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)4.545 s25

90 km/h로 달리던 자동차가 5.5 m/s²의 일정한 감속도로 제동하여 멈춘다. 제동 거리 s을(를) 구하시오.

v₀ = 90 km/ha = −5.5 m/s²v = 0
s = m
2.운동학어려움
v₀ = 6 m/s25 m

지면에서 25 m 높이에 있는 지붕 가장자리에서 공을 6 m/s로 똑바로 위로 던진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 쓴다. 던진 뒤 공이 지면에 닿을 때까지의 시간 t을(를) 구하시오.

v₀ = 6 m/sh₀ = 25 mg = 9.81 m/s²
t = s
3.뉴턴 법칙보통
θ = 20°a = ?m = 11 kg

질량 11 kg인 블록이 수평과 20°를 이루는 경사면을 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.15이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 경사면을 따르는 블록의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 11 kgθ = 20°μ = 0.15g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 1 kg4 kgμ = 0.2

수평 탁자 위에 있는 질량 1 kg인 블록이 가벼운 줄로 마찰 없는 도르래를 거쳐 매달린 4 kg 물체와 연결되어 있다. 블록과 탁자 사이의 운동 마찰 계수는 0.2이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m1 = 1 kgm2 = 4 kgμ = 0.2g = 9.81 m/s²
T = N
5.포물선 운동보통
v0​ = ?35°R = 105 m

평지에서 공을 수평 위 35°로 발사하자 105 m 떨어진 곳에 떨어진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 발사 속력 v0을(를) 구하시오.

θ = 35°R = 105 mg = 9.81 m/s²
v0 = m/s
6.포물선 운동어려움
h = 25 mv0​ = 22 m/s50°x = ?

공을 높이 25 m인 절벽 위에서 수평에서 50° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿기 전까지 이동한 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v0 = 22 m/sθ = 50°h = 25 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.원운동보통
L = 1.8 m60°

길이 1.8 m인 줄에 매단 작은 공이 수평 원운동을 하며, 줄은 연직과 일정한 각 60°를 이룬다(원뿔 진자). g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 공의 속력 v을(를) 구하시오.

L = 1.8 mθ = 60°g = 9.81 m/s²
v = m/s
8.원운동어려움
R = 10 mh = 28 m

1 kg 수레가 마찰 없는 트랙 위 높이 28 m에서 정지 상태로 놓여 반지름 10 m의 연직 루프를 지난다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 루프 꼭대기에서 트랙이 수레에 작용하는 수직항력 Ntop을(를) 구하시오.

m = 1 kgh = 28 mR = 10 mg = 9.81 m/s²
Ntop = N
9.일과 에너지보통
45°L = 1 m2 kg

2 kg 공이 길이 1 m인 가벼운 줄에 매달려 있다. 줄이 연직과 45°를 이룰 때까지 옆으로 당겼다가 가만히 놓는다. 공이 가장 낮은 점을 지날 때 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m = 2 kgL = 1 mθ = 45°g = 9.81 m/s²
T = N
10.일과 에너지어려움
h = 9 mR = 3 mN = ?

1 kg 수레가 반지름 3 m인 연직 원형 루프로 이어지는 매끄러운 트랙 위 높이 9 m에서 가만히 놓인다. 루프 꼭대기에서 트랙이 수레에 작용하는 수직항력 N을(를) 구하시오.

m = 1 kgh = 9 mR = 3 mg = 9.81 m/s²
N = N
11.운동량과 충돌보통
7 kg56 m/s3 kgv′2​ = ?

수평으로 31 m/s로 움직이던 10 kg 발사체가 폭발해 같은 직선을 따라 움직이는 두 파편으로 나뉜다. 7 kg 파편은 56 m/s로 앞으로 계속 움직인다. 3 kg 파편의 속도 v′2(원래 방향을 양으로)을(를) 구하시오.

M = 10 kgu = 31 m/sm1 = 7 kgv′1 = 56 m/sm2 = 3 kg
v′2 = m/s
12.운동량과 충돌어려움
1200 kgv1​ = ?1200 kg

1200 kg 자동차가 주차된 1200 kg 자동차를 들이받는다. 잔해는 한 덩어리가 되어 18.5 m 미끄러진 뒤 멈춘다. 타이어와 도로 사이의 운동 마찰 계수는 0.5이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 직전 첫 번째 자동차의 속력 v1을(를) 구하시오.

m1 = 1200 kgm2 = 1200 kgd = 18.5 mμ = 0.5g = 9.81 m/s²
v1 = m/s
13.용수철과 진자보통
L = 0.8 m

단진자의 길이는 0.8 m이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 작게 흔들릴 때의 주기 T을(를) 구하시오.

L = 0.8 mg = 9.81 m/s²
T = s
14.용수철과 진자어려움
t (s)x (cm)t = ?3.75

한 물체가 주기 3.9 s, 진폭 5 cm로 단조화 운동을 한다. 평형점에서 변위 3.75 cm까지 움직이는 데 필요한 최단 시간 t은(는) 얼마인가?

T = 3.9 sA = 5 cmx = 3.75 cm
t = s
15.파동, 소리, 광학보통
Pβ = ?r = 5 m

작은 스피커가 모든 방향으로 똑같이 0.5 W의 음향 출력을 내보낸다. 5 m 떨어진 곳의 음의 세기 수준 β을(를) 구하시오.

P = 0.5 Wr = 5 mI0 = 10⁻¹² W/m²
β = dB
16.파동, 소리, 광학어려움
λ = 633 nma = 0.05 mm

파장 633 nm의 빛이 폭 0.05 mm의 단일 슬릿을 통과한다. 직진 방향에 대한 2번째 어두운 무늬의 각 θ2을(를) 구하시오.

