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 = 6 m/s²자동차28 m/s

일정한 28 m/s로 과속하는 자동차가 정지해 있는 경찰차를 지나간다. 그 순간 경찰차가 출발해 6 m/s²로 균일하게 가속한다. 경찰차가 따라잡는 데 얼마나 걸리는가? t을(를) 구하시오.

vcar = 28 m/sapolice = 6 m/s²v0,police = 0
t = s
2.운동학어려움
a = 36 m/s²

모형 로켓을 정지 상태에서 똑바로 위로 발사한다. 엔진은 2 s 동안 위쪽으로 일정한 가속도 36 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 = 36 m/s²t1 = 2 sg = 9.81 m/s²
hmax = m
3.뉴턴 법칙보통
상자v₀ = 9.5 m/sμ = ?

상자가 처음 속력 9.5 m/s로 평평한 바닥을 미끄러지다가 23 m 후에 멈춘다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 운동 마찰 계수 μ을(를) 구하시오.

v₀ = 9.5 m/sd = 23 mg = 9.81 m/s²
μ =
4.뉴턴 법칙어려움
10 kg12 kgTF = 75 Nμ = 0.15

평평한 바닥 위의 두 블록이 가벼운 수평 줄로 연결되어 있다. 수평력 75 N이 앞쪽의 12 kg 블록을 끌고, 10 kg 블록은 뒤에서 끌려온다. 두 블록 모두 운동 마찰 계수는 0.15이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 연결 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m1 = 10 kgm2 = 12 kgF = 75 Nμ = 0.15g = 9.81 m/s²
T = N
5.포물선 운동보통
v0​ = ?65°R = 115 m

평지에서 공을 수평 위 65°로 발사하자 115 m 떨어진 곳에 떨어진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 발사 속력 v0을(를) 구하시오.

θ = 65°R = 115 mg = 9.81 m/s²
v0 = m/s
6.포물선 운동어려움
27 mv0​ = 40 m/s45°x = ?

지면에서 공을 40 m/s, 수평 위 45°로 던진다. 공은 내려오는 도중에 높이 27 m인 건물의 평평한 지붕에 떨어진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 발사점에서 떨어진 곳까지의 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v₀ = 40 m/sθ = 45°hroof = 27 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.원운동보통
r = 85 mvmax​ = ?

자동차가 반지름 85 m인 평평한 커브를 돈다. 타이어와 도로 사이의 정지 마찰 계수는 0.7이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 미끄러지지 않고 커브를 돌 수 있는 최대 속력 vmax을(를) 구하시오.

r = 85 mμs = 0.7g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.원운동어려움
r = 1.1 m9.5 m/svtop​ = ?

길이 1.1 m의 가벼운 줄에 매단 0.6 kg 공을 연직 원으로 돌린다. 가장 낮은 점에서의 속력은 9.5 m/s이다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 가장 높은 점에서 줄의 장력 Ttop을(를) 구하시오.

m = 0.6 kgr = 1.1 mvbottom = 9.5 m/sg = 9.81 m/s²
Ttop = N
9.일과 에너지보통
60°L = 3 m10 kg

10 kg 공이 길이 3 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 = 10 kgL = 3 mθ = 60°g = 9.81 m/s²
T = N
10.일과 에너지어려움
10 kg5 kgμ = 0.15d = 1 m

10 kg 블록이 거친 수평 테이블(μ = 0.15) 위에 놓여 있다. 가벼운 줄이 블록에서 테이블 가장자리의 매끄러운 도르래를 지나 매달린 5 kg 블록에 연결되어 있다. 계를 정지 상태에서 놓는다. 매달린 블록이 1 m 내려간 뒤 블록들의 속력 v을(를) 구하시오.

m1 = 10 kgm2 = 5 kgμ = 0.15d = 1 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.운동량과 충돌보통
2 kg2 m/s1 kg

2 m/s로 움직이는 질량 2 kg인 글라이더가 마찰 없는 트랙 위에 정지해 있는 질량 1 kg인 글라이더와 완전 탄성 정면충돌을 한다. 충돌 후 두 번째 글라이더의 속도 v′2을(를) 구하시오.

m1 = 2 kgm2 = 1 kgv1 = 2 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.운동량과 충돌어려움
2.5 kgv = ?5 g10°L = 1 m

5 g 총알을 길이 1 m의 가벼운 줄에 매달린 2.5 kg 블록에 수평으로 쏘아 박히게 한다. 줄은 연직에서 최대 10°까지 흔들려 나간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 전 총알의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 5 gM = 2.5 kgL = 1 mθ = 10°g = 9.81 m/s²
v = m/s
13.용수철과 진자보통
L = 1.9 m

단진자의 길이는 1.9 m이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 작게 흔들릴 때의 주기 T을(를) 구하시오.

L = 1.9 mg = 9.81 m/s²
T = s
14.용수철과 진자어려움
mk = 150 N/mA = 9 cmx = 7 cm

k = 150 N/m인 스프링에 매단 질량이 마찰 없는 면 위에서 진폭 9 cm로 진동한다. 평형점에서 7 cm 떨어져 있을 때의 운동 에너지 K을(를) 구하시오.

k = 150 N/mA = 9 cmx = 7 cm
K = J
15.파동, 소리, 광학보통
24.4°90°n1​ = ?아크릴, n2​ = 1.49

투명한 블록 속의 빛은 아크릴(n = 1.49)과의 경계에서 입사각이 24.4°보다 클 때 모두 전반사된다. 블록의 굴절률 n1을(를) 구하시오.

