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)0.8 s16.67

60 km/h로 달리던 운전자가 장애물을 본다. 반응 시간은 0.8 s이고, 그 후 자동차는 일정한 감속도 7 m/s²로 제동한다. 장애물을 본 순간부터의 총 정지 거리 d을(를) 구하시오.

v₀ = 60 km/htr = 0.8 sa = −7 m/s²
d = m
2.운동학어려움
a = 24 m/s²

모형 로켓을 정지 상태에서 똑바로 위로 발사한다. 엔진은 1.5 s 동안 위쪽으로 일정한 가속도 24 m/s²를 주고, 그 후 엔진이 멈추면 로켓은 자유 운동을 한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 로켓이 도달하는 최고 높이 hmax을(를) 구하시오.

a = 24 m/s²t1 = 1.5 sg = 9.81 m/s²
hmax = m
3.뉴턴 법칙보통
상자v₀ = 10 m/sμ = ?

상자가 처음 속력 10 m/s로 평평한 바닥을 미끄러지다가 51 m 후에 멈춘다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 운동 마찰 계수 μ을(를) 구하시오.

v₀ = 10 m/sd = 51 mg = 9.81 m/s²
μ =
4.뉴턴 법칙어려움
9 kg4 kgTF = 120 Nμ = 0.25

평평한 바닥 위의 두 블록이 가벼운 수평 줄로 연결되어 있다. 수평력 120 N이 앞쪽의 4 kg 블록을 끌고, 9 kg 블록은 뒤에서 끌려온다. 두 블록 모두 운동 마찰 계수는 0.25이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 블록들의 가속도 a을(를) 구하시오.

m1 = 9 kgm2 = 4 kgF = 120 Nμ = 0.25g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.포물선 운동보통
v0​ = 20 m/s50°x = ?

공을 평지에서 수평에서 50° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿기 전까지 이동한 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v0 = 20 m/sθ = 50°g = 9.81 m/s²
x = m
6.포물선 운동어려움
h = 30 mv0​ = 24 m/s60°x = ?

공을 높이 30 m인 절벽 위에서 수평에서 60° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿기 전까지 이동한 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v0 = 24 m/sθ = 60°h = 30 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.일과 에너지보통
0.15 kgk = 1500 N/mh = ?

장난감 발사기에 강성 1500 N/m인 수직 스프링이 있다. 0.15 kg 공을 올려놓고 스프링을 4 cm 압축한 다음 놓는다. 공기 저항과 스프링의 질량을 무시하고, 스프링이 압축되었을 때의 위치에서 잰 공의 상승 높이 h을(를) 구하시오.

m = 0.15 kgk = 1500 N/mx = 4 cmg = 9.81 m/s²
h = m
8.일과 에너지어려움
F = 25 N15°μ = 0.32 kg

2 kg 블록이 15° 경사면의 아래에서 정지 상태로 출발해, 경사면에 평행한 일정한 힘 25 N에 의해 위로 끌려 올라간다. 운동 마찰 계수는 0.3이다. 블록이 경사면을 따라 9 m 올라간 뒤의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 2 kgF = 25 Nθ = 15°μ = 0.3d = 9 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
9.운동량과 충돌보통
5 kgv = ?5 gh = 17 cm

5 g 총알을 가벼운 줄에 매달린 5 kg 나무 블록에 수평으로 쏘아 박히게 한다. 블록은 처음보다 17 cm 높아질 때까지 흔들려 올라간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 전 총알의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 5 gM = 5 kgh = 17 cmg = 9.81 m/s²
v = m/s
10.운동량과 충돌어려움
1600 kg16 m/s800 kg15 m/sv′ = ?

교차로에서 동쪽으로 16 m/s로 달리던 1600 kg 자동차가 북쪽으로 15 m/s로 달리던 800 kg 자동차와 충돌한다. 두 차는 한 덩어리가 된다. 충돌 직후 잔해의 속력 v′을(를) 구하시오.

m1 = 1600 kgv1 = 16 m/s (E)m2 = 800 kgv2 = 15 m/s (N)
v′ = m/s
11.정수압보통
수문d = 1.5 mH = 2 m

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

폭 1 m인 연직 직사각형 수문이 글리세린이(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 mb = 1 mρ = 1260 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
13.연속 방정식과 베르누이보통
v = ?p0​pp0​ − p = 800 Pa정체점

풍동의 피토 정압관이 정체압과 정압의 차이를 800 Pa로 나타낸다. 공기 밀도는 1.2 kg/m³이다. 풍속 v을(를) 구하시오.

