물리학 1: 역학: 벼락치기 팩

공식 모음, 모든 주제의 핵심 풀이 단계, 연습 문제 16개가 들어 있으며 전체 풀이는 맨 뒤에 있습니다.

새 문제강의로 돌아가기

인쇄 창에서 “PDF로 저장”을 선택하면 기기에 사본을 보관할 수 있습니다.

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)1.2 s15

54 km/h로 달리던 운전자가 장애물을 본다. 반응 시간은 1.2 s이고, 그 후 자동차는 일정한 감속도 7.5 m/s²로 제동한다. 장애물을 본 순간부터의 총 정지 거리 d을(를) 구하시오.

v₀ = 54 km/htr = 1.2 sa = −7.5 m/s²
d = m
2.운동학어려움
v₀ = 17 m/s40 m

지면에서 40 m 높이에 있는 지붕 가장자리에서 공을 17 m/s로 똑바로 위로 던진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 쓴다. 지면으로부터의 최고 높이 hmax을(를) 구하시오.

v₀ = 17 m/sh₀ = 40 mg = 9.81 m/s²
hmax = m
3.뉴턴 법칙보통
θ = 35°20 kgF = ?

20 kg 상자를 수평과 35°를 이루는 경사로 위로 경사로에 평행한 힘으로 일정한 속력으로 민다. 운동 마찰 계수는 0.3이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 미는 힘 F을(를) 구하시오.

m = 20 kgθ = 35°μ = 0.3g = 9.81 m/s²
F = N
4.뉴턴 법칙어려움
8 kg9 kgTF = 75 Nμ = 0.3

평평한 바닥 위의 두 블록이 가벼운 수평 줄로 연결되어 있다. 수평력 75 N이 앞쪽의 9 kg 블록을 끌고, 8 kg 블록은 뒤에서 끌려온다. 두 블록 모두 운동 마찰 계수는 0.3이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 블록들의 가속도 a을(를) 구하시오.

m1 = 8 kgm2 = 9 kgF = 75 Nμ = 0.3g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.포물선 운동보통
v0​ = 36 m/sθ = ?R = 125 m

평지에서 공을 36 m/s로 발사해 125 m 떨어진 곳에 떨어지게 해야 한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 가능한 두 발사각 중 작은 값 θ을(를) 구하시오.

v₀ = 36 m/sR = 125 mg = 9.81 m/s²
θ = °
6.포물선 운동어려움
h = 40 mv0​ = 25 m/s50°H = ?

40 m 절벽 꼭대기에서 공을 25 m/s, 수평 위 50°로 발사한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 절벽 밑 지면으로부터의 최고 높이 H을(를) 구하시오.

v₀ = 25 m/sθ = 50°h = 40 mg = 9.81 m/s²
H = m
7.원운동보통
L = 1.3 m30°

길이 1.3 m인 줄에 매단 작은 공이 수평 원운동을 하며, 줄은 연직과 일정한 각 30°를 이룬다(원뿔 진자). g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 공의 속력 v을(를) 구하시오.

L = 1.3 mθ = 30°g = 9.81 m/s²
v = m/s
8.원운동어려움
r = 1.1 m9 m/svtop​ = ?

길이 1.1 m의 가벼운 줄에 매단 0.2 kg 공을 연직 원으로 돌린다. 가장 낮은 점에서의 속력은 9 m/s이다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 가장 높은 점에서 줄의 장력 Ttop을(를) 구하시오.

m = 0.2 kgr = 1.1 mvbottom = 9 m/sg = 9.81 m/s²
Ttop = N
9.일과 에너지보통
90°L = 1.5 m10 kg

10 kg 공이 길이 1.5 m인 가벼운 줄에 매달려 있다. 줄이 연직과 90°를 이룰 때까지 옆으로 당겼다가 가만히 놓는다. 공이 가장 낮은 점을 지날 때 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m = 10 kgL = 1.5 mθ = 90°g = 9.81 m/s²
T = N
10.일과 에너지어려움
k = 1000 N/m40°μ = 0.20.5 kg