λ = 633 nma = 0.05 mmm = 2
θ2 = °

3용액

1.운동학

답: s = 56.82 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.

단위

v₀ = 90/3.6 = 25 m/s

제동 거리

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 25²/(2·5.5) = 56.82 m

답

s = 56.82 m
2.운동학

답: t = 2.951 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.

운동 방정식

위쪽이 양이고, 지면은 출발점보다 h₀ 아래에 있습니다.

−25 = 6·t − ½·9.81·t²
4.905·t² − 6·t − 25 = 0

이차방정식 풀기

물리적으로 의미 있는 것은 양의 근뿐입니다.

t = (6 + √(6² + 2·9.81·25))/9.81 = 2.951 s

답

t = 2.951 s
3.뉴턴 법칙

답: a = 1.972 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.

경사면 방향의 힘

경사면 아래쪽이 양입니다.

m·a = m·g·sin θ − μ·m·g·cos θ

가속도

a = 9.81·(sin 20° − 0.15·cos 20°) = 9.81·(0.342 − 0.141) = 1.972 m/s²

답

a = 1.972 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: T = 9.418 N

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) = (39.24 − 1.962)/5 = 7.456 m/s²

탁자 위 블록에서 구한 장력

T − μ·m1·g = m1·a
T = 1·7.456 + 1.962 = 9.418 N

답

T = 9.418 N
5.포물선 운동

답: v0 = 33.11 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) = √(9.81·105/sin 70°) = 33.11 m/s

답

v0 = 33.11 m/s
6.포물선 운동

답: x = 64.41 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 = 22·cos 50° = 14.14 m/s
vy = v0·sin θ = 22·sin 50° = 16.85 m/s

체공 시간

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

0 = 25 + 16.85·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (16.85 + √(284 + 490.5))/9.81 = 4.555 s

수평 거리

x = vx·t = 14.14·4.555 = 64.41 m

답

x = 64.41 m
7.원운동

답: v = 5.147 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 = 1.8·sin 60° = 1.559 m

속력

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

v = √(r·g·tan θ) = √(1.559·9.81·tan 60°) = 5.147 m/s

답

v = 5.147 m/s
8.원운동

답: Ntop = 5.886 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·(28 − 2·10) = 157 m²/s²

힘

중심 방향을 양으로.

N = m·v²/R − m·g = 1·157/10 − 9.81 = 5.886 N

답

Ntop = 5.886 N
9.일과 에너지

답: T = 31.11 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·(1 − cos 45°) = 5.747 m²/s²

바닥에서의 힘

m·g = 2·9.81 = 19.62 N
T = mg + mv²/L = 19.62 + 2·5.747/1 = 31.11 N

답

T = 31.11 N

검산: T = mg(3 − 2cos θ) = 31.11 N.

10.일과 에너지

답: N = 9.81 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.

꼭대기에서의 속력

v² = 2g(h − 2R) = 2·9.81·(9 − 6) = 58.86 m²/s²

꼭대기에서의 힘

m·g = 1·9.81 = 9.81 N
N = mv²/R − mg = 1·58.86/3 − 9.81 = 9.81 N

답

N = 9.81 N

h = 2.5R이면 수레가 겨우 루프를 돌며, 이때 꼭대기에서 N = 0입니다.

11.운동량과 충돌

답: v′2 = −27.33 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 = 10·31 = 310 kg·m/s

충돌 후 운동량

310 = 7·56 + 3·v′2
v′2 = (310 − 392)/3 = −27.33 m/s

답

v′2 = −27.33 m/s

음의 부호는 두 번째 파편이 뒤로 날아간다는 뜻입니다.

12.운동량과 충돌

답: v1 = 26.94 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 속력

V = √(2·μ·g·d) = √(2·0.5·9.81·18.5) = 13.47 m/s

충돌에서의 운동량

m1·v1 = (m1 + m2)·V → v1 = 2400·13.47/1200 = 26.94 m/s

답

v1 = 26.94 m/s
(97 km/h)
13.용수철과 진자

답: T = 1.794 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·√(0.8/9.81) = 1.794 s

답

T = 1.794 s
14.용수철과 진자

답: t = 0.5264 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/3.9 = 1.611 rad/s

시간에 대해 풀기

0.75 = sin(ω·t) → ω·t = arcsin(0.75) = 0.8481 rad
t = 0.8481/1.611 = 0.5264 s

답

t = 0.5264 s
15.파동, 소리, 광학

답: β = 92.02 dB

파동: 주기적인 파동은 한 주기에 한 파장을 이동하므로 v = fλ이고 T = 1/f입니다. 팽팽한 줄에서는 v = √(T/μ)이며, T는 장력, μ = m/L은 1미터당 질량입니다. 공기 중의 소리는 20 °C에서 약 343 m/s로, 진공 중의 빛은 c = 3.00 × 10⁸ m/s로 진행합니다. 소리의 크기는 로그 눈금으로 측정합니다: β = 10·log₁₀(I/I₀) dB, I₀ = 10⁻¹² W/m²이므로 세기가 10배가 되면 10 dB가 늘어납니다. 점음원은 일률 P를 구면 위로 퍼뜨립니다: I = P/(4πr²).

세기

I = P/(4πr²) = 0.001592 W/m²

난이도

β = 10·log₁₀(0.001592/10⁻¹²) = 92.02 dB

답

β = 92.02 dB
16.파동, 소리, 광학

답: θ2 = 1.451 °

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.

어두운 무늬의 조건

sin θ = mλ/a = 0.02532
θ = 1.451°

답

θ2 = 1.451°

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