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
경찰a = 5.5 m/s²자동차16 m/s

일정한 16 m/s로 과속하는 자동차가 정지해 있는 경찰차를 지나간다. 그 순간 경찰차가 출발해 5.5 m/s²로 균일하게 가속한다. 경찰차가 따라잡는 데 얼마나 걸리는가? t을(를) 구하시오.

vcar = 16 m/sapolice = 5.5 m/s²v0,police = 0
t = s
2.운동학어려움
v₀ = 9 m/s25 m

지면에서 25 m 높이에 있는 지붕 가장자리에서 공을 9 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 = 9 m/sh₀ = 25 mg = 9.81 m/s²
t = s
3.뉴턴 법칙보통
9.5 kg5.5 kg

9.5 kg과 5.5 kg인 질량이 가볍고 마찰 없는 도르래 양쪽에 가벼운 줄로 연결되어 매달려 있다. 계를 정지 상태에서 놓는다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 질량들의 가속도 a을(를) 구하시오.

m1 = 9.5 kgm2 = 5.5 kgg = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
θ = 25°블록v₀ = 8 m/s

블록을 밀어 25° 경사로 위로 8 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 = 8 m/sθ = 25°μ = 0.3g = 9.81 m/s²
d = m
5.포물선 운동보통
v0​ = 38 m/sθ = ?R = 80 m

평지에서 공을 38 m/s로 발사해 80 m 떨어진 곳에 떨어지게 해야 한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 가능한 두 발사각 중 작은 값 θ을(를) 구하시오.

v₀ = 38 m/sR = 80 mg = 9.81 m/s²
θ = °
6.포물선 운동어려움
h = 10 mv0​ = 19 m/s25°x = ?

공을 높이 10 m인 절벽 위에서 수평에서 25° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿기 전까지 이동한 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v0 = 19 m/sθ = 25°h = 10 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.일과 에너지보통
30°d = 10 mμ = 0.2

질량 1 kg인 블록이 수평과 30°를 이루는 경사면을 10 m 미끄러져 내려가며, 운동 마찰 계수는 0.2이다. 마찰에 대해 한 일 Wf을(를) 구하시오.

m = 1 kgθ = 30°μ = 0.2d = 10 mg = 9.81 m/s²
Wf = J
8.일과 에너지어려움
F = 245 N35°μ = 0.2520 kg

20 kg 블록이 35° 경사면의 아래에서 정지 상태로 출발해, 경사면에 평행한 일정한 힘 245 N에 의해 위로 끌려 올라간다. 운동 마찰 계수는 0.25이다. 블록이 경사면을 따라 3 m 올라간 뒤의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 20 kgF = 245 Nθ = 35°μ = 0.25d = 3 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
9.운동량과 충돌보통
2.5 kg11 m/s3 kg

11 m/s로 움직이는 질량 2.5 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 = 2.5 kgm2 = 3 kgv1 = 11 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
10.운동량과 충돌어려움
800 kg13 m/s900 kg18 m/sv′ = ?

교차로에서 동쪽으로 13 m/s로 달리던 800 kg 자동차가 북쪽으로 18 m/s로 달리던 900 kg 자동차와 충돌한다. 두 차는 한 덩어리가 된다. 충돌 직후 잔해의 속력 v′을(를) 구하시오.

m1 = 800 kgv1 = 13 m/s (E)m2 = 900 kgv2 = 18 m/s (N)
v′ = m/s
11.정수압보통
수문d = 0.5 mH = 1 m

폭 2 m인 연직 직사각형 수문이 물이(가) 담긴 탱크 벽에 있고, 위쪽 가장자리는 수면 아래 0.5 m에 있다. 수문에 작용하는 정수압 합력 F을(를) 구하시오.

d = 0.5 mH = 1 mb = 2 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
12.정수압어려움
수문d = 0.5 mH = 2.5 m

폭 1 m인 연직 직사각형 수문이 글리세린이(가) 담긴 탱크 벽에 있고, 위쪽 가장자리는 수면 아래 0.5 m에 있다. 수면 아래 압력 중심의 깊이 ycp을(를) 구하시오.

d = 0.5 mH = 2.5 mb = 1 mρ = 1260 kg/m³g = 9.81 m/s²
ycp = m
13.연속 방정식과 베르누이보통
12d1​ = 100 mm, p1​ = ?d2​ = 75 mm, p2​ = 220 kPa

물이 31 L/s로 100 mm에서 75 mm로 좁아지는 수평관을 흐른다. 좁은 구간의 압력은 220 kPa이다. 손실을 무시하고 넓은 구간의 압력 p1을(를) 구하시오.

