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 = ?s = 2000 m

비행기가 이륙하려면 200 km/h의 속력이 필요하고 쓸 수 있는 활주로 길이는 2000 m이다. 정지 상태에서 출발한다면 필요한 일정한 가속도 a은(는) 얼마인가?

v₀ = 0v = 200 km/hs = 2000 m
a = m/s²
2.운동학어려움
v₀ = 8 m/s40 m

지면에서 40 m 높이에 있는 지붕 가장자리에서 공을 8 m/s로 똑바로 위로 던진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 쓴다. 지면으로부터의 최고 높이 hmax을(를) 구하시오.

v₀ = 8 m/sh₀ = 40 mg = 9.81 m/s²
hmax = m
3.뉴턴 법칙보통
상자v₀ = 5 m/sμ = ?

상자가 처음 속력 5 m/s로 평평한 바닥을 미끄러지다가 3.2 m 후에 멈춘다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 운동 마찰 계수 μ을(를) 구하시오.

v₀ = 5 m/sd = 3.2 mg = 9.81 m/s²
μ =
4.뉴턴 법칙어려움
θ = 35°블록v₀ = 4 m/s

블록을 밀어 35° 경사로 위로 4 m/s의 속력으로 미끄러져 올라가게 한다. 운동 마찰 계수는 0.25이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 블록은 멈추기 전까지 경사로를 따라 얼마나 멀리 d 미끄러지는가?

v₀ = 4 m/sθ = 35°μ = 0.25g = 9.81 m/s²
d = m
5.포물선 운동보통
v0​ = 20 m/s65°수평 도달 거리H = ?

공을 평지에서 수평에서 65° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 도달하는 최대 높이 H을(를) 구하시오.

v0 = 20 m/sθ = 65°g = 9.81 m/s²
H = m
6.포물선 운동어려움
h = 20 mv0​ = 20 m/s35°α = ?

20 m 절벽 꼭대기에서 공을 20 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 = 20 m/sθ = 35°h = 20 mg = 9.81 m/s²
α = °
7.원운동보통
L = 1.6 m20°

길이 1.6 m인 줄에 매단 작은 공이 수평 원운동을 하며, 줄은 연직과 일정한 각 20°를 이룬다(원뿔 진자). g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 한 바퀴 도는 시간 T을(를) 구하시오.

L = 1.6 mθ = 20°g = 9.81 m/s²
T = s
8.원운동어려움
r = 0.9 m9.5 m/svtop​ = ?

길이 0.9 m의 가벼운 줄에 매단 0.8 kg 공을 연직 원으로 돌린다. 가장 낮은 점에서의 속력은 9.5 m/s이다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 가장 높은 점에서 줄의 장력 Ttop을(를) 구하시오.

m = 0.8 kgr = 0.9 mvbottom = 9.5 m/sg = 9.81 m/s²
Ttop = N
9.일과 에너지보통
45°d = 20 mμ = 0.35

질량 2.5 kg인 블록이 수평과 45°를 이루는 경사면을 20 m 미끄러져 내려가며, 운동 마찰 계수는 0.35이다. 마찰에 대해 한 일 Wf을(를) 구하시오.

m = 2.5 kgθ = 45°μ = 0.35d = 20 mg = 9.81 m/s²
Wf = J
10.일과 에너지어려움
h = 1.5 mL = 2 mμ = 0.3k = 5000 N/m

질량 10 kg인 블록을 매끄러운 경사로의 높이 1.5 m에서 가만히 놓는다. 아래에서 길이 2 m인 거친 수평 구간(μ = 0.3)을 지난 뒤, 매끄러운 면에서 스프링(k = 5000 N/m)에 부딪힌다. 스프링의 최대 압축량 x을(를) 구하시오.

m = 10 kgh = 1.5 mL = 2 mμ = 0.3k = 5000 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
11.운동량과 충돌보통
900 kg23 m/s1100 kg

23 m/s로 움직이는 900 kg 자동차가 정지해 있는 1100 kg 자동차와 충돌해 두 차가 한 덩어리가 된다. 원래 운동 에너지의 몇 퍼센트 ΔK/K을(를) 잃는가?

m1 = 900 kgv1 = 23 m/sm2 = 1100 kgv2 = 0
ΔK/K = %
12.운동량과 충돌어려움
900 kg16 m/s1300 kg9 m/sv′ = ?

