물리학 1: 역학: 벼락치기 팩

공식 모음, 모든 주제의 핵심 풀이 단계, 연습 문제 16개가 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.

원운동

구심 가속도
a = v²/r = ω²·r
구심력
F = m·v²/r
각속도
ω = v/r = 2π/T
평평한 커브, 마찰
vmax = √(μ·g·r)

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.

용수철과 진자

용수철에 매달린 물체
T = 2π·√(m/k)
단진자
T = 2π·√(L/g)
각주파수
ω = √(k/m) = 2π/T
최대 속력과 최대 가속도
vmax = A·ω, amax = A·ω²
에너지
E = ½·k·A²

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 = 2 m/s²s = 1600 m

비행기가 정지 상태에서 출발해 활주로를 따라 2 m/s²로 균일하게 가속한다. 1600 m 후의 속력 v을(를) 구하시오.

v₀ = 0a = 2 m/s²s = 1600 m
v = m/s
2.운동학어려움
t (s)v (m/s)7 s

트램이 정지 상태에서 출발해 7 s 동안 2.5 m/s²로 가속한 다음, 28 s 동안 등속으로 달리고, 마지막으로 4 m/s²로 제동해 멈춘다. 총 이동 시간 t을(를) 구하시오.

a1 = 2.5 m/s²t1 = 7 st2 = 28 sa3 = −4 m/s²
t = s
3.뉴턴 법칙보통
θ = 20°a = ?m = 15 kg

질량 15 kg인 블록이 수평과 20°를 이루는 경사면을 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.15이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 경사면을 따르는 블록의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 15 kgθ = 20°μ = 0.15g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 2 kg3 kgμ = 0.25

수평 탁자 위에 있는 질량 2 kg인 블록이 가벼운 줄로 마찰 없는 도르래를 거쳐 매달린 3 kg 물체와 연결되어 있다. 블록과 탁자 사이의 운동 마찰 계수는 0.25이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 계의 가속도 a을(를) 구하시오.

m1 = 2 kgm2 = 3 kgμ = 0.25g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.포물선 운동보통
16 my = ?v0​ = 16 m/s30°

평지에서 공을 16 m/s, 수평 위 30°로 16 m 떨어진 벽을 향해 찬다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 공은 벽을 몇 m 높이 y에서 지나는가?

v₀ = 16 m/sθ = 30°x = 16 mg = 9.81 m/s²
y = m
6.포물선 운동어려움
h = 40 mv0​ = 16 m/s50°수평 도달 거리

공을 높이 40 m인 절벽 위에서 수평에서 50° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿을 때까지의 비행 시간 t을(를) 구하시오.

v0 = 16 m/sθ = 50°h = 40 mg = 9.81 m/s²
t = s
7.원운동보통
r = 105 mvmax​ = ?

자동차가 반지름 105 m의 원호인 도로의 둔덕 꼭대기를 지난다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 속력 vmax이(가) 얼마를 넘으면 꼭대기에서 바퀴가 도로에서 떨어지는가?

r = 105 mg = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.원운동어려움
r = 1 m10 m/svtop​ = ?

길이 1 m의 가벼운 줄에 매단 1.4 kg 공을 연직 원으로 돌린다. 가장 낮은 점에서의 속력은 10 m/s이다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 가장 높은 점에서 줄의 장력 Ttop을(를) 구하시오.

m = 1.4 kgr = 1 mvbottom = 10 m/sg = 9.81 m/s²
Ttop = N
9.일과 에너지보통
90°L = 3 m2 kg

2 kg 공이 길이 3 m인 가벼운 줄에 매달려 있다. 줄이 연직과 90°를 이룰 때까지 옆으로 당겼다가 가만히 놓는다. 공이 가장 낮은 점을 지날 때 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m = 2 kgL = 3 mθ = 90°g = 9.81 m/s²
T = N
10.일과 에너지어려움
k = 2000 N/m35°μ = 0.255 kg

35° 경사면 아래에 있는 강성 2000 N/m인 스프링을 5 kg 블록으로 20 cm 압축했다가 놓는다. 블록과 경사면 사이의 운동 마찰 계수는 0.25이다. 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 = 5 kgk = 2000 N/mx = 20 cmθ = 35°μ = 0.25g = 9.81 m/s²
d = m
11.운동량과 충돌보통
1600 kg16 m/s900 kg

