공학물리: 벼락치기 팩

공식 모음, 모든 주제의 핵심 풀이 단계, 연습 문제 20개가 들어 있으며 전체 풀이는 맨 뒤에 있습니다.

새 문제강의로 돌아가기

인쇄 창에서 “PDF로 저장”을 선택하면 기기에 사본을 보관할 수 있습니다.

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 = ?s = 1200 m

비행기가 이륙하려면 250 km/h의 속력이 필요하고 쓸 수 있는 활주로 길이는 1200 m이다. 정지 상태에서 출발한다면 필요한 일정한 가속도 a은(는) 얼마인가?

v₀ = 0v = 250 km/hs = 1200 m
a = m/s²
2.운동학어려움
v₀ = 14 m/s15 m

지면에서 15 m 높이에 있는 지붕 가장자리에서 공을 14 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 = 14 m/sh₀ = 15 mg = 9.81 m/s²
t = s
3.뉴턴 법칙보통
θ = 25°a = ?m = 16 kg

질량 16 kg인 블록이 수평과 25°를 이루는 경사면을 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.15이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 경사면을 따르는 블록의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 16 kgθ = 25°μ = 0.15g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
θ = 25°블록v₀ = 11 m/s

블록을 밀어 25° 경사로 위로 11 m/s의 속력으로 미끄러져 올라가게 한다. 운동 마찰 계수는 0.25이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 블록은 멈추기 전까지 경사로를 따라 얼마나 멀리 d 미끄러지는가?

v₀ = 11 m/sθ = 25°μ = 0.25g = 9.81 m/s²
d = m
5.포물선 운동보통
v0​ = 34 m/s45°x = ?

공을 평지에서 수평에서 45° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿기 전까지 이동한 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v0 = 34 m/sθ = 45°g = 9.81 m/s²
x = m
6.포물선 운동어려움
5 mv0​ = 21 m/s45°x = ?

지면에서 공을 21 m/s, 수평 위 45°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 = 21 m/sθ = 45°hroof = 5 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.일과 에너지보통
36 km/h5°1000 kg

1000 kg 자동차가 5° 경사로를 일정한 36 km/h로 올라간다. 공기 저항과 구름 저항을 합하면 450 N이다. 바퀴가 내야 하는 동력 P을(를) kW 단위로 구하시오.

m = 1000 kgθ = 5°Fr = 450 Nv = 36 km/hg = 9.81 m/s²
P = kW
8.일과 에너지어려움
h = 4.5 mL = 2.5 mμ = 0.2k = 2000 N/m

질량 2.5 kg인 블록을 매끄러운 경사로의 높이 4.5 m에서 가만히 놓는다. 아래에서 길이 2.5 m인 거친 수평 구간(μ = 0.2)을 지난 뒤, 매끄러운 면에서 스프링(k = 2000 N/m)에 부딪힌다. 스프링의 최대 압축량 x을(를) 구하시오.

m = 2.5 kgh = 4.5 mL = 2.5 mμ = 0.2k = 2000 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
9.운동량과 충돌보통
5 kg8 m/s3 kg

8 m/s로 움직이는 질량 5 kg인 글라이더가 마찰 없는 트랙 위에 정지해 있는 질량 3 kg인 글라이더와 완전 탄성 정면충돌을 한다. 충돌 후 두 번째 글라이더의 속도 v′2을(를) 구하시오.

m1 = 5 kgm2 = 3 kgv1 = 8 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
10.운동량과 충돌어려움
28 m/s9 m/s

질량 0.55 kg인 공이 28 m/s로 벽에 부딪힌 뒤 9 m/s로 똑바로 튀어나온다. 접촉 시간은 10 ms이다. 벽이 공에 작용한 평균 힘 Favg을(를) 구하시오.

m = 0.55 kgvin = 28 m/svout = 9 m/sΔt = 10 ms
Favg = N
11.정수압보통
수문d = 1 mH = 3 m

폭 1.5 m인 연직 직사각형 수문이 물이(가) 담긴 탱크 벽에 있고, 위쪽 가장자리는 수면 아래 1 m에 있다. 수문에 작용하는 정수압 합력 F을(를) 구하시오.

d = 1 mH = 3 mb = 1.5 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
12.정수압어려움
수문d = 4 mH = 2 m

폭 2 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 = 2 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
13.연속 방정식과 베르누이보통
d1​ = 300 mmd2​ = 150 mm12p1​ − p2​ = 15 kPaQ = ?

입구 지름 300 mm, 목 지름 150 mm인 수평 벤투리미터에 물이 흐른다. 입구의 압력은 목보다 15 kPa 높다. 손실을 무시하고 유량 Q을(를) 구하시오.

d1 = 300 mmd2 = 150 mmp1 − p2 = 15 kPaρ = 1000 kg/m³
Q = L/s
14.연속 방정식과 베르누이어려움
C210.5 m2.5 md = 25 mmQ = ?

