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)3.03 s16.67

60 km/h로 달리던 자동차가 5.5 m/s²의 일정한 감속도로 제동하여 멈춘다. 제동 거리 s을(를) 구하시오.

v₀ = 60 km/ha = −5.5 m/s²v = 0
s = m
2.운동학어려움
v₀ = 11 m/s20 m

지면에서 20 m 높이에 있는 지붕 가장자리에서 공을 11 m/s로 똑바로 위로 던진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 쓴다. 던진 뒤 공이 지면에 닿을 때까지의 시간 t을(를) 구하시오.

v₀ = 11 m/sh₀ = 20 mg = 9.81 m/s²
t = s
3.뉴턴 법칙보통
상자v₀ = 5 m/sμ = ?

상자가 처음 속력 5 m/s로 평평한 바닥을 미끄러지다가 13 m 후에 멈춘다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 운동 마찰 계수 μ을(를) 구하시오.

v₀ = 5 m/sd = 13 mg = 9.81 m/s²
μ =
4.뉴턴 법칙어려움
θ = 35°블록v₀ = 9.5 m/s

블록을 밀어 35° 경사로 위로 9.5 m/s의 속력으로 미끄러져 올라가게 한다. 운동 마찰 계수는 0.3이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 블록은 멈추기 전까지 경사로를 따라 얼마나 멀리 d 미끄러지는가?

v₀ = 9.5 m/sθ = 35°μ = 0.3g = 9.81 m/s²
d = m
5.포물선 운동보통
v0​ = ?20°R = 10 m

평지에서 공을 수평 위 20°로 발사하자 10 m 떨어진 곳에 떨어진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 발사 속력 v0을(를) 구하시오.

θ = 20°R = 10 mg = 9.81 m/s²
v0 = m/s
6.포물선 운동어려움
5 mv0​ = 39 m/s30°x = ?

지면에서 공을 39 m/s, 수평 위 30°로 던진다. 공은 내려오는 도중에 높이 5 m인 건물의 평평한 지붕에 떨어진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 발사점에서 떨어진 곳까지의 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v₀ = 39 m/sθ = 30°hroof = 5 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.일과 에너지보통
90 km/h2°1200 kg

1200 kg 자동차가 2° 경사로를 일정한 90 km/h로 올라간다. 공기 저항과 구름 저항을 합하면 800 N이다. 바퀴가 내야 하는 동력 P을(를) kW 단위로 구하시오.

m = 1200 kgθ = 2°Fr = 800 Nv = 90 km/hg = 9.81 m/s²
P = kW
8.일과 에너지어려움
k = 800 N/m30°μ = 0.11 kg

30° 경사면 아래에 있는 강성 800 N/m인 스프링을 1 kg 블록으로 15 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 = 1 kgk = 800 N/mx = 15 cmθ = 30°μ = 0.1g = 9.81 m/s²
d = m
9.운동량과 충돌보통
2 kg55 m/s14 kgv′2​ = ?

수평으로 33 m/s로 움직이던 16 kg 발사체가 폭발해 같은 직선을 따라 움직이는 두 파편으로 나뉜다. 2 kg 파편은 55 m/s로 앞으로 계속 움직인다. 14 kg 파편의 속도 v′2(원래 방향을 양으로)을(를) 구하시오.

M = 16 kgu = 33 m/sm1 = 2 kgv′1 = 55 m/sm2 = 14 kg
v′2 = m/s
10.운동량과 충돌어려움
4.5 kgv = ?5 g40°L = 1.8 m

5 g 총알을 길이 1.8 m의 가벼운 줄에 매달린 4.5 kg 블록에 수평으로 쏘아 박히게 한다. 줄은 연직에서 최대 40°까지 흔들려 나간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 전 총알의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 5 gM = 4.5 kgL = 1.8 mθ = 40°g = 9.81 m/s²
v = m/s
11.정수압보통
수문d = 1.5 mH = 1.5 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 = 1.5 mb = 1.5 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
12.정수압어려움
수문d = 4 mH = 2.5 m

폭 3 m인 연직 직사각형 수문이 바닷물이(가) 담긴 탱크 벽에 있고, 위쪽 가장자리는 수면 아래 4 m에 있다. 수면 아래 압력 중심의 깊이 ycp을(를) 구하시오.

d = 4 mH = 2.5 mb = 3 mρ = 1025 kg/m³g = 9.81 m/s²
ycp = m
13.연속 방정식과 베르누이보통
Q = ?d = 40 mm, Cd​ = 0.6h = 4 m

큰 열린 탱크의 물이 지름 40 mm의 예연 오리피스로 빠져나간다. 수위는 오리피스보다 4 m 위로 유지되고 유량 계수는 0.6이다. 유량 Q을(를) 구하시오. g = 9.81 m/s²를 사용하시오.

