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 = 1100 m

비행기가 이륙하려면 180 km/h의 속력이 필요하고 쓸 수 있는 활주로 길이는 1100 m이다. 정지 상태에서 출발한다면 필요한 일정한 가속도 a은(는) 얼마인가?

v₀ = 0v = 180 km/hs = 1100 m
a = m/s²
2.운동학어려움
AB: 21 m/s60 m

공 A를 높이 60 m에서 가만히 떨어뜨린다. 같은 순간 바로 아래 지면에서 공 B를 21 m/s로 똑바로 위로 던진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 두 공은 언제 만나는가? t을(를) 구하시오.

H = 60 mv0B = 21 m/sg = 9.81 m/s²
t = s
3.뉴턴 법칙보통
20 kg15°F = 70 Nμ = 0.1

20 kg 썰매를 수평 위 15° 방향의 로프로 70 N의 힘으로 평평한 눈 위에서 끈다. 운동 마찰 계수는 0.1이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 썰매의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 20 kgF = 70 Nθ = 15°μ = 0.1g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
2 kg12 kgTF = 120 Nμ = 0.15

평평한 바닥 위의 두 블록이 가벼운 수평 줄로 연결되어 있다. 수평력 120 N이 앞쪽의 12 kg 블록을 끌고, 2 kg 블록은 뒤에서 끌려온다. 두 블록 모두 운동 마찰 계수는 0.15이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 연결 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m1 = 2 kgm2 = 12 kgF = 120 Nμ = 0.15g = 9.81 m/s²
T = N
5.포물선 운동보통
v0​ = 28 m/sθ = ?R = 30 m

평지에서 공을 28 m/s로 발사해 30 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 = 28 m/sR = 30 mg = 9.81 m/s²
θ = °
6.포물선 운동어려움
h = 25 mv0​ = 33 m/s40°x = ?

공을 높이 25 m인 절벽 위에서 수평에서 40° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿기 전까지 이동한 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v0 = 33 m/sθ = 40°h = 25 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.일과 에너지보통
30°d = 11 mμ = 0.15

블록이 수평과 30°를 이루는 경사면을 정지 상태에서 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.15이다. 경사면을 따라 11 m 미끄러진 뒤의 속력 v을(를) 구하시오.

θ = 30°μ = 0.15d = 11 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
8.일과 에너지어려움
4 kg2 kgμ = 0.15d = 1 m

4 kg 블록이 거친 수평 테이블(μ = 0.15) 위에 놓여 있다. 가벼운 줄이 블록에서 테이블 가장자리의 매끄러운 도르래를 지나 매달린 2 kg 블록에 연결되어 있다. 계를 정지 상태에서 놓는다. 매달린 블록이 1 m 내려간 뒤 블록들의 속력 v을(를) 구하시오.

m1 = 4 kgm2 = 2 kgμ = 0.15d = 1 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
9.운동량과 충돌보통
0.5 kg5 m/s4.5 kg

5 m/s로 움직이는 질량 0.5 kg인 글라이더가 마찰 없는 트랙 위에 정지해 있는 질량 4.5 kg인 글라이더와 완전 탄성 정면충돌을 한다. 충돌 후 첫 번째 글라이더의 속도 v′1을(를) 구하시오(처음 진행 방향을 양으로 한다).

m1 = 0.5 kgm2 = 4.5 kgv1 = 5 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
10.운동량과 충돌어려움
2000 kg15 m/s1600 kg13 m/sθ = ?

교차로에서 동쪽으로 15 m/s로 달리던 2000 kg 자동차가 북쪽으로 13 m/s로 달리던 1600 kg 자동차와 충돌한다. 두 차는 한 덩어리가 된다. 충돌 직후 잔해의 방향 θ을(를) 동쪽에서 북쪽으로 잰 각으로 구하시오.

m1 = 2000 kgv1 = 15 m/s (E)m2 = 1600 kgv2 = 13 m/s (N)
θ = °
11.정수압보통
수문d = 4 mH = 2 m

폭 1.5 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 = 2 mb = 1.5 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
12.정수압어려움
수문d = 4 mH = 2 m

폭 1.5 m인 연직 직사각형 수문이 글리세린이(가) 담긴 탱크 벽에 있고, 위쪽 가장자리는 수면 아래 4 m에 있다. 수문에 작용하는 정수압 합력 F을(를) 구하시오.

d = 4 mH = 2 mb = 1.5 mρ = 1260 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
13.연속 방정식과 베르누이보통
12d1​ = 100 mm, p1​ = 160 kPad2​ = 50 mm, p2​ = ?

