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)2.778 s12.5

45 km/h로 달리던 자동차가 4.5 m/s²의 일정한 감속도로 제동하여 멈춘다. 제동 거리 s을(를) 구하시오.

v₀ = 45 km/ha = −4.5 m/s²v = 0
s = m
2.운동학어려움
a = 22 m/s²

모형 로켓을 정지 상태에서 똑바로 위로 발사한다. 엔진은 2 s 동안 위쪽으로 일정한 가속도 22 m/s²를 주고, 그 후 엔진이 멈추면 로켓은 자유 운동을 한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 로켓이 도달하는 최고 높이 hmax을(를) 구하시오.

a = 22 m/s²t1 = 2 sg = 9.81 m/s²
hmax = m
3.뉴턴 법칙보통
4 kg3.5 kg

4 kg과 3.5 kg인 질량이 가볍고 마찰 없는 도르래 양쪽에 가벼운 줄로 연결되어 매달려 있다. 계를 정지 상태에서 놓는다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m1 = 4 kgm2 = 3.5 kgg = 9.81 m/s²
T = N
4.뉴턴 법칙어려움
θ = 20°블록v₀ = 4 m/s

블록을 밀어 20° 경사로 위로 4 m/s의 속력으로 미끄러져 올라가게 한다. 운동 마찰 계수는 0.15이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 블록은 멈추기 전까지 경사로를 따라 얼마나 멀리 d 미끄러지는가?

v₀ = 4 m/sθ = 20°μ = 0.15g = 9.81 m/s²
d = m
5.포물선 운동보통
v0​ = ?35°R = 140 m

평지에서 공을 수평 위 35°로 발사하자 140 m 떨어진 곳에 떨어진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 발사 속력 v0을(를) 구하시오.

θ = 35°R = 140 mg = 9.81 m/s²
v0 = m/s
6.포물선 운동어려움
h = 5 mv0​ = 21 m/s45°H = ?

5 m 절벽 꼭대기에서 공을 21 m/s, 수평 위 45°로 발사한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 절벽 밑 지면으로부터의 최고 높이 H을(를) 구하시오.

v₀ = 21 m/sθ = 45°h = 5 mg = 9.81 m/s²
H = m
7.원운동보통
r = 110 mvmax​ = ?

자동차가 반지름 110 m인 평평한 커브를 돈다. 타이어와 도로 사이의 정지 마찰 계수는 0.7이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 미끄러지지 않고 커브를 돌 수 있는 최대 속력 vmax을(를) 구하시오.

r = 110 mμs = 0.7g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.원운동어려움
r = 1.5 mv = 3 m/s

길이 1.5 m인 줄에 매단 질량 1.2 kg인 공을 연직면에서 원운동시킨다. 최저점에서 공의 속력은 3 m/s이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 최저점에서 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m = 1.2 kgr = 1.5 mv = 3 m/sg = 9.81 m/s²
T = N
9.일과 에너지보통
30°d = 9 mμ = 0.2

블록이 수평과 30°를 이루는 경사면을 정지 상태에서 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.2이다. 경사면을 따라 9 m 미끄러진 뒤의 속력 v을(를) 구하시오.

θ = 30°μ = 0.2d = 9 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
10.일과 에너지어려움
h = 2 mL = 4 mμ = 0.25k = 4000 N/m

질량 4 kg인 블록을 매끄러운 경사로의 높이 2 m에서 가만히 놓는다. 아래에서 길이 4 m인 거친 수평 구간(μ = 0.25)을 지난 뒤, 매끄러운 면에서 스프링(k = 4000 N/m)에 부딪힌다. 스프링의 최대 압축량 x을(를) 구하시오.

m = 4 kgh = 2 mL = 4 mμ = 0.25k = 4000 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
11.운동량과 충돌보통
1 kg4 m/s2 kg

4 m/s로 움직이는 질량 1 kg인 글라이더가 마찰 없는 트랙 위에 정지해 있는 질량 2 kg인 글라이더와 완전 탄성 정면충돌을 한다. 충돌 후 첫 번째 글라이더의 속도 v′1을(를) 구하시오(처음 진행 방향을 양으로 한다).

m1 = 1 kgm2 = 2 kgv1 = 4 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.운동량과 충돌어려움
1700 kg17 m/s1700 kg12 m/sv′ = ?

교차로에서 동쪽으로 17 m/s로 달리던 1700 kg 자동차가 북쪽으로 12 m/s로 달리던 1700 kg 자동차와 충돌한다. 두 차는 한 덩어리가 된다. 충돌 직후 잔해의 속력 v′을(를) 구하시오.

m1 = 1700 kgv1 = 17 m/s (E)m2 = 1700 kgv2 = 12 m/s (N)
v′ = m/s
13.용수철과 진자보통
t (s)x (cm)1.1 s

k = 400 N/m인 스프링에 매단 0.3 kg 질량을 양의 방향으로 7 cm 당겼다가 t = 0에 정지 상태에서 놓는다. t = 1.1 s에서의 속도 v(부호 포함)을(를) 구하시오.

m = 0.3 kgk = 400 N/mA = 7 cmt = 1.1 s
v = m/s
14.용수철과 진자어려움
3.7 kgk = 140 N/mA = 4 cm

k = 140 N/m인 용수철에 매단 3.7 kg 물체를 평형 위치에서 4 cm 당겼다가 놓는다. 진동의 전체 에너지 E을(를) 구하시오.

