = 2.75 m
A = H·b = 1.5·2 = 3 m²
수문d = 2 mH = 1.5 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 1000·9.81·2.75·3 = 80.93 kN

답

F = 80.93 kN
12.정수압

답: ycp = 3.25 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 = 1.5 + 3/2 = 3 m
A = H·b = 3·1 = 3 m²
수문d = 1.5 mH = 3 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 1025·9.81·3·3 = 90.5 kN

압력 중심

압력은 깊이에 따라 커지므로 합력은 도심 아래에 작용합니다.

Ic = b·H³/12 = 1·3³/12 = 2.25 m⁴
ycp = yc + Ic/(yc·A) = 3 + 2.25/(3·3) = 3.25 m

답

ycp = 3.25 m
13.연속 방정식과 베르누이

답: p2 = 368.3 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 = 1.25·(100/50)² = 5 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(1.25² − 5²)/1000 = −11.72 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) = 380 + (−11.72) = 368.3 kPa

답

p2 = 368.3 kPa
14.연속 방정식과 베르누이

답: p2 = 253.6 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 = 3·(200/100)² = 12 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(3² − 12²)/1000 = −67.5 kPa
ρgΔz = 1000·9.81·6/1000 = 58.86 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) − ρgΔz = 380 + (−67.5) − 58.86 = 253.6 kPa

답

p2 = 253.6 kPa
15.이상 기체 법칙

답: P = 1267 kPa

이상 기체 법칙: PV = nRT, n = m/M.

몰수

n = m/M = 450/44.01 = 10.22 mol
T = 25 + 273.15 = 298.1 K

압력

P = nRT/V = 10.22·8.314·298.1/0.02 = 1267 kPa

답

P = 1267 kPa
16.이상 기체 법칙

답: ρ = 8.069 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 = 950·32/(8.314·453.1) = 8.069 kg/m³

답

ρ = 8.069 kg/m³
17.열기관과 냉동기

답: Q̇H = 1.092 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 = 25 + 273.15 = 298.1 K
TL = 0 + 273.15 = 273.1 K

가역 사이클의 열 비

Q̇H = Q̇L·TH/TL = 1·298.1/273.1 = 1.092 kW

답

Q̇H = 1.092 kW

입력 동력: Ẇ = 0.09152 kW.

18.열기관과 냉동기

답: Ẇmin = 0.7115 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 = 7 + 273.15 = 280.1 K

가능한 최고 COP

COPHP,max = TH/(TH − TL) = 295.1/(295.1 − 280.1) = 19.68

최소 동력

COP가 가장 큰 가역 기계가 가장 적은 일을 필요로 합니다.

Ẇmin = Q̇H/COP = 14/19.68 = 0.7115 kW

답

Ẇmin = 0.7115 kW
19.파동, 소리, 광학

답: β = 87.94 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).

세기

I = P/(4πr²) = 0.0006217 W/m²

난이도

β = 10·log₁₀(0.0006217/10⁻¹²) = 87.94 dB

답

β = 87.94 dB
20.파동, 소리, 광학

답: mmax = 9

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 = 1/200 mm = 5 µm

가장 높은 차수

m ≤ d/λ = 5 µm/0.532 µm = 9.398 → mmax = 9

답

mmax = 9

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