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 = 4 m/s²자동차31 m/s

일정한 31 m/s로 과속하는 자동차가 정지해 있는 경찰차를 지나간다. 그 순간 경찰차가 출발해 4 m/s²로 균일하게 가속한다. 경찰차가 따라잡는 데 얼마나 걸리는가? t을(를) 구하시오.

vcar = 31 m/sapolice = 4 m/s²v0,police = 0
t = s
2.운동학어려움
AB: 24 m/s15 m

공 A를 높이 15 m에서 가만히 떨어뜨린다. 같은 순간 바로 아래 지면에서 공 B를 24 m/s로 똑바로 위로 던진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 두 공은 언제 만나는가? t을(를) 구하시오.

H = 15 mv0B = 24 m/sg = 9.81 m/s²
t = s
3.뉴턴 법칙보통
θ = 25°50 kgF = ?

50 kg 상자를 수평과 25°를 이루는 경사로 위로 경사로에 평행한 힘으로 일정한 속력으로 민다. 운동 마찰 계수는 0.15이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 미는 힘 F을(를) 구하시오.

m = 50 kgθ = 25°μ = 0.15g = 9.81 m/s²
F = N
4.뉴턴 법칙어려움
θ = 15°블록v₀ = 3.5 m/s

블록을 밀어 15° 경사로 위로 3.5 m/s의 속력으로 미끄러져 올라가게 한다. 운동 마찰 계수는 0.3이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 블록은 멈추기 전까지 경사로를 따라 얼마나 멀리 d 미끄러지는가?

v₀ = 3.5 m/sθ = 15°μ = 0.3g = 9.81 m/s²
d = m
5.포물선 운동보통
v0​ = 32 m/s25°수평 도달 거리

공을 평지에서 수평에서 25° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿을 때까지의 비행 시간 t을(를) 구하시오.

v0 = 32 m/sθ = 25°g = 9.81 m/s²
t = s
6.포물선 운동어려움
h = 20 mv0​ = 16 m/s60°x = ?

공을 높이 20 m인 절벽 위에서 수평에서 60° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿기 전까지 이동한 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v0 = 16 m/sθ = 60°h = 20 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.원운동보통
r = 3.7 mn = ?

놀이공원의 로터에서 탑승자는 반지름 3.7 m인 수직 원통의 벽에 기대어 선다. 충분히 빨리 돌면 바닥이 내려가고 마찰이 탑승자를 붙잡는다. 정지 마찰 계수는 0.6이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 최소 회전수 n을(를) 분당 회전수로 구하시오.

r = 3.7 mμs = 0.6g = 9.81 m/s²
n = rpm
8.원운동어려움
R = 7 mh = 31.5 m

3 kg 수레가 마찰 없는 트랙 위 높이 31.5 m에서 정지 상태로 놓여 반지름 7 m의 연직 루프를 지난다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 루프 바닥에서 트랙이 수레에 작용하는 수직항력 Nbottom을(를) 구하시오.

m = 3 kgh = 31.5 mR = 7 mg = 9.81 m/s²
Nbottom = N
9.일과 에너지보통
35°d = 20 mμ = 0.4

질량 4 kg인 블록이 수평과 35°를 이루는 경사면을 20 m 미끄러져 내려가며, 운동 마찰 계수는 0.4이다. 마찰에 대해 한 일 Wf을(를) 구하시오.

m = 4 kgθ = 35°μ = 0.4d = 20 mg = 9.81 m/s²
Wf = J
10.일과 에너지어려움
2 kg3 kgμ = 0.4d = 2.5 m

2 kg 블록이 거친 수평 테이블(μ = 0.4) 위에 놓여 있다. 가벼운 줄이 블록에서 테이블 가장자리의 매끄러운 도르래를 지나 매달린 3 kg 블록에 연결되어 있다. 계를 정지 상태에서 놓는다. 매달린 블록이 2.5 m 내려간 뒤 블록들의 속력 v을(를) 구하시오.

m1 = 2 kgm2 = 3 kgμ = 0.4d = 2.5 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.운동량과 충돌보통
2.5 kg12 m/s5 kg

12 m/s로 움직이는 질량 2.5 kg인 글라이더가 마찰 없는 트랙 위에 정지해 있는 질량 5 kg인 글라이더와 완전 탄성 정면충돌을 한다. 충돌 후 두 번째 글라이더의 속도 v′2을(를) 구하시오.

m1 = 2.5 kgm2 = 5 kgv1 = 12 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.운동량과 충돌어려움
1 kgv = ?20 g30°L = 1.3 m

20 g 총알을 길이 1.3 m의 가벼운 줄에 매달린 1 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 = 20 gM = 1 kgL = 1.3 mθ = 30°g = 9.81 m/s²
v = m/s
13.용수철과 진자보통
L = 1.6 m

단진자의 길이는 1.6 m이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 작게 흔들릴 때의 주기 T을(를) 구하시오.

L = 1.6 mg = 9.81 m/s²
T = s
14.용수철과 진자어려움
t (s)x (cm)t = ?3.75

한 물체가 주기 0.7 s, 진폭 5 cm로 단조화 운동을 한다. 최대 변위 5 cm에서 변위 3.75 cm까지 움직이는 데 필요한 최단 시간 t은(는) 얼마인가?

