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 = ?s = 2300 m

비행기가 이륙하려면 240 km/h의 속력이 필요하고 쓸 수 있는 활주로 길이는 2300 m이다. 정지 상태에서 출발한다면 필요한 일정한 가속도 a은(는) 얼마인가?

v₀ = 0v = 240 km/hs = 2300 m
a = m/s²
2.운동학어려움
v₀ = 16 m/s35 m

지면에서 35 m 높이에 있는 지붕 가장자리에서 공을 16 m/s로 똑바로 위로 던진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 쓴다. 지면으로부터의 최고 높이 hmax을(를) 구하시오.

v₀ = 16 m/sh₀ = 35 mg = 9.81 m/s²
hmax = m
3.뉴턴 법칙보통
θ = 30°15 kgF = ?

15 kg 상자를 수평과 30°를 이루는 경사로 위로 경사로에 평행한 힘으로 일정한 속력으로 민다. 운동 마찰 계수는 0.25이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 미는 힘 F을(를) 구하시오.

m = 15 kgθ = 30°μ = 0.25g = 9.81 m/s²
F = N
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 1.5 kg3 kgμ = 0.1

수평 탁자 위에 있는 질량 1.5 kg인 블록이 가벼운 줄로 마찰 없는 도르래를 거쳐 매달린 3 kg 물체와 연결되어 있다. 블록과 탁자 사이의 운동 마찰 계수는 0.1이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m1 = 1.5 kgm2 = 3 kgμ = 0.1g = 9.81 m/s²
T = N
5.포물선 운동보통
v0​ = 26 m/s35°x = ?

공을 평지에서 수평에서 35° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿기 전까지 이동한 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v0 = 26 m/sθ = 35°g = 9.81 m/s²
x = m
6.포물선 운동어려움
h = 20 mv0​ = 19 m/s40°H = ?

20 m 절벽 꼭대기에서 공을 19 m/s, 수평 위 40°로 발사한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 절벽 밑 지면으로부터의 최고 높이 H을(를) 구하시오.

v₀ = 19 m/sθ = 40°h = 20 mg = 9.81 m/s²
H = m
7.일과 에너지보통
40 km/h

평평한 도로를 40 km/h로 달리던 자동차가 급제동해 바퀴가 잠긴 채 미끄러져 멈춘다. 타이어와 도로 사이의 운동 마찰 계수는 0.8이다. 정지 거리 d을(를) 구하시오.

v = 40 km/hμ = 0.8g = 9.81 m/s²
d = m
8.일과 에너지어려움
h = 12.8 mR = 4 mN = ?

0.5 kg 수레가 반지름 4 m인 연직 원형 루프로 이어지는 매끄러운 트랙 위 높이 12.8 m에서 가만히 놓인다. 루프 꼭대기에서 트랙이 수레에 작용하는 수직항력 N을(를) 구하시오.

m = 0.5 kgh = 12.8 mR = 4 mg = 9.81 m/s²
N = N
9.운동량과 충돌보통
1900 kg19 m/s900 kg

19 m/s로 움직이는 1900 kg 자동차가 정지해 있는 900 kg 자동차와 충돌해 두 차가 한 덩어리가 된다. 충돌에서 잃은 운동 에너지 ΔK은(는) 얼마인가?

m1 = 1900 kgv1 = 19 m/sm2 = 900 kgv2 = 0
ΔK = J
10.운동량과 충돌어려움
1800 kg24 m/s1800 kg23 m/sθ = ?

교차로에서 동쪽으로 24 m/s로 달리던 1800 kg 자동차가 북쪽으로 23 m/s로 달리던 1800 kg 자동차와 충돌한다. 두 차는 한 덩어리가 된다. 충돌 직후 잔해의 방향 θ을(를) 동쪽에서 북쪽으로 잰 각으로 구하시오.

m1 = 1800 kgv1 = 24 m/s (E)m2 = 1800 kgv2 = 23 m/s (N)
θ = °
11.정수압보통
수문d = 1.5 mH = 2.5 m

폭 1 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 = 2.5 mb = 1 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
12.정수압어려움
수문d = 4 mH = 1 m

폭 1 m인 연직 직사각형 수문이 바닷물이(가) 담긴 탱크 벽에 있고, 위쪽 가장자리는 수면 아래 4 m에 있다. 수문에 작용하는 정수압 합력 F을(를) 구하시오.

d = 4 mH = 1 mb = 1 mρ = 1025 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
13.연속 방정식과 베르누이보통
12d1​ = 100 mm, p1​ = ?d2​ = 75 mm, p2​ = 280 kPa

물이 39 L/s로 100 mm에서 75 mm로 좁아지는 수평관을 흐른다. 좁은 구간의 압력은 280 kPa이다. 손실을 무시하고 넓은 구간의 압력 p1을(를) 구하시오.

