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)8.571 s30

108 km/h로 달리던 자동차가 3.5 m/s²의 일정한 감속도로 제동하여 멈춘다. 제동 거리 s을(를) 구하시오.

v₀ = 108 km/ha = −3.5 m/s²v = 0
s = m
2.운동학어려움
AB: 24 m/s10 m

공 A를 높이 10 m에서 가만히 떨어뜨린다. 같은 순간 바로 아래 지면에서 공 B를 24 m/s로 똑바로 위로 던진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 두 공은 언제 만나는가? t을(를) 구하시오.

H = 10 mv0B = 24 m/sg = 9.81 m/s²
t = s
3.뉴턴 법칙보통
4.5 kg3.5 kg

4.5 kg과 3.5 kg인 질량이 가볍고 마찰 없는 도르래 양쪽에 가벼운 줄로 연결되어 매달려 있다. 계를 정지 상태에서 놓는다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 질량들의 가속도 a을(를) 구하시오.

m1 = 4.5 kgm2 = 3.5 kgg = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
6 kg2 kgTF = 110 Nμ = 0.3

평평한 바닥 위의 두 블록이 가벼운 수평 줄로 연결되어 있다. 수평력 110 N이 앞쪽의 2 kg 블록을 끌고, 6 kg 블록은 뒤에서 끌려온다. 두 블록 모두 운동 마찰 계수는 0.3이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 연결 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m1 = 6 kgm2 = 2 kgF = 110 Nμ = 0.3g = 9.81 m/s²
T = N
5.포물선 운동보통
v0​ = 18 m/s25°수평 도달 거리H = ?

공을 평지에서 수평에서 25° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 도달하는 최대 높이 H을(를) 구하시오.

v0 = 18 m/sθ = 25°g = 9.81 m/s²
H = m
6.포물선 운동어려움
h = 10 mv0​ = 33 m/s40°수평 도달 거리

공을 높이 10 m인 절벽 위에서 수평에서 40° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿을 때까지의 비행 시간 t을(를) 구하시오.

v0 = 33 m/sθ = 40°h = 10 mg = 9.81 m/s²
t = s
7.일과 에너지보통
54 km/h5°800 kg

800 kg 자동차가 5° 경사로를 일정한 54 km/h로 올라간다. 공기 저항과 구름 저항을 합하면 450 N이다. 바퀴가 내야 하는 동력 P을(를) kW 단위로 구하시오.

m = 800 kgθ = 5°Fr = 450 Nv = 54 km/hg = 9.81 m/s²
P = kW
8.일과 에너지어려움
F = 50 N35°μ = 0.255 kg

5 kg 블록이 35° 경사면의 아래에서 정지 상태로 출발해, 경사면에 평행한 일정한 힘 50 N에 의해 위로 끌려 올라간다. 운동 마찰 계수는 0.25이다. 블록이 경사면을 따라 2 m 올라간 뒤의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 5 kgF = 50 Nθ = 35°μ = 0.25d = 2 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
9.운동량과 충돌보통
5 kg8 m/s2.5 kg

8 m/s로 움직이는 질량 5 kg인 글라이더가 마찰 없는 트랙 위에 정지해 있는 질량 2.5 kg인 글라이더와 완전 탄성 정면충돌을 한다. 충돌 후 두 번째 글라이더의 속도 v′2을(를) 구하시오.

m1 = 5 kgm2 = 2.5 kgv1 = 8 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
10.운동량과 충돌어려움
1100 kgv1​ = ?800 kg

1100 kg 자동차가 주차된 800 kg 자동차를 들이받는다. 잔해는 한 덩어리가 되어 13.5 m 미끄러진 뒤 멈춘다. 타이어와 도로 사이의 운동 마찰 계수는 0.75이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 직전 첫 번째 자동차의 속력 v1을(를) 구하시오.

m1 = 1100 kgm2 = 800 kgd = 13.5 mμ = 0.75g = 9.81 m/s²
v1 = m/s
11.정수압보통
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. 수문에 작용하는 정수압 합력 F을(를) 구하시오.

d = 0.5 mH = 2.5 mb = 2 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
12.정수압어려움
수문d = 1.5 mH = 3 m

폭 3 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 = 3 mb = 3 mρ = 1260 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
13.연속 방정식과 베르누이보통
v = ?p0​pp0​ − p = 150 Pa정체점

