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 6 m/s²의 일정한 감속도로 제동하여 멈춘다. 제동하는 데 걸리는 시간 t을(를) 구하시오.

v₀ = 60 km/ha = −6 m/s²v = 0
t = s
2.운동학어려움
v₀ = 5 m/s40 m

지면에서 40 m 높이에 있는 지붕 가장자리에서 공을 5 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 = 5 m/sh₀ = 40 mg = 9.81 m/s²
t = s
3.뉴턴 법칙보통
θ = 20°30 kgF = ?

30 kg 상자를 수평과 20°를 이루는 경사로 위로 경사로에 평행한 힘으로 일정한 속력으로 민다. 운동 마찰 계수는 0.2이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 미는 힘 F을(를) 구하시오.

m = 30 kgθ = 20°μ = 0.2g = 9.81 m/s²
F = N
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 9 kg2.5 kgμ = 0.2

수평 탁자 위에 있는 질량 9 kg인 블록이 가벼운 줄로 마찰 없는 도르래를 거쳐 매달린 2.5 kg 물체와 연결되어 있다. 블록과 탁자 사이의 운동 마찰 계수는 0.2이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m1 = 9 kgm2 = 2.5 kgμ = 0.2g = 9.81 m/s²
T = N
5.포물선 운동보통
v0​ = 20 m/s45°수평 도달 거리

공을 평지에서 수평에서 45° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿을 때까지의 비행 시간 t을(를) 구하시오.

v0 = 20 m/sθ = 45°g = 9.81 m/s²
t = s
6.포물선 운동어려움
h = 60 mv0​ = 14 m/s40°v = ?

60 m 절벽 꼭대기에서 공을 14 m/s, 수평 위 40°로 발사한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 지면에 닿는 속력 v을(를) 구하시오.

v₀ = 14 m/sθ = 40°h = 60 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
7.원운동보통
r = 70 mvmax​ = ?

자동차가 반지름 70 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 = 70 mμs = 0.5g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.원운동어려움
r = 0.8 mv = 3.5 m/s

길이 0.8 m인 줄에 매단 질량 0.8 kg인 공을 연직면에서 원운동시킨다. 최저점에서 공의 속력은 3.5 m/s이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 최저점에서 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m = 0.8 kgr = 0.8 mv = 3.5 m/sg = 9.81 m/s²
T = N
9.일과 에너지보통
0.1 kgk = 1000 N/mh = ?

장난감 발사기에 강성 1000 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 = 1000 N/mx = 10 cmg = 9.81 m/s²
h = m
10.일과 에너지어려움
k = 5000 N/m35°μ = 0.32 kg

35° 경사면 아래에 있는 강성 5000 N/m인 스프링을 2 kg 블록으로 5 cm 압축했다가 놓는다. 블록과 경사면 사이의 운동 마찰 계수는 0.3이다. 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 = 2 kgk = 5000 N/mx = 5 cmθ = 35°μ = 0.3g = 9.81 m/s²
d = m
11.운동량과 충돌보통
1 kgv = ?8 gh = 12 cm

8 g 총알을 가벼운 줄에 매달린 1 kg 나무 블록에 수평으로 쏘아 박히게 한다. 블록은 처음보다 12 cm 높아질 때까지 흔들려 올라간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 전 총알의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 8 gM = 1 kgh = 12 cmg = 9.81 m/s²
v = m/s
12.운동량과 충돌어려움
2 kgv = ?12 g35°L = 0.6 m

12 g 총알을 길이 0.6 m의 가벼운 줄에 매달린 2 kg 블록에 수평으로 쏘아 박히게 한다. 줄은 연직에서 최대 35°까지 흔들려 나간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 전 총알의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 12 gM = 2 kgL = 0.6 mθ = 35°g = 9.81 m/s²
v = m/s
13.용수철과 진자보통
1.9 kgk = 100 N/mA = 5 cmx = 4 cm

k = 100 N/m인 스프링에 매단 1.9 kg 질량이 마찰 없는 면 위에서 진폭 5 cm로 진동한다. 평형점에서 4 cm 떨어져 있을 때의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 1.9 kgk = 100 N/mA = 5 cmx = 4 cm
v = m/s
14.용수철과 진자어려움
mk = 40 N/mA = 15 cmx = 7 cm

k = 40 N/m인 스프링에 매단 질량이 마찰 없는 면 위에서 진폭 15 cm로 진동한다. 평형점에서 7 cm 떨어져 있을 때의 운동 에너지 K을(를) 구하시오.

k = 40 N/mA = 15 cmx = 7 cm
K = J
15.파동, 소리, 광학보통
FFdo​ = 50 cmf = 5 cm

물체가 초점 거리 5 cm인 얇은 수렴 렌즈 앞 50 cm에 서 있다. 상거리 di을(를) 구하시오. 부호 규약 1/f = 1/do + 1/di를 쓴다(오목 렌즈는 f < 0, 허상은 di < 0).

do = 50 cmf = 5 cm
di = cm
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 = 2.778 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 = 16.67/6 = 2.778 s

답

t = 2.778 s
2.운동학

답: t = 3.41 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.

