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)t = ?22.22

80 km/h로 달리던 자동차가 7.5 m/s²의 일정한 감속도로 제동하여 멈춘다. 제동하는 데 걸리는 시간 t을(를) 구하시오.

v₀ = 80 km/ha = −7.5 m/s²v = 0
t = s
2.운동학어려움
t (s)v (m/s)11 s

트램이 정지 상태에서 출발해 11 s 동안 3 m/s²로 가속한 다음, 22 s 동안 등속으로 달리고, 마지막으로 3.5 m/s²로 제동해 멈춘다. 두 정류장 사이의 총거리 s을(를) 구하시오.

a1 = 3 m/s²t1 = 11 st2 = 22 sa3 = −3.5 m/s²
s = m
3.뉴턴 법칙보통
상자v₀ = 3 m/sμ = ?

상자가 처음 속력 3 m/s로 평평한 바닥을 미끄러지다가 1.5 m 후에 멈춘다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 운동 마찰 계수 μ을(를) 구하시오.

v₀ = 3 m/sd = 1.5 mg = 9.81 m/s²
μ =
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 8 kg4 kgθ = 20°

20° 경사로 위의 8 kg 블록이 경사로 꼭대기의 마찰 없는 도르래를 지나는 가벼운 줄로 매달린 4 kg 질량과 연결되어 있다. 매달린 질량은 아래로 움직인다. 블록과 경사로 사이의 운동 마찰 계수는 0.1이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m1 = 8 kgm2 = 4 kgθ = 20°μ = 0.1g = 9.81 m/s²
T = N
5.포물선 운동보통
v0​ = 14 m/s20°수평 도달 거리H = ?

공을 평지에서 수평에서 20° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 도달하는 최대 높이 H을(를) 구하시오.

v0 = 14 m/sθ = 20°g = 9.81 m/s²
H = m
6.포물선 운동어려움
16 mv0​ = 38 m/s40°x = ?

지면에서 공을 38 m/s, 수평 위 40°로 던진다. 공은 내려오는 도중에 높이 16 m인 건물의 평평한 지붕에 떨어진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 발사점에서 떨어진 곳까지의 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v₀ = 38 m/sθ = 40°hroof = 16 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.일과 에너지보통
80 km/h

평평한 도로를 80 km/h로 달리던 자동차가 급제동해 바퀴가 잠긴 채 미끄러져 멈춘다. 타이어와 도로 사이의 운동 마찰 계수는 0.4이다. 정지 거리 d을(를) 구하시오.

v = 80 km/hμ = 0.4g = 9.81 m/s²
d = m
8.일과 에너지어려움
k = 1000 N/m15°μ = 0.13 kg

15° 경사면 아래에 있는 강성 1000 N/m인 스프링을 3 kg 블록으로 15 cm 압축했다가 놓는다. 블록과 경사면 사이의 운동 마찰 계수는 0.1이다. 블록은 놓은 점에서 경사면을 따라 얼마나 멀리 d 올라간 뒤 멈추는가? (스프링이 미는 짧은 거리는 무시하고, 마찰과 중력은 전체 거리 d에 걸쳐 작용한다고 하시오.)

m = 3 kgk = 1000 N/mx = 15 cmθ = 15°μ = 0.1g = 9.81 m/s²
d = m
9.운동량과 충돌보통
0.5 kg5 m/s2 kg

5 m/s로 움직이는 질량 0.5 kg인 글라이더가 마찰 없는 트랙 위에 정지해 있는 질량 2 kg인 글라이더와 완전 탄성 정면충돌을 한다. 충돌 후 두 번째 글라이더의 속도 v′2을(를) 구하시오.

m1 = 0.5 kgm2 = 2 kgv1 = 5 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
10.운동량과 충돌어려움
1.5 kgv = ?12 g15°L = 1.5 m

12 g 총알을 길이 1.5 m의 가벼운 줄에 매달린 1.5 kg 블록에 수평으로 쏘아 박히게 한다. 줄은 연직에서 최대 15°까지 흔들려 나간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 전 총알의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 12 gM = 1.5 kgL = 1.5 mθ = 15°g = 9.81 m/s²
v = m/s
11.정수압보통
수문d = 3 mH = 1.5 m

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

폭 1 m인 연직 직사각형 수문이 물이(가) 담긴 탱크 벽에 있고, 위쪽 가장자리는 수면 아래 3 m에 있다. 수면 아래 압력 중심의 깊이 ycp을(를) 구하시오.

d = 3 mH = 1.5 mb = 1 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
ycp = m
13.연속 방정식과 베르누이보통
12d1​ = 100 mm, p1​ = 210 kPad2​ = 50 mm, p2​ = ?