θc = 24.4°n2 = 1.49
n1 =
16.파동, 소리, 광학어려움
θn1​ = 1.48n2​ = 1.45n0​ = 1.00

광섬유의 코어는 n₁ = 1.48이고 클래딩은 n₂ = 1.45이다. 개구수 NA을(를) 구하시오.

n1 = 1.48n2 = 1.45
NA =

3용액

1.운동학

답: t = 9.333 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 = 2·28/6 = 9.333 s

답

t = 9.333 s

그 순간 경찰차는 2v = 56 m/s로 움직입니다.

2.운동학

답: hmax = 336.2 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.

동력 비행 단계

v₁ = 36·2 = 72 m/s
h₁ = ½·36·2² = 72 m

위로의 자유 비행

최고점에서 속도는 0입니다.

Δh = v₁²/(2g) = 72²/(2·9.81) = 264.2 m
hmax = 72 + 264.2 = 336.2 m

답

hmax = 336.2 m
3.뉴턴 법칙

답: μ = 0.2

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

a = v₀²/(2d) = 9.5²/(2·23) = 1.962 m/s²

마찰 계수

μ·m·g = m·a → μ = a/g = 1.962/9.81 = 0.2

답

μ = 0.2
4.뉴턴 법칙

답: T = 34.09 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.

전체 계

a = (F − μ·(m1 + m2)·g)/(m1 + m2) = (75 − 32.37)/22 = 1.938 m/s²

뒤쪽 블록만

T = m1·(a + μ·g) = 10·(1.938 + 1.472) = 34.09 N

답

T = 34.09 N

두 블록의 μ가 같으면 마찰이 빠집니다: T = F·m₁/(m₁ + m₂).

5.포물선 운동

답: v0 = 38.38 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) = √(9.81·115/sin 130°) = 38.38 m/s

답

v0 = 38.38 m/s
6.포물선 운동

답: x = 128.9 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.

초기 속도 분해

vx = 28.28 m/s, vy = 28.28 m/s

지붕에 떨어지는 시간

큰 근: 공이 내려오는 중입니다.

27 = 28.28·t − 4.905·t²
t = (28.28 + √(28.28² − 2·9.81·27))/9.81 = 4.559 s

수평 거리

x = vx·t = 28.28·4.559 = 128.9 m

답

x = 128.9 m
7.원운동

답: vmax = 24.16 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) = √(0.7·9.81·85) = 24.16 m/s

답

vmax = 24.16 m/s (86.98 km/h)
8.원운동

답: Ttop = 19.8 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 = 9.5² − 4·9.81·1.1 = 47.09 m²/s²

꼭대기에서의 힘

장력과 중력은 모두 아래, 중심을 향합니다.

T + m·g = m·vtop²/r
T = 0.6·47.09/1.1 − 0.6·9.81 = 19.8 N

답

Ttop = 19.8 N
9.일과 에너지

답: T = 196.2 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) = 2·9.81·3·(1 − cos 60°) = 29.43 m²/s²

바닥에서의 힘

m·g = 10·9.81 = 98.1 N
T = mg + mv²/L = 98.1 + 10·29.43/3 = 196.2 N

답

T = 196.2 N

검산: T = mg(3 − 2cos θ) = 196.2 N.

10.일과 에너지

답: v = 2.14 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 = 49.05·1 = 49.05 J
μ·m₁g·d = 0.15·98.1·1 = 14.71 J

두 블록의 운동 에너지

½(m₁ + m₂)v² = 34.34 → v = √(2·34.34/15) = 2.14 m/s

답

v = 2.14 m/s
11.운동량과 충돌

답: v′2 = 2.667 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 − 1)/(2 + 1)·2 = 0.6667 m/s
v′2 = 2·2/(2 + 1)·2 = 2.667 m/s

답

v′2 = 2.667 m/s
12.운동량과 충돌

답: v = 273.5 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) = 1·(1 − cos 10°) = 0.01519 m

충돌 후의 속력

V = √(2·9.81·0.01519) = 0.546 m/s

충돌

v = (m + M)·V/m = 2.505·0.546/0.005 = 273.5 m/s

답

v = 273.5 m/s
13.용수철과 진자

답: T = 2.765 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·√(1.9/9.81) = 2.765 s

답

T = 2.765 s
14.용수철과 진자

답: K = 0.24 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 = ½·150·0.09² = 0.6075 J

x에서의 스프링 에너지

U = ½·k·x² = ½·150·0.07² = 0.3675 J

운동 에너지

K = 0.6075 − 0.3675 = 0.24 J

답

K = 0.24 J
15.파동, 소리, 광학

답: n1 = 3.607

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.

블록의 굴절률

n₁ = n₂/sin θc = 1.49/0.4131 = 3.607

답

n1 = 3.607
16.파동, 소리, 광학

답: NA = 0.2965

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.

클래딩에서의 임계각

sin θc = 1.45/1.48 = 0.9797 → θc = 78.44°

개구수

NA = √(1.48² − 1.45²) = 0.2965

답

NA = 0.2965

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