안지름 25 mm의 호스로 열린 탱크의 물을 사이펀으로 빼낸다. 호스의 가장 높은 점 C는 수면보다 0.5 m 위에 있고, (대기에 열린) 출구는 수면보다 2.5 m 아래에 있다. 손실을 무시하고 g = 9.81 m/s²로 하시오. 유량 Q을(를) 구하시오.

d = 25 mmzC = +0.5 mz2 = −2.5 mg = 9.81 m/s²
Q = L/s
15.이상 기체 법칙보통
CH₄ 10 gP = 400 kPaT = 15 °CV = ?

400 kPa, 15 °C에서 CH₄ 10 g이(가) 차지하는 부피 V은(는) 얼마인가? 이상 기체로 본다.

m = 10 gM = 16.04 g/molP = 400 kPaT = 15 °CR = 8.314 J/(mol·K)
V = L
16.이상 기체 법칙어려움
상태 1상태 2

일정량의 Ar이(가) 100 kPa, 5 L, 10 °C에서 300 kPa, 240 °C(으)로 변한다. 새 부피 V2을(를) 구하시오.

P1 = 100 kPaV1 = 5 LT1 = 10 °CP2 = 300 kPaT2 = 240 °C
V2 = L
17.열기관과 냉동기보통
TH​ = 450 °CTL​ = 30 °CEQH​QL​W

열기관이 450 °C의 고온 열원과 30 °C의 저온 열원 사이에서 작동한다. 가능한 최대 열효율 ηmax을(를) 구하시오.

TH = 450 °CTL = 30 °C
ηmax = %
18.열기관과 냉동기어려움
TH​ = 500 °CT0​ = 27 °CTL​ = -15 °CERWQ̇H​ = 100 kWQ̇L​ = ?

카르노 열기관이 500 °C의 열원에서 100 kW의 열을 받고 27 °C의 주위로 열을 방출한다. 그 일은 모두 카르노 냉동기를 구동하며, 냉동기는 -15 °C의 냉동고에서 열을 제거하고 역시 27 °C의 주위로 열을 방출한다. 냉동고에서 열을 제거하는 비율 Q̇L을(를) 구하시오.

TH = 500 °CT0 = 27 °CTL = -15 °CQ̇H = 100 kW
Q̇L = kW
19.파동, 소리, 광학보통
L = 1 mn = 1

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

v = 343 m/sn = 1L = 1 m
f1 = Hz
20.파동, 소리, 광학어려움
λ = ?d = 0.1 mmL = 2.5 m68.75 mm

0.1 mm 떨어진 두 슬릿에 단색광을 비춘다. 2.5 m 떨어진 스크린에서 5번째 밝은 무늬가 중앙 무늬에서 68.75 mm에 있다. 파장 λ을(를) 구하시오.

d = 0.1 mmL = 2.5 my5 = 68.75 mmm = 5
λ = nm

3용액

1.운동학

답: a = 2.009 m/s²

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

v = 250/3.6 = 69.44 m/s

가속도

a = v²/(2s) = 69.44²/(2·1200) = 2.009 m/s²

답

a = 2.009 m/s²
2.운동학

답: t = 3.684 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.

−15 = 14·t − ½·9.81·t²
4.905·t² − 14·t − 15 = 0

이차방정식 풀기

물리적으로 의미 있는 것은 양의 근뿐입니다.

t = (14 + √(14² + 2·9.81·15))/9.81 = 3.684 s

답

t = 3.684 s
3.뉴턴 법칙

답: a = 2.812 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 25° − 0.15·cos 25°) = 9.81·(0.4226 − 0.1359) = 2.812 m/s²

답

a = 2.812 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: d = 9.5 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 25° + 0.25·cos 25°) = 6.369 m/s²

거리

d = v₀²/(2a) = 11²/(2·6.369) = 9.5 m

답

d = 9.5 m
5.포물선 운동

답: x = 117.8 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 = 34·cos 45° = 24.04 m/s
vy = v0·sin θ = 34·sin 45° = 24.04 m/s

체공 시간

출발점과 착지점이 같은 높이: t = 2vy/g.

t = 2·24.04/9.81 = 4.901 s

수평 거리

x = vx·t = 24.04·4.901 = 117.8 m

답

x = 117.8 m
6.포물선 운동

답: x = 39.22 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 = 14.85 m/s, vy = 14.85 m/s

지붕에 떨어지는 시간

큰 근: 공이 내려오는 중입니다.