16 m/s로 움직이는 1600 kg 자동차가 정지해 있는 900 kg 자동차와 충돌해 두 차가 한 덩어리가 된다. 원래 운동 에너지의 몇 퍼센트 ΔK/K을(를) 잃는가?

m1 = 1600 kgv1 = 16 m/sm2 = 900 kgv2 = 0
ΔK/K = %
12.운동량과 충돌어려움
25 m/s14 m/s

질량 0.45 kg인 공이 25 m/s로 벽에 부딪힌 뒤 14 m/s로 똑바로 튀어나온다. 접촉 시간은 5 ms이다. 벽이 공에 가한 충격량의 크기 J을(를) 구하시오.

m = 0.45 kgvin = 25 m/svout = 14 m/sΔt = 5 ms
J = N·s
13.용수철과 진자보통
t (s)x (cm)0.85 s

k = 120 N/m인 스프링에 매단 0.8 kg 질량을 양의 방향으로 10 cm 당겼다가 t = 0에 정지 상태에서 놓는다. t = 0.85 s에서 평형점으로부터의 변위 x(부호 포함)을(를) 구하시오.

m = 0.8 kgk = 120 N/mA = 10 cmt = 0.85 s
x = cm
14.용수철과 진자어려움
2.5 kgk = 1600 N/m250 m/s

250 m/s로 움직이는 15 g 총알이 마찰 없는 면 위에 정지해 있는 2.5 kg 블록에 맞아 박힌다. 블록은 k = 1600 N/m인 수평 스프링에 연결되어 있다. 이로 인한 진동의 진폭 A을(를) cm로 구하시오.

m = 15 gv = 250 m/sM = 2.5 kgk = 1600 N/m
A = cm
15.파동, 소리, 광학보통
θc = ?90°크라운 유리, n1​ = 1.50물, n2​ = 1.33

빛이 크라운 유리(n = 1.50) 속에서 물(n = 1.33)과의 평평한 경계를 향해 진행한다. 그 각을 넘으면 전반사되는 임계각 θc을(를) 구하시오.

n1 = 1.50n2 = 1.33
θc = °
16.파동, 소리, 광학어려움
λ = 600 nmθ2​ = ?

파장 600 nm의 빛이 1 mm당 800개의 선이 있는 격자에 수직으로 입사한다. 2차 극대의 각 θ2을(를) 구하시오.

N = 800 mm⁻¹λ = 600 nmm = 2
θ2 = °

3용액

1.운동학

답: v = 80 m/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.

그 거리 후의 속력

v = √(2·a·s) = √(2·2·1600) = 80 m/s

답

v = 80 m/s
(288 km/h)
2.운동학

답: t = 39.38 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.

최고 속력

v = a1·t1 = 2.5·7 = 17.5 m/s

제동 시간

t3 = v/a3 = 17.5/4 = 4.375 s

총 시간

t = 7 + 28 + 4.375 = 39.38 s

답

t = 39.38 s
3.뉴턴 법칙

답: a = 1.972 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.

경사면 방향의 힘

경사면 아래쪽이 양입니다.

m·a = m·g·sin θ − μ·m·g·cos θ

가속도

a = 9.81·(sin 20° − 0.15·cos 20°) = 9.81·(0.342 − 0.141) = 1.972 m/s²

답

a = 1.972 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: a = 4.905 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) = (29.43 − 4.905)/5 = 4.905 m/s²

답

a = 4.905 m/s²
5.포물선 운동

답: y = 2.698 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.

벽까지의 시간

vx = 16·cos 30° = 13.86 m/s
t = x/vx = 16/13.86 = 1.155 s

그 시각의 높이

y = 8·1.155 − ½·9.81·1.155² = 2.698 m

답

y = 2.698 m

공은 벽에서 이미 내려가는 중입니다.

6.포물선 운동

답: t = 4.366 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 = 16·cos 50° = 10.28 m/s
vy = v0·sin θ = 16·sin 50° = 12.26 m/s

체공 시간

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

0 = 40 + 12.26·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (12.26 + √(150.2 + 784.8))/9.81 = 4.366 s

답

t = 4.366 s
7.원운동

답: vmax = 32.09 m/s

Uniform circular motion: an object moving at speed v on a circle of radius r accelerates towards the centre with a = v²/r, so it needs a net inward force F = m·v²/r. That force is supplied by something real: friction, tension, gravity or a normal force.