물이 100 mm에서 50 mm(으)로 좁아지는 수평관을 흐른다. 넓은 부분의 압력은 210 kPa, 유속은 1 m/s이다. 손실을 무시하고 좁은 부분의 압력 p2을(를) 구하시오.

d1 = 100 mmd2 = 50 mmp1 = 210 kPav1 = 1 m/sρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
14.연속 방정식과 베르누이어려움
H = ?d1​ = 75 mmp1​ = 130 kPad2​ = 40 mm

분수 노즐이 똑바로 위를 향한다. 노즐 바로 아래 공급관의 지름은 75 mm, 계기 압력은 130 kPa이다. 노즐 출구 지름은 40 mm이며 노즐 전후의 높이 차는 무시할 수 있다. 손실과 공기 저항을 무시하고 분류가 노즐 위로 올라가는 높이 H을(를) 구하시오. g = 9.81 m/s²를 사용하시오.

d1 = 75 mmp1 = 130 kPa (게이지압)d2 = 40 mmρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
H = m
15.이상 기체 법칙보통
CO₂ 310 gV = 20 LT = 85 °CP = ?

부피 20 L인 탱크에 85 °C의 CO₂ 310 g이(가) 들어 있다. 이상 기체로 보고 압력 P을(를) 구하시오.

m = 310 gM = 44.01 g/molV = 20 LT = 85 °CR = 8.314 J/(mol·K)
P = kPa
16.이상 기체 법칙어려움
상태 1상태 2

일정량의 Ar이(가) 100 kPa, 10 L, 25 °C에서 100 kPa, 90 °C(으)로 변한다. 새 부피 V2을(를) 구하시오.

P1 = 100 kPaV1 = 10 LT1 = 25 °CP2 = 100 kPaT2 = 90 °C
V2 = L
17.열기관과 냉동기보통
TH​ = 900 °CTL​ = 15 °CEQH​QL​η = 41%

열기관이 900 °C의 열원에서 열을 받고 15 °C의 주위로 열을 방출한다. 실제 열효율은 41%이다. 실제 효율과 카르노 효율의 비인 제2법칙 효율 ηII을(를) 구하시오.

TH = 900 °CTL = 15 °Cη = 41%
ηII = %
18.열기관과 냉동기어려움
TH​ = 30 °CTL​ = -25 °CRQ̇H​Q̇L​ = 2.5 kWẆ = ?

냉장고가 30 °C인 부엌에서 냉장실을 -25 °C로 유지하며 냉장실에서 2.5 kW의 열을 제거한다. 최소 입력 동력 Ẇmin을(를) 구하시오.

TH = 30 °CTL = -25 °CQ̇L = 2.5 kW
Ẇmin = kW
19.파동, 소리, 광학보통
Pβ = ?r = 10 m

작은 스피커가 모든 방향으로 똑같이 0.02 W의 음향 출력을 내보낸다. 10 m 떨어진 곳의 음의 세기 수준 β을(를) 구하시오.

P = 0.02 Wr = 10 mI0 = 10⁻¹² W/m²
β = dB
20.파동, 소리, 광학어려움
λ = ?19.3°

1 mm당 600개의 선이 있는 격자에서 스펙트럼선의 1차 극대가 직진 방향에서 19.3°에 나타난다. 그 선의 파장 λ을(를) 구하시오.

N = 600 mm⁻¹θ1 = 19.3°m = 1
λ = nm

3용액

1.운동학

답: t = 2.963 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 = 80/3.6 = 22.22 m/s

제동 시간

0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 22.22/7.5 = 2.963 s

답

t = 2.963 s
2.운동학

답: s = 1063 m

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.

최고 속력

v = a1·t1 = 3·11 = 33 m/s

각 단계의 거리

s1 = ½·3·11² = 181.5 m
s2 = 33·22 = 726 m
s3 = 33²/(2·3.5) = 155.6 m

총거리

s = 181.5 + 726 + 155.6 = 1063 m

답

s = 1063 m
3.뉴턴 법칙

답: μ = 0.3058

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

a = v₀²/(2d) = 3²/(2·1.5) = 3 m/s²

마찰 계수

μ·m·g = m·a → μ = a/g = 3/9.81 = 0.3058

답

μ = 0.3058
4.뉴턴 법칙

답: T = 37.57 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 = 39.24 N
m₁·g·sin θ = 26.84 N
μ·m₁·g·cos θ = 7.375 N

계의 가속도

a = (39.24 − 26.84 − 7.375)/12 = 0.4186 m/s²

매달린 질량에서 구한 장력

m2·g − T = m2·a → T = 4·(9.81 − 0.4186) = 37.57 N

답

T = 37.57 N
5.포물선 운동

답: H = 1.169 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 20° = 13.16 m/s
vy = v0·sin θ = 14·sin 20° = 4.788 m/s

최고점

최고점에서 연직 속도는 0입니다: vy² = 2gH.

H = vy²/(2g) = 4.788²/(2·9.81) = 1.169 m

답

H = 1.169 m
6.포물선 운동

답: x = 122.4 m

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 = 29.11 m/s, vy = 24.43 m/s

지붕에 떨어지는 시간

큰 근: 공이 내려오는 중입니다.

16 = 24.43·t − 4.905·t²
t = (24.43 + √(24.43² − 2·9.81·16))/9.81 = 4.204 s

수평 거리

x = vx·t = 29.11·4.204 = 122.4 m

답

x = 122.4 m
7.일과 에너지

답: d = 62.92 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).