p0 − p = 800 Paρ = 1.2 kg/m³
v = m/s
14.연속 방정식과 베르누이어려움
12d1​ = 75 mm, p1​ = 390 kPad2​ = 50 mm, p2​ = ?Δz = 10 m

물이 75 mm에서 50 mm(으)로 좁아지며 10 m 올라가는 관을 따라 위로 흐른다. 단면 1의 압력은 390 kPa, 유속은 1.25 m/s이다. 손실을 무시하고 단면 2의 압력 p2을(를) 구하시오.

d1 = 75 mmd2 = 50 mmp1 = 390 kPav1 = 1.25 m/sΔz = 10 mρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
15.이상 기체 법칙보통
N₂ 310 gP = 200 kPaT = 95 °CV = ?

200 kPa, 95 °C에서 N₂ 310 g이(가) 차지하는 부피 V은(는) 얼마인가? 이상 기체로 본다.

m = 310 gM = 28.01 g/molP = 200 kPaT = 95 °CR = 8.314 J/(mol·K)
V = L
16.이상 기체 법칙어려움
상태 1상태 2

일정량의 N₂이(가) 300 kPa, 20 L, 35 °C에서 150 kPa, 160 °C(으)로 변한다. 새 부피 V2을(를) 구하시오.

P1 = 300 kPaV1 = 20 LT1 = 35 °CP2 = 150 kPaT2 = 160 °C
V2 = L
17.열기관과 냉동기보통
TH​ = 425 °CTL​ = 10 °CEQH​QL​W

열기관이 425 °C의 고온 열원과 10 °C의 저온 열원 사이에서 작동한다. 가능한 최대 열효율 ηmax을(를) 구하시오.

TH = 425 °CTL = 10 °C
ηmax = %
18.열기관과 냉동기어려움
TH​ = 22 °CTL​ = 2 °CHPQ̇H​ = 15 kWQ̇L​Ẇ = ?

열펌프가 바깥이 2 °C일 때 집을 22 °C로 유지하며 집에 15 kW의 열을 공급한다. 최소 입력 동력 Ẇmin을(를) 구하시오.

TH = 22 °CTL = 2 °CQ̇H = 15 kW
Ẇmin = kW
19.파동, 소리, 광학보통
24.4°90°n1​ = ?공기, n2​ = 1.00

투명한 블록 속의 빛은 공기(n = 1.00)과의 경계에서 입사각이 24.4°보다 클 때 모두 전반사된다. 블록의 굴절률 n1을(를) 구하시오.

θc = 24.4°n2 = 1.00
n1 =
20.파동, 소리, 광학어려움
SO5 m/sf = 20 kHz

정지한 주차 센서가 5 m/s로 다가오는 자동차를 향해 20 kHz의 초음파를 보낸다. 센서가 되받는 반향의 진동수 f″을(를) 구하시오(소리의 속력 343 m/s).

f = 20 kHzu = 5 m/sv = 343 m/s
f″ = Hz

3용액

1.운동학

답: d = 33.17 m

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

v₀ = 60/3.6 = 16.67 m/s

반응 거리

d1 = v₀·tr = 16.67·0.8 = 13.33 m

제동 거리

d2 = v₀²/(2a) = 16.67²/(2·7) = 19.84 m

합계

d = 13.33 + 19.84 = 33.17 m

답

d = 33.17 m
2.운동학

답: hmax = 93.06 m

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.

동력 비행 단계

v₁ = 24·1.5 = 36 m/s
h₁ = ½·24·1.5² = 27 m

위로의 자유 비행

최고점에서 속도는 0입니다.

Δh = v₁²/(2g) = 36²/(2·9.81) = 66.06 m
hmax = 27 + 66.06 = 93.06 m

답

hmax = 93.06 m
3.뉴턴 법칙

답: μ = 0.09994

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) = 10²/(2·51) = 0.9804 m/s²

마찰 계수

μ·m·g = m·a → μ = a/g = 0.9804/9.81 = 0.09994

답

μ = 0.09994
4.뉴턴 법칙

답: a = 6.778 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.