풍동의 피토 정압관이 정체압과 정압의 차이를 150 Pa로 나타낸다. 공기 밀도는 1.2 kg/m³이다. 풍속 v을(를) 구하시오.

p0 − p = 150 Paρ = 1.2 kg/m³
v = m/s
14.연속 방정식과 베르누이어려움
12d1​ = 75 mm, p1​ = 250 kPad2​ = 40 mm, p2​ = ?Δz = 9 m

물이 75 mm에서 40 mm(으)로 좁아지며 9 m 올라가는 관을 따라 위로 흐른다. 단면 1의 압력은 250 kPa, 유속은 0.75 m/s이다. 손실을 무시하고 단면 2의 압력 p2을(를) 구하시오.

d1 = 75 mmd2 = 40 mmp1 = 250 kPav1 = 0.75 m/sΔz = 9 mρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
15.이상 기체 법칙보통
Ar 120 gV = 10 LT = 55 °CP = ?

부피 10 L인 탱크에 55 °C의 Ar 120 g이(가) 들어 있다. 이상 기체로 보고 압력 P을(를) 구하시오.

m = 120 gM = 39.95 g/molV = 10 LT = 55 °CR = 8.314 J/(mol·K)
P = kPa
16.이상 기체 법칙어려움
상태 1상태 2

일정량의 Ar이(가) 350 kPa, 20 L, 35 °C에서 150 kPa, 130 °C(으)로 변한다. 새 부피 V2을(를) 구하시오.

P1 = 350 kPaV1 = 20 LT1 = 35 °CP2 = 150 kPaT2 = 130 °C
V2 = L
17.열기관과 냉동기보통
TH​ = 650 °CTL​ = 20 °CEQH​QL​W

열기관이 650 °C의 고온 열원과 20 °C의 저온 열원 사이에서 작동한다. 가능한 최대 열효율 ηmax을(를) 구하시오.

TH = 650 °CTL = 20 °C
ηmax = %
18.열기관과 냉동기어려움
TH​ = 20 °CTL​ = 0 °CHPQ̇H​ = 5 kWQ̇L​Ẇ

열펌프가 바깥이 0 °C일 때 집을 20 °C로 유지하며 집에 5 kW의 열을 공급한다. 가능한 최대 성능 계수 COPmax을(를) 구하시오.

TH = 20 °CTL = 0 °CQ̇H = 5 kW
COPmax =
19.파동, 소리, 광학보통
L = 1.2 mn = 1

양 끝이 열린 관의 길이는 1.2 m이다. 소리의 속력은 343 m/s이다. 기본 진동(1차 배진동)의 진동수 f1을(를) 구하시오.

v = 343 m/sn = 1L = 1.2 m
f1 = Hz
20.파동, 소리, 광학어려움
λ = 656 nmθ2​ = ?

파장 656 nm의 빛이 1 mm당 500개의 선이 있는 격자에 수직으로 입사한다. 2차 극대의 각 θ2을(를) 구하시오.

N = 500 mm⁻¹λ = 656 nmm = 2
θ2 = °

3용액

1.운동학

답: s = 128.6 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.

단위

v₀ = 108/3.6 = 30 m/s

제동 거리

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 30²/(2·3.5) = 128.6 m

답

s = 128.6 m
2.운동학

답: t = 0.4167 s

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.

만나는 시간

위쪽을 양으로 하고, 지면은 y = 0입니다.

10 − ½g·t² = 24·t − ½g·t² → t = 10/24 = 0.4167 s

답

t = 0.4167 s
3.뉴턴 법칙

답: a = 1.226 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.

가속도

알짜 구동력은 무게의 차이이며, 전체 질량을 움직입니다.

a = (4.5 − 3.5)·9.81/(4.5 + 3.5) = 1.226 m/s²

답

a = 1.226 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: T = 82.5 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.

전체 계

a = (F − μ·(m1 + m2)·g)/(m1 + m2) = (110 − 23.54)/8 = 10.81 m/s²

뒤쪽 블록만

T = m1·(a + μ·g) = 6·(10.81 + 2.943) = 82.5 N

답

T = 82.5 N

두 블록의 μ가 같으면 마찰이 빠집니다: T = F·m₁/(m₁ + m₂).

5.포물선 운동

답: H = 2.949 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 = 18·cos 25° = 16.31 m/s
vy = v0·sin θ = 18·sin 25° = 7.607 m/s

최고점

최고점에서 연직 속도는 0입니다: vy² = 2gH.