d = 40 mmh = 4 mCd = 0.6g = 9.81 m/s²
Q = L/s
14.연속 방정식과 베르누이어려움
H = ?d1​ = 75 mmp1​ = 110 kPad2​ = 25 mm

분수 노즐이 똑바로 위를 향한다. 노즐 바로 아래 공급관의 지름은 75 mm, 계기 압력은 110 kPa이다. 노즐 출구 지름은 25 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 = 75 mmp1 = 110 kPa (게이지압)d2 = 25 mmρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
H = m
15.이상 기체 법칙보통
CH₄ 200 gV = 30 LT = 10 °CP = ?

부피 30 L인 탱크에 10 °C의 CH₄ 200 g이(가) 들어 있다. 이상 기체로 보고 압력 P을(를) 구하시오.

m = 200 gM = 16.04 g/molV = 30 LT = 10 °CR = 8.314 J/(mol·K)
P = kPa
16.이상 기체 법칙어려움
상태 1상태 2

일정량의 Ar이(가) 150 kPa, 10 L, 20 °C에서 200 kPa, 90 °C(으)로 변한다. 새 부피 V2을(를) 구하시오.

P1 = 150 kPaV1 = 10 LT1 = 20 °CP2 = 200 kPaT2 = 90 °C
V2 = L
17.열기관과 냉동기보통
TH​ = 325 °CTL​ = 10 °CEQH​QL​W

열기관이 325 °C의 고온 열원과 10 °C의 저온 열원 사이에서 작동한다. 가능한 최대 열효율 ηmax을(를) 구하시오.

TH = 325 °CTL = 10 °C
ηmax = %
18.열기관과 냉동기어려움
TH​ = 21 °CTL​ = 5 °CHPQ̇H​ = 20 kWQ̇L​Ẇ = ?

열펌프가 5 °C의 열원에서 열을 흡수해 21 °C의 난방 시스템에 20 kW의 열을 공급한다. 실제 COP는 이 두 온도 사이의 카르노 COP의 55%이다. 소비하는 전력 Ẇ을(를) 구하시오.

TH = 21 °CTL = 5 °CηII = 55%Q̇H = 20 kW
Ẇ = kW
19.파동, 소리, 광학보통
38°90°n1​ = ?물, n2​ = 1.33

투명한 블록 속의 빛은 물(n = 1.33)과의 경계에서 입사각이 38°보다 클 때 모두 전반사된다. 블록의 굴절률 n1을(를) 구하시오.

θc = 38°n2 = 1.33
n1 =
20.파동, 소리, 광학어려움
λ = ?52.9°

1 mm당 500개의 선이 있는 격자에서 스펙트럼선의 3차 극대가 직진 방향에서 52.9°에 나타난다. 그 선의 파장 λ을(를) 구하시오.

N = 500 mm⁻¹θ3 = 52.9°m = 3
λ = nm

3용액

1.운동학

답: s = 25.25 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 = 60/3.6 = 16.67 m/s

제동 거리

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 16.67²/(2·5.5) = 25.25 m

답

s = 25.25 m
2.운동학

답: t = 3.431 s

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.

운동 방정식

위쪽이 양이고, 지면은 출발점보다 h₀ 아래에 있습니다.

−20 = 11·t − ½·9.81·t²
4.905·t² − 11·t − 20 = 0

이차방정식 풀기

물리적으로 의미 있는 것은 양의 근뿐입니다.

t = (11 + √(11² + 2·9.81·20))/9.81 = 3.431 s

답

t = 3.431 s
3.뉴턴 법칙

답: μ = 0.09802

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

a = v₀²/(2d) = 5²/(2·13) = 0.9615 m/s²

마찰 계수

μ·m·g = m·a → μ = a/g = 0.9615/9.81 = 0.09802

답

μ = 0.09802
4.뉴턴 법칙

답: d = 5.614 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° + 0.3·cos 35°) = 8.038 m/s²

거리

d = v₀²/(2a) = 9.5²/(2·8.038) = 5.614 m

답

d = 5.614 m
5.포물선 운동

답: v0 = 12.35 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) = √(9.81·10/sin 40°) = 12.35 m/s

답

v0 = 12.35 m/s
6.포물선 운동

답: x = 125 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.

초기 속도 분해

vx = 33.77 m/s, vy = 19.5 m/s

지붕에 떨어지는 시간

큰 근: 공이 내려오는 중입니다.

