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 = 2 m/s²자동차16 m/s

일정한 16 m/s로 과속하는 자동차가 정지해 있는 경찰차를 지나간다. 그 순간 경찰차가 출발해 2 m/s²로 균일하게 가속한다. 경찰차는 출발점에서 얼마나 떨어진 곳에서 따라잡는가? d을(를) 구하시오.

vcar = 16 m/sapolice = 2 m/s²v0,police = 0
d = m
2.운동학어려움
t (s)v (m/s)5 s

트램이 정지 상태에서 출발해 5 s 동안 2 m/s²로 가속한 다음, 28 s 동안 등속으로 달리고, 마지막으로 3.5 m/s²로 제동해 멈춘다. 두 정류장 사이의 총거리 s을(를) 구하시오.

a1 = 2 m/s²t1 = 5 st2 = 28 sa3 = −3.5 m/s²
s = m
3.뉴턴 법칙보통
30 kg30°F = 190 Nμ = 0.3

30 kg 썰매를 수평 위 30° 방향의 로프로 190 N의 힘으로 평평한 눈 위에서 끈다. 운동 마찰 계수는 0.3이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 썰매의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 30 kgF = 190 Nθ = 30°μ = 0.3g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
7 kg5 kgTF = 135 Nμ = 0.25

평평한 바닥 위의 두 블록이 가벼운 수평 줄로 연결되어 있다. 수평력 135 N이 앞쪽의 5 kg 블록을 끌고, 7 kg 블록은 뒤에서 끌려온다. 두 블록 모두 운동 마찰 계수는 0.25이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 블록들의 가속도 a을(를) 구하시오.

m1 = 7 kgm2 = 5 kgF = 135 Nμ = 0.25g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.포물선 운동보통
v0​ = ?65°R = 105 m

평지에서 공을 수평 위 65°로 발사하자 105 m 떨어진 곳에 떨어진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 발사 속력 v0을(를) 구하시오.

θ = 65°R = 105 mg = 9.81 m/s²
v0 = m/s
6.포물선 운동어려움
h = 15 mv0​ = 31 m/s55°x = ?

공을 높이 15 m인 절벽 위에서 수평에서 55° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿기 전까지 이동한 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v0 = 31 m/sθ = 55°h = 15 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.일과 에너지보통
45°d = 12 mμ = 0.35

질량 10 kg인 블록이 수평과 45°를 이루는 경사면을 12 m 미끄러져 내려가며, 운동 마찰 계수는 0.35이다. 마찰에 대해 한 일 Wf을(를) 구하시오.

m = 10 kgθ = 45°μ = 0.35d = 12 mg = 9.81 m/s²
Wf = J
8.일과 에너지어려움
h = 2 mL = 1.5 mμ = 0.15k = 2500 N/m

질량 1 kg인 블록을 매끄러운 경사로의 높이 2 m에서 가만히 놓는다. 아래에서 길이 1.5 m인 거친 수평 구간(μ = 0.15)을 지난 뒤, 매끄러운 면에서 스프링(k = 2500 N/m)에 부딪힌다. 스프링의 최대 압축량 x을(를) 구하시오.

m = 1 kgh = 2 mL = 1.5 mμ = 0.15k = 2500 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
9.운동량과 충돌보통
3.5 kg3 m/s5 kg

3 m/s로 움직이는 질량 3.5 kg인 글라이더가 마찰 없는 트랙 위에 정지해 있는 질량 5 kg인 글라이더와 완전 탄성 정면충돌을 한다. 충돌 후 두 번째 글라이더의 속도 v′2을(를) 구하시오.

m1 = 3.5 kgm2 = 5 kgv1 = 3 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
10.운동량과 충돌어려움
800 kg9 m/s900 kg8 m/sθ = ?

교차로에서 동쪽으로 9 m/s로 달리던 800 kg 자동차가 북쪽으로 8 m/s로 달리던 900 kg 자동차와 충돌한다. 두 차는 한 덩어리가 된다. 충돌 직후 잔해의 방향 θ을(를) 동쪽에서 북쪽으로 잰 각으로 구하시오.

m1 = 800 kgv1 = 9 m/s (E)m2 = 900 kgv2 = 8 m/s (N)
θ = °
11.정수압보통
수문d = 4 mH = 1.5 m

폭 3 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 = 1.5 mb = 3 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
12.정수압어려움
수문d = 2.5 mH = 3 m

폭 1.5 m인 연직 직사각형 수문이 바닷물이(가) 담긴 탱크 벽에 있고, 위쪽 가장자리는 수면 아래 2.5 m에 있다. 수문에 작용하는 정수압 합력 F을(를) 구하시오.

d = 2.5 mH = 3 mb = 1.5 mρ = 1025 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
13.연속 방정식과 베르누이보통
12d1​ = 150 mm, p1​ = 300 kPad2​ = 75 mm, p2​ = ?

