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
a = ?s = 1200 m

비행기가 이륙하려면 180 km/h의 속력이 필요하고 쓸 수 있는 활주로 길이는 1200 m이다. 정지 상태에서 출발한다면 필요한 일정한 가속도 a은(는) 얼마인가?

v₀ = 0v = 180 km/hs = 1200 m
a = m/s²
2.운동학어려움
a = 36 m/s²

모형 로켓을 정지 상태에서 똑바로 위로 발사한다. 엔진은 2.5 s 동안 위쪽으로 일정한 가속도 36 m/s²를 주고, 그 후 엔진이 멈추면 로켓은 자유 운동을 한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 발사 후 얼마 만에 지면에 떨어지는가? t을(를) 구하시오.

a = 36 m/s²t1 = 2.5 sg = 9.81 m/s²
t = s
3.뉴턴 법칙보통
9 kg3.5 kg

9 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. 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m1 = 9 kgm2 = 3.5 kgg = 9.81 m/s²
T = N
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 2.5 kg5.5 kgμ = 0.3

수평 탁자 위에 있는 질량 2.5 kg인 블록이 가벼운 줄로 마찰 없는 도르래를 거쳐 매달린 5.5 kg 물체와 연결되어 있다. 블록과 탁자 사이의 운동 마찰 계수는 0.3이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 계의 가속도 a을(를) 구하시오.

m1 = 2.5 kgm2 = 5.5 kgμ = 0.3g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.포물선 운동보통
v0​ = 24 m/sθ = ?R = 55 m

평지에서 공을 24 m/s로 발사해 55 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 = 24 m/sR = 55 mg = 9.81 m/s²
θ = °
6.포물선 운동어려움
h = 60 mv0​ = 11 m/s35°α = ?

60 m 절벽 꼭대기에서 공을 11 m/s, 수평 위 35°로 발사한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 공은 수평 아래 몇 도 α의 각으로 지면에 닿는가?

v₀ = 11 m/sθ = 35°h = 60 mg = 9.81 m/s²
α = °
7.일과 에너지보통
0.05 kgk = 400 N/mh = ?

장난감 발사기에 강성 400 N/m인 수직 스프링이 있다. 0.05 kg 공을 올려놓고 스프링을 4 cm 압축한 다음 놓는다. 공기 저항과 스프링의 질량을 무시하고, 스프링이 압축되었을 때의 위치에서 잰 공의 상승 높이 h을(를) 구하시오.

m = 0.05 kgk = 400 N/mx = 4 cmg = 9.81 m/s²
h = m
8.일과 에너지어려움
h = 5.3 mR = 1.5 mN = ?

0.5 kg 수레가 반지름 1.5 m인 연직 원형 루프로 이어지는 매끄러운 트랙 위 높이 5.3 m에서 가만히 놓인다. 루프 꼭대기에서 트랙이 수레에 작용하는 수직항력 N을(를) 구하시오.

m = 0.5 kgh = 5.3 mR = 1.5 mg = 9.81 m/s²
N = N
9.운동량과 충돌보통
10 kg39 m/s3 kgv′2​ = ?

수평으로 29 m/s로 움직이던 13 kg 발사체가 폭발해 같은 직선을 따라 움직이는 두 파편으로 나뉜다. 10 kg 파편은 39 m/s로 앞으로 계속 움직인다. 3 kg 파편의 속도 v′2(원래 방향을 양으로)을(를) 구하시오.

M = 13 kgu = 29 m/sm1 = 10 kgv′1 = 39 m/sm2 = 3 kg
v′2 = m/s
10.운동량과 충돌어려움
28 m/s18 m/s

질량 0.5 kg인 공이 28 m/s로 벽에 부딪힌 뒤 18 m/s로 똑바로 튀어나온다. 접촉 시간은 10 ms이다. 벽이 공에 작용한 평균 힘 Favg을(를) 구하시오.

m = 0.5 kgvin = 28 m/svout = 18 m/sΔt = 10 ms
Favg = N
11.정수압보통
수문d = 3 mH = 1 m

폭 1.5 m인 연직 직사각형 수문이 물이(가) 담긴 탱크 벽에 있고, 위쪽 가장자리는 수면 아래 3 m에 있다. 수문에 작용하는 정수압 합력 F을(를) 구하시오.

d = 3 mH = 1 mb = 1.5 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
12.정수압어려움
수문d = 1 mH = 3 m

폭 3 m인 연직 직사각형 수문이 글리세린이(가) 담긴 탱크 벽에 있고, 위쪽 가장자리는 수면 아래 1 m에 있다. 수문에 작용하는 정수압 합력 F을(를) 구하시오.

d = 1 mH = 3 mb = 3 mρ = 1260 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
13.연속 방정식과 베르누이보통
12d1​ = 100 mm, p1​ = 140 kPad2​ = 75 mm, p2​ = ?