수직항력 0

m·g = m·v²/r → v = √(g·r) = √(9.81·105) = 32.09 m/s

답

vmax = 32.09 m/s
(115.5 km/h)
8.원운동

답: Ttop = 71.33 N

Uniform circular motion: an object moving at speed v on a circle of radius r accelerates towards the centre with a = v²/r, so it needs a net inward force F = m·v²/r. That force is supplied by something real: friction, tension, gravity or a normal force.

꼭대기에서의 속력

높이 2r에 걸쳐 운동 에너지가 위치 에너지로 바뀝니다.

vtop² = 10² − 4·9.81·1 = 60.76 m²/s²

꼭대기에서의 힘

장력과 중력은 모두 아래, 중심을 향합니다.

T + m·g = m·vtop²/r
T = 1.4·60.76/1 − 1.4·9.81 = 71.33 N

답

Ttop = 71.33 N
9.일과 에너지

답: T = 58.86 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.

바닥에서의 속력

v² = 2gL(1 − cos θ) = 2·9.81·3·(1 − cos 90°) = 58.86 m²/s²

바닥에서의 힘

m·g = 2·9.81 = 19.62 N
T = mg + mv²/L = 19.62 + 2·58.86/3 = 58.86 N

답

T = 58.86 N

검산: T = mg(3 − 2cos θ) = 58.86 N.

10.일과 에너지

답: d = 1.048 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 = 20 cm = 0.2 m
½kx² = ½·2000·0.2² = 40 J

경사면을 따른 에너지 수지

m·g = 5·9.81 = 49.05 N
½kx² = mg·d·(sin θ + μ·cos θ)
d = 40/(49.05·(0.5736 + 0.25·0.8192)) = 1.048 m

답

d = 1.048 m
11.운동량과 충돌

답: ΔK/K = 36 %

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) = 1600·16/2500 = 10.24 m/s

충돌 전후의 운동 에너지

Kbefore = ½·1600·16² = 204800 J
Kafter = ½·2500·10.24² = 131072 J

잃은 비율

ΔK/K = 73728/204800 = 36 %

답

ΔK/K = 36 %

잃은 에너지는 변형, 열, 소리로 갑니다.

12.운동량과 충돌

답: J = 17.55 N·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.

운동량 변화

J = m·Δv = 0.45·(14 + 25) = 17.55 N·s

답

J = 17.55 N·s
13.용수철과 진자

답: x = −5.524 cm

Simple harmonic motion: a mass m on a spring of stiffness k oscillates with angular frequency ω = √(k/m) and period T = 2π/ω = 2π·√(m/k). A simple pendulum of length L has T = 2π·√(L/g). With amplitude A, the largest speed is A·ω, the largest acceleration A·ω² and the energy ½·k·A².

각주파수

ω = √(120/0.8) = 12.25 rad/s
ω·t = 12.25·0.85 = 10.41 rad

변위

x = A·cos(ω·t) = 10·cos(10.41) = −5.524 cm

답

x = −5.524 cm
14.용수철과 진자

답: A = 5.912 cm

Simple harmonic motion: a mass m on a spring of stiffness k oscillates with angular frequency ω = √(k/m) and period T = 2π/ω = 2π·√(m/k). A simple pendulum of length L has T = 2π·√(L/g). With amplitude A, the largest speed is A·ω, the largest acceleration A·ω² and the energy ½·k·A².

충돌 후의 속력

V = m·v/(m + M) = 0.015·250/2.515 = 1.491 m/s

각주파수

ω = √(k/(m + M)) = √(1600/2.515) = 25.22 rad/s

진폭

A = V/ω = 1.491/25.22 = 0.05912 m = 5.912 cm

답

A = 5.912 cm
15.파동, 소리, 광학

답: θc = 62.46 °

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.

90°에서의 굴절

sin θc = n₂/n₁ = 1.33/1.50 = 0.8867

임계각

θc = arcsin(0.8867) = 62.46°

답

θc = 62.46°
16.파동, 소리, 광학

답: θ2 = 73.74 °

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 = 1/800 mm = 1.25 × 10⁻⁶ m

격자 방정식

sin θ = mλ/d = 2·600 × 10⁻⁹/(1.25 × 10⁻⁶) = 0.96
θ = 73.74°

답

θ2 = 73.74°

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