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
a = 1.5 m/s²s = 1500 m

비행기가 정지 상태에서 출발해 활주로를 따라 1.5 m/s²로 균일하게 가속한다. 1500 m 후의 속력 v을(를) 구하시오.

v₀ = 0a = 1.5 m/s²s = 1500 m
v = m/s
2.운동학어려움
AB: 23 m/s55 m

공 A를 높이 55 m에서 가만히 떨어뜨린다. 같은 순간 바로 아래 지면에서 공 B를 23 m/s로 똑바로 위로 던진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 두 공은 지면에서 몇 m 높이 y에서 만나는가?

H = 55 mv0B = 23 m/sg = 9.81 m/s²
y = m
3.뉴턴 법칙보통
6 kg2 kg

6 kg과 2 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 = 6 kgm2 = 2 kgg = 9.81 m/s²
T = N
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 7.5 kg3 kg마찰 없음

수평 탁자 위에 있는 질량 7.5 kg인 블록이 가벼운 줄로 마찰 없는 도르래를 거쳐 매달린 3 kg 물체와 연결되어 있다. 탁자에는 마찰이 없다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m1 = 7.5 kgm2 = 3 kgμ = 0g = 9.81 m/s²
T = N
5.포물선 운동보통
v0​ = 10 m/s60°수평 도달 거리

공을 평지에서 수평에서 60° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿을 때까지의 비행 시간 t을(를) 구하시오.

v0 = 10 m/sθ = 60°g = 9.81 m/s²
t = s
6.포물선 운동어려움
h = 55 mv0​ = 20 m/s35°x = ?

공을 높이 55 m인 절벽 위에서 수평에서 35° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿기 전까지 이동한 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v0 = 20 m/sθ = 35°h = 55 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.원운동보통
r = 135 mvmax​ = ?

자동차가 반지름 135 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 = 135 mμs = 0.5g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.원운동어려움
R = 7.5 mh = ?

작은 수레가 마찰 없는 트랙에서 정지 상태로 놓여 반지름 7.5 m의 연직 루프로 들어간다. 루프 꼭대기에서 트랙을 벗어나지 않으려면 루프 바닥보다 최소 몇 m 높이 hmin에서 출발해야 하는가?

R = 7.5 mv₀ = 0
hmin = m
9.일과 에너지보통
35°d = 5 mμ = 0.35

질량 1 kg인 블록이 수평과 35°를 이루는 경사면을 5 m 미끄러져 내려가며, 운동 마찰 계수는 0.35이다. 마찰에 대해 한 일 Wf을(를) 구하시오.

m = 1 kgθ = 35°μ = 0.35d = 5 mg = 9.81 m/s²
Wf = J
10.일과 에너지어려움
h = 1.5 mL = 3 mμ = 0.2k = 2500 N/m

질량 10 kg인 블록을 매끄러운 경사로의 높이 1.5 m에서 가만히 놓는다. 아래에서 길이 3 m인 거친 수평 구간(μ = 0.2)을 지난 뒤, 매끄러운 면에서 스프링(k = 2500 N/m)에 부딪힌다. 스프링의 최대 압축량 x을(를) 구하시오.

m = 10 kgh = 1.5 mL = 3 mμ = 0.2k = 2500 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
11.운동량과 충돌보통
4.5 kg8 m/s4 kg

8 m/s로 움직이는 질량 4.5 kg인 글라이더가 마찰 없는 트랙 위에 정지해 있는 질량 4 kg인 글라이더와 완전 탄성 정면충돌을 한다. 충돌 후 첫 번째 글라이더의 속도 v′1을(를) 구하시오(처음 진행 방향을 양으로 한다).

m1 = 4.5 kgm2 = 4 kgv1 = 8 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.운동량과 충돌어려움
12 m/s15 m/s

질량 0.6 kg인 공이 12 m/s로 벽에 부딪힌 뒤 15 m/s로 똑바로 튀어나온다. 접촉 시간은 40 ms이다. 벽이 공에 가한 충격량의 크기 J을(를) 구하시오.

m = 0.6 kgvin = 12 m/svout = 15 m/sΔt = 40 ms
J = N·s
13.용수철과 진자보통
t (s)x (cm)0.85 s

k = 380 N/m인 스프링에 매단 3 kg 질량을 양의 방향으로 15 cm 당겼다가 t = 0에 정지 상태에서 놓는다. t = 0.85 s에서의 속도 v(부호 포함)을(를) 구하시오.

m = 3 kgk = 380 N/mA = 15 cmt = 0.85 s
v = m/s
14.용수철과 진자어려움
2.5 kgk = 1000 N/m350 m/s

