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)1.667 s10

36 km/h로 달리던 자동차가 6 m/s²의 일정한 감속도로 제동하여 멈춘다. 제동 거리 s을(를) 구하시오.

v₀ = 36 km/ha = −6 m/s²v = 0
s = m
2.운동학어려움
AB: 21 m/s45 m

공 A를 높이 45 m에서 가만히 떨어뜨린다. 같은 순간 바로 아래 지면에서 공 B를 21 m/s로 똑바로 위로 던진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 두 공은 지면에서 몇 m 높이 y에서 만나는가?

H = 45 mv0B = 21 m/sg = 9.81 m/s²
y = m
3.뉴턴 법칙보통
θ = 25°35 kgF = ?

35 kg 상자를 수평과 25°를 이루는 경사로 위로 경사로에 평행한 힘으로 일정한 속력으로 민다. 운동 마찰 계수는 0.15이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 미는 힘 F을(를) 구하시오.

m = 35 kgθ = 25°μ = 0.15g = 9.81 m/s²
F = N
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 2.5 kg5.5 kgθ = 25°

25° 경사로 위의 2.5 kg 블록이 경사로 꼭대기의 마찰 없는 도르래를 지나는 가벼운 줄로 매달린 5.5 kg 질량과 연결되어 있다. 매달린 질량은 아래로 움직인다. 블록과 경사로 사이의 운동 마찰 계수는 0.15이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 계의 가속도 a을(를) 구하시오.

m1 = 2.5 kgm2 = 5.5 kgθ = 25°μ = 0.15g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.포물선 운동보통
v0​ = ?65°R = 105 m

평지에서 공을 수평 위 65°로 발사하자 105 m 떨어진 곳에 떨어진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 발사 속력 v0을(를) 구하시오.

θ = 65°R = 105 mg = 9.81 m/s²
v0 = m/s
6.포물선 운동어려움
h = 60 mv0​ = 19 m/s40°수평 도달 거리

공을 높이 60 m인 절벽 위에서 수평에서 40° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿을 때까지의 비행 시간 t을(를) 구하시오.

v0 = 19 m/sθ = 40°h = 60 mg = 9.81 m/s²
t = s
7.일과 에너지보통
15°d = 2 mμ = 0.15

질량 2.5 kg인 블록이 수평과 15°를 이루는 경사면을 2 m 미끄러져 내려가며, 운동 마찰 계수는 0.15이다. 마찰에 대해 한 일 Wf을(를) 구하시오.

m = 2.5 kgθ = 15°μ = 0.15d = 2 mg = 9.81 m/s²
Wf = J
8.일과 에너지어려움
3 kg5 kgμ = 0.3d = 2 m

3 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 2 m 내려간 뒤 블록들의 속력 v을(를) 구하시오.

m1 = 3 kgm2 = 5 kgμ = 0.3d = 2 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
9.운동량과 충돌보통
2 kgv = ?8 gh = 22 cm

8 g 총알을 가벼운 줄에 매달린 2 kg 나무 블록에 수평으로 쏘아 박히게 한다. 블록은 처음보다 22 cm 높아질 때까지 흔들려 올라간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 전 총알의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 8 gM = 2 kgh = 22 cmg = 9.81 m/s²
v = m/s
10.운동량과 충돌어려움
15 m/s20 m/s

질량 0.45 kg인 공이 15 m/s로 벽에 부딪힌 뒤 20 m/s로 똑바로 튀어나온다. 접촉 시간은 10 ms이다. 벽이 공에 작용한 평균 힘 Favg을(를) 구하시오.

m = 0.45 kgvin = 15 m/svout = 20 m/sΔt = 10 ms
Favg = N
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 = 1 mH = 2 m

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

d = 1 mH = 2 mb = 1.5 mρ = 1260 kg/m³g = 9.81 m/s²
ycp = m
13.연속 방정식과 베르누이보통
12d1​ = 150 mm, p1​ = 310 kPad2​ = 75 mm, p2​ = ?

물이 150 mm에서 75 mm(으)로 좁아지는 수평관을 흐른다. 넓은 부분의 압력은 310 kPa, 유속은 2.5 m/s이다. 손실을 무시하고 좁은 부분의 압력 p2을(를) 구하시오.

d1 = 150 mmd2 = 75 mmp1 = 310 kPav1 = 2.5 m/sρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
14.연속 방정식과 베르누이어려움
d1​ = 200 mmd2​ = 100 mm12Δh = 350 mm수은Q = ?