물이 100 mm에서 50 mm(으)로 좁아지는 수평관을 흐른다. 넓은 부분의 압력은 160 kPa, 유속은 2.25 m/s이다. 손실을 무시하고 좁은 부분의 압력 p2을(를) 구하시오.

d1 = 100 mmd2 = 50 mmp1 = 160 kPav1 = 2.25 m/sρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
14.연속 방정식과 베르누이어려움
C213 m1 md = 25 mmpC​ = ?

안지름 25 mm의 호스로 열린 탱크의 물을 사이펀으로 빼낸다. 호스의 가장 높은 점 C는 수면보다 3 m 위에 있고, (대기에 열린) 출구는 수면보다 1 m 아래에 있다. 손실을 무시하고 g = 9.81 m/s²로 하시오. 점 C의 절대 압력 pC을(를) 구하시오. 대기압은 101.3 kPa이다.

d = 25 mmzC = +3 mz2 = −1 mg = 9.81 m/s²patm = 101.3 kPa
pC = kPa
15.이상 기체 법칙보통
CH₄ 350 gV = 5 LT = 35 °CP = ?

부피 5 L인 탱크에 35 °C의 CH₄ 350 g이(가) 들어 있다. 이상 기체로 보고 압력 P을(를) 구하시오.

m = 350 gM = 16.04 g/molV = 5 LT = 35 °CR = 8.314 J/(mol·K)
P = kPa
16.이상 기체 법칙어려움
상태 1상태 2

일정량의 Ar이(가) 350 kPa, 20 L, 25 °C에서 200 kPa, 100 °C(으)로 변한다. 새 부피 V2을(를) 구하시오.

P1 = 350 kPaV1 = 20 LT1 = 25 °CP2 = 200 kPaT2 = 100 °C
V2 = L
17.열기관과 냉동기보통
TH​ = 35 °CTL​ = 0 °CRQ̇H​ = ?Q̇L​ = 8.5 kWẆ

가역 냉장고가 8.5 kW의 열을 제거해 냉장실을 0 °C로 유지하고, 35 °C의 주위로 열을 방출한다. 열을 방출하는 비율 Q̇H을(를) 구하시오.

TL = 0 °CTH = 35 °CQ̇L = 8.5 kW
Q̇H = kW
18.열기관과 냉동기어려움
1000 °CTm​ = ?40 °CABWA​WB​

두 카르노 기관이 직렬로 작동한다. 기관 A는 1000 °C의 열저장소에서 열을 받아 온도 Tm의 중간 열저장소로 열을 방출한다. 기관 B는 그 열을 모두 받아 40 °C의 열저장소로 열을 방출한다. 두 기관의 열효율이 같다. Tm을(를) °C로 구하시오.

TH = 1000 °CTL = 40 °C
Tm = °C
19.파동, 소리, 광학보통
P8 × 75 dB

기계 한 대가 어떤 점에서 75 dB의 음의 세기 수준을 낸다. 같은 기계 8대가 동시에 작동할 때 그 점에서의 수준 β을(를) 구하시오(비간섭성 음원).

β1 = 75 dBn = 8
β = dB
20.파동, 소리, 광학어려움
λ = 405 nmθ3​ = ?

파장 405 nm의 빛이 1 mm당 500개의 선이 있는 격자에 수직으로 입사한다. 3차 극대의 각 θ3을(를) 구하시오.

N = 500 mm⁻¹λ = 405 nmm = 3
θ3 = °

3용액

1.운동학

답: a = 1.136 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/(2·1100) = 1.136 m/s²

답

a = 1.136 m/s²
2.운동학

답: t = 2.857 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.

60 − ½g·t² = 21·t − ½g·t² → t = 60/21 = 2.857 s

답

t = 2.857 s
3.뉴턴 법칙

답: a = 2.49 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 = 196.2 − 70·sin 15° = 178.1 N

수평 방향의 힘

m·a = F·cos θ − μ·N = 67.61 − 17.81
a = 49.81/20 = 2.49 m/s²

답

a = 2.49 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: T = 17.14 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) = (120 − 20.6)/14 = 7.1 m/s²

뒤쪽 블록만

T = m1·(a + μ·g) = 2·(7.1 + 1.472) = 17.14 N

답

T = 17.14 N

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

5.포물선 운동

답: θ = 11.02 °

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 = 9.81·30/28² = 0.3754

위상각

2θ = 22.05° → θ = 11.02°

답

θ = 11.02°

다른 해는 90° − θ = 78.98°입니다.

