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
t (s)v (m/s)t = ?27.78

100 km/h로 달리던 자동차가 6.5 m/s²의 일정한 감속도로 제동하여 멈춘다. 제동하는 데 걸리는 시간 t을(를) 구하시오.

v₀ = 100 km/ha = −6.5 m/s²v = 0
t = s
2.운동학어려움
v₀ = 6 m/s40 m

지면에서 40 m 높이에 있는 지붕 가장자리에서 공을 6 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 = 6 m/sh₀ = 40 mg = 9.81 m/s²
t = s
3.뉴턴 법칙보통
θ = 35°a = ?m = 15 kg

질량 15 kg인 블록이 수평과 35°를 이루는 경사면을 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.25이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 경사면을 따르는 블록의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 15 kgθ = 35°μ = 0.25g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 2.5 kg6.5 kgθ = 25°

25° 경사로 위의 2.5 kg 블록이 경사로 꼭대기의 마찰 없는 도르래를 지나는 가벼운 줄로 매달린 6.5 kg 질량과 연결되어 있다. 매달린 질량은 아래로 움직인다. 경사로에는 마찰이 없다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m1 = 2.5 kgm2 = 6.5 kgθ = 25°μ = 0g = 9.81 m/s²
T = N
5.포물선 운동보통
v0​ = 34 m/sθ = ?R = 50 m

평지에서 공을 34 m/s로 발사해 50 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 = 34 m/sR = 50 mg = 9.81 m/s²
θ = °
6.포물선 운동어려움
2 mv0​ = 32 m/s45°x = ?

지면에서 공을 32 m/s, 수평 위 45°로 던진다. 공은 내려오는 도중에 높이 2 m인 건물의 평평한 지붕에 떨어진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 발사점에서 떨어진 곳까지의 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v₀ = 32 m/sθ = 45°hroof = 2 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.일과 에너지보통
30 km/h

평평한 도로를 30 km/h로 달리던 자동차가 급제동해 바퀴가 잠긴 채 미끄러져 멈춘다. 타이어와 도로 사이의 운동 마찰 계수는 0.5이다. 정지 거리 d을(를) 구하시오.

v = 30 km/hμ = 0.5g = 9.81 m/s²
d = m
8.일과 에너지어려움
4 kg2 kgμ = 0.25d = 1.5 m

4 kg 블록이 거친 수평 테이블(μ = 0.25) 위에 놓여 있다. 가벼운 줄이 블록에서 테이블 가장자리의 매끄러운 도르래를 지나 매달린 2 kg 블록에 연결되어 있다. 계를 정지 상태에서 놓는다. 매달린 블록이 1.5 m 내려간 뒤 블록들의 속력 v을(를) 구하시오.

m1 = 4 kgm2 = 2 kgμ = 0.25d = 1.5 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
9.운동량과 충돌보통
1 kgv = ?5 gh = 7 cm

5 g 총알을 가벼운 줄에 매달린 1 kg 나무 블록에 수평으로 쏘아 박히게 한다. 블록은 처음보다 7 cm 높아질 때까지 흔들려 올라간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 전 총알의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 5 gM = 1 kgh = 7 cmg = 9.81 m/s²
v = m/s
10.운동량과 충돌어려움
800 kgv1​ = ?1500 kg

800 kg 자동차가 주차된 1500 kg 자동차를 들이받는다. 잔해는 한 덩어리가 되어 22.5 m 미끄러진 뒤 멈춘다. 타이어와 도로 사이의 운동 마찰 계수는 0.5이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 직전 첫 번째 자동차의 속력 v1을(를) 구하시오.

m1 = 800 kgm2 = 1500 kgd = 22.5 mμ = 0.5g = 9.81 m/s²
v1 = m/s
11.정수압보통
수문d = 2 mH = 1.5 m

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

d = 2 mH = 1.5 mb = 2 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
12.정수압어려움
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. 수면 아래 압력 중심의 깊이 ycp을(를) 구하시오.

d = 4 mH = 2.5 mb = 1.5 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
ycp = m
13.연속 방정식과 베르누이보통
12d1​ = 150 mm, p1​ = ?d2​ = 75 mm, p2​ = 240 kPa

물이 17 L/s로 150 mm에서 75 mm로 좁아지는 수평관을 흐른다. 좁은 구간의 압력은 240 kPa이다. 손실을 무시하고 넓은 구간의 압력 p1을(를) 구하시오.

Q = 17 L/sd1 = 150 mmd2 = 75 mmp2 = 240 kPaρ = 1000 kg/m³
p1 = kPa
14.연속 방정식과 베르누이어려움
C211 m4.5 md = 40 mmpC​ = ?

