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
a = 3 m/s²s = 900 m

비행기가 정지 상태에서 출발해 활주로를 따라 3 m/s²로 균일하게 가속한다. 900 m 후의 속력 v을(를) 구하시오.

v₀ = 0a = 3 m/s²s = 900 m
v = m/s
2.운동학어려움
v₀ = 18 m/s20 m

지면에서 20 m 높이에 있는 지붕 가장자리에서 공을 18 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 = 18 m/sh₀ = 20 mg = 9.81 m/s²
t = s
3.뉴턴 법칙보통
θ = 40°a = ?m = 19 kg

질량 19 kg인 블록이 수평과 40°를 이루는 경사면을 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.2이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 경사면을 따르는 블록의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 19 kgθ = 40°μ = 0.2g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 2 kg6 kgθ = 40°

40° 경사로 위의 2 kg 블록이 경사로 꼭대기의 마찰 없는 도르래를 지나는 가벼운 줄로 매달린 6 kg 질량과 연결되어 있다. 매달린 질량은 아래로 움직인다. 블록과 경사로 사이의 운동 마찰 계수는 0.1이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m1 = 2 kgm2 = 6 kgθ = 40°μ = 0.1g = 9.81 m/s²
T = N
5.포물선 운동보통
10 my = ?v0​ = 14 m/s60°

평지에서 공을 14 m/s, 수평 위 60°로 10 m 떨어진 벽을 향해 찬다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 공은 벽을 몇 m 높이 y에서 지나는가?

v₀ = 14 m/sθ = 60°x = 10 mg = 9.81 m/s²
y = m
6.포물선 운동어려움
h = 45 mv0​ = 21 m/s20°α = ?

45 m 절벽 꼭대기에서 공을 21 m/s, 수평 위 20°로 발사한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 공은 수평 아래 몇 도 α의 각으로 지면에 닿는가?

v₀ = 21 m/sθ = 20°h = 45 mg = 9.81 m/s²
α = °
7.일과 에너지보통
25°d = 19 mμ = 0.1

블록이 수평과 25°를 이루는 경사면을 정지 상태에서 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.1이다. 경사면을 따라 19 m 미끄러진 뒤의 속력 v을(를) 구하시오.

θ = 25°μ = 0.1d = 19 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
8.일과 에너지어려움
h = 2.5 mL = 4.5 mμ = 0.15k = 5000 N/m

질량 1 kg인 블록을 매끄러운 경사로의 높이 2.5 m에서 가만히 놓는다. 아래에서 길이 4.5 m인 거친 수평 구간(μ = 0.15)을 지난 뒤, 매끄러운 면에서 스프링(k = 5000 N/m)에 부딪힌다. 스프링의 최대 압축량 x을(를) 구하시오.

m = 1 kgh = 2.5 mL = 4.5 mμ = 0.15k = 5000 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
9.운동량과 충돌보통
5 kg64 m/s4 kgv′2​ = ?

수평으로 28 m/s로 움직이던 9 kg 발사체가 폭발해 같은 직선을 따라 움직이는 두 파편으로 나뉜다. 5 kg 파편은 64 m/s로 앞으로 계속 움직인다. 4 kg 파편의 속도 v′2(원래 방향을 양으로)을(를) 구하시오.

M = 9 kgu = 28 m/sm1 = 5 kgv′1 = 64 m/sm2 = 4 kg
v′2 = m/s
10.운동량과 충돌어려움
9 m/s17 m/s

질량 0.2 kg인 공이 9 m/s로 벽에 부딪힌 뒤 17 m/s로 똑바로 튀어나온다. 접촉 시간은 10 ms이다. 벽이 공에 작용한 평균 힘 Favg을(를) 구하시오.

m = 0.2 kgvin = 9 m/svout = 17 m/sΔt = 10 ms
Favg = N
11.정수압보통
수문d = 4 mH = 2.5 m

폭 1.5 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 = 1.5 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
12.정수압어려움
수문d = 1 mH = 2 m

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

d = 1 mH = 2 mb = 1 mρ = 1260 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
13.연속 방정식과 베르누이보통
12d1​ = 150 mm, p1​ = ?d2​ = 100 mm, p2​ = 270 kPa

물이 40 L/s로 150 mm에서 100 mm로 좁아지는 수평관을 흐른다. 좁은 구간의 압력은 270 kPa이다. 손실을 무시하고 넓은 구간의 압력 p1을(를) 구하시오.

