물리학 1: 역학: 벼락치기 팩

공식 모음, 모든 주제의 핵심 풀이 단계, 연습 문제 16개가 들어 있으며 전체 풀이는 맨 뒤에 있습니다.

새 문제강의로 돌아가기

인쇄 창에서 “PDF로 저장”을 선택하면 기기에 사본을 보관할 수 있습니다.

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)4.286 s15

54 km/h로 달리던 자동차가 3.5 m/s²의 일정한 감속도로 제동하여 멈춘다. 제동 거리 s을(를) 구하시오.

v₀ = 54 km/ha = −3.5 m/s²v = 0
s = m
2.운동학어려움
t (s)v (m/s)5 s

트램이 정지 상태에서 출발해 5 s 동안 1.5 m/s²로 가속한 다음, 6 s 동안 등속으로 달리고, 마지막으로 4 m/s²로 제동해 멈춘다. 두 정류장 사이의 총거리 s을(를) 구하시오.

a1 = 1.5 m/s²t1 = 5 st2 = 6 sa3 = −4 m/s²
s = m
3.뉴턴 법칙보통
θ = 35°a = ?m = 19 kg

질량 19 kg인 블록이 수평과 35°를 이루는 경사면을 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.25이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 경사면을 따르는 블록의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 19 kgθ = 35°μ = 0.25g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 9 kg4 kgμ = 0.3

수평 탁자 위에 있는 질량 9 kg인 블록이 가벼운 줄로 마찰 없는 도르래를 거쳐 매달린 4 kg 물체와 연결되어 있다. 블록과 탁자 사이의 운동 마찰 계수는 0.3이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m1 = 9 kgm2 = 4 kgμ = 0.3g = 9.81 m/s²
T = N
5.포물선 운동보통
v0​ = ?25°R = 45 m

평지에서 공을 수평 위 25°로 발사하자 45 m 떨어진 곳에 떨어진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 발사 속력 v0을(를) 구하시오.

θ = 25°R = 45 mg = 9.81 m/s²
v0 = m/s
6.포물선 운동어려움
h = 45 mv0​ = 14 m/s40°α = ?

45 m 절벽 꼭대기에서 공을 14 m/s, 수평 위 40°로 발사한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 공은 수평 아래 몇 도 α의 각으로 지면에 닿는가?

v₀ = 14 m/sθ = 40°h = 45 mg = 9.81 m/s²
α = °
7.원운동보통
L = 1.5 m50°

길이 1.5 m인 줄에 매단 작은 공이 수평 원운동을 하며, 줄은 연직과 일정한 각 50°를 이룬다(원뿔 진자). g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 공의 속력 v을(를) 구하시오.

L = 1.5 mθ = 50°g = 9.81 m/s²
v = m/s
8.원운동어려움
r = 1.5 mv = ?

길이 1.5 m인 줄에 매단 공을 연직면에서 원운동시킨다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 줄이 겨우 팽팽하게 유지되는 최고점에서의 최소 속력 vmin을(를) 구하시오.

r = 1.5 mg = 9.81 m/s²
vmin = m/s
9.일과 에너지보통
30°d = 13 mμ = 0.3

질량 5 kg인 블록이 수평과 30°를 이루는 경사면을 13 m 미끄러져 내려가며, 운동 마찰 계수는 0.3이다. 마찰에 대해 한 일 Wf을(를) 구하시오.

m = 5 kgθ = 30°μ = 0.3d = 13 mg = 9.81 m/s²
Wf = J
10.일과 에너지어려움
h = 3.5 mL = 2 mμ = 0.2k = 1500 N/m

질량 5 kg인 블록을 매끄러운 경사로의 높이 3.5 m에서 가만히 놓는다. 아래에서 길이 2 m인 거친 수평 구간(μ = 0.2)을 지난 뒤, 매끄러운 면에서 스프링(k = 1500 N/m)에 부딪힌다. 스프링의 최대 압축량 x을(를) 구하시오.

m = 5 kgh = 3.5 mL = 2 mμ = 0.2k = 1500 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
11.운동량과 충돌보통
3 kg81 m/s3 kgv′2​ = ?

수평으로 36 m/s로 움직이던 6 kg 발사체가 폭발해 같은 직선을 따라 움직이는 두 파편으로 나뉜다. 3 kg 파편은 81 m/s로 앞으로 계속 움직인다. 3 kg 파편의 속도 v′2(원래 방향을 양으로)을(를) 구하시오.

M = 6 kgu = 36 m/sm1 = 3 kgv′1 = 81 m/sm2 = 3 kg
v′2 = m/s
12.운동량과 충돌어려움
5 kgv = ?5 g30°L = 1.7 m

5 g 총알을 길이 1.7 m의 가벼운 줄에 매달린 5 kg 블록에 수평으로 쏘아 박히게 한다. 줄은 연직에서 최대 30°까지 흔들려 나간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 전 총알의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 5 gM = 5 kgL = 1.7 mθ = 30°g = 9.81 m/s²
v = m/s
13.용수철과 진자보통
t (s)x (cm)0.65 s

k = 110 N/m인 스프링에 매단 3.9 kg 질량을 양의 방향으로 11 cm 당겼다가 t = 0에 정지 상태에서 놓는다. t = 0.65 s에서의 속도 v(부호 포함)을(를) 구하시오.

m = 3.9 kgk = 110 N/mA = 11 cmt = 0.65 s
v = m/s
14.용수철과 진자어려움
t (s)x (cm)t = ?12.75

한 물체가 주기 0.4 s, 진폭 17 cm로 단조화 운동을 한다. 평형점에서 변위 12.75 cm까지 움직이는 데 필요한 최단 시간 t은(는) 얼마인가?

