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
t (s)v (m/s)1.5 s12.5

45 km/h로 달리던 운전자가 장애물을 본다. 반응 시간은 1.5 s이고, 그 후 자동차는 일정한 감속도 4.5 m/s²로 제동한다. 장애물을 본 순간부터의 총 정지 거리 d을(를) 구하시오.

v₀ = 45 km/htr = 1.5 sa = −4.5 m/s²
d = m
2.운동학어려움
a = 34 m/s²

모형 로켓을 정지 상태에서 똑바로 위로 발사한다. 엔진은 1 s 동안 위쪽으로 일정한 가속도 34 m/s²를 주고, 그 후 엔진이 멈추면 로켓은 자유 운동을 한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 로켓이 도달하는 최고 높이 hmax을(를) 구하시오.

a = 34 m/s²t1 = 1 sg = 9.81 m/s²
hmax = m
3.뉴턴 법칙보통
θ = 25°a = ?m = 9 kg

질량 9 kg인 블록이 수평과 25°를 이루는 경사면을 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.25이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 경사면을 따르는 블록의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 9 kgθ = 25°μ = 0.25g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
θ = 35°블록v₀ = 12 m/s

블록을 밀어 35° 경사로 위로 12 m/s의 속력으로 미끄러져 올라가게 한다. 운동 마찰 계수는 0.1이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 블록은 멈추기 전까지 경사로를 따라 얼마나 멀리 d 미끄러지는가?

v₀ = 12 m/sθ = 35°μ = 0.1g = 9.81 m/s²
d = m
5.포물선 운동보통
31 my = ?v0​ = 24 m/s25°

평지에서 공을 24 m/s, 수평 위 25°로 31 m 떨어진 벽을 향해 찬다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 공은 벽을 몇 m 높이 y에서 지나는가?

v₀ = 24 m/sθ = 25°x = 31 mg = 9.81 m/s²
y = m
6.포물선 운동어려움
h = 45 mv0​ = 14 m/s35°x = ?

공을 높이 45 m인 절벽 위에서 수평에서 35° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿기 전까지 이동한 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v0 = 14 m/sθ = 35°h = 45 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.원운동보통
r = 120 mvmax​ = ?

자동차가 반지름 120 m인 평평한 커브를 돈다. 타이어와 도로 사이의 정지 마찰 계수는 0.7이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 미끄러지지 않고 커브를 돌 수 있는 최대 속력 vmax을(를) 구하시오.

r = 120 mμs = 0.7g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.원운동어려움
r = 1 m10.5 m/svtop​ = ?

길이 1 m의 가벼운 줄에 매단 0.5 kg 공을 연직 원으로 돌린다. 가장 낮은 점에서의 속력은 10.5 m/s이다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 가장 높은 점에서 줄의 장력 Ttop을(를) 구하시오.

m = 0.5 kgr = 1 mvbottom = 10.5 m/sg = 9.81 m/s²
Ttop = N
9.일과 에너지보통
40°d = 9 mμ = 0.35

질량 2.5 kg인 블록이 수평과 40°를 이루는 경사면을 9 m 미끄러져 내려가며, 운동 마찰 계수는 0.35이다. 마찰에 대해 한 일 Wf을(를) 구하시오.

m = 2.5 kgθ = 40°μ = 0.35d = 9 mg = 9.81 m/s²
Wf = J
10.일과 에너지어려움
h = 5 mL = 2 mμ = 0.2k = 2500 N/m

질량 10 kg인 블록을 매끄러운 경사로의 높이 5 m에서 가만히 놓는다. 아래에서 길이 2 m인 거친 수평 구간(μ = 0.2)을 지난 뒤, 매끄러운 면에서 스프링(k = 2500 N/m)에 부딪힌다. 스프링의 최대 압축량 x을(를) 구하시오.

m = 10 kgh = 5 mL = 2 mμ = 0.2k = 2500 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
11.운동량과 충돌보통
1700 kg21 m/s500 kg

21 m/s로 움직이는 1700 kg 자동차가 정지해 있는 500 kg 자동차와 충돌해 두 차가 한 덩어리가 된다. 충돌에서 잃은 운동 에너지 ΔK은(는) 얼마인가?

m1 = 1700 kgv1 = 21 m/sm2 = 500 kgv2 = 0
ΔK = J
12.운동량과 충돌어려움
1900 kg24 m/s900 kg25 m/sv′ = ?

교차로에서 동쪽으로 24 m/s로 달리던 1900 kg 자동차가 북쪽으로 25 m/s로 달리던 900 kg 자동차와 충돌한다. 두 차는 한 덩어리가 된다. 충돌 직후 잔해의 속력 v′을(를) 구하시오.

m1 = 1900 kgv1 = 24 m/s (E)m2 = 900 kgv2 = 25 m/s (N)
v′ = m/s
13.용수철과 진자보통
L = 0.5 mT = 1.33 s

다른 행성의 우주 비행사가 길이 0.5 m인 단진자의 작은 진동 주기가 1.33 s임을 알아낸다. 그 행성의 중력 가속도 g을(를) 구하시오.

L = 0.5 mT = 1.33 s
g = m/s²
14.용수철과 진자어려움
0.7 kgk = 50 N/mA = 19 cm

k = 50 N/m인 용수철에 매단 0.7 kg 물체를 평형 위치에서 19 cm 당겼다가 놓는다. 최대 가속도 amax을(를) 구하시오.

m = 0.7 kgk = 50 N/mA = 19 cm
amax = m/s²
15.파동, 소리, 광학보통
S34 m/sOf = 300 Hz

300 Hz의 음원이 정지한 관측자를 향해 34 m/s로 움직인다. 소리의 속력은 343 m/s이다. 관측자가 듣는 진동수 f′을(를) 구하시오.

f = 300 Hzv = 343 m/svs = 34 m/s
f′ = Hz
16.파동, 소리, 광학어려움
θa​ = ?n1​ = 1.48n2​ = 1.46n0​ = 1.00

광섬유의 코어는 n₁ = 1.48이고 클래딩은 n₂ = 1.46이다. 공기 중의 빛이 섬유의 끝면으로 들어가 전반사로 계속 안내될 수 있는 섬유 축에 대한 최대 각 θa을(를) 구하시오.

n1 = 1.48n2 = 1.46n0 = 1.00
θa = °

3용액

1.운동학

답: d = 36.11 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.

