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
경찰a = 3.5 m/s²자동차33 m/s

일정한 33 m/s로 과속하는 자동차가 정지해 있는 경찰차를 지나간다. 그 순간 경찰차가 출발해 3.5 m/s²로 균일하게 가속한다. 경찰차는 출발점에서 얼마나 떨어진 곳에서 따라잡는가? d을(를) 구하시오.

vcar = 33 m/sapolice = 3.5 m/s²v0,police = 0
d = m
2.운동학어려움
a = 38 m/s²

모형 로켓을 정지 상태에서 똑바로 위로 발사한다. 엔진은 1 s 동안 위쪽으로 일정한 가속도 38 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 = 38 m/s²t1 = 1 sg = 9.81 m/s²
hmax = m
3.뉴턴 법칙보통
θ = 25°a = ?m = 2 kg

질량 2 kg인 블록이 수평과 25°를 이루는 마찰 없는 경사면을 미끄러져 내려간다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 경사면을 따르는 블록의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 2 kgθ = 25°μ = 0g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 1.5 kg3.5 kgθ = 40°

40° 경사로 위의 1.5 kg 블록이 경사로 꼭대기의 마찰 없는 도르래를 지나는 가벼운 줄로 매달린 3.5 kg 질량과 연결되어 있다. 매달린 질량은 아래로 움직인다. 블록과 경사로 사이의 운동 마찰 계수는 0.25이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m1 = 1.5 kgm2 = 3.5 kgθ = 40°μ = 0.25g = 9.81 m/s²
T = N
5.포물선 운동보통
v0​ = 36 m/sθ = ?R = 80 m

평지에서 공을 36 m/s로 발사해 80 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 = 36 m/sR = 80 mg = 9.81 m/s²
θ = °
6.포물선 운동어려움
h = 55 mv0​ = 34 m/s25°v = ?

55 m 절벽 꼭대기에서 공을 34 m/s, 수평 위 25°로 발사한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 지면에 닿는 속력 v을(를) 구하시오.

v₀ = 34 m/sθ = 25°h = 55 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
7.원운동보통
r = 70 mvmax​ = ?

자동차가 반지름 70 m인 평평한 커브를 돈다. 타이어와 도로 사이의 정지 마찰 계수는 0.4이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 미끄러지지 않고 커브를 돌 수 있는 최대 속력 vmax을(를) 구하시오.

r = 70 mμs = 0.4g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.원운동어려움
θ = 18°중심 방향vmax​ = ?

반지름 40 m인 커브가 18° 기울어져 있고, 타이어와 도로 사이의 정지 마찰 계수는 0.3이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 자동차가 위쪽 바깥으로 미끄러지지 않고 커브를 돌 수 있는 최대 속력 vmax을(를) 구하시오.

r = 40 mθ = 18°μs = 0.3g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
9.일과 에너지보통
60°L = 1 m2 kg

2 kg 공이 길이 1 m인 가벼운 줄에 매달려 있다. 줄이 연직과 60°를 이룰 때까지 옆으로 당겼다가 가만히 놓는다. 공이 가장 낮은 점을 지날 때 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m = 2 kgL = 1 mθ = 60°g = 9.81 m/s²
T = N
10.일과 에너지어려움
h = 2.5 mL = 2 mμ = 0.15k = 5000 N/m

질량 10 kg인 블록을 매끄러운 경사로의 높이 2.5 m에서 가만히 놓는다. 아래에서 길이 2 m인 거친 수평 구간(μ = 0.15)을 지난 뒤, 매끄러운 면에서 스프링(k = 5000 N/m)에 부딪힌다. 스프링의 최대 압축량 x을(를) 구하시오.

m = 10 kgh = 2.5 mL = 2 mμ = 0.15k = 5000 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
11.운동량과 충돌보통
5 kg7 m/s2 kg

7 m/s로 움직이는 질량 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 = 5 kgm2 = 2 kgv1 = 7 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.운동량과 충돌어려움
4 kgv = ?10 g40°L = 0.6 m

10 g 총알을 길이 0.6 m의 가벼운 줄에 매달린 4 kg 블록에 수평으로 쏘아 박히게 한다. 줄은 연직에서 최대 40°까지 흔들려 나간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 전 총알의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 10 gM = 4 kgL = 0.6 mθ = 40°g = 9.81 m/s²
v = m/s
13.용수철과 진자보통
L = 0.8 mT = 2.91 s

다른 행성의 우주 비행사가 길이 0.8 m인 단진자의 작은 진동 주기가 2.91 s임을 알아낸다. 그 행성의 중력 가속도 g을(를) 구하시오.

L = 0.8 mT = 2.91 s
g = m/s²
14.용수철과 진자어려움
mk = 170 N/mA = 14 cmx = 8 cm

k = 170 N/m인 스프링에 매단 질량이 마찰 없는 면 위에서 진폭 14 cm로 진동한다. 평형점에서 8 cm 떨어져 있을 때의 운동 에너지 K을(를) 구하시오.

k = 170 N/mA = 14 cmx = 8 cm
K = J
15.파동, 소리, 광학보통
95 dB?10 m80 m

작은 음원이 모든 방향으로 똑같이 소리를 낸다. 음원에서 10 m 떨어진 곳의 수준이 95 dB이다. 흡수와 반사를 무시할 때 80 m 떨어진 곳의 수준 β2을(를) 구하시오.

