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)0.5 s10

36 km/h로 달리던 운전자가 장애물을 본다. 반응 시간은 0.5 s이고, 그 후 자동차는 일정한 감속도 4.5 m/s²로 제동한다. 장애물을 본 순간부터의 총 정지 거리 d을(를) 구하시오.

v₀ = 36 km/htr = 0.5 sa = −4.5 m/s²
d = m
2.운동학어려움
d = ?

돌을 우물에 가만히 떨어뜨린다. 돌을 놓고 2 s 후에 물소리가 들린다. 음속은 343 m/s이고, 공기 저항은 무시하며 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 우물의 깊이 d을(를) 구하시오.

ttotal = 2 svsound = 343 m/sg = 9.81 m/s²
d = m
3.뉴턴 법칙보통
θ = 45°a = ?m = 12 kg

질량 12 kg인 블록이 수평과 45°를 이루는 경사면을 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.2이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 경사면을 따르는 블록의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 12 kgθ = 45°μ = 0.2g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 6 kg1.5 kgμ = 0.1

수평 탁자 위에 있는 질량 6 kg인 블록이 가벼운 줄로 마찰 없는 도르래를 거쳐 매달린 1.5 kg 물체와 연결되어 있다. 블록과 탁자 사이의 운동 마찰 계수는 0.1이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 계의 가속도 a을(를) 구하시오.

m1 = 6 kgm2 = 1.5 kgμ = 0.1g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.포물선 운동보통
v0​ = 18 m/s45°수평 도달 거리

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

v0 = 18 m/sθ = 45°g = 9.81 m/s²
t = s
6.포물선 운동어려움
h = 20 mv0​ = 12 m/s35°x = ?

공을 높이 20 m인 절벽 위에서 수평에서 35° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿기 전까지 이동한 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v0 = 12 m/sθ = 35°h = 20 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.원운동보통
r = 3.9 mn = ?

놀이공원의 로터에서 탑승자는 반지름 3.9 m인 수직 원통의 벽에 기대어 선다. 충분히 빨리 돌면 바닥이 내려가고 마찰이 탑승자를 붙잡는다. 정지 마찰 계수는 0.7이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 최소 회전수 n을(를) 분당 회전수로 구하시오.

r = 3.9 mμs = 0.7g = 9.81 m/s²
n = rpm
8.원운동어려움
r = 1.2 mv = 4.5 m/s

길이 1.2 m인 줄에 매단 질량 0.4 kg인 공을 연직면에서 원운동시킨다. 최저점에서 공의 속력은 4.5 m/s이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 최저점에서 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m = 0.4 kgr = 1.2 mv = 4.5 m/sg = 9.81 m/s²
T = N
9.일과 에너지보통
20°d = 10 mμ = 0.25

질량 2.5 kg인 블록이 수평과 20°를 이루는 경사면을 10 m 미끄러져 내려가며, 운동 마찰 계수는 0.25이다. 마찰에 대해 한 일 Wf을(를) 구하시오.

m = 2.5 kgθ = 20°μ = 0.25d = 10 mg = 9.81 m/s²
Wf = J
10.일과 에너지어려움
k = 3000 N/m15°μ = 0.152 kg

15° 경사면 아래에 있는 강성 3000 N/m인 스프링을 2 kg 블록으로 10 cm 압축했다가 놓는다. 블록과 경사면 사이의 운동 마찰 계수는 0.15이다. 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 = 3000 N/mx = 10 cmθ = 15°μ = 0.15g = 9.81 m/s²
d = m
11.운동량과 충돌보통
800 kg19 m/s800 kg

19 m/s로 움직이는 800 kg 자동차가 정지해 있는 800 kg 자동차와 충돌해 두 차가 한 덩어리가 된다. 충돌에서 잃은 운동 에너지 ΔK은(는) 얼마인가?

m1 = 800 kgv1 = 19 m/sm2 = 800 kgv2 = 0
ΔK = J
12.운동량과 충돌어려움
2.5 kgv = ?10 g35°L = 0.9 m

10 g 총알을 길이 0.9 m의 가벼운 줄에 매달린 2.5 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 = 10 gM = 2.5 kgL = 0.9 mθ = 35°g = 9.81 m/s²
v = m/s
13.용수철과 진자보통
L = ?

주기가 1.2 s인 단진자의 길이는 얼마여야 하는가? g = 9.81 m/s²를 쓴다. L을(를) 구하시오.

T = 1.2 sg = 9.81 m/s²
L = m
14.용수철과 진자어려움
1.5 kgk = 400 N/m300 m/s

300 m/s로 움직이는 8 g 총알이 마찰 없는 면 위에 정지해 있는 1.5 kg 블록에 맞아 박힌다. 블록은 k = 400 N/m인 수평 스프링에 연결되어 있다. 이로 인한 진동의 진폭 A을(를) cm로 구하시오.

m = 8 gv = 300 m/sM = 1.5 kgk = 400 N/m
A = cm
15.파동, 소리, 광학보통
S20 m/sOf = 800 Hz

800 Hz의 음원이 정지한 관측자를 향해 20 m/s로 움직인다. 소리의 속력은 343 m/s이다. 관측자가 듣는 진동수 f′을(를) 구하시오.

f = 800 Hzv = 343 m/svs = 20 m/s
f′ = Hz
16.파동, 소리, 광학어려움
λ = 405 nmθ

회절 격자에 1 mm당 800개의 선이 있다. 파장 405 nm의 빛이 수직으로 입사한다. 볼 수 있는 밝은 극대의 가장 높은 차수 mmax은(는) 얼마인가?