5 = 19.5·t − 4.905·t²
t = (19.5 + √(19.5² − 2·9.81·5))/9.81 = 3.7 s

수평 거리

x = vx·t = 33.77·3.7 = 125 m

답

x = 125 m
7.일과 에너지

답: P = 30.27 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 = 1200·9.81 = 11772 N
mg·sin θ = 11772·sin 2° = 410.8 N
F = 410.8 + 800 = 1211 N

전력

v = 90/3.6 = 25 m/s
P = F·v = 1211·25 = 30271 W = 30.27 kW

답

P = 30.27 kW
8.일과 에너지

답: d = 1.564 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 = 15 cm = 0.15 m
½kx² = ½·800·0.15² = 9 J

경사면을 따른 에너지 수지

m·g = 1·9.81 = 9.81 N
½kx² = mg·d·(sin θ + μ·cos θ)
d = 9/(9.81·(0.5 + 0.1·0.866)) = 1.564 m

답

d = 1.564 m
9.운동량과 충돌

답: v′2 = 29.86 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 전 운동량

p = M·u = 16·33 = 528 kg·m/s

충돌 후 운동량

528 = 2·55 + 14·v′2
v′2 = (528 − 110)/14 = 29.86 m/s

답

v′2 = 29.86 m/s
10.운동량과 충돌

답: v = 2590 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.

블록의 상승

h = L·(1 − cos θ) = 1.8·(1 − cos 40°) = 0.4211 m

충돌 후의 속력

V = √(2·9.81·0.4211) = 2.874 m/s

충돌

v = (m + M)·V/m = 4.505·2.874/0.005 = 2590 m/s

답

v = 2590 m/s
11.정수압

답: F = 49.66 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 + 1.5/2 = 2.25 m
A = H·b = 1.5·1.5 = 2.25 m²
수문d = 1.5 mH = 1.5 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 1000·9.81·2.25·2.25 = 49.66 kN

답

F = 49.66 kN
12.정수압

답: ycp = 5.349 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 = 4 + 2.5/2 = 5.25 m
A = H·b = 2.5·3 = 7.5 m²
수문d = 4 mH = 2.5 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 1025·9.81·5.25·7.5 = 395.9 kN

압력 중심

압력은 깊이에 따라 커지므로 합력은 도심 아래에 작용합니다.

Ic = b·H³/12 = 3·2.5³/12 = 3.906 m⁴
ycp = yc + Ic/(yc·A) = 5.25 + 3.906/(5.25·7.5) = 5.349 m

답

ycp = 5.349 m
13.연속 방정식과 베르누이

답: Q = 6.679 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) = √(2·9.81·4) = 8.859 m/s

실제 유량

유량 계수는 분류의 수축과 가장자리의 마찰을 반영합니다.

Q = Cd·A·√(2gh) = 0.6·0.001257·8.859 = 0.006679 m³/s = 6.679 L/s

답

Q = 6.679 L/s
14.연속 방정식과 베르누이

답: H = 11.35 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 = 25/75 = 0.3333
v2 = √(2p1/(ρ(1 − β⁴))) = √(2·110000/(1000·0.9877)) = 14.92 m/s

분류의 높이

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

H = v2²/(2g) = 14.92²/(2·9.81) = 11.35 m

답

H = 11.35 m
15.이상 기체 법칙

답: P = 978.4 kPa

이상 기체 법칙: PV = nRT, n = m/M.

몰수

n = m/M = 200/16.04 = 12.47 mol
T = 10 + 273.15 = 283.1 K

압력

P = nRT/V = 12.47·8.314·283.1/0.03 = 978.4 kPa

답

P = 978.4 kPa
16.이상 기체 법칙

답: V2 = 9.291 L

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

절대 온도

T1 = 293.1 K, T2 = 363.1 K

보일-샤를 법칙

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 10·(150/200)·(363.1/293.1) = 9.291 L

답

V2 = 9.291 L
17.열기관과 냉동기

답: ηmax = 52.66 %

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 = 325 + 273.15 = 598.1 K
TL = 10 + 273.15 = 283.1 K

카르노 효율

ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 283.1/598.1 = 52.66 %

답

ηmax = 52.66 %
18.열기관과 냉동기

답: Ẇ = 1.978 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 = 21 + 273.15 = 294.1 K
TL = 5 + 273.15 = 278.1 K

카르노 COP와 실제 COP

COPmax = 294.1/(294.1 − 278.1) = 18.38
COP = 0.55·18.38 = 10.11

입력 동력

Ẇ = Q̇H/COP = 20/10.11 = 1.978 kW

답

Ẇ = 1.978 kW
19.파동, 소리, 광학

답: n1 = 2.16

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.

블록의 굴절률

n₁ = n₂/sin θc = 1.33/0.6157 = 2.16

답

n1 = 2.16
20.파동, 소리, 광학

답: λ = 531.7 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 52.9°/3 = 531.7 nm

답

λ = 531.7 nm

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