교차로에서 동쪽으로 16 m/s로 달리던 900 kg 자동차가 북쪽으로 9 m/s로 달리던 1300 kg 자동차와 충돌한다. 두 차는 한 덩어리가 된다. 충돌 직후 잔해의 속력 v′을(를) 구하시오.

m1 = 900 kgv1 = 16 m/s (E)m2 = 1300 kgv2 = 9 m/s (N)
v′ = m/s
13.용수철과 진자보통
L = ?

주기가 1 s인 단진자의 길이는 얼마여야 하는가? g = 9.81 m/s²를 쓴다. L을(를) 구하시오.

T = 1 sg = 9.81 m/s²
L = m
14.용수철과 진자어려움
0.4 kgk = 60 N/mA = 6 cm

k = 60 N/m인 용수철에 매단 0.4 kg 물체를 평형 위치에서 6 cm 당겼다가 놓는다. 진동의 전체 에너지 E을(를) 구하시오.

m = 0.4 kgk = 60 N/mA = 6 cm
E = J
15.파동, 소리, 광학보통
L = ?n = 3

양 끝이 열린 관의 3번째 배진동이(가) 515 Hz가 되어야 한다. 소리의 속력은 343 m/s이다. 관의 길이 L을(를) 구하시오.

v = 343 m/sn = 3f3 = 515 Hz
L = m
16.파동, 소리, 광학어려움
λ = 633 nmθ1​ = ?

파장 633 nm의 빛이 1 mm당 1200개의 선이 있는 격자에 수직으로 입사한다. 1차 극대의 각 θ1을(를) 구하시오.

N = 1200 mm⁻¹λ = 633 nmm = 1
θ1 = °

3용액

1.운동학

답: a = 0.7716 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 = 200/3.6 = 55.56 m/s

가속도

a = v²/(2s) = 55.56²/(2·2000) = 0.7716 m/s²

답

a = 0.7716 m/s²
2.운동학

답: hmax = 43.26 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 = 8²/(2·9.81) = 3.262 m

지면으로부터의 높이

hmax = 40 + 3.262 = 43.26 m

답

hmax = 43.26 m
3.뉴턴 법칙

답: μ = 0.3982

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) = 5²/(2·3.2) = 3.906 m/s²

마찰 계수

μ·m·g = m·a → μ = a/g = 3.906/9.81 = 0.3982

답

μ = 0.3982
4.뉴턴 법칙

답: d = 1.048 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 35° + 0.25·cos 35°) = 7.636 m/s²

거리

d = v₀²/(2a) = 4²/(2·7.636) = 1.048 m

답

d = 1.048 m
5.포물선 운동

답: H = 16.75 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 = 20·cos 65° = 8.452 m/s
vy = v0·sin θ = 20·sin 65° = 18.13 m/s

최고점

최고점에서 연직 속도는 0입니다: vy² = 2gH.

H = vy²/(2g) = 18.13²/(2·9.81) = 16.75 m

답

H = 16.75 m
6.포물선 운동

답: α = 54.41 °

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 = 20·cos 35° = 16.38 m/s
vy0 = 20·sin 35° = 11.47 m/s

충돌 시 수직 속력

에너지 또는 수직 방향의 v² = v₀² + 2as.

vy = √(11.47² + 2·9.81·20) = 22.89 m/s

충돌 각

tan α = vy/vx = 22.89/16.38 → α = 54.41°

답

α = 54.41°
7.원운동

답: T = 2.46 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.

원의 반지름

r = L·sin θ = 1.6·sin 20° = 0.5472 m

속력

장력과 중력이 함께 안쪽 힘을 줍니다: tan θ = v²/(r·g).

v = √(r·g·tan θ) = √(0.5472·9.81·tan 20°) = 1.398 m/s

주기

T = 2π·r/v = 2π·0.5472/1.398 = 2.46 s

답

T = 2.46 s
8.원운동

답: Ttop = 40.98 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 = 9.5² − 4·9.81·0.9 = 54.93 m²/s²

꼭대기에서의 힘

장력과 중력은 모두 아래, 중심을 향합니다.