N = 800 mm⁻¹λ = 405 nm
mmax =

3용액

1.운동학

답: d = 16.11 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 = 36/3.6 = 10 m/s

반응 거리

d1 = v₀·tr = 10·0.5 = 5 m

제동 거리

d2 = v₀²/(2a) = 10²/(2·4.5) = 11.11 m

합계

d = 5 + 11.11 = 16.11 m

답

d = 16.11 m
2.운동학

답: d = 18.57 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.

시간의 두 부분

½·9.81·t₁² = 343·(2 − t₁)
4.905·t₁² + 343·t₁ − 686 = 0

낙하 시간

물리적으로 의미 있는 것은 양의 근뿐입니다.

t₁ = (−343 + √(343² + 4·4.905·686))/(2·4.905) = 1.946 s

깊이

d = ½·9.81·1.946² = 18.57 m

답

d = 18.57 m
3.뉴턴 법칙

답: a = 5.549 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 45° − 0.2·cos 45°) = 9.81·(0.7071 − 0.1414) = 5.549 m/s²

답

a = 5.549 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: a = 1.177 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) = (14.71 − 5.886)/7.5 = 1.177 m/s²

답

a = 1.177 m/s²
5.포물선 운동

답: t = 2.595 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 = 18·cos 45° = 12.73 m/s
vy = v0·sin θ = 18·sin 45° = 12.73 m/s

체공 시간

출발점과 착지점이 같은 높이: t = 2vy/g.

t = 2·12.73/9.81 = 2.595 s

답

t = 2.595 s
6.포물선 운동

답: x = 27.91 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 = 12·cos 35° = 9.83 m/s
vy = v0·sin θ = 12·sin 35° = 6.883 m/s

체공 시간

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

0 = 20 + 6.883·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (6.883 + √(47.37 + 392.4))/9.81 = 2.839 s

수평 거리

x = vx·t = 9.83·2.839 = 27.91 m

답

x = 27.91 m
7.원운동

답: n = 18.1 rpm

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/(0.7·3.9)) = 1.896 rad/s

회전수

n = ω·60/(2π) = 18.1 rpm

답

n = 18.1 rpm
8.원운동

답: T = 10.67 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 = 0.4·9.81 + 0.4·4.5²/1.2 = 3.924 + 6.75 = 10.67 N

답

T = 10.67 N
9.일과 에너지

답: Wf = 57.61 J

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).

마찰력

N = mg·cos θ = 24.53·0.9397 = 23.05 N
F = μN = 0.25·23.05 = 5.761 N

마찰에 대한 일

Wf = F·d = 5.761·10 = 57.61 J

답

Wf = 57.61 J
10.일과 에너지

답: d = 1.894 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 = ½·3000·0.1² = 15 J

경사면을 따른 에너지 수지

m·g = 2·9.81 = 19.62 N
½kx² = mg·d·(sin θ + μ·cos θ)
d = 15/(19.62·(0.2588 + 0.15·0.9659)) = 1.894 m

답

d = 1.894 m
11.운동량과 충돌

답: ΔK = 72200 J

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) = 800·19/1600 = 9.5 m/s

충돌 전후의 운동 에너지

Kbefore = ½·800·19² = 144400 J
Kafter = ½·1600·9.5² = 72200 J

잃은 에너지

ΔK = 144400 − 72200 = 72200 J

답

ΔK = 72200 J

잃은 에너지는 변형, 열, 소리로 갑니다.

12.운동량과 충돌

답: v = 448.5 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) = 0.9·(1 − cos 35°) = 0.1628 m

충돌 후의 속력

V = √(2·9.81·0.1628) = 1.787 m/s

충돌

v = (m + M)·V/m = 2.51·1.787/0.01 = 448.5 m/s

답

v = 448.5 m/s
13.용수철과 진자

답: L = 0.3578 m

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.

길이 구하기

L = g·(T/2π)² = 9.81·(1.2/2π)² = 0.3578 m

답

L = 0.3578 m
14.용수철과 진자

답: A = 9.772 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) = 0.008·300/1.508 = 1.592 m/s

각주파수

ω = √(k/(m + M)) = √(400/1.508) = 16.29 rad/s

진폭

A = V/ω = 1.592/16.29 = 0.09772 m = 9.772 cm

답

A = 9.772 cm
15.파동, 소리, 광학

답: f′ = 849.5 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) = 800·(343 + 0)/(343 − 20)
f′ = 849.5 Hz

답

f′ = 849.5 Hz
16.파동, 소리, 광학

답: mmax = 3

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 = 1/800 mm = 1.25 µm

가장 높은 차수

m ≤ d/λ = 1.25 µm/0.405 µm = 3.086 → mmax = 3

답

mmax = 3

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