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)5 s30

108 km/h로 달리던 자동차가 6 m/s²의 일정한 감속도로 제동하여 멈춘다. 제동 거리 s을(를) 구하시오.

v₀ = 108 km/ha = −6 m/s²v = 0
s = m
2.운동학어려움
t (s)v (m/s)12 s

트램이 정지 상태에서 출발해 12 s 동안 2 m/s²로 가속한 다음, 13 s 동안 등속으로 달리고, 마지막으로 2.5 m/s²로 제동해 멈춘다. 두 정류장 사이의 총거리 s을(를) 구하시오.

a1 = 2 m/s²t1 = 12 st2 = 13 sa3 = −2.5 m/s²
s = m
3.뉴턴 법칙보통
10 kg40°F = 90 Nμ = 0.25

10 kg 썰매를 수평 위 40° 방향의 로프로 90 N의 힘으로 평평한 눈 위에서 끈다. 운동 마찰 계수는 0.25이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 썰매의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 10 kgF = 90 Nθ = 40°μ = 0.25g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
θ = 15°블록v₀ = 8.5 m/s

블록을 밀어 15° 경사로 위로 8.5 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 = 8.5 m/sθ = 15°μ = 0.1g = 9.81 m/s²
d = m
5.포물선 운동보통
58 my = ?v0​ = 38 m/s50°

평지에서 공을 38 m/s, 수평 위 50°로 58 m 떨어진 벽을 향해 찬다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 공은 벽을 몇 m 높이 y에서 지나는가?

v₀ = 38 m/sθ = 50°x = 58 mg = 9.81 m/s²
y = m
6.포물선 운동어려움
h = 30 mv0​ = 17 m/s60°수평 도달 거리

공을 높이 30 m인 절벽 위에서 수평에서 60° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿을 때까지의 비행 시간 t을(를) 구하시오.

v0 = 17 m/sθ = 60°h = 30 mg = 9.81 m/s²
t = s
7.원운동보통
L = 1.8 m60°

길이 1.8 m인 줄에 매단 작은 공이 수평 원운동을 하며, 줄은 연직과 일정한 각 60°를 이룬다(원뿔 진자). g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 공의 속력 v을(를) 구하시오.

L = 1.8 mθ = 60°g = 9.81 m/s²
v = m/s
8.원운동어려움
θ = 10°중심 방향vmax​ = ?

반지름 190 m인 커브가 10° 기울어져 있고, 타이어와 도로 사이의 정지 마찰 계수는 0.15이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 자동차가 위쪽 바깥으로 미끄러지지 않고 커브를 돌 수 있는 최대 속력 vmax을(를) 구하시오.

r = 190 mθ = 10°μs = 0.15g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
9.일과 에너지보통
30°d = 5 mμ = 0.4

블록이 수평과 30°를 이루는 경사면을 정지 상태에서 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.4이다. 경사면을 따라 5 m 미끄러진 뒤의 속력 v을(를) 구하시오.

θ = 30°μ = 0.4d = 5 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
10.일과 에너지어려움
h = 8.8 mR = 2.5 mv = ?

2 kg 수레가 반지름 2.5 m인 연직 원형 루프로 이어지는 매끄러운 트랙 위 높이 8.8 m에서 가만히 놓인다. 루프 꼭대기에서 수레의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 2 kgh = 8.8 mR = 2.5 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.운동량과 충돌보통
1300 kg8 m/s1000 kg

8 m/s로 움직이는 1300 kg 자동차가 정지해 있는 1000 kg 자동차와 충돌해 두 차가 한 덩어리가 된다. 충돌에서 잃은 운동 에너지 ΔK은(는) 얼마인가?

m1 = 1300 kgv1 = 8 m/sm2 = 1000 kgv2 = 0
ΔK = J
12.운동량과 충돌어려움
16 m/s4 m/s

질량 0.2 kg인 공이 16 m/s로 벽에 부딪힌 뒤 4 m/s로 똑바로 튀어나온다. 접촉 시간은 10 ms이다. 벽이 공에 작용한 평균 힘 Favg을(를) 구하시오.

m = 0.2 kgvin = 16 m/svout = 4 m/sΔt = 10 ms
Favg = N
13.용수철과 진자보통
L = 1.5 m

단진자의 길이는 1.5 m이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 작게 흔들릴 때의 주기 T을(를) 구하시오.

L = 1.5 mg = 9.81 m/s²
T = s
14.용수철과 진자어려움
t (s)x (cm)t = ?3.75

한 물체가 주기 3.6 s, 진폭 15 cm로 단조화 운동을 한다. 최대 변위 15 cm에서 변위 3.75 cm까지 움직이는 데 필요한 최단 시간 t은(는) 얼마인가?

