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 = 2.5 m/s²자동차15 m/s

일정한 15 m/s로 과속하는 자동차가 정지해 있는 경찰차를 지나간다. 그 순간 경찰차가 출발해 2.5 m/s²로 균일하게 가속한다. 경찰차가 따라잡는 데 얼마나 걸리는가? t을(를) 구하시오.

vcar = 15 m/sapolice = 2.5 m/s²v0,police = 0
t = s
2.운동학어려움
t (s)v (m/s)5 s

트램이 정지 상태에서 출발해 5 s 동안 2 m/s²로 가속한 다음, 23 s 동안 등속으로 달리고, 마지막으로 3 m/s²로 제동해 멈춘다. 두 정류장 사이의 총거리 s을(를) 구하시오.

a1 = 2 m/s²t1 = 5 st2 = 23 sa3 = −3 m/s²
s = m
3.뉴턴 법칙보통
θ = 35°40 kgF = ?

40 kg 상자를 수평과 35°를 이루는 경사로 위로 경사로에 평행한 힘으로 일정한 속력으로 민다. 운동 마찰 계수는 0.1이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 미는 힘 F을(를) 구하시오.

m = 40 kgθ = 35°μ = 0.1g = 9.81 m/s²
F = N
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 3.5 kg2.5 kgμ = 0.3

수평 탁자 위에 있는 질량 3.5 kg인 블록이 가벼운 줄로 마찰 없는 도르래를 거쳐 매달린 2.5 kg 물체와 연결되어 있다. 블록과 탁자 사이의 운동 마찰 계수는 0.3이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 계의 가속도 a을(를) 구하시오.

m1 = 3.5 kgm2 = 2.5 kgμ = 0.3g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.포물선 운동보통
14 my = ?v0​ = 14 m/s60°

평지에서 공을 14 m/s, 수평 위 60°로 14 m 떨어진 벽을 향해 찬다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 공은 벽을 몇 m 높이 y에서 지나는가?

v₀ = 14 m/sθ = 60°x = 14 mg = 9.81 m/s²
y = m
6.포물선 운동어려움
h = 40 mv0​ = 35 m/s70°H = ?

40 m 절벽 꼭대기에서 공을 35 m/s, 수평 위 70°로 발사한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 절벽 밑 지면으로부터의 최고 높이 H을(를) 구하시오.

v₀ = 35 m/sθ = 70°h = 40 mg = 9.81 m/s²
H = m
7.원운동보통
r = 115 mvmax​ = ?

자동차가 반지름 115 m인 평평한 커브를 돈다. 타이어와 도로 사이의 정지 마찰 계수는 0.5이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 미끄러지지 않고 커브를 돌 수 있는 최대 속력 vmax을(를) 구하시오.

r = 115 mμs = 0.5g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.원운동어려움
R = 4.5 mh = 15.3 m

3 kg 수레가 마찰 없는 트랙 위 높이 15.3 m에서 정지 상태로 놓여 반지름 4.5 m의 연직 루프를 지난다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 루프 바닥에서 트랙이 수레에 작용하는 수직항력 Nbottom을(를) 구하시오.

m = 3 kgh = 15.3 mR = 4.5 mg = 9.81 m/s²
Nbottom = N
9.일과 에너지보통
0.1 kgk = 800 N/mh = ?

장난감 발사기에 강성 800 N/m인 수직 스프링이 있다. 0.1 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 = 0.1 kgk = 800 N/mx = 10 cmg = 9.81 m/s²
h = m
10.일과 에너지어려움
h = 4.5 mL = 3 mμ = 0.1k = 1500 N/m

질량 4 kg인 블록을 매끄러운 경사로의 높이 4.5 m에서 가만히 놓는다. 아래에서 길이 3 m인 거친 수평 구간(μ = 0.1)을 지난 뒤, 매끄러운 면에서 스프링(k = 1500 N/m)에 부딪힌다. 스프링의 최대 압축량 x을(를) 구하시오.

m = 4 kgh = 4.5 mL = 3 mμ = 0.1k = 1500 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
11.운동량과 충돌보통
4 kgv = ?8 gh = 8 cm

8 g 총알을 가벼운 줄에 매달린 4 kg 나무 블록에 수평으로 쏘아 박히게 한다. 블록은 처음보다 8 cm 높아질 때까지 흔들려 올라간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 전 총알의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 8 gM = 4 kgh = 8 cmg = 9.81 m/s²
v = m/s
12.운동량과 충돌어려움
9 m/s7 m/s

질량 0.5 kg인 공이 9 m/s로 벽에 부딪힌 뒤 7 m/s로 똑바로 튀어나온다. 접촉 시간은 5 ms이다. 벽이 공에 작용한 평균 힘 Favg을(를) 구하시오.

m = 0.5 kgvin = 9 m/svout = 7 m/sΔt = 5 ms
Favg = N
13.용수철과 진자보통
L = 1.9 mT = 4.49 s

다른 행성의 우주 비행사가 길이 1.9 m인 단진자의 작은 진동 주기가 4.49 s임을 알아낸다. 그 행성의 중력 가속도 g을(를) 구하시오.