T = 0.7 sA = 5 cmx = 3.75 cm
t = s
15.파동, 소리, 광학보통
FFdo​ = 20 cmf = −25 cm

물체가 초점 거리 25 cm인 얇은 발산 렌즈 앞 20 cm에 서 있다. 배율 m을(를) 구하시오(거꾸로 선 상이면 음수).

do = 20 cmf = −25 cm
m =
16.파동, 소리, 광학어려움
λ = 633 nmθ1​ = ?

파장 633 nm의 빛이 1 mm당 400개의 선이 있는 격자에 수직으로 입사한다. 1차 극대의 각 θ1을(를) 구하시오.

N = 400 mm⁻¹λ = 633 nmm = 1
θ1 = °

3용액

1.운동학

답: t = 15.5 s

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 = 2·31/4 = 15.5 s

답

t = 15.5 s

그 순간 경찰차는 2v = 62 m/s로 움직입니다.

2.운동학

답: t = 0.625 s

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.

만나는 시간

위쪽을 양으로 하고, 지면은 y = 0입니다.

15 − ½g·t² = 24·t − ½g·t² → t = 15/24 = 0.625 s

답

t = 0.625 s
3.뉴턴 법칙

답: F = 274 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.

경사면 방향의 힘

일정한 속력: 힘이 평형을 이룹니다.

F = m·g·sin θ + μ·m·g·cos θ

미는 힘

F = 207.3 + 66.68 = 274 N

답

F = 274 N
4.뉴턴 법칙

답: d = 1.138 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° + 0.3·cos 15°) = 5.382 m/s²

거리

d = v₀²/(2a) = 3.5²/(2·5.382) = 1.138 m

답

d = 1.138 m
5.포물선 운동

답: t = 2.757 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 = 32·cos 25° = 29 m/s
vy = v0·sin θ = 32·sin 25° = 13.52 m/s

체공 시간

출발점과 착지점이 같은 높이: t = 2vy/g.

t = 2·13.52/9.81 = 2.757 s

답

t = 2.757 s
6.포물선 운동

답: x = 31.01 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 = 16·cos 60° = 8 m/s
vy = v0·sin θ = 16·sin 60° = 13.86 m/s

체공 시간

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

0 = 20 + 13.86·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (13.86 + √(192 + 392.4))/9.81 = 3.877 s

수평 거리

x = vx·t = 8·3.877 = 31.01 m

답

x = 31.01 m
7.원운동

답: n = 20.07 rpm

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/(0.6·3.7)) = 2.102 rad/s

회전수

n = ω·60/(2π) = 20.07 rpm

답

n = 20.07 rpm
8.원운동

답: Nbottom = 294.3 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.

에너지 보존에서 구한 속력

v² = 2·9.81·31.5 = 618 m²/s²

힘

중심 방향을 양으로.

N = m·v²/R + m·g = 3·618/7 + 29.43 = 294.3 N

답

Nbottom = 294.3 N
9.일과 에너지

답: Wf = 257.1 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 = 39.24·0.8192 = 32.14 N
F = μN = 0.4·32.14 = 12.86 N

마찰에 대한 일

Wf = F·d = 12.86·20 = 257.1 J

답

Wf = 257.1 J
10.일과 에너지

답: v = 4.646 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).

방출되고 손실된 에너지

m₂g·d = 29.43·2.5 = 73.58 J
μ·m₁g·d = 0.4·19.62·2.5 = 19.62 J

두 블록의 운동 에너지

½(m₁ + m₂)v² = 53.95 → v = √(2·53.95/5) = 4.646 m/s

답

v = 4.646 m/s
11.운동량과 충돌

답: v′2 = 8 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 = (2.5 − 5)/(2.5 + 5)·12 = −4 m/s
v′2 = 2·2.5/(2.5 + 5)·12 = 8 m/s

답

v′2 = 8 m/s
12.운동량과 충돌

답: v = 94.28 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) = 1.3·(1 − cos 30°) = 0.1742 m

충돌 후의 속력

V = √(2·9.81·0.1742) = 1.849 m/s

충돌

v = (m + M)·V/m = 1.02·1.849/0.02 = 94.28 m/s

답

v = 94.28 m/s
13.용수철과 진자

답: T = 2.537 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·√(1.6/9.81) = 2.537 s

답

T = 2.537 s
14.용수철과 진자

답: t = 0.08052 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/0.7 = 8.976 rad/s

시간에 대해 풀기

0.75 = cos(ω·t) → ω·t = arccos(0.75) = 0.7227 rad
t = 0.7227/8.976 = 0.08052 s

답

t = 0.08052 s
15.파동, 소리, 광학

답: m = 0.5556

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/(−25) − 1/20
di = −11.11 cm
FF20 cmf = −25 cm

배율

m = −di/do = −(−11.11)/20 = 0.5556

답

m = 0.5556
16.파동, 소리, 광학

답: θ1 = 14.67 °

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 × 10⁻⁶ m

격자 방정식

sin θ = mλ/d = 1·633 × 10⁻⁹/(2.5 × 10⁻⁶) = 0.2532
θ = 14.67°

답

θ1 = 14.67°

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