단위

v₀ = 45/3.6 = 12.5 m/s

반응 거리

d1 = v₀·tr = 12.5·1.5 = 18.75 m

제동 거리

d2 = v₀²/(2a) = 12.5²/(2·4.5) = 17.36 m

합계

d = 18.75 + 17.36 = 36.11 m

답

d = 36.11 m
2.운동학

답: hmax = 75.92 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.

동력 비행 단계

v₁ = 34·1 = 34 m/s
h₁ = ½·34·1² = 17 m

위로의 자유 비행

최고점에서 속도는 0입니다.

Δh = v₁²/(2g) = 34²/(2·9.81) = 58.92 m
hmax = 17 + 58.92 = 75.92 m

답

hmax = 75.92 m
3.뉴턴 법칙

답: a = 1.923 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 25° − 0.25·cos 25°) = 9.81·(0.4226 − 0.2266) = 1.923 m/s²

답

a = 1.923 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: d = 11.2 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° + 0.1·cos 35°) = 6.43 m/s²

거리

d = v₀²/(2a) = 12²/(2·6.43) = 11.2 m

답

d = 11.2 m
5.포물선 운동

답: y = 4.493 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 = 24·cos 25° = 21.75 m/s
t = x/vx = 31/21.75 = 1.425 s

그 시각의 높이

y = 10.14·1.425 − ½·9.81·1.425² = 4.493 m

답

y = 4.493 m

공은 벽에서 이미 내려가는 중입니다.

6.포물선 운동

답: x = 45.37 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 35° = 11.47 m/s
vy = v0·sin θ = 14·sin 35° = 8.03 m/s

체공 시간

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

0 = 45 + 8.03·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (8.03 + √(64.48 + 882.9))/9.81 = 3.956 s

수평 거리

x = vx·t = 11.47·3.956 = 45.37 m

답

x = 45.37 m
7.원운동

답: vmax = 28.71 m/s

등속 원운동: 반지름 r인 원 위를 속력 v로 움직이는 물체는 중심 쪽으로 a = v²/r의 가속도를 가지므로, 중심을 향하는 알짜힘 F = m·v²/r이 필요합니다. 이 힘은 마찰력, 장력, 중력, 수직항력 같은 실제 힘이 제공합니다.

마찰력이 구심력을 제공한다

m·v²/r = μ·m·g
v = √(μ·g·r) = √(0.7·9.81·120) = 28.71 m/s

답

vmax = 28.71 m/s (103.3 km/h)
8.원운동

답: Ttop = 30.6 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 = 10.5² − 4·9.81·1 = 71.01 m²/s²

꼭대기에서의 힘

장력과 중력은 모두 아래, 중심을 향합니다.

T + m·g = m·vtop²/r
T = 0.5·71.01/1 − 0.5·9.81 = 30.6 N

답

Ttop = 30.6 N
9.일과 에너지

답: Wf = 59.18 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 = 24.53·0.766 = 18.79 N
F = μN = 0.35·18.79 = 6.576 N

마찰에 대한 일

Wf = F·d = 6.576·9 = 59.18 J

답

Wf = 59.18 J
10.일과 에너지

답: x = 60.08 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·(5 − 0.2·2) = 451.3 J

최대 압축량

½kx² = 451.3 → x = √(2·451.3/2500) = 0.6008 m = 60.08 cm

답

x = 60.08 cm
11.운동량과 충돌

답: ΔK = 85193 J

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) = 1700·21/2200 = 16.23 m/s

충돌 전후의 운동 에너지

Kbefore = ½·1700·21² = 374850 J
Kafter = ½·2200·16.23² = 289657 J

잃은 에너지

ΔK = 374850 − 289657 = 85193 J

답

ΔK = 85193 J

잃은 에너지는 변형, 열, 소리로 갑니다.

12.운동량과 충돌

답: v′ = 18.16 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 = 1900·24 = 45600 kg·m/s
py = 900·25 = 22500 kg·m/s

잔해의 속력

v′ = √(px² + py²)/(m1 + m2) = 50849/2800 = 18.16 m/s

답

v′ = 18.16 m/s
13.용수철과 진자

답: g = 11.16 m/s²

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.

g 구하기

g = 4π²·L/T² = 4π²·0.5/1.33² = 11.16 m/s²

답

g = 11.16 m/s²
14.용수철과 진자

답: amax = 13.57 m/s²

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 = √(50/0.7) = 8.452 rad/s

최대 가속도

amax = A·ω² = 0.19·8.452² = 13.57 m/s²

답

amax = 13.57 m/s²
15.파동, 소리, 광학

답: f′ = 333 Hz

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.

도플러 공식

f′ = f·(v + vo)/(v − vs) = 300·(343 + 0)/(343 − 34)
f′ = 333 Hz

답

f′ = 333 Hz
16.파동, 소리, 광학

답: θa = 14.03 °

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.

클래딩에서의 임계각

sin θc = 1.46/1.48 = 0.9865 → θc = 80.57°

개구수

NA = √(1.48² − 1.46²) = 0.2425

수광각

θa = arcsin(0.2425) = 14.03°

답

θa = 14.03°

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