L = 1.9 mT = 4.49 s
g = m/s²
14.용수철과 진자어려움
t (s)x (cm)t = ?11.7

한 물체가 주기 1.2 s, 진폭 13 cm로 단조화 운동을 한다. 최대 변위 13 cm에서 변위 11.7 cm까지 움직이는 데 필요한 최단 시간 t은(는) 얼마인가?

T = 1.2 sA = 13 cmx = 11.7 cm
t = s
15.파동, 소리, 광학보통
L = 0.4 mn = 1

양 끝이 고정된 줄의 길이는 0.4 m이고 그 위로 파동이 200 m/s로 진행한다. 기본 진동(1차 배진동)의 진동수 f1을(를) 구하시오.

v = 200 m/sn = 1L = 0.4 m
f1 = Hz
16.파동, 소리, 광학어려움
λ = ?29.1°

1 mm당 1200개의 선이 있는 격자에서 스펙트럼선의 1차 극대가 직진 방향에서 29.1°에 나타난다. 그 선의 파장 λ을(를) 구하시오.

N = 1200 mm⁻¹θ1 = 29.1°m = 1
λ = nm

3용액

1.운동학

답: t = 12 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 = 2·15/2.5 = 12 s

답

t = 12 s

그 순간 경찰차는 2v = 30 m/s로 움직입니다.

2.운동학

답: s = 271.7 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.

최고 속력

v = a1·t1 = 2·5 = 10 m/s

각 단계의 거리

s1 = ½·2·5² = 25 m
s2 = 10·23 = 230 m
s3 = 10²/(2·3) = 16.67 m

총거리

s = 25 + 230 + 16.67 = 271.7 m

답

s = 271.7 m
3.뉴턴 법칙

답: F = 257.2 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 = 225.1 + 32.14 = 257.2 N

답

F = 257.2 N
4.뉴턴 법칙

답: a = 2.371 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) = (24.53 − 10.3)/6 = 2.371 m/s²

답

a = 2.371 m/s²
5.포물선 운동

답: y = 4.629 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 = 14·cos 60° = 7 m/s
t = x/vx = 14/7 = 2 s

그 시각의 높이

y = 12.12·2 − ½·9.81·2² = 4.629 m

답

y = 4.629 m

공은 벽에서 이미 내려가는 중입니다.

6.포물선 운동

답: H = 95.13 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 = 35·sin 70° = 32.89 m/s

절벽 위로 올라간 높이

Δh = vy²/(2g) = 32.89²/(2·9.81) = 55.13 m

지면으로부터의 높이

H = 40 + 55.13 = 95.13 m

답

H = 95.13 m
7.원운동

답: vmax = 23.75 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) = √(0.5·9.81·115) = 23.75 m/s

답

vmax = 23.75 m/s (85.5 km/h)
8.원운동

답: Nbottom = 229.6 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 = 2·9.81·15.3 = 300.2 m²/s²

힘

중심 방향을 양으로.

N = m·v²/R + m·g = 3·300.2/4.5 + 29.43 = 229.6 N

답

Nbottom = 229.6 N
9.일과 에너지

답: h = 4.077 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 = ½·800·0.1² = 4 J

높이

m·g = 0.1·9.81 = 0.981 N
h = ½kx²/(mg) = 4/0.981 = 4.077 m

답

h = 4.077 m
10.일과 에너지

답: x = 46.88 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·(4.5 − 0.1·3) = 164.8 J

최대 압축량

½kx² = 164.8 → x = √(2·164.8/1500) = 0.4688 m = 46.88 cm

답

x = 46.88 cm
11.운동량과 충돌

답: v = 627.7 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 후의 흔들림

V = √(2·g·h) = √(2·9.81·0.08) = 1.253 m/s

충돌

m·v = (m + M)·V → v = (0.008 + 4)·1.253/0.008 = 627.7 m/s

답

v = 627.7 m/s
12.운동량과 충돌

답: Favg = 1600 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 = 0.5·(7 + 9) = 8 N·s

평균 힘

Favg = J/Δt = 8/0.005 = 1600 N

답

Favg = 1600 N
13.용수철과 진자

답: g = 3.721 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 = 4π²·1.9/4.49² = 3.721 m/s²

답

g = 3.721 m/s²
14.용수철과 진자

답: t = 0.08614 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/1.2 = 5.236 rad/s

시간에 대해 풀기

0.9 = cos(ω·t) → ω·t = arccos(0.9) = 0.451 rad
t = 0.451/5.236 = 0.08614 s

답

t = 0.08614 s
15.파동, 소리, 광학

답: f1 = 250 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.

이 진동 모드의 파장

λ = 2L/n = 2·0.4/1 = 0.8 m

진동수

f = v/λ = 200/0.8 = 250 Hz

답

f1 = 250 Hz
16.파동, 소리, 광학

답: λ = 405.3 nm

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.

파장

λ = d·sin θ/m = 8.333 × 10⁻⁷·sin 29.1°/1 = 405.3 nm

답

λ = 405.3 nm

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