물이 150 mm에서 75 mm(으)로 좁아지는 수평관을 흐른다. 넓은 부분의 압력은 300 kPa, 유속은 0.75 m/s이다. 손실을 무시하고 좁은 부분의 압력 p2을(를) 구하시오.

d1 = 150 mmd2 = 75 mmp1 = 300 kPav1 = 0.75 m/sρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
14.연속 방정식과 베르누이어려움
C211 m2 md = 40 mmQ = ?

안지름 40 mm의 호스로 열린 탱크의 물을 사이펀으로 빼낸다. 호스의 가장 높은 점 C는 수면보다 1 m 위에 있고, (대기에 열린) 출구는 수면보다 2 m 아래에 있다. 손실을 무시하고 g = 9.81 m/s²로 하시오. 유량 Q을(를) 구하시오.

d = 40 mmzC = +1 mz2 = −2 mg = 9.81 m/s²
Q = L/s
15.이상 기체 법칙보통
Ar 270 gV = 50 LT = 40 °CP = ?

부피 50 L인 탱크에 40 °C의 Ar 270 g이(가) 들어 있다. 이상 기체로 보고 압력 P을(를) 구하시오.

m = 270 gM = 39.95 g/molV = 50 LT = 40 °CR = 8.314 J/(mol·K)
P = kPa
16.이상 기체 법칙어려움
CO₂, M = 44.01 g/molP = 100 kPaT = 40 °Cρ = ?

100 kPa, 40 °C에서 CO₂의 밀도 ρ을(를) 이상 기체로 보고 구하시오.

M = 44.01 g/molP = 100 kPaT = 40 °CR = 8.314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
17.열기관과 냉동기보통
TH​ = 450 °CTL​ = ?EQH​ = 500 kJQL​ = 220 kJW

가역(카르노) 열기관이 사이클마다 450 °C의 열저장소에서 500 kJ의 열을 받고 220 kJ를 방출한다. 저온 열저장소의 온도 TL을(를) °C로 구하시오.

TH = 450 °CQH = 500 kJQL = 220 kJ
TL = °C
18.열기관과 냉동기어려움
TH​ = 35 °CTL​ = 2 °CRQ̇H​Q̇L​ = 0.5 kWẆ = ?

냉장고가 35 °C인 부엌에서 냉장실을 2 °C로 유지하며 냉장실에서 0.5 kW의 열을 제거한다. 최소 입력 동력 Ẇmin을(를) 구하시오.

TH = 35 °CTL = 2 °CQ̇L = 0.5 kW
Ẇmin = kW
19.파동, 소리, 광학보통
FF5 cmdo​ = 60 cmf = 12 cm

높이 5 cm인 물체가 초점 거리 12 cm인 얇은 수렴 렌즈 앞 60 cm에 서 있다. 상의 높이 hi을(를) 구하시오(거꾸로 선 상이면 음수).

ho = 5 cmdo = 60 cmf = 12 cm
hi = cm
20.파동, 소리, 광학어려움
SO30 m/sf = 30 kHz

정지한 센서가 30 m/s로 다가오는 자동차를 향해 30 kHz의 초음파를 보내고, 반향을 송신 신호와 섞는다. 맥놀이 진동수 fb을(를) 구하시오(소리의 속력 343 m/s).

f = 30 kHzu = 30 m/sv = 343 m/s
fb = Hz

3용액

1.운동학

답: d = 256 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.

같은 거리

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

거리

d = v·t = 16·16 = 256 m

답

d = 256 m

그 순간 경찰차는 2v = 32 m/s로 움직입니다.

2.운동학

답: s = 319.3 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.

최고 속력

v = a1·t1 = 2·5 = 10 m/s

각 단계의 거리

s1 = ½·2·5² = 25 m
s2 = 10·28 = 280 m
s3 = 10²/(2·3.5) = 14.29 m

총거리

s = 25 + 280 + 14.29 = 319.3 m

답

s = 319.3 m
3.뉴턴 법칙

답: a = 3.492 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.