수평 벤투리미터(입구 200 mm, 목 100 mm)에 물이 흐른다. 입구와 목 사이에 연결된 수은 U자관 마노미터의 액면 차는 350 mm이다. 유량 계수는 0.98이다. 유량 Q을(를) 구하시오. 물은 ρ = 1000 kg/m³, 수은은 13 600 kg/m³, g = 9.81 m/s²를 사용하시오.

d1 = 200 mmd2 = 100 mmΔh = 350 mmCd = 0.98ρHg = 13 600 kg/m³g = 9.81 m/s²
Q = L/s
15.이상 기체 법칙보통
CO₂ 220 gP = 100 kPaT = 20 °CV = ?

100 kPa, 20 °C에서 CO₂ 220 g이(가) 차지하는 부피 V은(는) 얼마인가? 이상 기체로 본다.

m = 220 gM = 44.01 g/molP = 100 kPaT = 20 °CR = 8.314 J/(mol·K)
V = L
16.이상 기체 법칙어려움
상태 1상태 2

일정량의 CH₄이(가) 100 kPa, 10 L, 25 °C에서 150 kPa, 100 °C(으)로 변한다. 새 부피 V2을(를) 구하시오.

P1 = 100 kPaV1 = 10 LT1 = 25 °CP2 = 150 kPaT2 = 100 °C
V2 = L
17.열기관과 냉동기보통
TH​ = 450 °CTL​ = ?EQH​ = 3800 kJQL​ = 1540 kJW

가역(카르노) 열기관이 사이클마다 450 °C의 열저장소에서 3800 kJ의 열을 받고 1540 kJ를 방출한다. 저온 열저장소의 온도 TL을(를) °C로 구하시오.

TH = 450 °CQH = 3800 kJQL = 1540 kJ
TL = °C
18.열기관과 냉동기어려움
TH​ = 22 °CTL​ = 5 °CHPQ̇H​ = 6 kWQ̇L​Ẇ = ?

열펌프가 바깥이 5 °C일 때 집을 22 °C로 유지하며 집에 6 kW의 열을 공급한다. 최소 입력 동력 Ẇmin을(를) 구하시오.

TH = 22 °CTL = 5 °CQ̇H = 6 kW
Ẇmin = kW
19.파동, 소리, 광학보통
L = 0.4 mn = 1

양 끝이 열린 관의 길이는 0.4 m이다. 소리의 속력은 343 m/s이다. 기본 진동(1차 배진동)의 진동수 f1을(를) 구하시오.

v = 343 m/sn = 1L = 0.4 m
f1 = Hz
20.파동, 소리, 광학어려움
λ = ?29.1°

1 mm당 500개의 선이 있는 격자에서 스펙트럼선의 2차 극대가 직진 방향에서 29.1°에 나타난다. 그 선의 파장 λ을(를) 구하시오.

N = 500 mm⁻¹θ2 = 29.1°m = 2
λ = nm

3용액

1.운동학

답: s = 8.333 m

등가속도 운동: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t², v² = v₀² + 2·a·s. 아는 세 양과 구하려는 양이 들어 있는 식을 고르고, 양의 방향을 하나 정해 부호를 일관되게 쓰세요.

단위

v₀ = 36/3.6 = 10 m/s

제동 거리

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 10²/(2·6) = 8.333 m

답

s = 8.333 m
2.운동학

답: y = 22.48 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.

45 − ½g·t² = 21·t − ½g·t² → t = 45/21 = 2.143 s

만나는 높이

y = 21·2.143 − ½·9.81·2.143² = 22.48 m

답

y = 22.48 m
3.뉴턴 법칙

답: F = 191.8 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 = 145.1 + 46.68 = 191.8 N

답

F = 191.8 N
4.뉴턴 법칙

답: a = 5.032 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 = 53.96 N
m₁·g·sin θ = 10.36 N
μ·m₁·g·cos θ = 3.334 N

계의 가속도

a = (53.96 − 10.36 − 3.334)/8 = 5.032 m/s²

답

a = 5.032 m/s²
5.포물선 운동

답: v0 = 36.67 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) = √(9.81·105/sin 130°) = 36.67 m/s

