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)2.381 s16.67

60 km/h로 달리던 자동차가 7 m/s²의 일정한 감속도로 제동하여 멈춘다. 제동 거리 s을(를) 구하시오.

v₀ = 60 km/ha = −7 m/s²v = 0
s = m
2.운동학어려움
v₀ = 17 m/s10 m

지면에서 10 m 높이에 있는 지붕 가장자리에서 공을 17 m/s로 똑바로 위로 던진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 쓴다. 지면으로부터의 최고 높이 hmax을(를) 구하시오.

v₀ = 17 m/sh₀ = 10 mg = 9.81 m/s²
hmax = m
3.뉴턴 법칙보통
7.5 kg4.5 kg

7.5 kg과 4.5 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 = 7.5 kgm2 = 4.5 kgg = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
θ = 30°블록v₀ = 3.5 m/s

블록을 밀어 30° 경사로 위로 3.5 m/s의 속력으로 미끄러져 올라가게 한다. 운동 마찰 계수는 0.2이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 블록은 멈추기 전까지 경사로를 따라 얼마나 멀리 d 미끄러지는가?

v₀ = 3.5 m/sθ = 30°μ = 0.2g = 9.81 m/s²
d = m
5.포물선 운동보통
v0​ = 14 m/s25°x = ?

공을 평지에서 수평에서 25° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿기 전까지 이동한 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v0 = 14 m/sθ = 25°g = 9.81 m/s²
x = m
6.포물선 운동어려움
h = 25 mv0​ = 20 m/s45°수평 도달 거리

공을 높이 25 m인 절벽 위에서 수평에서 45° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿을 때까지의 비행 시간 t을(를) 구하시오.

v0 = 20 m/sθ = 45°h = 25 mg = 9.81 m/s²
t = s
7.일과 에너지보통
30°d = 6 mμ = 0.1

블록이 수평과 30°를 이루는 경사면을 정지 상태에서 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.1이다. 경사면을 따라 6 m 미끄러진 뒤의 속력 v을(를) 구하시오.

θ = 30°μ = 0.1d = 6 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
8.일과 에너지어려움
h = 3 mL = 3 mμ = 0.25k = 2500 N/m

질량 4 kg인 블록을 매끄러운 경사로의 높이 3 m에서 가만히 놓는다. 아래에서 길이 3 m인 거친 수평 구간(μ = 0.25)을 지난 뒤, 매끄러운 면에서 스프링(k = 2500 N/m)에 부딪힌다. 스프링의 최대 압축량 x을(를) 구하시오.

m = 4 kgh = 3 mL = 3 mμ = 0.25k = 2500 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
9.운동량과 충돌보통
900 kg15 m/s800 kg

15 m/s로 움직이는 900 kg 자동차가 정지해 있는 800 kg 자동차와 충돌해 두 차가 한 덩어리가 된다. 원래 운동 에너지의 몇 퍼센트 ΔK/K을(를) 잃는가?

m1 = 900 kgv1 = 15 m/sm2 = 800 kgv2 = 0
ΔK/K = %
10.운동량과 충돌어려움
1700 kg24 m/s900 kg12 m/sv′ = ?

교차로에서 동쪽으로 24 m/s로 달리던 1700 kg 자동차가 북쪽으로 12 m/s로 달리던 900 kg 자동차와 충돌한다. 두 차는 한 덩어리가 된다. 충돌 직후 잔해의 속력 v′을(를) 구하시오.

m1 = 1700 kgv1 = 24 m/s (E)m2 = 900 kgv2 = 12 m/s (N)
v′ = m/s
11.정수압보통
수문d = 2 mH = 1 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 mb = 2 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
12.정수압어려움
수문d = 1.5 mH = 2 m

폭 1.5 m인 연직 직사각형 수문이 물이(가) 담긴 탱크 벽에 있고, 위쪽 가장자리는 수면 아래 1.5 m에 있다. 수면 아래 압력 중심의 깊이 ycp을(를) 구하시오.

d = 1.5 mH = 2 mb = 1.5 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
ycp = m
13.연속 방정식과 베르누이보통
Q = ?d = 25 mm, Cd​ = 0.6h = 2.5 m

큰 열린 탱크의 물이 지름 25 mm의 예연 오리피스로 빠져나간다. 수위는 오리피스보다 2.5 m 위로 유지되고 유량 계수는 0.6이다. 유량 Q을(를) 구하시오. g = 9.81 m/s²를 사용하시오.

d = 25 mmh = 2.5 mCd = 0.6g = 9.81 m/s²
Q = L/s
14.연속 방정식과 베르누이어려움
d1​ = 100 mmd2​ = 60 mm12Δh = 300 mm수은Q = ?

