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 = 2200 m

비행기가 이륙하려면 180 km/h의 속력이 필요하고 쓸 수 있는 활주로 길이는 2200 m이다. 정지 상태에서 출발한다면 필요한 일정한 가속도 a은(는) 얼마인가?

v₀ = 0v = 180 km/hs = 2200 m
a = m/s²
2.운동학어려움
v₀ = 17 m/s5 m

지면에서 5 m 높이에 있는 지붕 가장자리에서 공을 17 m/s로 똑바로 위로 던진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 쓴다. 던진 뒤 공이 지면에 닿을 때까지의 시간 t을(를) 구하시오.

v₀ = 17 m/sh₀ = 5 mg = 9.81 m/s²
t = s
3.뉴턴 법칙보통
θ = 20°a = ?m = 9 kg

질량 9 kg인 블록이 수평과 20°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 = 20°μ = 0.25g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
θ = 20°블록v₀ = 6 m/s

블록을 밀어 20° 경사로 위로 6 m/s의 속력으로 미끄러져 올라가게 한다. 운동 마찰 계수는 0.15이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 블록은 멈추기 전까지 경사로를 따라 얼마나 멀리 d 미끄러지는가?

v₀ = 6 m/sθ = 20°μ = 0.15g = 9.81 m/s²
d = m
5.포물선 운동보통
v0​ = 12 m/s60°x = ?

공을 평지에서 수평에서 60° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿기 전까지 이동한 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v0 = 12 m/sθ = 60°g = 9.81 m/s²
x = m
6.포물선 운동어려움
h = 50 mv0​ = 22 m/s55°α = ?

50 m 절벽 꼭대기에서 공을 22 m/s, 수평 위 55°로 발사한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 공은 수평 아래 몇 도 α의 각으로 지면에 닿는가?

v₀ = 22 m/sθ = 55°h = 50 mg = 9.81 m/s²
α = °
7.원운동보통
r = 2.8 mω = ?

놀이공원의 로터에서 탑승자는 반지름 2.8 m인 수직 원통의 벽에 기대어 선다. 충분히 빨리 돌면 바닥이 내려가고 마찰이 탑승자를 붙잡는다. 정지 마찰 계수는 0.3이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 최소 각속도 ω을(를) rad/s로 구하시오.

r = 2.8 mμs = 0.3g = 9.81 m/s²
ω = rad/s
8.원운동어려움
r = 0.6 m7.5 m/svtop​ = ?

길이 0.6 m의 가벼운 줄에 매단 0.6 kg 공을 연직 원으로 돌린다. 가장 낮은 점에서의 속력은 7.5 m/s이다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 가장 높은 점에서 줄의 장력 Ttop을(를) 구하시오.

m = 0.6 kgr = 0.6 mvbottom = 7.5 m/sg = 9.81 m/s²
Ttop = N
9.일과 에너지보통
0.05 kgk = 1000 N/mh = ?

장난감 발사기에 강성 1000 N/m인 수직 스프링이 있다. 0.05 kg 공을 올려놓고 스프링을 10 cm 압축한 다음 놓는다. 공기 저항과 스프링의 질량을 무시하고, 스프링이 압축되었을 때의 위치에서 잰 공의 상승 높이 h을(를) 구하시오.

m = 0.05 kgk = 1000 N/mx = 10 cmg = 9.81 m/s²
h = m
10.일과 에너지어려움
h = 3 mR = 1 mv = ?

0.5 kg 수레가 반지름 1 m인 연직 원형 루프로 이어지는 매끄러운 트랙 위 높이 3 m에서 가만히 놓인다. 루프 꼭대기에서 수레의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 0.5 kgh = 3 mR = 1 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.운동량과 충돌보통
2 kg56 m/s17 kgv′2​ = ?

수평으로 22 m/s로 움직이던 19 kg 발사체가 폭발해 같은 직선을 따라 움직이는 두 파편으로 나뉜다. 2 kg 파편은 56 m/s로 앞으로 계속 움직인다. 17 kg 파편의 속도 v′2(원래 방향을 양으로)을(를) 구하시오.

M = 19 kgu = 22 m/sm1 = 2 kgv′1 = 56 m/sm2 = 17 kg
v′2 = m/s
12.운동량과 충돌어려움
4 kgv = ?5 g25°L = 1.5 m

5 g 총알을 길이 1.5 m의 가벼운 줄에 매달린 4 kg 블록에 수평으로 쏘아 박히게 한다. 줄은 연직에서 최대 25°까지 흔들려 나간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 전 총알의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 5 gM = 4 kgL = 1.5 mθ = 25°g = 9.81 m/s²
v = m/s
13.용수철과 진자보통
t (s)x (cm)1.05 s

k = 100 N/m인 스프링에 매단 4 kg 질량을 양의 방향으로 12 cm 당겼다가 t = 0에 정지 상태에서 놓는다. t = 1.05 s에서 평형점으로부터의 변위 x(부호 포함)을(를) 구하시오.

m = 4 kgk = 100 N/mA = 12 cmt = 1.05 s
x = cm
14.용수철과 진자어려움
2.9 kgk = 240 N/m

k = 240 N/m인 늘어나지 않은 수직 스프링의 아래 끝에 2.9 kg 질량을 달고 정지 상태에서 놓는다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 질량의 최대 속력 vmax을(를) 구하시오.

m = 2.9 kgk = 240 N/mg = 9.81 m/s²
vmax = m/s
15.파동, 소리, 광학보통
FF1.5 cmdo​ = 30 cmf = 10 cm

높이 1.5 cm인 물체가 초점 거리 10 cm인 얇은 수렴 렌즈 앞 30 cm에 서 있다. 상의 높이 hi을(를) 구하시오(거꾸로 선 상이면 음수).

ho = 1.5 cmdo = 30 cmf = 10 cm
hi = cm
16.파동, 소리, 광학어려움
λ = 405 nmθ

회절 격자에 1 mm당 400개의 선이 있다. 파장 405 nm의 빛이 수직으로 입사한다. 볼 수 있는 밝은 극대의 가장 높은 차수 mmax은(는) 얼마인가?