물이 100 mm에서 75 mm(으)로 좁아지는 수평관을 흐른다. 넓은 부분의 압력은 140 kPa, 유속은 0.75 m/s이다. 손실을 무시하고 좁은 부분의 압력 p2을(를) 구하시오.

d1 = 100 mmd2 = 75 mmp1 = 140 kPav1 = 0.75 m/sρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
14.연속 방정식과 베르누이어려움
12d1​ = 75 mm, p1​ = 360 kPad2​ = 40 mm, p2​ = ?Δz = 7 m

물이 75 mm에서 40 mm(으)로 좁아지며 7 m 올라가는 관을 따라 위로 흐른다. 단면 1의 압력은 360 kPa, 유속은 1.75 m/s이다. 손실을 무시하고 단면 2의 압력 p2을(를) 구하시오.

d1 = 75 mmd2 = 40 mmp1 = 360 kPav1 = 1.75 m/sΔz = 7 mρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
15.이상 기체 법칙보통
Ar 30 gV = 10 LT = 65 °CP = ?

부피 10 L인 탱크에 65 °C의 Ar 30 g이(가) 들어 있다. 이상 기체로 보고 압력 P을(를) 구하시오.

m = 30 gM = 39.95 g/molV = 10 LT = 65 °CR = 8.314 J/(mol·K)
P = kPa
16.이상 기체 법칙어려움
He, M = 4.003 g/molP = 1000 kPaT = 180 °Cρ = ?

1000 kPa, 180 °C에서 He의 밀도 ρ을(를) 이상 기체로 보고 구하시오.

M = 4.003 g/molP = 1000 kPaT = 180 °CR = 8.314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
17.열기관과 냉동기보통
TH​ = 500 °CTL​ = ?EQH​ = 2000 kJQL​ = 823 kJW

가역(카르노) 열기관이 사이클마다 500 °C의 열저장소에서 2000 kJ의 열을 받고 823 kJ를 방출한다. 저온 열저장소의 온도 TL을(를) °C로 구하시오.

TH = 500 °CQH = 2000 kJQL = 823 kJ
TL = °C
18.열기관과 냉동기어려움
TH​ = 25 °CTL​ = -18 °CRQ̇H​Q̇L​ = 1.5 kWẆ

냉장고가 25 °C인 부엌에서 냉장실을 -18 °C로 유지하며 냉장실에서 1.5 kW의 열을 제거한다. 가능한 최대 성능 계수 COPmax을(를) 구하시오.

TH = 25 °CTL = -18 °CQ̇L = 1.5 kW
COPmax =
19.파동, 소리, 광학보통
Pβ = ?r = 5 m

작은 스피커가 모든 방향으로 똑같이 0.01 W의 음향 출력을 내보낸다. 5 m 떨어진 곳의 음의 세기 수준 β을(를) 구하시오.

P = 0.01 Wr = 5 mI0 = 10⁻¹² W/m²
β = dB
20.파동, 소리, 광학어려움
λ = ?d = 0.4 mmL = 1.2 m5.76 mm

0.4 mm 떨어진 두 슬릿에 단색광을 비춘다. 1.2 m 떨어진 스크린에서 4번째 밝은 무늬가 중앙 무늬에서 5.76 mm에 있다. 파장 λ을(를) 구하시오.

d = 0.4 mmL = 1.2 my4 = 5.76 mmm = 4
λ = nm

3용액

1.운동학

답: a = 1.042 m/s²

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.

단위

v = 180/3.6 = 50 m/s

가속도

a = v²/(2s) = 50²/(2·1200) = 1.042 m/s²

답

a = 1.042 m/s²
2.운동학

답: t = 22.02 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.

동력 비행 단계

v₁ = 36·2.5 = 90 m/s
h₁ = ½·36·2.5² = 112.5 m

지면까지의 자유 비행

−h₁ = v₁·t₂ − ½·g·t₂²을 풀어 양의 근을 취합니다.

t₂ = (90 + √(90² + 2·9.81·112.5))/9.81 = 19.52 s
t = 2.5 + 19.52 = 22.02 s

답

t = 22.02 s
3.뉴턴 법칙

답: T = 49.44 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.

가속도

알짜 구동력은 무게의 차이이며, 전체 질량을 움직입니다.

a = (9 − 3.5)·9.81/(9 + 3.5) = 4.316 m/s²

가벼운 질량에서 구한 장력

T − m2·g = m2·a → T = 3.5·(9.81 + 4.316) = 49.44 N

답

T = 49.44 N
4.뉴턴 법칙

답: a = 5.825 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.

계의 가속도

a = (m2·g − μ·m1·g)/(m1 + m2) = (53.96 − 7.357)/8 = 5.825 m/s²

답

a = 5.825 m/s²
5.포물선 운동

답: θ = 34.75 °

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 = 9.81·55/24² = 0.9367

위상각

2θ = 69.51° → θ = 34.75°

답

θ = 34.75°

다른 해는 90° − θ = 55.25°입니다.

