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 = ?15

54 km/h로 달리던 자동차가 5.5 m/s²의 일정한 감속도로 제동하여 멈춘다. 제동하는 데 걸리는 시간 t을(를) 구하시오.

v₀ = 54 km/ha = −5.5 m/s²v = 0
t = s
2.운동학어려움
v₀ = 16 m/s10 m

지면에서 10 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 = 10 mg = 9.81 m/s²
hmax = m
3.뉴턴 법칙보통
θ = 20°a = ?m = 13 kg

질량 13 kg인 블록이 수평과 20°를 이루는 경사면을 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.15이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 경사면을 따르는 블록의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 13 kgθ = 20°μ = 0.15g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 2.5 kg8 kgθ = 40°

40° 경사로 위의 2.5 kg 블록이 경사로 꼭대기의 마찰 없는 도르래를 지나는 가벼운 줄로 매달린 8 kg 질량과 연결되어 있다. 매달린 질량은 아래로 움직인다. 블록과 경사로 사이의 운동 마찰 계수는 0.25이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m1 = 2.5 kgm2 = 8 kgθ = 40°μ = 0.25g = 9.81 m/s²
T = N
5.포물선 운동보통
v0​ = 26 m/s35°수평 도달 거리

공을 평지에서 수평에서 35° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿을 때까지의 비행 시간 t을(를) 구하시오.

v0 = 26 m/sθ = 35°g = 9.81 m/s²
t = s
6.포물선 운동어려움
h = 5 mv0​ = 30 m/s15°v = ?

5 m 절벽 꼭대기에서 공을 30 m/s, 수평 위 15°로 발사한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 지면에 닿는 속력 v을(를) 구하시오.

v₀ = 30 m/sθ = 15°h = 5 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
7.일과 에너지보통
0.15 kgk = 1500 N/mh = ?

장난감 발사기에 강성 1500 N/m인 수직 스프링이 있다. 0.15 kg 공을 올려놓고 스프링을 10 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 = 10 cmg = 9.81 m/s²
h = m
8.일과 에너지어려움
h = 4.5 mL = 4 mμ = 0.1k = 2500 N/m

질량 5 kg인 블록을 매끄러운 경사로의 높이 4.5 m에서 가만히 놓는다. 아래에서 길이 4 m인 거친 수평 구간(μ = 0.1)을 지난 뒤, 매끄러운 면에서 스프링(k = 2500 N/m)에 부딪힌다. 블록이 스프링에 닿을 때의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 5 kgh = 4.5 mL = 4 mμ = 0.1k = 2500 N/mg = 9.81 m/s²
v = m/s
9.운동량과 충돌보통
10 kg76 m/s2 kgv′2​ = ?

수평으로 17 m/s로 움직이던 12 kg 발사체가 폭발해 같은 직선을 따라 움직이는 두 파편으로 나뉜다. 10 kg 파편은 76 m/s로 앞으로 계속 움직인다. 2 kg 파편의 속도 v′2(원래 방향을 양으로)을(를) 구하시오.

M = 12 kgu = 17 m/sm1 = 10 kgv′1 = 76 m/sm2 = 2 kg
v′2 = m/s
10.운동량과 충돌어려움
9 m/s19 m/s

질량 0.6 kg인 공이 9 m/s로 벽에 부딪힌 뒤 19 m/s로 똑바로 튀어나온다. 접촉 시간은 25 ms이다. 벽이 공에 작용한 평균 힘 Favg을(를) 구하시오.

m = 0.6 kgvin = 9 m/svout = 19 m/sΔt = 25 ms
Favg = N
11.정수압보통
수문d = 1.5 mH = 1.5 m

폭 3 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 = 1.5 mb = 3 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
12.정수압어려움
수문d = 0.5 mH = 2.5 m

폭 2 m인 연직 직사각형 수문이 물이(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 = 2 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
ycp = m
13.연속 방정식과 베르누이보통
d1​ = 150 mmd2​ = 75 mm12p1​ − p2​ = 19 kPaQ = ?

입구 지름 150 mm, 목 지름 75 mm인 수평 벤투리미터에 물이 흐른다. 입구의 압력은 목보다 19 kPa 높다. 손실을 무시하고 유량 Q을(를) 구하시오.

d1 = 150 mmd2 = 75 mmp1 − p2 = 19 kPaρ = 1000 kg/m³
Q = L/s
14.연속 방정식과 베르누이어려움
C211 m2 md = 50 mmpC​ = ?

