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)t = ?16.67

60 km/h로 달리던 자동차가 7 m/s²의 일정한 감속도로 제동하여 멈춘다. 제동하는 데 걸리는 시간 t을(를) 구하시오.

v₀ = 60 km/ha = −7 m/s²v = 0
t = s
2.운동학어려움
AB: 24 m/s55 m

공 A를 높이 55 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 = 55 mv0B = 24 m/sg = 9.81 m/s²
t = s
3.뉴턴 법칙보통
6 kg4.5 kg

6 kg과 4.5 kg인 질량이 가볍고 마찰 없는 도르래 양쪽에 가벼운 줄로 연결되어 매달려 있다. 계를 정지 상태에서 놓는다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m1 = 6 kgm2 = 4.5 kgg = 9.81 m/s²
T = N
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 5 kg5.5 kgμ = 0.1

수평 탁자 위에 있는 질량 5 kg인 블록이 가벼운 줄로 마찰 없는 도르래를 거쳐 매달린 5.5 kg 물체와 연결되어 있다. 블록과 탁자 사이의 운동 마찰 계수는 0.1이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 계의 가속도 a을(를) 구하시오.

m1 = 5 kgm2 = 5.5 kgμ = 0.1g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.포물선 운동보통
71 my = ?v0​ = 34 m/s30°

평지에서 공을 34 m/s, 수평 위 30°로 71 m 떨어진 벽을 향해 찬다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 공은 벽을 몇 m 높이 y에서 지나는가?

v₀ = 34 m/sθ = 30°x = 71 mg = 9.81 m/s²
y = m
6.포물선 운동어려움
h = 40 mv0​ = 25 m/s40°수평 도달 거리

공을 높이 40 m인 절벽 위에서 수평에서 40° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿을 때까지의 비행 시간 t을(를) 구하시오.

v0 = 25 m/sθ = 40°h = 40 mg = 9.81 m/s²
t = s
7.원운동보통
r = 2 mω = ?

놀이공원의 로터에서 탑승자는 반지름 2 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 각속도 ω을(를) rad/s로 구하시오.

r = 2 mμs = 0.6g = 9.81 m/s²
ω = rad/s
8.원운동어려움
r = 1.1 mv = 8.5 m/s

길이 1.1 m인 줄에 매단 질량 1.3 kg인 공을 연직면에서 원운동시킨다. 최저점에서 공의 속력은 8.5 m/s이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 최저점에서 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m = 1.3 kgr = 1.1 mv = 8.5 m/sg = 9.81 m/s²
T = N
9.일과 에너지보통
90 km/h8°800 kg

800 kg 자동차가 8° 경사로를 일정한 90 km/h로 올라간다. 공기 저항과 구름 저항을 합하면 350 N이다. 바퀴가 내야 하는 동력 P을(를) kW 단위로 구하시오.

m = 800 kgθ = 8°Fr = 350 Nv = 90 km/hg = 9.81 m/s²
P = kW
10.일과 에너지어려움
h = 2.5 mL = 3.5 mμ = 0.2k = 4000 N/m

질량 4 kg인 블록을 매끄러운 경사로의 높이 2.5 m에서 가만히 놓는다. 아래에서 길이 3.5 m인 거친 수평 구간(μ = 0.2)을 지난 뒤, 매끄러운 면에서 스프링(k = 4000 N/m)에 부딪힌다. 스프링의 최대 압축량 x을(를) 구하시오.

m = 4 kgh = 2.5 mL = 3.5 mμ = 0.2k = 4000 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
11.운동량과 충돌보통
8 kg24 m/s3 kgv′2​ = ?

수평으로 5 m/s로 움직이던 11 kg 발사체가 폭발해 같은 직선을 따라 움직이는 두 파편으로 나뉜다. 8 kg 파편은 24 m/s로 앞으로 계속 움직인다. 3 kg 파편의 속도 v′2(원래 방향을 양으로)을(를) 구하시오.

M = 11 kgu = 5 m/sm1 = 8 kgv′1 = 24 m/sm2 = 3 kg
v′2 = m/s
12.운동량과 충돌어려움
3.5 kgv = ?10 g40°L = 0.5 m

10 g 총알을 길이 0.5 m의 가벼운 줄에 매달린 3.5 kg 블록에 수평으로 쏘아 박히게 한다. 줄은 연직에서 최대 40°까지 흔들려 나간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 전 총알의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 10 gM = 3.5 kgL = 0.5 mθ = 40°g = 9.81 m/s²
v = m/s
13.용수철과 진자보통
L = 1.1 mT = 1.97 s

다른 행성의 우주 비행사가 길이 1.1 m인 단진자의 작은 진동 주기가 1.97 s임을 알아낸다. 그 행성의 중력 가속도 g을(를) 구하시오.

L = 1.1 mT = 1.97 s
g = m/s²
14.용수철과 진자어려움
2.5 kgk = 500 N/m150 m/s

150 m/s로 움직이는 10 g 총알이 마찰 없는 면 위에 정지해 있는 2.5 kg 블록에 맞아 박힌다. 블록은 k = 500 N/m인 수평 스프링에 연결되어 있다. 이로 인한 진동의 진폭 A을(를) cm로 구하시오.

m = 10 gv = 150 m/sM = 2.5 kgk = 500 N/m
A = cm
15.파동, 소리, 광학보통
SO10 m/sf = 300 Hz

관측자가 300 Hz의 정지한 음원을 향해 10 m/s로 움직인다. 소리의 속력은 343 m/s이다. 관측자가 듣는 진동수 f′을(를) 구하시오.

f = 300 Hzv = 343 m/svo = 10 m/s
f′ = Hz
16.파동, 소리, 광학어려움
θa​ = ?n1​ = 1.48n2​ = 1.38n0​ = 1.00

광섬유의 코어는 n₁ = 1.48이고 클래딩은 n₂ = 1.38이다. 공기 중의 빛이 섬유의 끝면으로 들어가 전반사로 계속 안내될 수 있는 섬유 축에 대한 최대 각 θa을(를) 구하시오.

n1 = 1.48n2 = 1.38n0 = 1.00
θa = °

3용액

1.운동학

답: t = 2.381 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.