Q = 40 L/sd1 = 150 mmd2 = 100 mmp2 = 270 kPaρ = 1000 kg/m³
p1 = kPa
14.연속 방정식과 베르누이어려움
pair​ = 40 kPaQ = ?d = 40 mmh = 2 m

밀폐된 물탱크의 수면 위에 계기 압력 40 kPa의 압축 공기가 있다. 물은 수면보다 2 m 아래에 있는 지름 40 mm의 구멍을 통해 대기 중으로 나간다. 손실을 무시하고 다음을 구하시오: 유량 Q. g = 9.81 m/s²를 쓴다.

pair = 40 kPa (게이지압)h = 2 md = 40 mmρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
Q = L/s
15.이상 기체 법칙보통
CH₄ 390 gP = 800 kPaT = 30 °CV = ?

800 kPa, 30 °C에서 CH₄ 390 g이(가) 차지하는 부피 V은(는) 얼마인가? 이상 기체로 본다.

m = 390 gM = 16.04 g/molP = 800 kPaT = 30 °CR = 8.314 J/(mol·K)
V = L
16.이상 기체 법칙어려움
He, M = 4.003 g/molP = 450 kPaT = 140 °Cρ = ?

450 kPa, 140 °C에서 He의 밀도 ρ을(를) 이상 기체로 보고 구하시오.

M = 4.003 g/molP = 450 kPaT = 140 °CR = 8.314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
17.열기관과 냉동기보통
TH​ = 700 °CTL​ = 20 °CEQH​QL​η = 35%

열기관이 700 °C의 열원에서 열을 받고 20 °C의 주위로 열을 방출한다. 실제 열효율은 35%이다. 실제 효율과 카르노 효율의 비인 제2법칙 효율 ηII을(를) 구하시오.

TH = 700 °CTL = 20 °Cη = 35%
ηII = %
18.열기관과 냉동기어려움
TH​ = 850 °CT0​ = 25 °CTL​ = -25 °CERWQ̇H​ = 190 kWQ̇L​ = ?

카르노 열기관이 850 °C의 열원에서 190 kW의 열을 받고 25 °C의 주위로 열을 방출한다. 그 일은 모두 카르노 냉동기를 구동하며, 냉동기는 -25 °C의 냉동고에서 열을 제거하고 역시 25 °C의 주위로 열을 방출한다. 냉동고에서 열을 제거하는 비율 Q̇L을(를) 구하시오.

TH = 850 °CT0 = 25 °CTL = -25 °CQ̇H = 190 kW
Q̇L = kW
19.파동, 소리, 광학보통
P5 × 72 dB

기계 한 대가 어떤 점에서 72 dB의 음의 세기 수준을 낸다. 같은 기계 5대가 동시에 작동할 때 그 점에서의 수준 β을(를) 구하시오(비간섭성 음원).

β1 = 72 dBn = 5
β = dB
20.파동, 소리, 광학어려움
λ = 600 nmθ

회절 격자에 1 mm당 800개의 선이 있다. 파장 600 nm의 빛이 수직으로 입사한다. 볼 수 있는 밝은 극대의 가장 높은 차수 mmax은(는) 얼마인가?

N = 800 mm⁻¹λ = 600 nm
mmax =

3용액

1.운동학

답: v = 73.48 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) = √(2·3·900) = 73.48 m/s

답

v = 73.48 m/s
(264.5 km/h)
2.운동학

답: t = 4.563 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 = 18·t − ½·9.81·t²
4.905·t² − 18·t − 20 = 0

이차방정식 풀기

물리적으로 의미 있는 것은 양의 근뿐입니다.

t = (18 + √(18² + 2·9.81·20))/9.81 = 4.563 s

답

t = 4.563 s
3.뉴턴 법칙

답: a = 4.803 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 40° − 0.2·cos 40°) = 9.81·(0.6428 − 0.1532) = 4.803 m/s²

답

a = 4.803 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: T = 25.3 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.

줄 방향의 힘

m₂·g = 58.86 N
m₁·g·sin θ = 12.61 N
μ·m₁·g·cos θ = 1.503 N

계의 가속도

a = (58.86 − 12.61 − 1.503)/8 = 5.593 m/s²

매달린 질량에서 구한 장력

m2·g − T = m2·a → T = 6·(9.81 − 5.593) = 25.3 N

답

T = 25.3 N
5.포물선 운동

답: y = 7.31 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.

벽까지의 시간

vx = 14·cos 60° = 7 m/s
t = x/vx = 10/7 = 1.429 s

그 시각의 높이

y = 12.12·1.429 − ½·9.81·1.429² = 7.31 m

답

y = 7.31 m

공은 벽에서 이미 내려가는 중입니다.

6.포물선 운동

답: α = 57.16 °

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 = 21·cos 20° = 19.73 m/s
vy0 = 21·sin 20° = 7.182 m/s

충돌 시 수직 속력

에너지 또는 수직 방향의 v² = v₀² + 2as.

vy = √(7.182² + 2·9.81·45) = 30.57 m/s

충돌 각

tan α = vy/vx = 30.57/19.73 → α = 57.16°

답

α = 57.16°
7.일과 에너지

답: v = 11.12 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).