m = 3.7 kgk = 140 N/mA = 4 cm
E = J
15.파동, 소리, 광학보통
S34 m/sOf = 500 Hz

500 Hz의 음원이 정지한 관측자를 향해 34 m/s로 움직인다. 소리의 속력은 343 m/s이다. 관측자가 듣는 진동수 f′을(를) 구하시오.

f = 500 Hzv = 343 m/svs = 34 m/s
f′ = Hz
16.파동, 소리, 광학어려움
θa​ = ?n1​ = 1.52n2​ = 1.51n0​ = 1.00

광섬유의 코어는 n₁ = 1.52이고 클래딩은 n₂ = 1.51이다. 공기 중의 빛이 섬유의 끝면으로 들어가 전반사로 계속 안내될 수 있는 섬유 축에 대한 최대 각 θa을(를) 구하시오.

n1 = 1.52n2 = 1.51n0 = 1.00
θa = °

3용액

1.운동학

답: s = 17.36 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 = 45/3.6 = 12.5 m/s

제동 거리

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 12.5²/(2·4.5) = 17.36 m

답

s = 17.36 m
2.운동학

답: hmax = 142.7 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.

동력 비행 단계

v₁ = 22·2 = 44 m/s
h₁ = ½·22·2² = 44 m

위로의 자유 비행

최고점에서 속도는 0입니다.

Δh = v₁²/(2g) = 44²/(2·9.81) = 98.67 m
hmax = 44 + 98.67 = 142.7 m

답

hmax = 142.7 m
3.뉴턴 법칙

답: T = 36.62 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.

가속도

알짜 구동력은 무게의 차이이며, 전체 질량을 움직입니다.

a = (4 − 3.5)·9.81/(4 + 3.5) = 0.654 m/s²

가벼운 질량에서 구한 장력

T − m2·g = m2·a → T = 3.5·(9.81 + 0.654) = 36.62 N

답

T = 36.62 N
4.뉴턴 법칙

답: d = 1.688 m

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.

감속도

두 힘 모두 경사면 아래를 향하며, 질량은 약분됩니다.

a = 9.81·(sin 20° + 0.15·cos 20°) = 4.738 m/s²

거리

d = v₀²/(2a) = 4²/(2·4.738) = 1.688 m

답

d = 1.688 m
5.포물선 운동

답: v0 = 38.23 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) = √(9.81·140/sin 70°) = 38.23 m/s

답

v0 = 38.23 m/s
6.포물선 운동

답: H = 16.24 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 = 21·sin 45° = 14.85 m/s

절벽 위로 올라간 높이

Δh = vy²/(2g) = 14.85²/(2·9.81) = 11.24 m

지면으로부터의 높이

H = 5 + 11.24 = 16.24 m

답

H = 16.24 m
7.원운동

답: vmax = 27.48 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) = √(0.7·9.81·110) = 27.48 m/s

답

vmax = 27.48 m/s (98.94 km/h)
8.원운동

답: T = 18.97 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 = 1.2·9.81 + 1.2·3²/1.5 = 11.77 + 7.2 = 18.97 N

답

T = 18.97 N
9.일과 에너지

답: v = 7.596 m/s

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).

경사면을 따른 에너지 수지

블록이 높이 d·sin θ만큼 내려가는 동안 마찰이 μmg·cos θ·d를 빼앗습니다. 질량이 소거됩니다.

½v² = g·d·(sin θ − μ·cos θ)
v = √(2·9.81·9·(0.5 − 0.2·0.866)) = 7.596 m/s

답

v = 7.596 m/s
10.일과 에너지

답: x = 14.01 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·(2 − 0.25·4) = 39.24 J

최대 압축량

½kx² = 39.24 → x = √(2·39.24/4000) = 0.1401 m = 14.01 cm

답

x = 14.01 cm
11.운동량과 충돌

답: v′1 = −1.333 m/s

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.

정지한 표적과의 탄성 충돌

운동량 보존과 에너지 보존을 연립해 풀면 이 두 결과가 나옵니다.

v′1 = (1 − 2)/(1 + 2)·4 = −1.333 m/s
v′2 = 2·1/(1 + 2)·4 = 2.667 m/s

답

v′1 = −1.333 m/s

음의 부호는 첫 번째 글라이더가 튕겨 되돌아간다는 뜻입니다.

12.운동량과 충돌

답: v′ = 10.4 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.

운동량 성분

px = 1700·17 = 28900 kg·m/s
py = 1700·12 = 20400 kg·m/s

잔해의 속력

v′ = √(px² + py²)/(m1 + m2) = 35375/3400 = 10.4 m/s

답

v′ = 10.4 m/s
13.용수철과 진자

답: v = −1.596 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 = √(400/0.3) = 36.51 rad/s
ω·t = 36.51·1.1 = 40.17 rad

속도

v = −A·ω·sin(ω·t) = −0.07·36.51·sin(40.17) = −1.596 m/s

답

v = −1.596 m/s
14.용수철과 진자

답: E = 0.112 J

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.

각주파수

ω = √(140/3.7) = 6.151 rad/s

에너지

E = ½·k·A² = ½·140·0.04² = 0.112 J

답

E = 0.112 J
15.파동, 소리, 광학

답: f′ = 555 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) = 500·(343 + 0)/(343 − 34)
f′ = 555 Hz

답

f′ = 555 Hz
16.파동, 소리, 광학

답: θa = 10.02 °

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 = 1.51/1.52 = 0.9934 → θc = 83.42°

개구수

NA = √(1.52² − 1.51²) = 0.1741

수광각

θa = arcsin(0.1741) = 10.02°

답

θa = 10.02°

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