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)2.222 s16.67

60 km/h로 달리던 자동차가 7.5 m/s²의 일정한 감속도로 제동하여 멈춘다. 제동 거리 s을(를) 구하시오.

v₀ = 60 km/ha = −7.5 m/s²v = 0
s = m
2.운동학어려움
t (s)v (m/s)10 s

트램이 정지 상태에서 출발해 10 s 동안 2.5 m/s²로 가속한 다음, 29 s 동안 등속으로 달리고, 마지막으로 2 m/s²로 제동해 멈춘다. 두 정류장 사이의 총거리 s을(를) 구하시오.

a1 = 2.5 m/s²t1 = 10 st2 = 29 sa3 = −2 m/s²
s = m
3.뉴턴 법칙보통
θ = 30°10 kgF = ?

10 kg 상자를 수평과 30°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 = 10 kgθ = 30°μ = 0.1g = 9.81 m/s²
F = N
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 9 kg5.5 kgμ = 0.2

수평 탁자 위에 있는 질량 9 kg인 블록이 가벼운 줄로 마찰 없는 도르래를 거쳐 매달린 5.5 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 = 5.5 kgμ = 0.2g = 9.81 m/s²
T = N
5.포물선 운동보통
v0​ = 24 m/s35°수평 도달 거리H = ?

공을 평지에서 수평에서 35° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 도달하는 최대 높이 H을(를) 구하시오.

v0 = 24 m/sθ = 35°g = 9.81 m/s²
H = m
6.포물선 운동어려움
h = 20 mv0​ = 17 m/s15°수평 도달 거리

공을 높이 20 m인 절벽 위에서 수평에서 15° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿을 때까지의 비행 시간 t을(를) 구하시오.

v0 = 17 m/sθ = 15°h = 20 mg = 9.81 m/s²
t = s
7.원운동보통
L = 1.4 m25°

길이 1.4 m인 줄에 매단 작은 공이 수평 원운동을 하며, 줄은 연직과 일정한 각 25°를 이룬다(원뿔 진자). g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 한 바퀴 도는 시간 T을(를) 구하시오.

L = 1.4 mθ = 25°g = 9.81 m/s²
T = s
8.원운동어려움
r = 0.5 mv = 8.5 m/s

길이 0.5 m인 줄에 매단 질량 0.3 kg인 공을 연직면에서 원운동시킨다. 최저점에서 공의 속력은 8.5 m/s이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 최저점에서 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m = 0.3 kgr = 0.5 mv = 8.5 m/sg = 9.81 m/s²
T = N
9.일과 에너지보통
0.05 kgk = 800 N/mh = ?

장난감 발사기에 강성 800 N/m인 수직 스프링이 있다. 0.05 kg 공을 올려놓고 스프링을 2 cm 압축한 다음 놓는다. 공기 저항과 스프링의 질량을 무시하고, 스프링이 압축되었을 때의 위치에서 잰 공의 상승 높이 h을(를) 구하시오.

m = 0.05 kgk = 800 N/mx = 2 cmg = 9.81 m/s²
h = m
10.일과 에너지어려움
F = 45 N15°μ = 0.158 kg

8 kg 블록이 15° 경사면의 아래에서 정지 상태로 출발해, 경사면에 평행한 일정한 힘 45 N에 의해 위로 끌려 올라간다. 운동 마찰 계수는 0.15이다. 블록이 경사면을 따라 6 m 올라간 뒤의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 8 kgF = 45 Nθ = 15°μ = 0.15d = 6 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.운동량과 충돌보통
2 kg10 m/s5 kg

10 m/s로 움직이는 질량 2 kg인 글라이더가 마찰 없는 트랙 위에 정지해 있는 질량 5 kg인 글라이더와 완전 탄성 정면충돌을 한다. 충돌 후 첫 번째 글라이더의 속도 v′1을(를) 구하시오(처음 진행 방향을 양으로 한다).

m1 = 2 kgm2 = 5 kgv1 = 10 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.운동량과 충돌어려움
1500 kg9 m/s1500 kg25 m/sv′ = ?

교차로에서 동쪽으로 9 m/s로 달리던 1500 kg 자동차가 북쪽으로 25 m/s로 달리던 1500 kg 자동차와 충돌한다. 두 차는 한 덩어리가 된다. 충돌 직후 잔해의 속력 v′을(를) 구하시오.

m1 = 1500 kgv1 = 9 m/s (E)m2 = 1500 kgv2 = 25 m/s (N)
v′ = m/s
13.용수철과 진자보통
L = 1.7 mT = 4.25 s

다른 행성의 우주 비행사가 길이 1.7 m인 단진자의 작은 진동 주기가 4.25 s임을 알아낸다. 그 행성의 중력 가속도 g을(를) 구하시오.