경사면을 따른 에너지 수지

블록이 높이 d·sin θ만큼 내려가는 동안 마찰이 μmg·cos θ·d를 빼앗습니다. 질량이 소거됩니다.

½v² = g·d·(sin θ − μ·cos θ)
v = √(2·9.81·19·(0.4226 − 0.1·0.9063)) = 11.12 m/s

답

v = 11.12 m/s
8.일과 에너지

답: x = 8.462 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 = 9.81·(2.5 − 0.15·4.5) = 17.9 J

최대 압축량

½kx² = 17.9 → x = √(2·17.9/5000) = 0.08462 m = 8.462 cm

답

x = 8.462 cm
9.운동량과 충돌

답: v′2 = −17 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 = 9·28 = 252 kg·m/s

충돌 후 운동량

252 = 5·64 + 4·v′2
v′2 = (252 − 320)/4 = −17 m/s

답

v′2 = −17 m/s

음의 부호는 두 번째 파편이 뒤로 날아간다는 뜻입니다.

10.운동량과 충돌

답: Favg = 520 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 = 0.2·(17 + 9) = 5.2 N·s

평균 힘

Favg = J/Δt = 5.2/0.01 = 520 N

답

Favg = 520 N
11.정수압

답: F = 193.1 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 + 2.5/2 = 5.25 m
A = H·b = 2.5·1.5 = 3.75 m²
수문d = 4 mH = 2.5 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 1000·9.81·5.25·3.75 = 193.1 kN

답

F = 193.1 kN
12.정수압

답: F = 49.44 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 + 2/2 = 2 m
A = H·b = 2·1 = 2 m²
수문d = 1 mH = 2 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 1260·9.81·2·2 = 49.44 kN

답

F = 49.44 kN
13.연속 방정식과 베르누이

답: p1 = 280.4 kPa

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.

유속

v1 = Q/A1 = 0.04/0.01767 = 2.264 m/s
v2 = Q/A2 = 0.04/0.007854 = 5.093 m/s

베르누이 방정식

p1 = p2 + ½ρ(v2² − v1²) = 270 + ½·1000·(5.093² − 2.264²)/1000 = 270 + 10.41 = 280.4 kPa

답

p1 = 280.4 kPa
14.연속 방정식과 베르누이

답: Q = 13.72 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.

수면에서 분류까지의 베르누이 식

v = √(2·(40000/1000 + 9.81·2)) = 10.92 m/s

유량

Q = A·v = 0.001257·10.92 = 0.01372 m³/s = 13.72 L/s

답

Q = 13.72 L/s
15.이상 기체 법칙

답: V = 76.6 L

이상 기체 법칙: PV = nRT, n = m/M.

몰수

n = 390/16.04 = 24.31 mol
T = 30 + 273.15 = 303.1 K

부피

V = nRT/P = 24.31·8.314·303.1/800 = 76.6 L

답

V = 76.6 L
16.이상 기체 법칙

답: ρ = 0.5244 kg/m³

이상 기체의 밀도: ρ = PM/(RT).

기체 법칙 정리

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 140 + 273.15 = 413.1 K

밀도

ρ = 450·4.003/(8.314·413.1) = 0.5244 kg/m³

답

ρ = 0.5244 kg/m³
17.열기관과 냉동기

답: ηII = 50.09 %

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 = 700 + 273.15 = 973.1 K
TL = 20 + 273.15 = 293.1 K

카르노 효율

ηCarnot = 1 − 293.1/973.1 = 69.88 %

제2법칙 효율

ηII = η/ηCarnot = 35/69.88 = 50.09 %

답

ηII = 50.09 %
18.열기관과 냉동기

답: Q̇L = 692.7 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 = 850 + 273.15 = 1123 K
T0 = 25 + 273.15 = 298.1 K
TL = -25 + 273.15 = 248.1 K

기관의 일

η = 1 − 298.1/1123 = 0.7345
Ẇ = 0.7345·190 = 139.6 kW

냉동기가 제거한 열

COPR = 248.1/(298.1 − 248.1) = 4.963
Q̇L = 4.963·139.6 = 692.7 kW

답

Q̇L = 692.7 kW
19.파동, 소리, 광학

답: β = 78.99 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).

전체 세기

I = 5·I₁

난이도

β = 72 + 10·log₁₀(5) = 78.99 dB

답

β = 78.99 dB
20.파동, 소리, 광학

답: mmax = 2

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 = 1/800 mm = 1.25 µm

가장 높은 차수

m ≤ d/λ = 1.25 µm/0.6 µm = 2.083 → mmax = 2

답

mmax = 2

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