안지름 40 mm의 호스로 열린 탱크의 물을 사이펀으로 빼낸다. 호스의 가장 높은 점 C는 수면보다 1 m 위에 있고, (대기에 열린) 출구는 수면보다 4.5 m 아래에 있다. 손실을 무시하고 g = 9.81 m/s²로 하시오. 점 C의 절대 압력 pC을(를) 구하시오. 대기압은 101.3 kPa이다.

d = 40 mmzC = +1 mz2 = −4.5 mg = 9.81 m/s²patm = 101.3 kPa
pC = kPa
15.이상 기체 법칙보통
O₂ 90 gP = 800 kPaT = 100 °CV = ?

800 kPa, 100 °C에서 O₂ 90 g이(가) 차지하는 부피 V은(는) 얼마인가? 이상 기체로 본다.

m = 90 gM = 32 g/molP = 800 kPaT = 100 °CR = 8.314 J/(mol·K)
V = L
16.이상 기체 법칙어려움
상태 1상태 2

일정량의 O₂이(가) 350 kPa, 10 L, 30 °C에서 300 kPa, 60 °C(으)로 변한다. 새 부피 V2을(를) 구하시오.

P1 = 350 kPaV1 = 10 LT1 = 30 °CP2 = 300 kPaT2 = 60 °C
V2 = L
17.열기관과 냉동기보통
TH​ = 300 °CTL​ = 40 °CEQH​QL​W

열기관이 300 °C의 고온 열원과 40 °C의 저온 열원 사이에서 작동한다. 가능한 최대 열효율 ηmax을(를) 구하시오.

TH = 300 °CTL = 40 °C
ηmax = %
18.열기관과 냉동기어려움
TH​ = 35 °CTL​ = 10 °CHPQ̇H​ = 17.5 kWQ̇L​Ẇ = ?

열펌프가 10 °C의 열원에서 열을 흡수해 35 °C의 난방 시스템에 17.5 kW의 열을 공급한다. 실제 COP는 이 두 온도 사이의 카르노 COP의 30%이다. 소비하는 전력 Ẇ을(를) 구하시오.

TH = 35 °CTL = 10 °CηII = 30%Q̇H = 17.5 kW
Ẇ = kW
19.파동, 소리, 광학보통
L = ?n = 2

양 끝이 열린 관의 2번째 배진동이(가) 572 Hz가 되어야 한다. 소리의 속력은 343 m/s이다. 관의 길이 L을(를) 구하시오.

v = 343 m/sn = 2f2 = 572 Hz
L = m
20.파동, 소리, 광학어려움
f1​ = 10 cmf2​ = 8 cm12 cm25 cm

얇은 렌즈 두 개가 같은 축 위에 25 cm 떨어져 있다. 렌즈 1은 f₁ = 10 cm, 렌즈 2는 f₂ = 8 cm이다. 물체가 렌즈 1 앞 12 cm에 서 있다. 렌즈 2에서 잰 최종 상의 위치 di2을(를) 구하시오(렌즈 2 뒤쪽이 양수이며, 실상이 양수인 규약).

f1 = 10 cmf2 = 8 cms = 25 cmdo = 12 cm
di2 = cm

3용액

1.운동학

답: t = 4.274 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.

단위

v₀ = 100/3.6 = 27.78 m/s

제동 시간

0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 27.78/6.5 = 4.274 s

답

t = 4.274 s
2.운동학

답: t = 3.532 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.

−40 = 6·t − ½·9.81·t²
4.905·t² − 6·t − 40 = 0

이차방정식 풀기

물리적으로 의미 있는 것은 양의 근뿐입니다.

t = (6 + √(6² + 2·9.81·40))/9.81 = 3.532 s

답

t = 3.532 s
3.뉴턴 법칙

답: a = 3.618 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 35° − 0.25·cos 35°) = 9.81·(0.5736 − 0.2048) = 3.618 m/s²

답

a = 3.618 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: T = 25.2 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 = 63.77 N
m₁·g·sin θ = 10.36 N
μ·m₁·g·cos θ = 0 N

계의 가속도

a = (63.77 − 10.36 − 0)/9 = 5.933 m/s²

매달린 질량에서 구한 장력

m2·g − T = m2·a → T = 6.5·(9.81 − 5.933) = 25.2 N

답

T = 25.2 N
5.포물선 운동

답: θ = 12.55 °

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 = 9.81·50/34² = 0.4243

위상각

2θ = 25.11° → θ = 12.55°

답

θ = 12.55°

다른 해는 90° − θ = 77.45°입니다.

6.포물선 운동

답: x = 102.3 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 = 22.63 m/s, vy = 22.63 m/s

지붕에 떨어지는 시간

큰 근: 공이 내려오는 중입니다.

2 = 22.63·t − 4.905·t²
t = (22.63 + √(22.63² − 2·9.81·2))/9.81 = 4.523 s

수평 거리

x = vx·t = 22.63·4.523 = 102.3 m

답

x = 102.3 m
7.일과 에너지

답: d = 7.079 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 = 30/3.6 = 8.333 m/s

에너지 수지

½mv² = μmg·d → d = v²/(2μg) = 8.333²/(2·0.5·9.81) = 7.079 m

답

d = 7.079 m

속력이 두 배가 되면 정지 거리는 네 배가 됩니다.