Q = 39 L/sd1 = 100 mmd2 = 75 mmp2 = 280 kPaρ = 1000 kg/m³
p1 = kPa
14.연속 방정식과 베르누이어려움
H = ?d1​ = 100 mmp1​ = 120 kPad2​ = 20 mm

분수 노즐이 똑바로 위를 향한다. 노즐 바로 아래 공급관의 지름은 100 mm, 계기 압력은 120 kPa이다. 노즐 출구 지름은 20 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 = 100 mmp1 = 120 kPa (게이지압)d2 = 20 mmρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
H = m
15.이상 기체 법칙보통
O₂ 450 gV = 30 LT = 70 °CP = ?

부피 30 L인 탱크에 70 °C의 O₂ 450 g이(가) 들어 있다. 이상 기체로 보고 압력 P을(를) 구하시오.

m = 450 gM = 32 g/molV = 30 LT = 70 °CR = 8.314 J/(mol·K)
P = kPa
16.이상 기체 법칙어려움
상태 1상태 2

일정량의 N₂이(가) 100 kPa, 10 L, 35 °C에서 550 kPa, 220 °C(으)로 변한다. 새 부피 V2을(를) 구하시오.

P1 = 100 kPaV1 = 10 LT1 = 35 °CP2 = 550 kPaT2 = 220 °C
V2 = L
17.열기관과 냉동기보통
TH​ = 425 °CTL​ = 10 °CEQH​ = 700 kJQL​W = ?

열기관이 425 °C의 고온 열원과 10 °C의 저온 열원 사이에서 작동한다. 이 기관은 700 kJ의 열을 받는다. 얻을 수 있는 최대 일 Wmax을(를) 구하시오.

TH = 425 °CTL = 10 °CQH = 700 kJ
Wmax = kJ
18.열기관과 냉동기어려움
TH​ = 21 °CTL​ = 2 °CHPQ̇H​ = 10 kWQ̇L​Ẇ = ?

열펌프가 바깥이 2 °C일 때 집을 21 °C로 유지하며 집에 10 kW의 열을 공급한다. 최소 입력 동력 Ẇmin을(를) 구하시오.

TH = 21 °CTL = 2 °CQ̇H = 10 kW
Ẇmin = kW
19.파동, 소리, 광학보통
FFdo​ = 10 cmf = 25 cm

물체가 초점 거리 25 cm인 얇은 수렴 렌즈 앞 10 cm에 서 있다. 배율 m을(를) 구하시오(거꾸로 선 상이면 음수).

do = 10 cmf = 25 cm
m =
20.파동, 소리, 광학어려움
λ = 500 nmd = 0.25 mmL = 2.5 my = ?

파장 500 nm의 빛이 0.25 mm 떨어진 두 슬릿에 입사한다. 스크린은 2.5 m 떨어져 있다. 중앙 밝은 무늬에서 5번째 밝은 무늬까지의 거리 y5을(를) 구하시오.

λ = 500 nmd = 0.25 mmL = 2.5 mm = 5
y5 = mm

3용액

1.운동학

답: a = 0.9662 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 = 240/3.6 = 66.67 m/s

가속도

a = v²/(2s) = 66.67²/(2·2300) = 0.9662 m/s²

답

a = 0.9662 m/s²
2.운동학

답: hmax = 48.05 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.

지붕 위로 올라간 높이

0 = v₀² − 2·g·Δh → Δh = 16²/(2·9.81) = 13.05 m

지면으로부터의 높이

hmax = 35 + 13.05 = 48.05 m

답

hmax = 48.05 m
3.뉴턴 법칙

답: F = 105.4 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 = 73.57 + 31.86 = 105.4 N

답

F = 105.4 N
4.뉴턴 법칙

답: T = 10.79 N

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.

계의 가속도

a = (m2·g − μ·m1·g)/(m1 + m2) = (29.43 − 1.472)/4.5 = 6.213 m/s²

탁자 위 블록에서 구한 장력

T − μ·m1·g = m1·a
T = 1.5·6.213 + 1.472 = 10.79 N

답

T = 10.79 N
5.포물선 운동

답: x = 64.75 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 = 26·cos 35° = 21.3 m/s
vy = v0·sin θ = 26·sin 35° = 14.91 m/s

체공 시간

출발점과 착지점이 같은 높이: t = 2vy/g.

t = 2·14.91/9.81 = 3.04 s

수평 거리

x = vx·t = 21.3·3.04 = 64.75 m

답

x = 64.75 m
6.포물선 운동

답: H = 27.6 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.

처음 수직 속력

vy = 19·sin 40° = 12.21 m/s

절벽 위로 올라간 높이

Δh = vy²/(2g) = 12.21²/(2·9.81) = 7.602 m

지면으로부터의 높이

H = 20 + 7.602 = 27.6 m

답

H = 27.6 m
7.일과 에너지

답: d = 7.865 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).

기본 단위의 속력

v = 40/3.6 = 11.11 m/s

에너지 수지

½mv² = μmg·d → d = v²/(2μg) = 11.11²/(2·0.8·9.81) = 7.865 m

답

d = 7.865 m

속력이 두 배가 되면 정지 거리는 네 배가 됩니다.