안지름 50 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. 점 C의 절대 압력 pC을(를) 구하시오. 대기압은 101.3 kPa이다.

d = 50 mmzC = +1 mz2 = −2 mg = 9.81 m/s²patm = 101.3 kPa
pC = kPa
15.이상 기체 법칙보통
CO₂ 40 gP = 100 kPaT = 20 °CV = ?

100 kPa, 20 °C에서 CO₂ 40 g이(가) 차지하는 부피 V은(는) 얼마인가? 이상 기체로 본다.

m = 40 gM = 44.01 g/molP = 100 kPaT = 20 °CR = 8.314 J/(mol·K)
V = L
16.이상 기체 법칙어려움
상태 1상태 2

일정량의 CH₄이(가) 100 kPa, 5 L, 20 °C에서 750 kPa, 60 °C(으)로 변한다. 새 부피 V2을(를) 구하시오.

P1 = 100 kPaV1 = 5 LT1 = 20 °CP2 = 750 kPaT2 = 60 °C
V2 = L
17.열기관과 냉동기보통
TH​ = 400 °CTL​ = ?EQH​ = 1900 kJQL​ = 912 kJW

가역(카르노) 열기관이 사이클마다 400 °C의 열저장소에서 1900 kJ의 열을 받고 912 kJ를 방출한다. 저온 열저장소의 온도 TL을(를) °C로 구하시오.

TH = 400 °CQH = 1900 kJQL = 912 kJ
TL = °C
18.열기관과 냉동기어려움
TH​ = 28 °CTL​ = 4 °CRQ̇H​Q̇L​ = 0.5 kWẆ

냉장고가 28 °C인 부엌에서 냉장실을 4 °C로 유지하며 냉장실에서 0.5 kW의 열을 제거한다. 가능한 최대 성능 계수 COPmax을(를) 구하시오.

TH = 28 °CTL = 4 °CQ̇L = 0.5 kW
COPmax =
19.파동, 소리, 광학보통
θc = ?90°다이아몬드, n1​ = 2.42에탄올, n2​ = 1.36

빛이 다이아몬드(n = 2.42) 속에서 에탄올(n = 1.36)과의 평평한 경계를 향해 진행한다. 그 각을 넘으면 전반사되는 임계각 θc을(를) 구하시오.

n1 = 2.42n2 = 1.36
θc = °
20.파동, 소리, 광학어려움
λ = ?d = 0.5 mmL = 1.5 m6.75 mm

0.5 mm 떨어진 두 슬릿에 단색광을 비춘다. 1.5 m 떨어진 스크린에서 5번째 밝은 무늬가 중앙 무늬에서 6.75 mm에 있다. 파장 λ을(를) 구하시오.

d = 0.5 mmL = 1.5 my5 = 6.75 mmm = 5
λ = nm

3용액

1.운동학

답: t = 2.727 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 = 54/3.6 = 15 m/s

제동 시간

0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 15/5.5 = 2.727 s

답

t = 2.727 s
2.운동학

답: hmax = 23.05 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 = 10 + 13.05 = 23.05 m

답

hmax = 23.05 m
3.뉴턴 법칙

답: a = 1.972 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 20° − 0.15·cos 20°) = 9.81·(0.342 − 0.141) = 1.972 m/s²

답

a = 1.972 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: T = 34.28 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 = 78.48 N
m₁·g·sin θ = 15.76 N
μ·m₁·g·cos θ = 4.697 N

계의 가속도

a = (78.48 − 15.76 − 4.697)/10.5 = 5.526 m/s²

매달린 질량에서 구한 장력

m2·g − T = m2·a → T = 8·(9.81 − 5.526) = 34.28 N

답

T = 34.28 N
5.포물선 운동

답: t = 3.04 s

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

답

t = 3.04 s
6.포물선 운동

답: v = 31.59 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.

초기 속도 분해

vx = 30·cos 15° = 28.98 m/s
vy0 = 30·sin 15° = 7.765 m/s

충돌 시 수직 속력

에너지 또는 수직 방향의 v² = v₀² + 2as.

vy = √(7.765² + 2·9.81·5) = 12.59 m/s

충돌 속력

v = √(28.98² + 12.59²) = 31.59 m/s

답

v = 31.59 m/s

에너지로 검산: v² = v₀² + 2gh.

7.일과 에너지

답: h = 5.097 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 = 10 cm = 0.1 m
½kx² = ½·1500·0.1² = 7.5 J

높이

m·g = 0.15·9.81 = 1.472 N
h = ½kx²/(mg) = 7.5/1.472 = 5.097 m

답

h = 5.097 m
8.일과 에너지

답: v = 8.969 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).