T = 3.6 sA = 15 cmx = 3.75 cm
t = s
15.파동, 소리, 광학보통
FFdo​ = 20 cmf = −8 cm

물체가 초점 거리 8 cm인 얇은 발산 렌즈 앞 20 cm에 서 있다. 배율 m을(를) 구하시오(거꾸로 선 상이면 음수).

do = 20 cmf = −8 cm
m =
16.파동, 소리, 광학어려움
λ = ?d = 0.4 mmL = 1.5 m2.25 mm

0.4 mm 떨어진 두 슬릿에 단색광을 비춘다. 1.5 m 떨어진 스크린에서 1번째 밝은 무늬가 중앙 무늬에서 2.25 mm에 있다. 파장 λ을(를) 구하시오.

d = 0.4 mmL = 1.5 my1 = 2.25 mmm = 1
λ = nm

3용액

1.운동학

답: s = 75 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 = 108/3.6 = 30 m/s

제동 거리

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 30²/(2·6) = 75 m

답

s = 75 m
2.운동학

답: s = 571.2 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 = 2·12 = 24 m/s

각 단계의 거리

s1 = ½·2·12² = 144 m
s2 = 24·13 = 312 m
s3 = 24²/(2·2.5) = 115.2 m

총거리

s = 144 + 312 + 115.2 = 571.2 m

답

s = 571.2 m
3.뉴턴 법칙

답: a = 5.888 m/s²

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.

수직항력

N = m·g − F·sin θ = 98.1 − 90·sin 40° = 40.25 N

수평 방향의 힘

m·a = F·cos θ − μ·N = 68.94 − 10.06
a = 58.88/10 = 5.888 m/s²

답

a = 5.888 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: d = 10.36 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 15° + 0.1·cos 15°) = 3.487 m/s²

거리

d = v₀²/(2a) = 8.5²/(2·3.487) = 10.36 m

답

d = 10.36 m
5.포물선 운동

답: y = 41.47 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 = 38·cos 50° = 24.43 m/s
t = x/vx = 58/24.43 = 2.375 s

그 시각의 높이

y = 29.11·2.375 − ½·9.81·2.375² = 41.47 m

답

y = 41.47 m

공은 벽에서 아직 올라가는 중입니다.

6.포물선 운동

답: t = 4.394 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 = 17·cos 60° = 8.5 m/s
vy = v0·sin θ = 17·sin 60° = 14.72 m/s

체공 시간

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

0 = 30 + 14.72·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (14.72 + √(216.8 + 588.6))/9.81 = 4.394 s

답

t = 4.394 s
7.원운동

답: v = 5.147 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 = 1.8·sin 60° = 1.559 m

속력

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

v = √(r·g·tan θ) = √(1.559·9.81·tan 60°) = 5.147 m/s

답

v = 5.147 m/s
8.원운동

답: vmax = 25 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 = √(190·9.81·0.3214/0.9588) = 25 m/s

답

vmax = 25 m/s
(89.98 km/h)
9.일과 에너지

답: v = 3.882 m/s

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).

경사면을 따른 에너지 수지

블록이 높이 d·sin θ만큼 내려가는 동안 마찰이 μmg·cos θ·d를 빼앗습니다. 질량이 소거됩니다.

½v² = g·d·(sin θ − μ·cos θ)
v = √(2·9.81·5·(0.5 − 0.4·0.866)) = 3.882 m/s

답

v = 3.882 m/s
10.일과 에너지

답: v = 8.635 m/s

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.

꼭대기에서의 속력

v² = 2g(h − 2R) = 2·9.81·(8.8 − 5) = 74.56 m²/s²
v = 8.635 m/s

답

v = 8.635 m/s

h = 2.5R이면 수레가 겨우 루프를 돌며, 이때 꼭대기에서 N = 0입니다.

11.운동량과 충돌

답: ΔK = 18087 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) = 1300·8/2300 = 4.522 m/s

충돌 전후의 운동 에너지

Kbefore = ½·1300·8² = 41600 J
Kafter = ½·2300·4.522² = 23513 J

잃은 에너지

ΔK = 41600 − 23513 = 18087 J

답

ΔK = 18087 J

잃은 에너지는 변형, 열, 소리로 갑니다.

12.운동량과 충돌

답: Favg = 400 N

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 = 0.2·(4 + 16) = 4 N·s

평균 힘

Favg = J/Δt = 4/0.01 = 400 N

답

Favg = 400 N
13.용수철과 진자

답: T = 2.457 s

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.

단진자의 주기

T = 2π·√(1.5/9.81) = 2.457 s

답

T = 2.457 s
14.용수철과 진자

답: t = 0.7552 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/3.6 = 1.745 rad/s

시간에 대해 풀기

0.25 = cos(ω·t) → ω·t = arccos(0.25) = 1.318 rad
t = 1.318/1.745 = 0.7552 s

답

t = 0.7552 s
15.파동, 소리, 광학

답: m = 0.2857

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.

얇은 렌즈 공식

1/di = 1/f − 1/do = 1/(−8) − 1/20
di = −5.714 cm
FF20 cmf = −8 cm

배율

m = −di/do = −(−5.714)/20 = 0.2857

답

m = 0.2857
16.파동, 소리, 광학

답: λ = 600 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 = y·d/(mL) = 0.00225·0.0004/(1·1.5) = 6 × 10⁻⁷ m = 600 nm

답

λ = 600 nm

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