T + m·g = m·vtop²/r
T = 0.8·54.93/0.9 − 0.8·9.81 = 40.98 N

답

Ttop = 40.98 N
9.일과 에너지

답: Wf = 121.4 J

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).

마찰력

N = mg·cos θ = 24.53·0.7071 = 17.34 N
F = μN = 0.35·17.34 = 6.07 N

마찰에 대한 일

Wf = F·d = 6.07·20 = 121.4 J

답

Wf = 121.4 J
10.일과 에너지

답: x = 18.79 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 = 98.1·(1.5 − 0.3·2) = 88.29 J

최대 압축량

½kx² = 88.29 → x = √(2·88.29/5000) = 0.1879 m = 18.79 cm

답

x = 18.79 cm
11.운동량과 충돌

답: ΔK/K = 55 %

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) = 900·23/2000 = 10.35 m/s

충돌 전후의 운동 에너지

Kbefore = ½·900·23² = 238050 J
Kafter = ½·2000·10.35² = 107123 J

잃은 비율

ΔK/K = 130928/238050 = 55 %

답

ΔK/K = 55 %

잃은 에너지는 변형, 열, 소리로 갑니다.

12.운동량과 충돌

답: v′ = 8.434 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 = 900·16 = 14400 kg·m/s
py = 1300·9 = 11700 kg·m/s

잔해의 속력

v′ = √(px² + py²)/(m1 + m2) = 18554/2200 = 8.434 m/s

답

v′ = 8.434 m/s
13.용수철과 진자

답: L = 0.2485 m

단순 조화 운동: 용수철 상수 k인 용수철에 매달린 질량 m인 물체는 각진동수 ω = √(k/m), 주기 T = 2π/ω = 2π·√(m/k)로 진동합니다. 길이 L인 단진자의 주기는 T = 2π·√(L/g)입니다. 진폭이 A이면 최대 속력은 A·ω, 최대 가속도는 A·ω², 에너지는 ½·k·A²입니다.

길이 구하기

L = g·(T/2π)² = 9.81·(1/2π)² = 0.2485 m

답

L = 0.2485 m
14.용수철과 진자

답: E = 0.108 J

단순 조화 운동: 용수철 상수 k인 용수철에 매달린 질량 m인 물체는 각진동수 ω = √(k/m), 주기 T = 2π/ω = 2π·√(m/k)로 진동합니다. 길이 L인 단진자의 주기는 T = 2π·√(L/g)입니다. 진폭이 A이면 최대 속력은 A·ω, 최대 가속도는 A·ω², 에너지는 ½·k·A²입니다.

각주파수

ω = √(60/0.4) = 12.25 rad/s

에너지

E = ½·k·A² = ½·60·0.06² = 0.108 J

답

E = 0.108 J
15.파동, 소리, 광학

답: L = 0.999 m

정상파와 도플러 효과: 양 끝이 고정된 줄이나 양 끝이 열린 관에는 반파장의 정수 배가 들어맞습니다: L = nλ/2, fn = n·v/(2L), n = 1, 2, 3, … 한쪽 끝이 닫힌 관은 닫힌 끝이 마디이고 열린 끝이 배입니다: L = nλ/4이며 n은 홀수만 가능하고 fn = n·v/(4L)입니다. 음원이나 관측자가 둘을 잇는 직선을 따라 움직이면 f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs)입니다. 서로를 향해 움직일 때는 위쪽 부호를 쓰세요. 진동수가 거의 같은 두 파동은 |f₁ − f₂|로 맥놀이합니다.

파장

λ = v/f = 343/515 = 0.666 m

길이

L = nλ/2 = 3·0.666/2 = 0.999 m

답

L = 0.999 m
16.파동, 소리, 광학

답: θ1 = 49.43 °

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 = 1/1200 mm = 8.333 × 10⁻⁷ m

격자 방정식

sin θ = mλ/d = 1·633 × 10⁻⁹/(8.333 × 10⁻⁷) = 0.7596
θ = 49.43°

답

θ1 = 49.43°

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