N = 400 mm⁻¹λ = 405 nm
mmax =

3용액

1.운동학

답: a = 0.5682 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 = 180/3.6 = 50 m/s

가속도

a = v²/(2s) = 50²/(2·2200) = 0.5682 m/s²

답

a = 0.5682 m/s²
2.운동학

답: t = 3.739 s

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.

운동 방정식

위쪽이 양이고, 지면은 출발점보다 h₀ 아래에 있습니다.

−5 = 17·t − ½·9.81·t²
4.905·t² − 17·t − 5 = 0

이차방정식 풀기

물리적으로 의미 있는 것은 양의 근뿐입니다.

t = (17 + √(17² + 2·9.81·5))/9.81 = 3.739 s

답

t = 3.739 s
3.뉴턴 법칙

답: a = 1.051 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 20° − 0.25·cos 20°) = 9.81·(0.342 − 0.2349) = 1.051 m/s²

답

a = 1.051 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: d = 3.799 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 20° + 0.15·cos 20°) = 4.738 m/s²

거리

d = v₀²/(2a) = 6²/(2·4.738) = 3.799 m

답

d = 3.799 m
5.포물선 운동

답: x = 12.71 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 = 12·cos 60° = 6 m/s
vy = v0·sin θ = 12·sin 60° = 10.39 m/s

체공 시간

출발점과 착지점이 같은 높이: t = 2vy/g.

t = 2·10.39/9.81 = 2.119 s

수평 거리

x = vx·t = 6·2.119 = 12.71 m

답

x = 12.71 m
6.포물선 운동

답: α = 70.75 °

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 = 22·cos 55° = 12.62 m/s
vy0 = 22·sin 55° = 18.02 m/s

충돌 시 수직 속력

에너지 또는 수직 방향의 v² = v₀² + 2as.

vy = √(18.02² + 2·9.81·50) = 36.14 m/s

충돌 각

tan α = vy/vx = 36.14/12.62 → α = 70.75°

답

α = 70.75°
7.원운동

답: ω = 3.417 rad/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.

탑승자에 작용하는 힘

N = m·ω²·r
μ·N = m·g → μ·ω²·r = g

각속도

ω = √(g/(μ·r)) = √(9.81/(0.3·2.8)) = 3.417 rad/s

답

ω = 3.417 rad/s
8.원운동

답: Ttop = 26.82 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 = 7.5² − 4·9.81·0.6 = 32.71 m²/s²

꼭대기에서의 힘

장력과 중력은 모두 아래, 중심을 향합니다.

T + m·g = m·vtop²/r
T = 0.6·32.71/0.6 − 0.6·9.81 = 26.82 N

답

Ttop = 26.82 N
9.일과 에너지

답: h = 10.19 m

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).

스프링 에너지

x = 10 cm = 0.1 m
½kx² = ½·1000·0.1² = 5 J

높이

m·g = 0.05·9.81 = 0.4905 N
h = ½kx²/(mg) = 5/0.4905 = 10.19 m

답

h = 10.19 m
10.일과 에너지

답: v = 4.429 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·(3 − 2) = 19.62 m²/s²
v = 4.429 m/s

답

v = 4.429 m/s

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

11.운동량과 충돌

답: v′2 = 18 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 = 19·22 = 418 kg·m/s

충돌 후 운동량

418 = 2·56 + 17·v′2
v′2 = (418 − 112)/17 = 18 m/s

답

v′2 = 18 m/s
12.운동량과 충돌

답: v = 1330 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) = 1.5·(1 − cos 25°) = 0.1405 m

충돌 후의 속력

V = √(2·9.81·0.1405) = 1.661 m/s

충돌

v = (m + M)·V/m = 4.005·1.661/0.005 = 1330 m/s

답

v = 1330 m/s
13.용수철과 진자

답: x = 6.145 cm

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 = √(100/4) = 5 rad/s
ω·t = 5·1.05 = 5.25 rad

변위

x = A·cos(ω·t) = 12·cos(5.25) = 6.145 cm

답

x = 6.145 cm
14.용수철과 진자

답: vmax = 1.078 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.

평형점과 진폭

x₀ = m·g/k = 2.9·9.81/240 = 0.1185 m = A

최대 속력

속력은 평형점에서 가장 큽니다.

ω = √(240/2.9) = 9.097 rad/s
vmax = A·ω = 0.1185·9.097 = 1.078 m/s

답

vmax = 1.078 m/s
15.파동, 소리, 광학

답: hi = −0.75 cm

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 = 1/10 − 1/30
di = 15 cm
FF30 cmf = 10 cm

배율과 높이

m = −15/30 = −0.5
hi = −0.5·1.5 = −0.75 cm

답

hi = −0.75 cm
16.파동, 소리, 광학

답: mmax = 6

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 = 1/400 mm = 2.5 µm

가장 높은 차수

m ≤ d/λ = 2.5 µm/0.405 µm = 6.173 → mmax = 6

답

mmax = 6

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