Q = 31 L/sd1 = 100 mmd2 = 75 mmp2 = 220 kPaρ = 1000 kg/m³
p1 = kPa
14.연속 방정식과 베르누이어려움
12d1​ = 150 mm, p1​ = 400 kPad2​ = 50 mm, p2​ = ?Δz = 4 m

물이 150 mm에서 50 mm(으)로 좁아지며 4 m 올라가는 관을 따라 위로 흐른다. 단면 1의 압력은 400 kPa, 유속은 1 m/s이다. 손실을 무시하고 단면 2의 압력 p2을(를) 구하시오.

d1 = 150 mmd2 = 50 mmp1 = 400 kPav1 = 1 m/sΔz = 4 mρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
15.이상 기체 법칙보통
He 50 gV = 50 LT = 35 °CP = ?

부피 50 L인 탱크에 35 °C의 He 50 g이(가) 들어 있다. 이상 기체로 보고 압력 P을(를) 구하시오.

m = 50 gM = 4.003 g/molV = 50 LT = 35 °CR = 8.314 J/(mol·K)
P = kPa
16.이상 기체 법칙어려움
Ar, M = 39.95 g/molP = 650 kPaT = 100 °Cρ = ?

650 kPa, 100 °C에서 Ar의 밀도 ρ을(를) 이상 기체로 보고 구하시오.

M = 39.95 g/molP = 650 kPaT = 100 °CR = 8.314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
17.열기관과 냉동기보통
TH​ = 400 °CTL​ = ?EQH​ = 4000 kJQL​ = 1742 kJW

가역(카르노) 열기관이 사이클마다 400 °C의 열저장소에서 4000 kJ의 열을 받고 1742 kJ를 방출한다. 저온 열저장소의 온도 TL을(를) °C로 구하시오.

TH = 400 °CQH = 4000 kJQL = 1742 kJ
TL = °C
18.열기관과 냉동기어려움
TH​ = 850 °CT0​ = 25 °CTL​ = -15 °CERWQ̇H​ = 50 kWQ̇L​ = ?

카르노 열기관이 850 °C의 열원에서 50 kW의 열을 받고 25 °C의 주위로 열을 방출한다. 그 일은 모두 카르노 냉동기를 구동하며, 냉동기는 -15 °C의 냉동고에서 열을 제거하고 역시 25 °C의 주위로 열을 방출한다. 냉동고에서 열을 제거하는 비율 Q̇L을(를) 구하시오.

TH = 850 °CT0 = 25 °CTL = -15 °CQ̇H = 50 kW
Q̇L = kW
19.파동, 소리, 광학보통
L = 0.5 mn = 2

양 끝이 열린 관의 길이는 0.5 m이다. 소리의 속력은 343 m/s이다. 2번째 배진동의 진동수 f2을(를) 구하시오.

v = 343 m/sn = 2L = 0.5 m
f2 = Hz
20.파동, 소리, 광학어려움
θa​ = ?n1​ = 1.55n2​ = 1.45n0​ = 1.00

광섬유의 코어는 n₁ = 1.55이고 클래딩은 n₂ = 1.45이다. 공기 중의 빛이 섬유의 끝면으로 들어가 전반사로 계속 안내될 수 있는 섬유 축에 대한 최대 각 θa을(를) 구하시오.

n1 = 1.55n2 = 1.45n0 = 1.00
θa = °

3용액

1.운동학

답: t = 5.818 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.

같은 거리

v·t = ½·a·t² → t = 2v/a = 2·16/5.5 = 5.818 s

답

t = 5.818 s

그 순간 경찰차는 2v = 32 m/s로 움직입니다.

2.운동학

답: t = 3.354 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.

−25 = 9·t − ½·9.81·t²
4.905·t² − 9·t − 25 = 0

이차방정식 풀기

물리적으로 의미 있는 것은 양의 근뿐입니다.

t = (9 + √(9² + 2·9.81·25))/9.81 = 3.354 s

답

t = 3.354 s
3.뉴턴 법칙

답: a = 2.616 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.

가속도

알짜 구동력은 무게의 차이이며, 전체 질량을 움직입니다.

a = (9.5 − 5.5)·9.81/(9.5 + 5.5) = 2.616 m/s²

답

a = 2.616 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: d = 4.697 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° + 0.3·cos 25°) = 6.813 m/s²

거리

d = v₀²/(2a) = 8²/(2·6.813) = 4.697 m

답

d = 4.697 m
5.포물선 운동

답: θ = 16.46 °

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 공식

R = v₀²·sin 2θ/g → sin 2θ = 9.81·80/38² = 0.5435

위상각

2θ = 32.92° → θ = 16.46°

답

θ = 16.46°

다른 해는 90° − θ = 73.54°입니다.