수평 벤투리미터(입구 100 mm, 목 60 mm)에 물이 흐른다. 입구와 목 사이에 연결된 수은 U자관 마노미터의 액면 차는 300 mm이다. 유량 계수는 0.99이다. 유량 Q을(를) 구하시오. 물은 ρ = 1000 kg/m³, 수은은 13 600 kg/m³, g = 9.81 m/s²를 사용하시오.

d1 = 100 mmd2 = 60 mmΔh = 300 mmCd = 0.99ρHg = 13 600 kg/m³g = 9.81 m/s²
Q = L/s
15.이상 기체 법칙보통
CH₄ 380 gP = 350 kPaT = 65 °CV = ?

350 kPa, 65 °C에서 CH₄ 380 g이(가) 차지하는 부피 V은(는) 얼마인가? 이상 기체로 본다.

m = 380 gM = 16.04 g/molP = 350 kPaT = 65 °CR = 8.314 J/(mol·K)
V = L
16.이상 기체 법칙어려움
O₂, M = 32 g/molP = 300 kPaT = 170 °Cρ = ?

300 kPa, 170 °C에서 O₂의 밀도 ρ을(를) 이상 기체로 보고 구하시오.

M = 32 g/molP = 300 kPaT = 170 °CR = 8.314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
17.열기관과 냉동기보통
TH​ = 600 °CTL​ = ?EQH​ = 2200 kJQL​ = 751 kJW

가역(카르노) 열기관이 사이클마다 600 °C의 열저장소에서 2200 kJ의 열을 받고 751 kJ를 방출한다. 저온 열저장소의 온도 TL을(를) °C로 구하시오.

TH = 600 °CQH = 2200 kJQL = 751 kJ
TL = °C
18.열기관과 냉동기어려움
TH​ = 25 °CTL​ = -10 °CRQ̇H​Q̇L​ = 1.5 kWẆ = ?

냉장고가 25 °C인 부엌에서 냉장실을 -10 °C로 유지하며 냉장실에서 1.5 kW의 열을 제거한다. 최소 입력 동력 Ẇmin을(를) 구하시오.

TH = 25 °CTL = -10 °CQ̇L = 1.5 kW
Ẇmin = kW
19.파동, 소리, 광학보통
FFdo​ = 60 cmf = 30 cm

물체가 초점 거리 30 cm인 얇은 수렴 렌즈 앞 60 cm에 서 있다. 상거리 di을(를) 구하시오. 부호 규약 1/f = 1/do + 1/di를 쓴다(오목 렌즈는 f < 0, 허상은 di < 0).

do = 60 cmf = 30 cm
di = cm
20.파동, 소리, 광학어려움
λ = ?55.6°

1 mm당 500개의 선이 있는 격자에서 스펙트럼선의 3차 극대가 직진 방향에서 55.6°에 나타난다. 그 선의 파장 λ을(를) 구하시오.

N = 500 mm⁻¹θ3 = 55.6°m = 3
λ = nm

3용액

1.운동학

답: s = 19.84 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 = 60/3.6 = 16.67 m/s

제동 거리

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 16.67²/(2·7) = 19.84 m

답

s = 19.84 m
2.운동학

답: hmax = 24.73 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 = 17²/(2·9.81) = 14.73 m

지면으로부터의 높이

hmax = 10 + 14.73 = 24.73 m

답

hmax = 24.73 m
3.뉴턴 법칙

답: a = 2.453 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 = (7.5 − 4.5)·9.81/(7.5 + 4.5) = 2.453 m/s²

답

a = 2.453 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: d = 0.9274 m

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

두 힘 모두 경사면 아래를 향하며, 질량은 약분됩니다.

a = 9.81·(sin 30° + 0.2·cos 30°) = 6.604 m/s²

거리

d = v₀²/(2a) = 3.5²/(2·6.604) = 0.9274 m

답

d = 0.9274 m
5.포물선 운동

답: x = 15.31 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 = 14·cos 25° = 12.69 m/s
vy = v0·sin θ = 14·sin 25° = 5.917 m/s

체공 시간

출발점과 착지점이 같은 높이: t = 2vy/g.

t = 2·5.917/9.81 = 1.206 s

수평 거리

x = vx·t = 12.69·1.206 = 15.31 m

답

x = 15.31 m
6.포물선 운동

답: t = 4.12 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 = 20·cos 45° = 14.14 m/s
vy = v0·sin θ = 20·sin 45° = 14.14 m/s

체공 시간

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

0 = 25 + 14.14·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (14.14 + √(200 + 490.5))/9.81 = 4.12 s

답

t = 4.12 s
7.일과 에너지

답: v = 6.976 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).

경사면을 따른 에너지 수지

블록이 높이 d·sin θ만큼 내려가는 동안 마찰이 μmg·cos θ·d를 빼앗습니다. 질량이 소거됩니다.