거친 구간을 지난 뒤 남은 에너지

경사로는 매끄러우므로 에너지를 빼앗는 것은 거친 구간뿐입니다.

mgh − μmgL = 49.05·(4.5 − 0.1·4) = 201.1 J

스프링에서의 속력

½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9.81·4.1) = 8.969 m/s

답

v = 8.969 m/s
9.운동량과 충돌

답: v′2 = −278 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 전 운동량

p = M·u = 12·17 = 204 kg·m/s

충돌 후 운동량

204 = 10·76 + 2·v′2
v′2 = (204 − 760)/2 = −278 m/s

답

v′2 = −278 m/s

음의 부호는 두 번째 파편이 뒤로 날아간다는 뜻입니다.

10.운동량과 충돌

답: Favg = 672 N

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.

운동량 변화

J = m·Δv = 0.6·(19 + 9) = 16.8 N·s

평균 힘

Favg = J/Δt = 16.8/0.025 = 672 N

답

Favg = 672 N
11.정수압

답: F = 99.33 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 + 1.5/2 = 2.25 m
A = H·b = 1.5·3 = 4.5 m²
수문d = 1.5 mH = 1.5 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 1000·9.81·2.25·4.5 = 99.33 kN

답

F = 99.33 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 = 2.5·2 = 5 m²
수문d = 0.5 mH = 2.5 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 1000·9.81·1.75·5 = 85.84 kN

압력 중심

압력은 깊이에 따라 커지므로 합력은 도심 아래에 작용합니다.

Ic = b·H³/12 = 2·2.5³/12 = 2.604 m⁴
ycp = yc + Ic/(yc·A) = 1.75 + 2.604/(1.75·5) = 2.048 m

답

ycp = 2.048 m
13.연속 방정식과 베르누이

답: Q = 28.13 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.

연속 방정식

v1 = v2·(75/150)² = 0.25·v2

입구와 목 사이의 베르누이 식

관이 수평이므로 압력과 유속만 변합니다.

p1 − p2 = ½ρv2²(1 − β⁴)
v2 = √(2·19000/(1000·(1 − 0.0625))) = 6.367 m/s
v1 = 1.592 m/s

유량

Q = A2·v2 = 0.004418·6.367 = 0.02813 m³/s = 28.13 L/s

답

Q = 28.13 L/s
14.연속 방정식과 베르누이

답: pC = 71.87 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·2) = √(2·9.81·2) = 6.264 m/s

수면에서 C까지의 베르누이 식

patm = pC + ½ρv² + ρgzC
pC = 101.3 − 1000·(6.264²/2 + 9.81·1)/1000 = 101.3 − 29.43 = 71.87 kPa

답

pC = 71.87 kPa

이 압력이 물의 증기압까지 떨어지면 사이펀은 작동을 멈춥니다.

15.이상 기체 법칙

답: V = 22.15 L

이상 기체 법칙: PV = nRT, n = m/M.

몰수

n = 40/44.01 = 0.9089 mol
T = 20 + 273.15 = 293.1 K

부피

V = nRT/P = 0.9089·8.314·293.1/100 = 22.15 L

답

V = 22.15 L
16.이상 기체 법칙

답: V2 = 0.7576 L

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

절대 온도

T1 = 293.1 K, T2 = 333.1 K

보일-샤를 법칙

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 5·(100/750)·(333.1/293.1) = 0.7576 L

답

V2 = 0.7576 L
17.열기관과 냉동기

답: TL = 49.96 °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 = 673.1·912/1900 = 323.1 K = 49.96 °C

답

TL = 49.96 °C
18.열기관과 냉동기

답: COPmax = 11.55

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 = 28 + 273.15 = 301.1 K
TL = 4 + 273.15 = 277.1 K

가능한 최고 COP

COPR,max = TL/(TH − TL) = 277.1/(301.1 − 277.1) = 11.55

답

COPmax = 11.55
19.파동, 소리, 광학

답: θc = 34.19 °

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.

90°에서의 굴절

sin θc = n₂/n₁ = 1.36/2.42 = 0.562

임계각

θc = arcsin(0.562) = 34.19°

답

θc = 34.19°
20.파동, 소리, 광학

답: λ = 450 nm

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.

파장

λ = y·d/(mL) = 0.00675·0.0005/(5·1.5) = 4.5 × 10⁻⁷ m = 450 nm

답

λ = 450 nm

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