5 = 14.85·t − 4.905·t²
t = (14.85 + √(14.85² − 2·9.81·5))/9.81 = 2.641 s

수평 거리

x = vx·t = 14.85·2.641 = 39.22 m

답

x = 39.22 m
7.일과 에너지

답: P = 13.05 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 = 1000·9.81 = 9810 N
mg·sin θ = 9810·sin 5° = 855 N
F = 855 + 450 = 1305 N

전력

v = 36/3.6 = 10 m/s
P = F·v = 1305·10 = 13050 W = 13.05 kW

답

P = 13.05 kW
8.일과 에너지

답: x = 31.32 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 = 24.53·(4.5 − 0.2·2.5) = 98.1 J

최대 압축량

½kx² = 98.1 → x = √(2·98.1/2000) = 0.3132 m = 31.32 cm

답

x = 31.32 cm
9.운동량과 충돌

답: v′2 = 10 m/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.

정지한 표적과의 탄성 충돌

운동량 보존과 에너지 보존을 연립해 풀면 이 두 결과가 나옵니다.

v′1 = (5 − 3)/(5 + 3)·8 = 2 m/s
v′2 = 2·5/(5 + 3)·8 = 10 m/s

답

v′2 = 10 m/s
10.운동량과 충돌

답: Favg = 2035 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 = 0.55·(9 + 28) = 20.35 N·s

평균 힘

Favg = J/Δt = 20.35/0.01 = 2035 N

답

Favg = 2035 N
11.정수압

답: F = 110.4 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 + 3/2 = 2.5 m
A = H·b = 3·1.5 = 4.5 m²
수문d = 1 mH = 3 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 1000·9.81·2.5·4.5 = 110.4 kN

답

F = 110.4 kN
12.정수압

답: F = 196.2 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 = 4 + 2/2 = 5 m
A = H·b = 2·2 = 4 m²
수문d = 4 mH = 2 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 1000·9.81·5·4 = 196.2 kN

답

F = 196.2 kN
13.연속 방정식과 베르누이

답: Q = 99.96 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.

연속 방정식

v1 = v2·(150/300)² = 0.25·v2

입구와 목 사이의 베르누이 식

관이 수평이므로 압력과 유속만 변합니다.

p1 − p2 = ½ρv2²(1 − β⁴)
v2 = √(2·15000/(1000·(1 − 0.0625))) = 5.657 m/s
v1 = 1.414 m/s

유량

Q = A2·v2 = 0.01767·5.657 = 0.09996 m³/s = 99.96 L/s

답

Q = 99.96 L/s
14.연속 방정식과 베르누이

답: Q = 3.438 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.

호스 안의 유속

수면과 출구는 모두 대기에 열려 있으므로 압력 항이 상쇄됩니다.

v = √(2g·2.5) = √(2·9.81·2.5) = 7.004 m/s

유량

Q = A·v = 0.0004909·7.004 = 0.003438 m³/s = 3.438 L/s

답

Q = 3.438 L/s
15.이상 기체 법칙

답: V = 3.734 L

이상 기체 법칙: PV = nRT, n = m/M.

몰수

n = 10/16.04 = 0.6234 mol
T = 15 + 273.15 = 288.1 K

부피

V = nRT/P = 0.6234·8.314·288.1/400 = 3.734 L

답

V = 3.734 L
16.이상 기체 법칙

답: V2 = 3.02 L

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

절대 온도

T1 = 283.1 K, T2 = 513.1 K

보일-샤를 법칙

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 5·(100/300)·(513.1/283.1) = 3.02 L

답

V2 = 3.02 L
17.열기관과 냉동기

답: ηmax = 58.08 %

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 = 450 + 273.15 = 723.1 K
TL = 30 + 273.15 = 303.1 K

카르노 효율

ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 303.1/723.1 = 58.08 %

답

ηmax = 58.08 %
18.열기관과 냉동기

답: Q̇L = 376 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 = 500 + 273.15 = 773.1 K
T0 = 27 + 273.15 = 300.1 K
TL = -15 + 273.15 = 258.1 K

기관의 일

η = 1 − 300.1/773.1 = 0.6118
Ẇ = 0.6118·100 = 61.18 kW

냉동기가 제거한 열

COPR = 258.1/(300.1 − 258.1) = 6.146
Q̇L = 6.146·61.18 = 376 kW

답

Q̇L = 376 kW
19.파동, 소리, 광학

답: f1 = 85.75 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 = 4L/n = 4·1/1 = 4 m

진동수

f = v/λ = 343/4 = 85.75 Hz

답

f1 = 85.75 Hz
20.파동, 소리, 광학

답: λ = 550 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 = y·d/(mL) = 0.06875·0.0001/(5·2.5) = 5.5 × 10⁻⁷ m = 550 nm

답

λ = 550 nm

ExamProblems · examproblems.com/courses/physics-for-engineers