전체 계

a = (F − μ·(m1 + m2)·g)/(m1 + m2) = (120 − 31.88)/13 = 6.778 m/s²

답

a = 6.778 m/s²
5.포물선 운동

답: x = 40.16 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 = 20·cos 50° = 12.86 m/s
vy = v0·sin θ = 20·sin 50° = 15.32 m/s

체공 시간

출발점과 착지점이 같은 높이: t = 2vy/g.

t = 2·15.32/9.81 = 3.124 s

수평 거리

x = vx·t = 12.86·3.124 = 40.16 m

답

x = 40.16 m
6.포물선 운동

답: x = 64.5 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 = 24·cos 60° = 12 m/s
vy = v0·sin θ = 24·sin 60° = 20.78 m/s

체공 시간

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

0 = 30 + 20.78·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (20.78 + √(432 + 588.6))/9.81 = 5.375 s

수평 거리

x = vx·t = 12·5.375 = 64.5 m

답

x = 64.5 m
7.일과 에너지

답: h = 0.8155 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 = 4 cm = 0.04 m
½kx² = ½·1500·0.04² = 1.2 J

높이

m·g = 0.15·9.81 = 1.472 N
h = ½kx²/(mg) = 1.2/1.472 = 0.8155 m

답

h = 0.8155 m
8.일과 에너지

답: v = 11.32 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 = 2·9.81 = 19.62 N
mg·sin θ = 5.078 N
μ·mg·cos θ = 5.685 N

일–에너지

½mv² = (25 − 10.76)·9 = 128.1 J
v = √(2·128.1/2) = 11.32 m/s

답

v = 11.32 m/s
9.운동량과 충돌

답: v = 1828 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 후의 흔들림

V = √(2·g·h) = √(2·9.81·0.17) = 1.826 m/s

충돌

m·v = (m + M)·V → v = (0.005 + 5)·1.826/0.005 = 1828 m/s

답

v = 1828 m/s
10.운동량과 충돌

답: v′ = 11.78 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 = 1600·16 = 25600 kg·m/s
py = 800·15 = 12000 kg·m/s

잔해의 속력

v′ = √(px² + py²)/(m1 + m2) = 28273/2400 = 11.78 m/s

답

v′ = 11.78 m/s
11.정수압

답: F = 98.1 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 = 1.5 + 2/2 = 2.5 m
A = H·b = 2·2 = 4 m²
수문d = 1.5 mH = 2 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 1000·9.81·2.5·4 = 98.1 kN

답

F = 98.1 kN
12.정수압

답: F = 24.72 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 + 1/2 = 2 m
A = H·b = 1·1 = 1 m²
수문d = 1.5 mH = 1 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 1260·9.81·2·1 = 24.72 kN

답

F = 24.72 kN
13.연속 방정식과 베르누이

답: v = 36.51 m/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.

정체점까지의 베르누이 식

유동이 끝부분에서 정지하므로 운동 에너지가 추가 압력으로 나타납니다.

p0 − p = ½ρv²
v = √(2·800/1.2) = 36.51 m/s

답

v = 36.51 m/s
14.연속 방정식과 베르누이

답: p2 = 288.7 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 = 1.25·(75/50)² = 2.813 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(1.25² − 2.813²)/1000 = −3.174 kPa
ρgΔz = 1000·9.81·10/1000 = 98.1 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) − ρgΔz = 390 + (−3.174) − 98.1 = 288.7 kPa

답

p2 = 288.7 kPa
15.이상 기체 법칙

답: V = 169.4 L

이상 기체 법칙: PV = nRT, n = m/M.

몰수

n = 310/28.01 = 11.07 mol
T = 95 + 273.15 = 368.1 K

부피

V = nRT/P = 11.07·8.314·368.1/200 = 169.4 L

답

V = 169.4 L
16.이상 기체 법칙

답: V2 = 56.23 L

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

절대 온도

T1 = 308.1 K, T2 = 433.1 K

보일-샤를 법칙

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 20·(300/150)·(433.1/308.1) = 56.23 L

답

V2 = 56.23 L
17.열기관과 냉동기

답: ηmax = 59.44 %

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 %

답

ηmax = 59.44 %
18.열기관과 냉동기

답: Ẇmin = 1.016 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 = 22 + 273.15 = 295.1 K
TL = 2 + 273.15 = 275.1 K

가능한 최고 COP

COPHP,max = TH/(TH − TL) = 295.1/(295.1 − 275.1) = 14.76

최소 동력

COP가 가장 큰 가역 기계가 가장 적은 일을 필요로 합니다.

Ẇmin = Q̇H/COP = 15/14.76 = 1.016 kW

답

Ẇmin = 1.016 kW
19.파동, 소리, 광학

답: n1 = 2.421

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 = 1.00/0.4131 = 2.421

답

n1 = 2.421
20.파동, 소리, 광학

답: f″ = 20592 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.

자동차에서의 진동수

f′ = 20000·(343 + 5)/343 = 20292 Hz

반향의 진동수

f″ = f′·343/(343 − 5) = 20592 Hz

답

f″ = 20592 Hz

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