H = vy²/(2g) = 7.607²/(2·9.81) = 2.949 m

답

H = 2.949 m
6.포물선 운동

답: t = 4.753 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 = 33·cos 40° = 25.28 m/s
vy = v0·sin θ = 33·sin 40° = 21.21 m/s

체공 시간

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

0 = 10 + 21.21·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (21.21 + √(449.9 + 196.2))/9.81 = 4.753 s

답

t = 4.753 s
7.일과 에너지

답: P = 17.01 kW

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). 동력은 힘 × 속력입니다: P = F·v.

구동력

m·g = 800·9.81 = 7848 N
mg·sin θ = 7848·sin 5° = 684 N
F = 684 + 450 = 1134 N

전력

v = 54/3.6 = 15 m/s
P = F·v = 1134·15 = 17010 W = 17.01 kW

답

P = 17.01 kW
8.일과 에너지

답: v = 3.075 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 = 5·9.81 = 49.05 N
mg·sin θ = 28.13 N
μ·mg·cos θ = 10.04 N

일–에너지

½mv² = (50 − 38.18)·2 = 23.64 J
v = √(2·23.64/5) = 3.075 m/s

답

v = 3.075 m/s
9.운동량과 충돌

답: v′2 = 10.67 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 = (5 − 2.5)/(5 + 2.5)·8 = 2.667 m/s
v′2 = 2·5/(5 + 2.5)·8 = 10.67 m/s

답

v′2 = 10.67 m/s
10.운동량과 충돌

답: v1 = 24.34 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) = √(2·0.75·9.81·13.5) = 14.09 m/s

충돌에서의 운동량

m1·v1 = (m1 + m2)·V → v1 = 1900·14.09/1100 = 24.34 m/s

답

v1 = 24.34 m/s
(87.64 km/h)
11.정수압

답: F = 85.84 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 = 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

답

F = 85.84 kN
12.정수압

답: F = 333.7 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 = 1.5 + 3/2 = 3 m
A = H·b = 3·3 = 9 m²
수문d = 1.5 mH = 3 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 1260·9.81·3·9 = 333.7 kN

답

F = 333.7 kN
13.연속 방정식과 베르누이

답: v = 15.81 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 = √(2·150/1.2) = 15.81 m/s

답

v = 15.81 m/s
14.연속 방정식과 베르누이

답: p2 = 158.5 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·(75/40)² = 2.637 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(0.75² − 2.637²)/1000 = −3.195 kPa
ρgΔz = 1000·9.81·9/1000 = 88.29 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) − ρgΔz = 250 + (−3.195) − 88.29 = 158.5 kPa

답

p2 = 158.5 kPa
15.이상 기체 법칙

답: P = 819.5 kPa

이상 기체 법칙: PV = nRT, n = m/M.

몰수

n = m/M = 120/39.95 = 3.004 mol
T = 55 + 273.15 = 328.1 K

압력

P = nRT/V = 3.004·8.314·328.1/0.01 = 819.5 kPa

답

P = 819.5 kPa
16.이상 기체 법칙

답: V2 = 61.05 L

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

절대 온도

T1 = 308.1 K, T2 = 403.1 K

보일-샤를 법칙

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 20·(350/150)·(403.1/308.1) = 61.05 L

답

V2 = 61.05 L
17.열기관과 냉동기

답: ηmax = 68.24 %

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 = 650 + 273.15 = 923.1 K
TL = 20 + 273.15 = 293.1 K

카르노 효율

ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 293.1/923.1 = 68.24 %

답

ηmax = 68.24 %
18.열기관과 냉동기

답: COPmax = 14.66

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 = 20 + 273.15 = 293.1 K
TL = 0 + 273.15 = 273.1 K

가능한 최고 COP

COPHP,max = TH/(TH − TL) = 293.1/(293.1 − 273.1) = 14.66

답

COPmax = 14.66
19.파동, 소리, 광학

답: f1 = 142.9 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.

이 진동 모드의 파장

λ = 2L/n = 2·1.2/1 = 2.4 m

진동수

f = v/λ = 343/2.4 = 142.9 Hz

답

f1 = 142.9 Hz
20.파동, 소리, 광학

답: θ2 = 41 °

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.

선 간격

d = 1/500 mm = 2 × 10⁻⁶ m

격자 방정식

sin θ = mλ/d = 2·656 × 10⁻⁹/(2 × 10⁻⁶) = 0.656
θ = 41°

답

θ2 = 41°

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