−40 = 5·t − ½·9.81·t²
4.905·t² − 5·t − 40 = 0

이차방정식 풀기

물리적으로 의미 있는 것은 양의 근뿐입니다.

t = (5 + √(5² + 2·9.81·40))/9.81 = 3.41 s

답

t = 3.41 s
3.뉴턴 법칙

답: F = 156 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 = 100.7 + 55.31 = 156 N

답

F = 156 N
4.뉴턴 법칙

답: T = 23.03 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) = (24.53 − 17.66)/11.5 = 0.5971 m/s²

탁자 위 블록에서 구한 장력

T − μ·m1·g = m1·a
T = 9·0.5971 + 17.66 = 23.03 N

답

T = 23.03 N
5.포물선 운동

답: t = 2.883 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 = 20·cos 45° = 14.14 m/s
vy = v0·sin θ = 20·sin 45° = 14.14 m/s

체공 시간

출발점과 착지점이 같은 높이: t = 2vy/g.

t = 2·14.14/9.81 = 2.883 s

답

t = 2.883 s
6.포물선 운동

답: v = 37.06 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.

초기 속도 분해

vx = 14·cos 40° = 10.72 m/s
vy0 = 14·sin 40° = 8.999 m/s

충돌 시 수직 속력

에너지 또는 수직 방향의 v² = v₀² + 2as.

vy = √(8.999² + 2·9.81·60) = 35.47 m/s

충돌 속력

v = √(10.72² + 35.47²) = 37.06 m/s

답

v = 37.06 m/s

에너지로 검산: v² = v₀² + 2gh.

7.원운동

답: vmax = 18.53 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) = √(0.5·9.81·70) = 18.53 m/s

답

vmax = 18.53 m/s (66.71 km/h)
8.원운동

답: T = 20.1 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 = 0.8·9.81 + 0.8·3.5²/0.8 = 7.848 + 12.25 = 20.1 N

답

T = 20.1 N
9.일과 에너지

답: h = 5.097 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 = ½·1000·0.1² = 5 J

높이

m·g = 0.1·9.81 = 0.981 N
h = ½kx²/(mg) = 5/0.981 = 5.097 m

답

h = 5.097 m
10.일과 에너지

답: d = 0.3888 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 = ½·5000·0.05² = 6.25 J

경사면을 따른 에너지 수지

m·g = 2·9.81 = 19.62 N
½kx² = mg·d·(sin θ + μ·cos θ)
d = 6.25/(19.62·(0.5736 + 0.3·0.8192)) = 0.3888 m

답

d = 0.3888 m
11.운동량과 충돌

답: v = 193.3 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) = √(2·9.81·0.12) = 1.534 m/s

충돌

m·v = (m + M)·V → v = (0.008 + 1)·1.534/0.008 = 193.3 m/s

답

v = 193.3 m/s
12.운동량과 충돌

답: v = 244.6 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) = 0.6·(1 − cos 35°) = 0.1085 m

충돌 후의 속력

V = √(2·9.81·0.1085) = 1.459 m/s

충돌

v = (m + M)·V/m = 2.012·1.459/0.012 = 244.6 m/s

답

v = 244.6 m/s
13.용수철과 진자

답: v = 0.2176 m/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 = √(100/1.9) = 7.255 rad/s

x에서의 속력

v = ω·√(A² − x²) = 7.255·√(0.05² − 0.04²) = 0.2176 m/s

답

v = 0.2176 m/s
14.용수철과 진자

답: K = 0.352 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 = ½·40·0.15² = 0.45 J

x에서의 스프링 에너지

U = ½·k·x² = ½·40·0.07² = 0.098 J

운동 에너지

K = 0.45 − 0.098 = 0.352 J

답

K = 0.352 J
15.파동, 소리, 광학

답: di = 5.556 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 = 1/5 − 1/50
di = 5.556 cm
FF50 cmf = 5 cm

광선도

실상, 렌즈의 반대쪽

답

di = 5.556 cm
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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