기본 단위의 속력

v = 80/3.6 = 22.22 m/s

에너지 수지

½mv² = μmg·d → d = v²/(2μg) = 22.22²/(2·0.4·9.81) = 62.92 m

답

d = 62.92 m

속력이 두 배가 되면 정지 거리는 네 배가 됩니다.

8.일과 에너지

답: d = 1.076 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 = 15 cm = 0.15 m
½kx² = ½·1000·0.15² = 11.25 J

경사면을 따른 에너지 수지

m·g = 3·9.81 = 29.43 N
½kx² = mg·d·(sin θ + μ·cos θ)
d = 11.25/(29.43·(0.2588 + 0.1·0.9659)) = 1.076 m

답

d = 1.076 m
9.운동량과 충돌

답: v′2 = 2 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 − 2)/(0.5 + 2)·5 = −3 m/s
v′2 = 2·0.5/(0.5 + 2)·5 = 2 m/s

답

v′2 = 2 m/s
10.운동량과 충돌

답: v = 126.2 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.

블록의 상승

h = L·(1 − cos θ) = 1.5·(1 − cos 15°) = 0.05111 m

충돌 후의 속력

V = √(2·9.81·0.05111) = 1.001 m/s

충돌

v = (m + M)·V/m = 1.512·1.001/0.012 = 126.2 m/s

답

v = 126.2 m/s
11.정수압

답: F = 165.5 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 + 1.5/2 = 3.75 m
A = H·b = 1.5·3 = 4.5 m²
수문d = 3 mH = 1.5 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 1000·9.81·3.75·4.5 = 165.5 kN

답

F = 165.5 kN
12.정수압

답: ycp = 3.8 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 = 3 + 1.5/2 = 3.75 m
A = H·b = 1.5·1 = 1.5 m²
수문d = 3 mH = 1.5 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 1000·9.81·3.75·1.5 = 55.18 kN

압력 중심

압력은 깊이에 따라 커지므로 합력은 도심 아래에 작용합니다.

Ic = b·H³/12 = 1·1.5³/12 = 0.2813 m⁴
ycp = yc + Ic/(yc·A) = 3.75 + 0.2813/(3.75·1.5) = 3.8 m

답

ycp = 3.8 m
13.연속 방정식과 베르누이

답: p2 = 202.5 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 = 1·(100/50)² = 4 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(1² − 4²)/1000 = −7.5 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) = 210 + (−7.5) = 202.5 kPa

답

p2 = 202.5 kPa
14.연속 방정식과 베르누이

답: H = 14.42 m

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.

출구 유속

β = 40/75 = 0.5333
v2 = √(2p1/(ρ(1 − β⁴))) = √(2·130000/(1000·0.9191)) = 16.82 m/s

분류의 높이

분류를 따른 베르누이 식: 꼭대기에서 유속은 0이고 압력은 다시 대기압입니다.

H = v2²/(2g) = 16.82²/(2·9.81) = 14.42 m

답

H = 14.42 m
15.이상 기체 법칙

답: P = 1049 kPa

이상 기체 법칙: PV = nRT, n = m/M.

몰수

n = m/M = 310/44.01 = 7.044 mol
T = 85 + 273.15 = 358.1 K

압력

P = nRT/V = 7.044·8.314·358.1/0.02 = 1049 kPa

답

P = 1049 kPa
16.이상 기체 법칙

답: V2 = 12.18 L

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

절대 온도

T1 = 298.1 K, T2 = 363.1 K

보일-샤를 법칙

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 10·(100/100)·(363.1/298.1) = 12.18 L

답

V2 = 12.18 L
17.열기관과 냉동기

답: ηII = 54.35 %

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 = 900 + 273.15 = 1173 K
TL = 15 + 273.15 = 288.1 K

카르노 효율

ηCarnot = 1 − 288.1/1173 = 75.44 %

제2법칙 효율

ηII = η/ηCarnot = 41/75.44 = 54.35 %

답

ηII = 54.35 %
18.열기관과 냉동기

답: Ẇmin = 0.5541 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 = 30 + 273.15 = 303.1 K
TL = -25 + 273.15 = 248.1 K

가능한 최고 COP

COPR,max = TL/(TH − TL) = 248.1/(303.1 − 248.1) = 4.512

최소 동력

COP가 가장 큰 가역 기계가 가장 적은 일을 필요로 합니다.

Ẇmin = Q̇L/COP = 2.5/4.512 = 0.5541 kW

답

Ẇmin = 0.5541 kW
19.파동, 소리, 광학

답: β = 72.02 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) = 1.592 × 10⁻⁵ W/m²

난이도

β = 10·log₁₀(1.592 × 10⁻⁵/10⁻¹²) = 72.02 dB

답

β = 72.02 dB
20.파동, 소리, 광학

답: λ = 550.9 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 = 1.667 × 10⁻⁶·sin 19.3°/1 = 550.9 nm

답

λ = 550.9 nm

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