8.일과 에너지

답: N = 6.867 N

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). 원 궤도에서는 중심을 향한 알짜힘이 mv²/r과 같아야 합니다.

꼭대기에서의 속력

v² = 2g(h − 2R) = 2·9.81·(12.8 − 8) = 94.18 m²/s²

꼭대기에서의 힘

m·g = 0.5·9.81 = 4.905 N
N = mv²/R − mg = 0.5·94.18/4 − 4.905 = 6.867 N

답

N = 6.867 N

h = 2.5R이면 수레가 겨우 루프를 돌며, 이때 꼭대기에서 N = 0입니다.

9.운동량과 충돌

답: ΔK = 110234 J

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.

공통 속도

v′ = m1·v1/(m1 + m2) = 1900·19/2800 = 12.89 m/s

충돌 전후의 운동 에너지

Kbefore = ½·1900·19² = 342950 J
Kafter = ½·2800·12.89² = 232716 J

잃은 에너지

ΔK = 342950 − 232716 = 110234 J

답

ΔK = 110234 J

잃은 에너지는 변형, 열, 소리로 갑니다.

10.운동량과 충돌

답: θ = 43.78 °

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 = 1800·24 = 43200 kg·m/s
py = 1800·23 = 41400 kg·m/s

방향

tan θ = py/px = 0.9583 → θ = 43.78°

답

θ = 43.78°
11.정수압

답: F = 67.44 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 = 1.5 + 2.5/2 = 2.75 m
A = H·b = 2.5·1 = 2.5 m²
수문d = 1.5 mH = 2.5 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 1000·9.81·2.75·2.5 = 67.44 kN

답

F = 67.44 kN
12.정수압

답: F = 45.25 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 + 1/2 = 4.5 m
A = H·b = 1·1 = 1 m²
수문d = 4 mH = 1 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 1025·9.81·4.5·1 = 45.25 kN

답

F = 45.25 kN
13.연속 방정식과 베르누이

답: p1 = 306.6 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 = 0.039/0.007854 = 4.966 m/s
v2 = Q/A2 = 0.039/0.004418 = 8.828 m/s

베르누이 방정식

p1 = p2 + ½ρ(v2² − v1²) = 280 + ½·1000·(8.828² − 4.966²)/1000 = 280 + 26.64 = 306.6 kPa

답

p1 = 306.6 kPa
14.연속 방정식과 베르누이

답: H = 12.25 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 = 20/100 = 0.2
v2 = √(2p1/(ρ(1 − β⁴))) = √(2·120000/(1000·0.9984)) = 15.5 m/s

분류의 높이

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

H = v2²/(2g) = 15.5²/(2·9.81) = 12.25 m

답

H = 12.25 m
15.이상 기체 법칙

답: P = 1337 kPa

이상 기체 법칙: PV = nRT, n = m/M.

몰수

n = m/M = 450/32 = 14.06 mol
T = 70 + 273.15 = 343.1 K

압력

P = nRT/V = 14.06·8.314·343.1/0.03 = 1337 kPa

답

P = 1337 kPa
16.이상 기체 법칙

답: V2 = 2.91 L

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

절대 온도

T1 = 308.1 K, T2 = 493.1 K

보일-샤를 법칙

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 10·(100/550)·(493.1/308.1) = 2.91 L

답

V2 = 2.91 L
17.열기관과 냉동기

답: Wmax = 416.1 kJ

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 = 425 + 273.15 = 698.1 K
TL = 10 + 273.15 = 283.1 K

카르노 효율

ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 283.1/698.1 = 59.44 %

최대 일

Wmax = ηmax·QH = 0.5944·700 = 416.1 kJ

답

Wmax = 416.1 kJ
18.열기관과 냉동기

답: Ẇmin = 0.6459 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 = 21 + 273.15 = 294.1 K
TL = 2 + 273.15 = 275.1 K

가능한 최고 COP

COPHP,max = TH/(TH − TL) = 294.1/(294.1 − 275.1) = 15.48

최소 동력

COP가 가장 큰 가역 기계가 가장 적은 일을 필요로 합니다.

Ẇmin = Q̇H/COP = 10/15.48 = 0.6459 kW

답

Ẇmin = 0.6459 kW
19.파동, 소리, 광학

답: m = 1.667

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.

얇은 렌즈 공식

1/di = 1/f − 1/do = 1/25 − 1/10
di = −16.67 cm
FF10 cmf = 25 cm

배율

m = −di/do = −(−16.67)/10 = 1.667

답

m = 1.667
20.파동, 소리, 광학

답: y5 = 25 mm

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.

무늬 간격

Δy = λL/d = 500 × 10⁻⁹·2.5/(0.25 × 10⁻³) = 5 mm

5번째 무늬

y5 = 5·5 = 25 mm

답

y5 = 25 mm

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