½v² = g·d·(sin θ − μ·cos θ)
v = √(2·9.81·6·(0.5 − 0.1·0.866)) = 6.976 m/s

답

v = 6.976 m/s
8.일과 에너지

답: x = 26.58 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 = 39.24·(3 − 0.25·3) = 88.29 J

최대 압축량

½kx² = 88.29 → x = √(2·88.29/2500) = 0.2658 m = 26.58 cm

답

x = 26.58 cm
9.운동량과 충돌

답: ΔK/K = 47.06 %

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.

공통 속도

v′ = m1·v1/(m1 + m2) = 900·15/1700 = 7.941 m/s

충돌 전후의 운동 에너지

Kbefore = ½·900·15² = 101250 J
Kafter = ½·1700·7.941² = 53603 J

잃은 비율

ΔK/K = 47647/101250 = 47.06 %

답

ΔK/K = 47.06 %

잃은 에너지는 변형, 열, 소리로 갑니다.

10.운동량과 충돌

답: v′ = 16.23 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 = 1700·24 = 40800 kg·m/s
py = 900·12 = 10800 kg·m/s

잔해의 속력

v′ = √(px² + py²)/(m1 + m2) = 42205/2600 = 16.23 m/s

답

v′ = 16.23 m/s
11.정수압

답: F = 49.05 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 + 1/2 = 2.5 m
A = H·b = 1·2 = 2 m²
수문d = 2 mH = 1 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 1000·9.81·2.5·2 = 49.05 kN

답

F = 49.05 kN
12.정수압

답: ycp = 2.633 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 = 1.5 + 2/2 = 2.5 m
A = H·b = 2·1.5 = 3 m²
수문d = 1.5 mH = 2 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 1000·9.81·2.5·3 = 73.58 kN

압력 중심

압력은 깊이에 따라 커지므로 합력은 도심 아래에 작용합니다.

Ic = b·H³/12 = 1.5·2³/12 = 1 m⁴
ycp = yc + Ic/(yc·A) = 2.5 + 1/(2.5·3) = 2.633 m

답

ycp = 2.633 m
13.연속 방정식과 베르누이

답: Q = 2.063 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.

이상 분류 속도

√(2gh) = √(2·9.81·2.5) = 7.004 m/s

실제 유량

유량 계수는 분류의 수축과 가장자리의 마찰을 반영합니다.

Q = Cd·A·√(2gh) = 0.6·0.0004909·7.004 = 0.002063 m³/s = 2.063 L/s

답

Q = 2.063 L/s
14.연속 방정식과 베르누이

답: Q = 25.84 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.

마노미터에서 구한 압력 차

Δp = (13600 − 1000)·9.81·0.3 = 37082 Pa

목의 유속

연속 방정식과 베르누이 식을 함께 쓰면 이상적인 목의 유속이 나옵니다.

β = 60/100 = 0.6
v2 = √(2·37082/(1000·(1 − 0.1296))) = 9.231 m/s

실제 유량

Q = Cd·A2·v2 = 0.99·0.002827·9.231 = 0.02584 m³/s = 25.84 L/s

답

Q = 25.84 L/s
15.이상 기체 법칙

답: V = 190.3 L

이상 기체 법칙: PV = nRT, n = m/M.

몰수

n = 380/16.04 = 23.69 mol
T = 65 + 273.15 = 338.1 K

부피

V = nRT/P = 23.69·8.314·338.1/350 = 190.3 L

답

V = 190.3 L
16.이상 기체 법칙

답: ρ = 2.606 kg/m³

이상 기체의 밀도: ρ = PM/(RT).

기체 법칙 정리

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 170 + 273.15 = 443.1 K

밀도

ρ = 300·32/(8.314·443.1) = 2.606 kg/m³

답

ρ = 2.606 kg/m³
17.열기관과 냉동기

답: TL = 24.91 °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 = 600 + 273.15 = 873.1 K

가역 사이클의 열 비

TL = TH·QL/QH = 873.1·751/2200 = 298.1 K = 24.91 °C

답

TL = 24.91 °C
18.열기관과 냉동기

답: Ẇmin = 0.1995 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 = 25 + 273.15 = 298.1 K
TL = -10 + 273.15 = 263.1 K

가능한 최고 COP

COPR,max = TL/(TH − TL) = 263.1/(298.1 − 263.1) = 7.519

최소 동력

COP가 가장 큰 가역 기계가 가장 적은 일을 필요로 합니다.

Ẇmin = Q̇L/COP = 1.5/7.519 = 0.1995 kW

답

Ẇmin = 0.1995 kW
19.파동, 소리, 광학

답: di = 60 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 = 1/30 − 1/60
di = 60 cm
FF60 cmf = 30 cm

광선도

실상, 렌즈의 반대쪽

답

di = 60 cm
20.파동, 소리, 광학

답: λ = 550.1 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 = d·sin θ/m = 2 × 10⁻⁶·sin 55.6°/3 = 550.1 nm

답

λ = 550.1 nm

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