L = 1.7 mT = 4.25 s
g = m/s²
14.용수철과 진자어려움
1.5 kgk = 1500 N/m350 m/s

350 m/s로 움직이는 12 g 총알이 마찰 없는 면 위에 정지해 있는 1.5 kg 블록에 맞아 박힌다. 블록은 k = 1500 N/m인 수평 스프링에 연결되어 있다. 이로 인한 진동의 진폭 A을(를) cm로 구하시오.

m = 12 gv = 350 m/sM = 1.5 kgk = 1500 N/m
A = cm
15.파동, 소리, 광학보통
FFdo​ = 25 cmf = 5 cm

물체가 초점 거리 5 cm인 얇은 수렴 렌즈 앞 25 cm에 서 있다. 상거리 di을(를) 구하시오. 부호 규약 1/f = 1/do + 1/di를 쓴다(오목 렌즈는 f < 0, 허상은 di < 0).

do = 25 cmf = 5 cm
di = cm
16.파동, 소리, 광학어려움
Fdo​ = 50 cmR = 24 cm

물체가 곡률 반지름 24 cm인 볼록 거울 앞 50 cm에 있다. 거울 앞의 상(실상)이면 양수, 거울 뒤의 상(허상)이면 음수로 하여 상거리 di을(를) 구하시오.

do = 50 cmR = 24 cm
di = cm

3용액

1.운동학

답: s = 18.52 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 = 60/3.6 = 16.67 m/s

제동 거리

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 16.67²/(2·7.5) = 18.52 m

답

s = 18.52 m
2.운동학

답: s = 1006 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 = 25 m/s

각 단계의 거리

s1 = ½·2.5·10² = 125 m
s2 = 25·29 = 725 m
s3 = 25²/(2·2) = 156.3 m

총거리

s = 125 + 725 + 156.3 = 1006 m

답

s = 1006 m
3.뉴턴 법칙

답: F = 57.55 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 = 49.05 + 8.496 = 57.55 N

답

F = 57.55 N
4.뉴턴 법칙

답: T = 40.19 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) = (53.96 − 17.66)/14.5 = 2.503 m/s²

탁자 위 블록에서 구한 장력

T − μ·m1·g = m1·a
T = 9·2.503 + 17.66 = 40.19 N

답

T = 40.19 N
5.포물선 운동

답: H = 9.658 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 = 24·cos 35° = 19.66 m/s
vy = v0·sin θ = 24·sin 35° = 13.77 m/s

최고점

최고점에서 연직 속도는 0입니다: vy² = 2gH.

H = vy²/(2g) = 13.77²/(2·9.81) = 9.658 m

답

H = 9.658 m
6.포물선 운동

답: t = 2.517 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 = 17·cos 15° = 16.42 m/s
vy = v0·sin θ = 17·sin 15° = 4.4 m/s

체공 시간

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

0 = 20 + 4.4·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (4.4 + √(19.36 + 392.4))/9.81 = 2.517 s

답

t = 2.517 s
7.원운동

답: T = 2.26 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 = 1.4·sin 25° = 0.5917 m

속력

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

v = √(r·g·tan θ) = √(0.5917·9.81·tan 25°) = 1.645 m/s

주기

T = 2π·r/v = 2π·0.5917/1.645 = 2.26 s

답

T = 2.26 s
8.원운동

답: T = 46.29 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 = 0.3·9.81 + 0.3·8.5²/0.5 = 2.943 + 43.35 = 46.29 N

답

T = 46.29 N
9.일과 에너지

답: h = 0.3262 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 = 2 cm = 0.02 m
½kx² = ½·800·0.02² = 0.16 J

높이

m·g = 0.05·9.81 = 0.4905 N
h = ½kx²/(mg) = 0.16/0.4905 = 0.3262 m

답

h = 0.3262 m
10.일과 에너지

답: v = 4.469 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).

경사면 방향의 힘

m·g = 8·9.81 = 78.48 N
mg·sin θ = 20.31 N
μ·mg·cos θ = 11.37 N

일–에너지

½mv² = (45 − 31.68)·6 = 79.9 J
v = √(2·79.9/8) = 4.469 m/s

답

v = 4.469 m/s
11.운동량과 충돌

답: v′1 = −4.286 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 = (2 − 5)/(2 + 5)·10 = −4.286 m/s
v′2 = 2·2/(2 + 5)·10 = 5.714 m/s

답

v′1 = −4.286 m/s

음의 부호는 첫 번째 글라이더가 튕겨 되돌아간다는 뜻입니다.

12.운동량과 충돌

답: v′ = 13.29 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 = 1500·9 = 13500 kg·m/s
py = 1500·25 = 37500 kg·m/s

잔해의 속력

v′ = √(px² + py²)/(m1 + m2) = 39856/3000 = 13.29 m/s

답

v′ = 13.29 m/s
13.용수철과 진자

답: g = 3.716 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 = 4π²·1.7/4.25² = 3.716 m/s²

답

g = 3.716 m/s²
14.용수철과 진자

답: A = 8.819 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) = 0.012·350/1.512 = 2.778 m/s

각주파수

ω = √(k/(m + M)) = √(1500/1.512) = 31.5 rad/s

진폭

A = V/ω = 2.778/31.5 = 0.08819 m = 8.819 cm

답

A = 8.819 cm
15.파동, 소리, 광학

답: di = 6.25 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 − 1/25
di = 6.25 cm
FF25 cmf = 5 cm

광선도

실상, 렌즈의 반대쪽

답

di = 6.25 cm
16.파동, 소리, 광학

답: di = −9.677 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.

초점 거리

f = −R/2 = −12 cm

거울 공식

1/di = 1/f − 1/do = 1/(−12) − 1/50
di = −9.677 cm
F50 cmf = −12 cm

광선도

거울 뒤의 허상

답

di = −9.677 cm

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