β1 = 95 dBr1 = 10 mr2 = 80 m
β2 = dB
16.파동, 소리, 광학어려움
λ = 500 nma = 0.1 mmL = 1 m

파장 500 nm의 빛이 폭 0.1 mm의 단일 슬릿을 통과한다. 1 m 떨어진 스크린에서 중앙 밝은 극대의 폭 w(양쪽 첫 번째 어두운 무늬 사이)을 구하시오.

λ = 500 nma = 0.1 mmL = 1 m
w = mm

3용액

1.운동학

답: d = 622.3 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.

같은 거리

v·t = ½·a·t² → t = 2v/a = 2·33/3.5 = 18.86 s

거리

d = v·t = 33·18.86 = 622.3 m

답

d = 622.3 m

그 순간 경찰차는 2v = 66 m/s로 움직입니다.

2.운동학

답: hmax = 92.6 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 = 38·1 = 38 m/s
h₁ = ½·38·1² = 19 m

위로의 자유 비행

최고점에서 속도는 0입니다.

Δh = v₁²/(2g) = 38²/(2·9.81) = 73.6 m
hmax = 19 + 73.6 = 92.6 m

답

hmax = 92.6 m
3.뉴턴 법칙

답: a = 4.146 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·cos 25°) = 9.81·(0.4226 − 0) = 4.146 m/s²

답

a = 4.146 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: T = 18.89 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 = 34.34 N
m₁·g·sin θ = 9.459 N
μ·m₁·g·cos θ = 2.818 N

계의 가속도

a = (34.34 − 9.459 − 2.818)/5 = 4.412 m/s²

매달린 질량에서 구한 장력

m2·g − T = m2·a → T = 3.5·(9.81 − 4.412) = 18.89 N

답

T = 18.89 N
5.포물선 운동

답: θ = 18.63 °

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 = 9.81·80/36² = 0.6056

위상각

2θ = 37.27° → θ = 18.63°

답

θ = 18.63°

다른 해는 90° − θ = 71.37°입니다.

6.포물선 운동

답: v = 47.28 m/s

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 = 34·cos 25° = 30.81 m/s
vy0 = 34·sin 25° = 14.37 m/s

충돌 시 수직 속력

에너지 또는 수직 방향의 v² = v₀² + 2as.

vy = √(14.37² + 2·9.81·55) = 35.85 m/s

충돌 속력

v = √(30.81² + 35.85²) = 47.28 m/s

답

v = 47.28 m/s

에너지로 검산: v² = v₀² + 2gh.

7.원운동

답: vmax = 16.57 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) = √(0.4·9.81·70) = 16.57 m/s

답

vmax = 16.57 m/s (59.66 km/h)
8.원운동

답: vmax = 16.48 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.

힘의 평형

마찰은 경사면 아래를 향합니다.

N·(sin θ + μ·cos θ) = m·v²/r
N·(cos θ − μ·sin θ) = m·g

속력

v = √(40·9.81·0.5943/0.8584) = 16.48 m/s

답

vmax = 16.48 m/s
(59.34 km/h)
9.일과 에너지

답: T = 39.24 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) = 2·9.81·1·(1 − cos 60°) = 9.81 m²/s²

바닥에서의 힘

m·g = 2·9.81 = 19.62 N
T = mg + mv²/L = 19.62 + 2·9.81/1 = 39.24 N

답

T = 39.24 N

검산: T = mg(3 − 2cos θ) = 39.24 N.

10.일과 에너지

답: x = 29.38 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·(2.5 − 0.15·2) = 215.8 J

최대 압축량

½kx² = 215.8 → x = √(2·215.8/5000) = 0.2938 m = 29.38 cm

답

x = 29.38 cm
11.운동량과 충돌

답: v′2 = 10 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 = (5 − 2)/(5 + 2)·7 = 3 m/s
v′2 = 2·5/(5 + 2)·7 = 10 m/s

답

v′2 = 10 m/s
12.운동량과 충돌

답: v = 665.5 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) = 0.6·(1 − cos 40°) = 0.1404 m

충돌 후의 속력

V = √(2·9.81·0.1404) = 1.66 m/s

충돌

v = (m + M)·V/m = 4.01·1.66/0.01 = 665.5 m/s

답

v = 665.5 m/s
13.용수철과 진자

답: g = 3.73 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 = 4π²·0.8/2.91² = 3.73 m/s²

답

g = 3.73 m/s²
14.용수철과 진자

답: K = 1.122 J

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.

전체 에너지

E = ½·k·A² = ½·170·0.14² = 1.666 J

x에서의 스프링 에너지

U = ½·k·x² = ½·170·0.08² = 0.544 J

운동 에너지

K = 1.666 − 0.544 = 1.122 J

답

K = 1.122 J
15.파동, 소리, 광학

답: β2 = 76.94 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).

세기의 비

I₂/I₁ = (10/80)² = 0.01563

새로운 수준

β₂ = 95 + 10·log₁₀(0.01563) = 76.94 dB

답

β2 = 76.94 dB

거리가 두 배가 될 때마다 수준이 약 6 dB씩 낮아집니다.

16.파동, 소리, 광학

답: w = 10 mm

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.

첫 번째 어두운 무늬

y₁ = λL/a = 500 × 10⁻⁹·1/(0.1 × 10⁻³) = 5 mm

중앙 극대의 폭

w = 2y₁ = 10 mm

답

w = 10 mm

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