8.일과 에너지

답: v = 2.215 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).

방출되고 손실된 에너지

m₂g·d = 19.62·1.5 = 29.43 J
μ·m₁g·d = 0.25·39.24·1.5 = 14.71 J

두 블록의 운동 에너지

½(m₁ + m₂)v² = 14.71 → v = √(2·14.71/6) = 2.215 m/s

답

v = 2.215 m/s
9.운동량과 충돌

답: v = 235.6 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) = √(2·9.81·0.07) = 1.172 m/s

충돌

m·v = (m + M)·V → v = (0.005 + 1)·1.172/0.005 = 235.6 m/s

답

v = 235.6 m/s
10.운동량과 충돌

답: v1 = 42.71 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 속력

V = √(2·μ·g·d) = √(2·0.5·9.81·22.5) = 14.86 m/s

충돌에서의 운동량

m1·v1 = (m1 + m2)·V → v1 = 2300·14.86/800 = 42.71 m/s

답

v1 = 42.71 m/s
(153.8 km/h)
11.정수압

답: F = 80.93 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 = 2 + 1.5/2 = 2.75 m
A = H·b = 1.5·2 = 3 m²
수문d = 2 mH = 1.5 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 1000·9.81·2.75·3 = 80.93 kN

답

F = 80.93 kN
12.정수압

답: ycp = 5.349 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 = 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

압력 중심

압력은 깊이에 따라 커지므로 합력은 도심 아래에 작용합니다.

Ic = b·H³/12 = 1.5·2.5³/12 = 1.953 m⁴
ycp = yc + Ic/(yc·A) = 5.25 + 1.953/(5.25·3.75) = 5.349 m

답

ycp = 5.349 m
13.연속 방정식과 베르누이

답: p1 = 246.9 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 = 0.017/0.01767 = 0.962 m/s
v2 = Q/A2 = 0.017/0.004418 = 3.848 m/s

베르누이 방정식

p1 = p2 + ½ρ(v2² − v1²) = 240 + ½·1000·(3.848² − 0.962²)/1000 = 240 + 6.941 = 246.9 kPa

답

p1 = 246.9 kPa
14.연속 방정식과 베르누이

답: pC = 47.34 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.

호스 안의 유속

수면과 출구는 모두 대기에 열려 있으므로 압력 항이 상쇄됩니다.

v = √(2g·4.5) = √(2·9.81·4.5) = 9.396 m/s

수면에서 C까지의 베르누이 식

patm = pC + ½ρv² + ρgzC
pC = 101.3 − 1000·(9.396²/2 + 9.81·1)/1000 = 101.3 − 53.96 = 47.34 kPa

답

pC = 47.34 kPa

이 압력이 물의 증기압까지 떨어지면 사이펀은 작동을 멈춥니다.

15.이상 기체 법칙

답: V = 10.91 L

이상 기체 법칙: PV = nRT, n = m/M.

몰수

n = 90/32 = 2.813 mol
T = 100 + 273.15 = 373.1 K

부피

V = nRT/P = 2.813·8.314·373.1/800 = 10.91 L

답

V = 10.91 L
16.이상 기체 법칙

답: V2 = 12.82 L

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

절대 온도

T1 = 303.1 K, T2 = 333.1 K

보일-샤를 법칙

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 10·(350/300)·(333.1/303.1) = 12.82 L

답

V2 = 12.82 L
17.열기관과 냉동기

답: ηmax = 45.36 %

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 = 300 + 273.15 = 573.1 K
TL = 40 + 273.15 = 313.1 K

카르노 효율

ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 313.1/573.1 = 45.36 %

답

ηmax = 45.36 %
18.열기관과 냉동기

답: Ẇ = 4.733 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 = 35 + 273.15 = 308.1 K
TL = 10 + 273.15 = 283.1 K

카르노 COP와 실제 COP

COPmax = 308.1/(308.1 − 283.1) = 12.33
COP = 0.3·12.33 = 3.698

입력 동력

Ẇ = Q̇H/COP = 17.5/3.698 = 4.733 kW

답

Ẇ = 4.733 kW
19.파동, 소리, 광학

답: L = 0.5997 m

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.

파장

λ = v/f = 343/572 = 0.5997 m

길이

L = nλ/2 = 2·0.5997/2 = 0.5997 m

답

L = 0.5997 m
20.파동, 소리, 광학

답: di2 = 6.512 cm

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.

렌즈 1의 상

1/di1 = 1/10 − 1/12 → di1 = 60 cm

렌즈 2의 물체

do2 = 25 − 60 = −35 cm

최종 상

1/di2 = 1/8 − 1/(−35) → di2 = 6.512 cm

답

di2 = 6.512 cm

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