6.포물선 운동

답: α = 75.52 °

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 = 11·cos 35° = 9.011 m/s
vy0 = 11·sin 35° = 6.309 m/s

충돌 시 수직 속력

에너지 또는 수직 방향의 v² = v₀² + 2as.

vy = √(6.309² + 2·9.81·60) = 34.89 m/s

충돌 각

tan α = vy/vx = 34.89/9.011 → α = 75.52°

답

α = 75.52°
7.일과 에너지

답: h = 0.6524 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 = 4 cm = 0.04 m
½kx² = ½·400·0.04² = 0.32 J

높이

m·g = 0.05·9.81 = 0.4905 N
h = ½kx²/(mg) = 0.32/0.4905 = 0.6524 m

답

h = 0.6524 m
8.일과 에너지

답: N = 10.14 N

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). 원 궤도에서는 중심을 향한 알짜힘이 mv²/r과 같아야 합니다.

꼭대기에서의 속력

v² = 2g(h − 2R) = 2·9.81·(5.3 − 3) = 45.13 m²/s²

꼭대기에서의 힘

m·g = 0.5·9.81 = 4.905 N
N = mv²/R − mg = 0.5·45.13/1.5 − 4.905 = 10.14 N

답

N = 10.14 N

h = 2.5R이면 수레가 겨우 루프를 돌며, 이때 꼭대기에서 N = 0입니다.

9.운동량과 충돌

답: v′2 = −4.333 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 = 13·29 = 377 kg·m/s

충돌 후 운동량

377 = 10·39 + 3·v′2
v′2 = (377 − 390)/3 = −4.333 m/s

답

v′2 = −4.333 m/s

음의 부호는 두 번째 파편이 뒤로 날아간다는 뜻입니다.

10.운동량과 충돌

답: Favg = 2300 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 = 0.5·(18 + 28) = 23 N·s

평균 힘

Favg = J/Δt = 23/0.01 = 2300 N

답

Favg = 2300 N
11.정수압

답: F = 51.5 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 = 3 + 1/2 = 3.5 m
A = H·b = 1·1.5 = 1.5 m²
수문d = 3 mH = 1 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 1000·9.81·3.5·1.5 = 51.5 kN

답

F = 51.5 kN
12.정수압

답: F = 278.1 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 + 3/2 = 2.5 m
A = H·b = 3·3 = 9 m²
수문d = 1 mH = 3 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 1260·9.81·2.5·9 = 278.1 kN

답

F = 278.1 kN
13.연속 방정식과 베르누이

답: p2 = 139.4 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·(100/75)² = 1.333 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(0.75² − 1.333²)/1000 = −0.6076 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) = 140 + (−0.6076) = 139.4 kPa

답

p2 = 139.4 kPa
14.연속 방정식과 베르누이

답: p2 = 273.9 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 = 1.75·(75/40)² = 6.152 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(1.75² − 6.152²)/1000 = −17.39 kPa
ρgΔz = 1000·9.81·7/1000 = 68.67 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) − ρgΔz = 360 + (−17.39) − 68.67 = 273.9 kPa

답

p2 = 273.9 kPa
15.이상 기체 법칙

답: P = 211.1 kPa

이상 기체 법칙: PV = nRT, n = m/M.

몰수

n = m/M = 30/39.95 = 0.7509 mol
T = 65 + 273.15 = 338.1 K

압력

P = nRT/V = 0.7509·8.314·338.1/0.01 = 211.1 kPa

답

P = 211.1 kPa
16.이상 기체 법칙

답: ρ = 1.063 kg/m³

이상 기체의 밀도: ρ = PM/(RT).

기체 법칙 정리

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 180 + 273.15 = 453.1 K

밀도

ρ = 1000·4.003/(8.314·453.1) = 1.063 kg/m³

답

ρ = 1.063 kg/m³
17.열기관과 냉동기

답: TL = 45 °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 = 500 + 273.15 = 773.1 K

가역 사이클의 열 비

TL = TH·QL/QH = 773.1·823/2000 = 318.2 K = 45 °C

답

TL = 45 °C
18.열기관과 냉동기

답: COPmax = 5.934

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 = -18 + 273.15 = 255.1 K

가능한 최고 COP

COPR,max = TL/(TH − TL) = 255.1/(298.1 − 255.1) = 5.934

답

COPmax = 5.934
19.파동, 소리, 광학

답: β = 75.03 dB

파동: 주기적인 파동은 한 주기에 한 파장을 이동하므로 v = fλ이고 T = 1/f입니다. 팽팽한 줄에서는 v = √(T/μ)이며, T는 장력, μ = m/L은 1미터당 질량입니다. 공기 중의 소리는 20 °C에서 약 343 m/s로, 진공 중의 빛은 c = 3.00 × 10⁸ m/s로 진행합니다. 소리의 크기는 로그 눈금으로 측정합니다: β = 10·log₁₀(I/I₀) dB, I₀ = 10⁻¹² W/m²이므로 세기가 10배가 되면 10 dB가 늘어납니다. 점음원은 일률 P를 구면 위로 퍼뜨립니다: I = P/(4πr²).

세기

I = P/(4πr²) = 3.183 × 10⁻⁵ W/m²

난이도

β = 10·log₁₀(3.183 × 10⁻⁵/10⁻¹²) = 75.03 dB

답

β = 75.03 dB
20.파동, 소리, 광학

답: λ = 480 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) = 0.00576·0.0004/(4·1.2) = 4.8 × 10⁻⁷ m = 480 nm

답

λ = 480 nm

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