40° 경사면 아래에 있는 강성 1000 N/m인 스프링을 0.5 kg 블록으로 5 cm 압축했다가 놓는다. 블록과 경사면 사이의 운동 마찰 계수는 0.2이다. 블록은 놓은 점에서 경사면을 따라 얼마나 멀리 d 올라간 뒤 멈추는가? (스프링이 미는 짧은 거리는 무시하고, 마찰과 중력은 전체 거리 d에 걸쳐 작용한다고 하시오.)

m = 0.5 kgk = 1000 N/mx = 5 cmθ = 40°μ = 0.2g = 9.81 m/s²
d = m
11.운동량과 충돌보통
1700 kg22 m/s500 kg

22 m/s로 움직이는 1700 kg 자동차가 정지해 있는 500 kg 자동차와 충돌해 두 차가 한 덩어리가 된다. 원래 운동 에너지의 몇 퍼센트 ΔK/K을(를) 잃는가?

m1 = 1700 kgv1 = 22 m/sm2 = 500 kgv2 = 0
ΔK/K = %
12.운동량과 충돌어려움
9 m/s9 m/s

질량 0.45 kg인 공이 9 m/s로 벽에 부딪힌 뒤 9 m/s로 똑바로 튀어나온다. 접촉 시간은 20 ms이다. 벽이 공에 작용한 평균 힘 Favg을(를) 구하시오.

m = 0.45 kgvin = 9 m/svout = 9 m/sΔt = 20 ms
Favg = N
13.용수철과 진자보통
L = 0.7 mT = 4.13 s

다른 행성의 우주 비행사가 길이 0.7 m인 단진자의 작은 진동 주기가 4.13 s임을 알아낸다. 그 행성의 중력 가속도 g을(를) 구하시오.

L = 0.7 mT = 4.13 s
g = m/s²
14.용수철과 진자어려움
3.5 kgk = 1100 N/m300 m/s

300 m/s로 움직이는 15 g 총알이 마찰 없는 면 위에 정지해 있는 3.5 kg 블록에 맞아 박힌다. 블록은 k = 1100 N/m인 수평 스프링에 연결되어 있다. 이로 인한 진동의 진폭 A을(를) cm로 구하시오.

m = 15 gv = 300 m/sM = 3.5 kgk = 1100 N/m
A = cm
15.파동, 소리, 광학보통
FFdo​ = 4 cmf = 30 cm

물체가 초점 거리 30 cm인 얇은 수렴 렌즈 앞 4 cm에 서 있다. 상거리 di을(를) 구하시오. 부호 규약 1/f = 1/do + 1/di를 쓴다(오목 렌즈는 f < 0, 허상은 di < 0).

do = 4 cmf = 30 cm
di = cm
16.파동, 소리, 광학어려움
λ = 450 nmθ

회절 격자에 1 mm당 500개의 선이 있다. 파장 450 nm의 빛이 수직으로 입사한다. 볼 수 있는 밝은 극대의 가장 높은 차수 mmax은(는) 얼마인가?

N = 500 mm⁻¹λ = 450 nm
mmax =

3용액

1.운동학

답: d = 33 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.

단위

v₀ = 54/3.6 = 15 m/s

반응 거리

d1 = v₀·tr = 15·1.2 = 18 m

제동 거리

d2 = v₀²/(2a) = 15²/(2·7.5) = 15 m

합계

d = 18 + 15 = 33 m

답

d = 33 m
2.운동학

답: hmax = 54.73 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.

지붕 위로 올라간 높이

0 = v₀² − 2·g·Δh → Δh = 17²/(2·9.81) = 14.73 m

지면으로부터의 높이

hmax = 40 + 14.73 = 54.73 m

답

hmax = 54.73 m
3.뉴턴 법칙

답: F = 160.8 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 = 112.5 + 48.22 = 160.8 N

답

F = 160.8 N
4.뉴턴 법칙

답: a = 1.469 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.