수직항력

N = m·g − F·sin θ = 294.3 − 190·sin 30° = 199.3 N

수평 방향의 힘

m·a = F·cos θ − μ·N = 164.5 − 59.79
a = 104.8/30 = 3.492 m/s²

답

a = 3.492 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: a = 8.797 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) = (135 − 29.43)/12 = 8.797 m/s²

답

a = 8.797 m/s²
5.포물선 운동

답: v0 = 36.67 m/s

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 공식을 v₀에 대해 풀기

v₀ = √(g·R/sin 2θ) = √(9.81·105/sin 130°) = 36.67 m/s

답

v0 = 36.67 m/s
6.포물선 운동

답: x = 101.6 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 = 31·cos 55° = 17.78 m/s
vy = v0·sin θ = 31·sin 55° = 25.39 m/s

체공 시간

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

0 = 15 + 25.39·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (25.39 + √(644.8 + 294.3))/9.81 = 5.712 s

수평 거리

x = vx·t = 17.78·5.712 = 101.6 m

답

x = 101.6 m
7.일과 에너지

답: Wf = 291.3 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 = 98.1·0.7071 = 69.37 N
F = μN = 0.35·69.37 = 24.28 N

마찰에 대한 일

Wf = F·d = 24.28·12 = 291.3 J

답

Wf = 291.3 J
8.일과 에너지

답: x = 11.8 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 = 9.81·(2 − 0.15·1.5) = 17.41 J

최대 압축량

½kx² = 17.41 → x = √(2·17.41/2500) = 0.118 m = 11.8 cm

답

x = 11.8 cm
9.운동량과 충돌

답: v′2 = 2.471 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 = (3.5 − 5)/(3.5 + 5)·3 = −0.5294 m/s
v′2 = 2·3.5/(3.5 + 5)·3 = 2.471 m/s

답

v′2 = 2.471 m/s
10.운동량과 충돌

답: θ = 45 °

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 = 800·9 = 7200 kg·m/s
py = 900·8 = 7200 kg·m/s

방향

tan θ = py/px = 1 → θ = 45°

답

θ = 45°
11.정수압

답: F = 209.7 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 + 1.5/2 = 4.75 m
A = H·b = 1.5·3 = 4.5 m²
수문d = 4 mH = 1.5 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 1000·9.81·4.75·4.5 = 209.7 kN

답

F = 209.7 kN
12.정수압

답: F = 181 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 = 2.5 + 3/2 = 4 m
A = H·b = 3·1.5 = 4.5 m²
수문d = 2.5 mH = 3 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 1025·9.81·4·4.5 = 181 kN

답

F = 181 kN
13.연속 방정식과 베르누이

답: p2 = 295.8 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 = 0.75·(150/75)² = 3 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(0.75² − 3²)/1000 = −4.219 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) = 300 + (−4.219) = 295.8 kPa

답

p2 = 295.8 kPa
14.연속 방정식과 베르누이

답: Q = 7.872 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) = √(2·9.81·2) = 6.264 m/s

유량

Q = A·v = 0.001257·6.264 = 0.007872 m³/s = 7.872 L/s

답

Q = 7.872 L/s
15.이상 기체 법칙

답: P = 351.9 kPa

이상 기체 법칙: PV = nRT, n = m/M.

몰수

n = m/M = 270/39.95 = 6.758 mol
T = 40 + 273.15 = 313.1 K

압력

P = nRT/V = 6.758·8.314·313.1/0.05 = 351.9 kPa

답

P = 351.9 kPa
16.이상 기체 법칙

답: ρ = 1.69 kg/m³

이상 기체의 밀도: ρ = PM/(RT).

기체 법칙 정리

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 40 + 273.15 = 313.1 K

밀도

ρ = 100·44.01/(8.314·313.1) = 1.69 kg/m³

답

ρ = 1.69 kg/m³
17.열기관과 냉동기

답: TL = 45.04 °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 = 450 + 273.15 = 723.1 K

가역 사이클의 열 비

TL = TH·QL/QH = 723.1·220/500 = 318.2 K = 45.04 °C

답

TL = 45.04 °C
18.열기관과 냉동기

답: Ẇmin = 0.05997 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 = 35 + 273.15 = 308.1 K
TL = 2 + 273.15 = 275.1 K

가능한 최고 COP

COPR,max = TL/(TH − TL) = 275.1/(308.1 − 275.1) = 8.338

최소 동력

COP가 가장 큰 가역 기계가 가장 적은 일을 필요로 합니다.

Ẇmin = Q̇L/COP = 0.5/8.338 = 0.05997 kW

답

Ẇmin = 0.05997 kW
19.파동, 소리, 광학

답: hi = −1.25 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.

얇은 렌즈 공식

1/di = 1/f − 1/do = 1/12 − 1/60
di = 15 cm
FF60 cmf = 12 cm

배율과 높이

m = −15/60 = −0.25
hi = −0.25·5 = −1.25 cm

답

hi = −1.25 cm
20.파동, 소리, 광학

답: fb = 5751 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′ = 30000·(343 + 30)/343 = 32624 Hz

반향의 진동수

f″ = f′·343/(343 − 30) = 35751 Hz

맥놀이 진동수

fb = |f″ − f| = 5751 Hz

답

fb = 5751 Hz

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