단위

v₀ = 60/3.6 = 16.67 m/s

제동 시간

0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 16.67/7 = 2.381 s

답

t = 2.381 s
2.운동학

답: t = 2.292 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.

55 − ½g·t² = 24·t − ½g·t² → t = 55/24 = 2.292 s

답

t = 2.292 s
3.뉴턴 법칙

답: T = 50.45 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.

가속도

알짜 구동력은 무게의 차이이며, 전체 질량을 움직입니다.

a = (6 − 4.5)·9.81/(6 + 4.5) = 1.401 m/s²

가벼운 질량에서 구한 장력

T − m2·g = m2·a → T = 4.5·(9.81 + 1.401) = 50.45 N

답

T = 50.45 N
4.뉴턴 법칙

답: a = 4.671 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.

계의 가속도

a = (m2·g − μ·m1·g)/(m1 + m2) = (53.96 − 4.905)/10.5 = 4.671 m/s²

답

a = 4.671 m/s²
5.포물선 운동

답: y = 12.47 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 = 34·cos 30° = 29.44 m/s
t = x/vx = 71/29.44 = 2.411 s

그 시각의 높이

y = 17·2.411 − ½·9.81·2.411² = 12.47 m

답

y = 12.47 m

공은 벽에서 이미 내려가는 중입니다.

6.포물선 운동

답: t = 4.93 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 = 25·cos 40° = 19.15 m/s
vy = v0·sin θ = 25·sin 40° = 16.07 m/s

체공 시간

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

0 = 40 + 16.07·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (16.07 + √(258.2 + 784.8))/9.81 = 4.93 s

답

t = 4.93 s
7.원운동

답: ω = 2.859 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/(0.6·2)) = 2.859 rad/s

답

ω = 2.859 rad/s
8.원운동

답: T = 98.14 N

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.

최저점에서의 힘

중심 방향(위쪽)이 양입니다.

T − m·g = m·v²/r
T = 1.3·9.81 + 1.3·8.5²/1.1 = 12.75 + 85.39 = 98.14 N

답

T = 98.14 N
9.일과 에너지

답: P = 36.06 kW

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). 동력은 힘 × 속력입니다: P = F·v.

구동력

m·g = 800·9.81 = 7848 N
mg·sin θ = 7848·sin 8° = 1092 N
F = 1092 + 350 = 1442 N

전력

v = 90/3.6 = 25 m/s
P = F·v = 1442·25 = 36056 W = 36.06 kW

답

P = 36.06 kW
10.일과 에너지

답: x = 18.79 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 = 39.24·(2.5 − 0.2·3.5) = 70.63 J

최대 압축량

½kx² = 70.63 → x = √(2·70.63/4000) = 0.1879 m = 18.79 cm

답

x = 18.79 cm
11.운동량과 충돌

답: v′2 = −45.67 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 = 11·5 = 55 kg·m/s

충돌 후 운동량

55 = 8·24 + 3·v′2
v′2 = (55 − 192)/3 = −45.67 m/s

답

v′2 = −45.67 m/s

음의 부호는 두 번째 파편이 뒤로 날아간다는 뜻입니다.

12.운동량과 충돌

답: v = 531.8 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) = 0.5·(1 − cos 40°) = 0.117 m

충돌 후의 속력

V = √(2·9.81·0.117) = 1.515 m/s

충돌

v = (m + M)·V/m = 3.51·1.515/0.01 = 531.8 m/s

답

v = 531.8 m/s
13.용수철과 진자

답: g = 11.19 m/s²

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.

g 구하기

g = 4π²·L/T² = 4π²·1.1/1.97² = 11.19 m/s²

답

g = 11.19 m/s²
14.용수철과 진자

답: A = 4.234 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.

충돌 후의 속력

V = m·v/(m + M) = 0.01·150/2.51 = 0.5976 m/s

각주파수

ω = √(k/(m + M)) = √(500/2.51) = 14.11 rad/s

진폭

A = V/ω = 0.5976/14.11 = 0.04234 m = 4.234 cm

답

A = 4.234 cm
15.파동, 소리, 광학

답: f′ = 308.7 Hz

정상파와 도플러 효과: 양 끝이 고정된 줄이나 양 끝이 열린 관에는 반파장의 정수 배가 들어맞습니다: L = nλ/2, fn = n·v/(2L), n = 1, 2, 3, … 한쪽 끝이 닫힌 관은 닫힌 끝이 마디이고 열린 끝이 배입니다: L = nλ/4이며 n은 홀수만 가능하고 fn = n·v/(4L)입니다. 음원이나 관측자가 둘을 잇는 직선을 따라 움직이면 f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs)입니다. 서로를 향해 움직일 때는 위쪽 부호를 쓰세요. 진동수가 거의 같은 두 파동은 |f₁ − f₂|로 맥놀이합니다.

도플러 공식

f′ = f·(v + vo)/(v − vs) = 300·(343 + 10)/(343 − 0)
f′ = 308.7 Hz

답

f′ = 308.7 Hz
16.파동, 소리, 광학

답: θa = 32.33 °

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 = 1.38/1.48 = 0.9324 → θc = 68.82°

개구수

NA = √(1.48² − 1.38²) = 0.5348

수광각

θa = arcsin(0.5348) = 32.33°

답

θa = 32.33°

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