답

v0 = 36.67 m/s
6.포물선 운동

답: t = 4.957 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 = 19·cos 40° = 14.55 m/s
vy = v0·sin θ = 19·sin 40° = 12.21 m/s

체공 시간

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

0 = 60 + 12.21·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (12.21 + √(149.2 + 1177))/9.81 = 4.957 s

답

t = 4.957 s
7.일과 에너지

답: Wf = 7.107 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 = 24.53·0.9659 = 23.69 N
F = μN = 0.15·23.69 = 3.553 N

마찰에 대한 일

Wf = F·d = 3.553·2 = 7.107 J

답

Wf = 7.107 J
8.일과 에너지

답: v = 4.484 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 = 49.05·2 = 98.1 J
μ·m₁g·d = 0.3·29.43·2 = 17.66 J

두 블록의 운동 에너지

½(m₁ + m₂)v² = 80.44 → v = √(2·80.44/8) = 4.484 m/s

답

v = 4.484 m/s
9.운동량과 충돌

답: v = 521.5 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) = √(2·9.81·0.22) = 2.078 m/s

충돌

m·v = (m + M)·V → v = (0.008 + 2)·2.078/0.008 = 521.5 m/s

답

v = 521.5 m/s
10.운동량과 충돌

답: Favg = 1575 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 = 0.45·(20 + 15) = 15.75 N·s

평균 힘

Favg = J/Δt = 15.75/0.01 = 1575 N

답

Favg = 1575 N
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: ycp = 2.167 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 + 2/2 = 2 m
A = H·b = 2·1.5 = 3 m²
수문d = 1 mH = 2 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 1260·9.81·2·3 = 74.16 kN

압력 중심

압력은 깊이에 따라 커지므로 합력은 도심 아래에 작용합니다.

Ic = b·H³/12 = 1.5·2³/12 = 1 m⁴
ycp = yc + Ic/(yc·A) = 2 + 1/(2·3) = 2.167 m

답

ycp = 2.167 m
13.연속 방정식과 베르누이

답: p2 = 263.1 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 = 2.5·(150/75)² = 10 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(2.5² − 10²)/1000 = −46.88 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) = 310 + (−46.88) = 263.1 kPa

답

p2 = 263.1 kPa
14.연속 방정식과 베르누이

답: Q = 73.94 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.

마노미터에서 구한 압력 차

Δp = (13600 − 1000)·9.81·0.35 = 43262 Pa

목의 유속

연속 방정식과 베르누이 식을 함께 쓰면 이상적인 목의 유속이 나옵니다.

β = 100/200 = 0.5
v2 = √(2·43262/(1000·(1 − 0.0625))) = 9.607 m/s

실제 유량

Q = Cd·A2·v2 = 0.98·0.007854·9.607 = 0.07394 m³/s = 73.94 L/s

답

Q = 73.94 L/s
15.이상 기체 법칙

답: V = 121.8 L

이상 기체 법칙: PV = nRT, n = m/M.

몰수

n = 220/44.01 = 4.999 mol
T = 20 + 273.15 = 293.1 K

부피

V = nRT/P = 4.999·8.314·293.1/100 = 121.8 L

답

V = 121.8 L
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·(100/150)·(373.1/298.1) = 8.344 L

답

V2 = 8.344 L
17.열기관과 냉동기

답: TL = 19.92 °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 = 450 + 273.15 = 723.1 K

가역 사이클의 열 비

TL = TH·QL/QH = 723.1·1540/3800 = 293.1 K = 19.92 °C

답

TL = 19.92 °C
18.열기관과 냉동기

답: Ẇmin = 0.3456 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 = 5 + 273.15 = 278.1 K

가능한 최고 COP

COPHP,max = TH/(TH − TL) = 295.1/(295.1 − 278.1) = 17.36

최소 동력

COP가 가장 큰 가역 기계가 가장 적은 일을 필요로 합니다.

Ẇmin = Q̇H/COP = 6/17.36 = 0.3456 kW

답

Ẇmin = 0.3456 kW
19.파동, 소리, 광학

답: f1 = 428.8 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 = 2·0.4/1 = 0.8 m

진동수

f = v/λ = 343/0.8 = 428.8 Hz

답

f1 = 428.8 Hz
20.파동, 소리, 광학

답: λ = 486.3 nm

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.

파장

λ = d·sin θ/m = 2 × 10⁻⁶·sin 29.1°/2 = 486.3 nm

답

λ = 486.3 nm

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