6.포물선 운동

답: x = 133.7 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 = 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 = 25 + 21.21·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (21.21 + √(449.9 + 490.5))/9.81 = 5.288 s

수평 거리

x = vx·t = 25.28·5.288 = 133.7 m

답

x = 133.7 m
7.일과 에너지

답: v = 8.937 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 = √(2·9.81·11·(0.5 − 0.15·0.866)) = 8.937 m/s

답

v = 8.937 m/s
8.일과 에너지

답: v = 2.14 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).

방출되고 손실된 에너지

m₂g·d = 19.62·1 = 19.62 J
μ·m₁g·d = 0.15·39.24·1 = 5.886 J

두 블록의 운동 에너지

½(m₁ + m₂)v² = 13.73 → v = √(2·13.73/6) = 2.14 m/s

답

v = 2.14 m/s
9.운동량과 충돌

답: v′1 = −4 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 = (0.5 − 4.5)/(0.5 + 4.5)·5 = −4 m/s
v′2 = 2·0.5/(0.5 + 4.5)·5 = 1 m/s

답

v′1 = −4 m/s

음의 부호는 첫 번째 글라이더가 튕겨 되돌아간다는 뜻입니다.

10.운동량과 충돌

답: θ = 34.73 °

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 = 2000·15 = 30000 kg·m/s
py = 1600·13 = 20800 kg·m/s

방향

tan θ = py/px = 0.6933 → θ = 34.73°

답

θ = 34.73°
11.정수압

답: F = 147.2 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 + 2/2 = 5 m
A = H·b = 2·1.5 = 3 m²
수문d = 4 mH = 2 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 1000·9.81·5·3 = 147.2 kN

답

F = 147.2 kN
12.정수압

답: F = 185.4 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 + 2/2 = 5 m
A = H·b = 2·1.5 = 3 m²
수문d = 4 mH = 2 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 1260·9.81·5·3 = 185.4 kN

답

F = 185.4 kN
13.연속 방정식과 베르누이

답: p2 = 122 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 = 2.25·(100/50)² = 9 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(2.25² − 9²)/1000 = −37.97 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) = 160 + (−37.97) = 122 kPa

답

p2 = 122 kPa
14.연속 방정식과 베르누이

답: pC = 62.06 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·1) = √(2·9.81·1) = 4.429 m/s

수면에서 C까지의 베르누이 식

patm = pC + ½ρv² + ρgzC
pC = 101.3 − 1000·(4.429²/2 + 9.81·3)/1000 = 101.3 − 39.24 = 62.06 kPa

답

pC = 62.06 kPa

이 압력이 물의 증기압까지 떨어지면 사이펀은 작동을 멈춥니다.

15.이상 기체 법칙

답: P = 11181 kPa

이상 기체 법칙: PV = nRT, n = m/M.

몰수

n = m/M = 350/16.04 = 21.82 mol
T = 35 + 273.15 = 308.1 K

압력

P = nRT/V = 21.82·8.314·308.1/0.005 = 11181 kPa

답

P = 11181 kPa
16.이상 기체 법칙

답: V2 = 43.8 L

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

절대 온도

T1 = 298.1 K, T2 = 373.1 K

보일-샤를 법칙

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 20·(350/200)·(373.1/298.1) = 43.8 L

답

V2 = 43.8 L
17.열기관과 냉동기

답: Q̇H = 9.589 kW

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.

절대 온도

TH = 35 + 273.15 = 308.1 K
TL = 0 + 273.15 = 273.1 K

가역 사이클의 열 비

Q̇H = Q̇L·TH/TL = 8.5·308.1/273.1 = 9.589 kW

답

Q̇H = 9.589 kW

입력 동력: Ẇ = 1.089 kW.

18.열기관과 냉동기

답: Tm = 358.3 °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.

절대 온도

TH = 1000 + 273.15 = 1273 K
TL = 40 + 273.15 = 313.1 K

같은 효율

1 − Tm/TH = 1 − TL/Tm에서 Tm² = TH·TL.

Tm = √(1273·313.1) = 631.4 K = 358.3 °C

답

Tm = 358.3 °C
19.파동, 소리, 광학

답: β = 84.03 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).

전체 세기

I = 8·I₁

난이도

β = 75 + 10·log₁₀(8) = 84.03 dB

답

β = 84.03 dB
20.파동, 소리, 광학

답: θ3 = 37.41 °

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 = 3·405 × 10⁻⁹/(2 × 10⁻⁶) = 0.6075
θ = 37.41°

답

θ3 = 37.41°

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