6.포물선 운동

답: x = 42.44 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 = 19·cos 25° = 17.22 m/s
vy = v0·sin θ = 19·sin 25° = 8.03 m/s

체공 시간

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

0 = 10 + 8.03·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (8.03 + √(64.48 + 196.2))/9.81 = 2.464 s

수평 거리

x = vx·t = 17.22·2.464 = 42.44 m

답

x = 42.44 m
7.일과 에너지

답: Wf = 16.99 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 = 9.81·0.866 = 8.496 N
F = μN = 0.2·8.496 = 1.699 N

마찰에 대한 일

Wf = F·d = 1.699·10 = 16.99 J

답

Wf = 16.99 J
8.일과 에너지

답: v = 5.262 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).

경사면 방향의 힘

m·g = 20·9.81 = 196.2 N
mg·sin θ = 112.5 N
μ·mg·cos θ = 40.18 N

일–에너지

½mv² = (245 − 152.7)·3 = 276.9 J
v = √(2·276.9/20) = 5.262 m/s

답

v = 5.262 m/s
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 = (2.5 − 3)/(2.5 + 3)·11 = −1 m/s
v′2 = 2·2.5/(2.5 + 3)·11 = 10 m/s

답

v′2 = 10 m/s
10.운동량과 충돌

답: v′ = 11.32 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.

운동량 성분

px = 800·13 = 10400 kg·m/s
py = 900·18 = 16200 kg·m/s

잔해의 속력

v′ = √(px² + py²)/(m1 + m2) = 19251/1700 = 11.32 m/s

답

v′ = 11.32 m/s
11.정수압

답: F = 19.62 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 = 0.5 + 1/2 = 1 m
A = H·b = 1·2 = 2 m²
수문d = 0.5 mH = 1 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 1000·9.81·1·2 = 19.62 kN

답

F = 19.62 kN
12.정수압

답: ycp = 2.048 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 = 0.5 + 2.5/2 = 1.75 m
A = H·b = 2.5·1 = 2.5 m²
수문d = 0.5 mH = 2.5 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 1260·9.81·1.75·2.5 = 54.08 kN

압력 중심

압력은 깊이에 따라 커지므로 합력은 도심 아래에 작용합니다.

Ic = b·H³/12 = 1·2.5³/12 = 1.302 m⁴
ycp = yc + Ic/(yc·A) = 1.75 + 1.302/(1.75·2.5) = 2.048 m

답

ycp = 2.048 m
13.연속 방정식과 베르누이

답: p1 = 236.8 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 = 0.031/0.007854 = 3.947 m/s
v2 = Q/A2 = 0.031/0.004418 = 7.017 m/s

베르누이 방정식

p1 = p2 + ½ρ(v2² − v1²) = 220 + ½·1000·(7.017² − 3.947²)/1000 = 220 + 16.83 = 236.8 kPa

답

p1 = 236.8 kPa
14.연속 방정식과 베르누이

답: p2 = 320.8 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·(150/50)² = 9 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(1² − 9²)/1000 = −40 kPa
ρgΔz = 1000·9.81·4/1000 = 39.24 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) − ρgΔz = 400 + (−40) − 39.24 = 320.8 kPa

답

p2 = 320.8 kPa
15.이상 기체 법칙

답: P = 640 kPa

이상 기체 법칙: PV = nRT, n = m/M.

몰수

n = m/M = 50/4.003 = 12.49 mol
T = 35 + 273.15 = 308.1 K

압력

P = nRT/V = 12.49·8.314·308.1/0.05 = 640 kPa

답

P = 640 kPa
16.이상 기체 법칙

답: ρ = 8.37 kg/m³

이상 기체의 밀도: ρ = PM/(RT).

기체 법칙 정리

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 100 + 273.15 = 373.1 K

밀도

ρ = 650·39.95/(8.314·373.1) = 8.37 kg/m³

답

ρ = 8.37 kg/m³
17.열기관과 냉동기

답: TL = 20.01 °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 = 400 + 273.15 = 673.1 K

가역 사이클의 열 비

TL = TH·QL/QH = 673.1·1742/4000 = 293.2 K = 20.01 °C

답

TL = 20.01 °C
18.열기관과 냉동기

답: Q̇L = 237 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 = -15 + 273.15 = 258.1 K

기관의 일

η = 1 − 298.1/1123 = 0.7345
Ẇ = 0.7345·50 = 36.73 kW

냉동기가 제거한 열

COPR = 258.1/(298.1 − 258.1) = 6.454
Q̇L = 6.454·36.73 = 237 kW

답

Q̇L = 237 kW
19.파동, 소리, 광학

답: f2 = 686 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 = 2·0.5/2 = 0.5 m

진동수

f = v/λ = 343/0.5 = 686 Hz

답

f2 = 686 Hz
20.파동, 소리, 광학

답: θa = 33.21 °

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.

클래딩에서의 임계각

sin θc = 1.45/1.55 = 0.9355 → θc = 69.31°

개구수

NA = √(1.55² − 1.45²) = 0.5477

수광각

θa = arcsin(0.5477) = 33.21°

답

θa = 33.21°

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