전체 계

a = (F − μ·(m1 + m2)·g)/(m1 + m2) = (75 − 50.03)/17 = 1.469 m/s²

답

a = 1.469 m/s²
5.포물선 운동

답: θ = 35.56 °

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 공식

R = v₀²·sin 2θ/g → sin 2θ = 9.81·125/36² = 0.9462

위상각

2θ = 71.12° → θ = 35.56°

답

θ = 35.56°

다른 해는 90° − θ = 54.44°입니다.

6.포물선 운동

답: H = 58.69 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.

처음 수직 속력

vy = 25·sin 50° = 19.15 m/s

절벽 위로 올라간 높이

Δh = vy²/(2g) = 19.15²/(2·9.81) = 18.69 m

지면으로부터의 높이

H = 40 + 18.69 = 58.69 m

답

H = 58.69 m
7.원운동

답: v = 1.919 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 = 1.3·sin 30° = 0.65 m

속력

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

v = √(r·g·tan θ) = √(0.65·9.81·tan 30°) = 1.919 m/s

답

v = 1.919 m/s
8.원운동

답: Ttop = 4.917 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 = 9² − 4·9.81·1.1 = 37.84 m²/s²

꼭대기에서의 힘

장력과 중력은 모두 아래, 중심을 향합니다.

T + m·g = m·vtop²/r
T = 0.2·37.84/1.1 − 0.2·9.81 = 4.917 N

답

Ttop = 4.917 N
9.일과 에너지

답: T = 294.3 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) = 2·9.81·1.5·(1 − cos 90°) = 29.43 m²/s²

바닥에서의 힘

m·g = 10·9.81 = 98.1 N
T = mg + mv²/L = 98.1 + 10·29.43/1.5 = 294.3 N

답

T = 294.3 N

검산: T = mg(3 − 2cos θ) = 294.3 N.

10.일과 에너지

답: d = 0.3202 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 = 5 cm = 0.05 m
½kx² = ½·1000·0.05² = 1.25 J

경사면을 따른 에너지 수지

m·g = 0.5·9.81 = 4.905 N
½kx² = mg·d·(sin θ + μ·cos θ)
d = 1.25/(4.905·(0.6428 + 0.2·0.766)) = 0.3202 m

답

d = 0.3202 m
11.운동량과 충돌

답: ΔK/K = 22.73 %

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) = 1700·22/2200 = 17 m/s

충돌 전후의 운동 에너지

Kbefore = ½·1700·22² = 411400 J
Kafter = ½·2200·17² = 317900 J

잃은 비율

ΔK/K = 93500/411400 = 22.73 %

답

ΔK/K = 22.73 %

잃은 에너지는 변형, 열, 소리로 갑니다.

12.운동량과 충돌

답: Favg = 405 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 = 0.45·(9 + 9) = 8.1 N·s

평균 힘

Favg = J/Δt = 8.1/0.02 = 405 N

답

Favg = 405 N
13.용수철과 진자

답: g = 1.62 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 = 4π²·0.7/4.13² = 1.62 m/s²

답

g = 1.62 m/s²
14.용수철과 진자

답: A = 7.237 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) = 0.015·300/3.515 = 1.28 m/s

각주파수

ω = √(k/(m + M)) = √(1100/3.515) = 17.69 rad/s

진폭

A = V/ω = 1.28/17.69 = 0.07237 m = 7.237 cm

답

A = 7.237 cm
15.파동, 소리, 광학

답: di = −4.615 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 = 1/30 − 1/4
di = −4.615 cm
FF4 cmf = 30 cm

광선도

허상, 물체와 같은 쪽

답

di = −4.615 cm
16.파동, 소리, 광학

답: mmax = 4

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 = 1/500 mm = 2 µm

가장 높은 차수

m ≤ d/λ = 2 µm/0.45 µm = 4.444 → mmax = 4

답

mmax = 4

ExamProblems · examproblems.com/courses/physics-1-mechanics