T = 0.4 sA = 17 cmx = 12.75 cm
t = s
15.파동, 소리, 광학보통
P2 × 80 dB

기계 한 대가 어떤 점에서 80 dB의 음의 세기 수준을 낸다. 같은 기계 2대가 동시에 작동할 때 그 점에서의 수준 β을(를) 구하시오(비간섭성 음원).

β1 = 80 dBn = 2
β = dB
16.파동, 소리, 광학어려움
λ = ?54.1°

1 mm당 600개의 선이 있는 격자에서 스펙트럼선의 3차 극대가 직진 방향에서 54.1°에 나타난다. 그 선의 파장 λ을(를) 구하시오.

N = 600 mm⁻¹θ3 = 54.1°m = 3
λ = nm

3용액

1.운동학

답: s = 32.14 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.

단위

v₀ = 54/3.6 = 15 m/s

제동 거리

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 15²/(2·3.5) = 32.14 m

답

s = 32.14 m
2.운동학

답: s = 70.78 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 = 1.5·5 = 7.5 m/s

각 단계의 거리

s1 = ½·1.5·5² = 18.75 m
s2 = 7.5·6 = 45 m
s3 = 7.5²/(2·4) = 7.031 m

총거리

s = 18.75 + 45 + 7.031 = 70.78 m

답

s = 70.78 m
3.뉴턴 법칙

답: a = 3.618 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 35° − 0.25·cos 35°) = 9.81·(0.5736 − 0.2048) = 3.618 m/s²

답

a = 3.618 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: T = 35.32 N

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) = (39.24 − 26.49)/13 = 0.981 m/s²

탁자 위 블록에서 구한 장력

T − μ·m1·g = m1·a
T = 9·0.981 + 26.49 = 35.32 N

답

T = 35.32 N
5.포물선 운동

답: v0 = 24.01 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.

수평 도달 거리 공식을 v₀에 대해 풀기

v₀ = √(g·R/sin 2θ) = √(9.81·45/sin 50°) = 24.01 m/s

답

v0 = 24.01 m/s
6.포물선 운동

답: α = 70.94 °

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 = 14·cos 40° = 10.72 m/s
vy0 = 14·sin 40° = 8.999 m/s

충돌 시 수직 속력

에너지 또는 수직 방향의 v² = v₀² + 2as.

vy = √(8.999² + 2·9.81·45) = 31.05 m/s

충돌 각

tan α = vy/vx = 31.05/10.72 → α = 70.94°

답

α = 70.94°
7.원운동

답: v = 3.665 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.

원의 반지름

r = L·sin θ = 1.5·sin 50° = 1.149 m

속력

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

v = √(r·g·tan θ) = √(1.149·9.81·tan 50°) = 3.665 m/s

답

v = 3.665 m/s
8.원운동

답: vmin = 3.836 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.

최고점에서 장력 0

m·g = m·v²/r → v = √(g·r) = √(9.81·1.5) = 3.836 m/s

답

vmin = 3.836 m/s
9.일과 에너지

답: Wf = 165.7 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 = 49.05·0.866 = 42.48 N
F = μN = 0.3·42.48 = 12.74 N

마찰에 대한 일

Wf = F·d = 12.74·13 = 165.7 J

답

Wf = 165.7 J
10.일과 에너지

답: x = 45.03 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 = 49.05·(3.5 − 0.2·2) = 152.1 J

최대 압축량

½kx² = 152.1 → x = √(2·152.1/1500) = 0.4503 m = 45.03 cm

답

x = 45.03 cm
11.운동량과 충돌

답: v′2 = −9 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.

충돌 전 운동량

p = M·u = 6·36 = 216 kg·m/s

충돌 후 운동량

216 = 3·81 + 3·v′2
v′2 = (216 − 243)/3 = −9 m/s

답

v′2 = −9 m/s

음의 부호는 두 번째 파편이 뒤로 날아간다는 뜻입니다.

12.운동량과 충돌

답: v = 2116 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) = 1.7·(1 − cos 30°) = 0.2278 m

충돌 후의 속력

V = √(2·9.81·0.2278) = 2.114 m/s

충돌

v = (m + M)·V/m = 5.005·2.114/0.005 = 2116 m/s

답

v = 2116 m/s
13.용수철과 진자

답: v = 0.1785 m/s

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 = √(110/3.9) = 5.311 rad/s
ω·t = 5.311·0.65 = 3.452 rad

속도

v = −A·ω·sin(ω·t) = −0.11·5.311·sin(3.452) = 0.1785 m/s

답

v = 0.1785 m/s
14.용수철과 진자

답: t = 0.05399 s

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 = 2π/T = 2π/0.4 = 15.71 rad/s

시간에 대해 풀기

0.75 = sin(ω·t) → ω·t = arcsin(0.75) = 0.8481 rad
t = 0.8481/15.71 = 0.05399 s

답

t = 0.05399 s
15.파동, 소리, 광학

답: β = 83.01 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).

전체 세기

I = 2·I₁

난이도

β = 80 + 10·log₁₀(2) = 83.01 dB

답

β = 83.01 dB
16.파동, 소리, 광학

답: λ = 450 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 54.1°/3 = 450 nm

답

λ = 450 nm

ExamProblems · examproblems.com/courses/physics-1-mechanics