350 m/s로 움직이는 15 g 총알이 마찰 없는 면 위에 정지해 있는 2.5 kg 블록에 맞아 박힌다. 블록은 k = 1000 N/m인 수평 스프링에 연결되어 있다. 이로 인한 진동의 진폭 A을(를) cm로 구하시오.

m = 15 gv = 350 m/sM = 2.5 kgk = 1000 N/m
A = cm
15.파동, 소리, 광학보통
θc = ?90°크라운 유리, n1​ = 1.50에탄올, n2​ = 1.36

빛이 크라운 유리(n = 1.50) 속에서 에탄올(n = 1.36)과의 평평한 경계를 향해 진행한다. 그 각을 넘으면 전반사되는 임계각 θc을(를) 구하시오.

n1 = 1.50n2 = 1.36
θc = °
16.파동, 소리, 광학어려움
SO25 m/sf = 35 kHz

정지한 주차 센서가 25 m/s로 다가오는 자동차를 향해 35 kHz의 초음파를 보낸다. 센서가 되받는 반향의 진동수 f″을(를) 구하시오(소리의 속력 343 m/s).

f = 35 kHzu = 25 m/sv = 343 m/s
f″ = Hz

3용액

1.운동학

답: v = 67.08 m/s

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.

그 거리 후의 속력

v = √(2·a·s) = √(2·1.5·1500) = 67.08 m/s

답

v = 67.08 m/s
(241.5 km/h)
2.운동학

답: y = 26.95 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.

만나는 시간

위쪽을 양으로 하고, 지면은 y = 0입니다.

55 − ½g·t² = 23·t − ½g·t² → t = 55/23 = 2.391 s

만나는 높이

y = 23·2.391 − ½·9.81·2.391² = 26.95 m

답

y = 26.95 m
3.뉴턴 법칙

답: T = 29.43 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 = (6 − 2)·9.81/(6 + 2) = 4.905 m/s²

가벼운 질량에서 구한 장력

T − m2·g = m2·a → T = 2·(9.81 + 4.905) = 29.43 N

답

T = 29.43 N
4.뉴턴 법칙

답: T = 21.02 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) = (29.43 − 0)/10.5 = 2.803 m/s²

탁자 위 블록에서 구한 장력

T − μ·m1·g = m1·a
T = 7.5·2.803 + 0 = 21.02 N

답

T = 21.02 N
5.포물선 운동

답: t = 1.766 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 = 10·cos 60° = 5 m/s
vy = v0·sin θ = 10·sin 60° = 8.66 m/s

체공 시간

출발점과 착지점이 같은 높이: t = 2vy/g.

t = 2·8.66/9.81 = 1.766 s

답

t = 1.766 s
6.포물선 운동

답: x = 77.27 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 = 20·cos 35° = 16.38 m/s
vy = v0·sin θ = 20·sin 35° = 11.47 m/s

체공 시간

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

0 = 55 + 11.47·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (11.47 + √(131.6 + 1079))/9.81 = 4.716 s

수평 거리

x = vx·t = 16.38·4.716 = 77.27 m

답

x = 77.27 m
7.원운동

답: vmax = 25.73 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) = √(0.5·9.81·135) = 25.73 m/s

답

vmax = 25.73 m/s (92.64 km/h)
8.원운동

답: hmin = 18.75 m

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.

꼭대기에서의 조건

m·g = m·v²/R → v² = g·R

에너지 보존

g·h = g·2R + ½·g·R → h = 2.5·R = 2.5·7.5 = 18.75 m

답

hmin = 18.75 m
9.일과 에너지

답: Wf = 14.06 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 = 9.81·0.8192 = 8.036 N
F = μN = 0.35·8.036 = 2.813 N

마찰에 대한 일

Wf = F·d = 2.813·5 = 14.06 J

답

Wf = 14.06 J
10.일과 에너지

답: x = 26.58 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 = 98.1·(1.5 − 0.2·3) = 88.29 J

최대 압축량

½kx² = 88.29 → x = √(2·88.29/2500) = 0.2658 m = 26.58 cm

답

x = 26.58 cm
11.운동량과 충돌

답: v′1 = 0.4706 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 = (4.5 − 4)/(4.5 + 4)·8 = 0.4706 m/s
v′2 = 2·4.5/(4.5 + 4)·8 = 8.471 m/s

답

v′1 = 0.4706 m/s
12.운동량과 충돌

답: J = 16.2 N·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.

운동량 변화

J = m·Δv = 0.6·(15 + 12) = 16.2 N·s

답

J = 16.2 N·s
13.용수철과 진자

답: v = 0.2383 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 = √(380/3) = 11.25 rad/s
ω·t = 11.25·0.85 = 9.566 rad

속도

v = −A·ω·sin(ω·t) = −0.15·11.25·sin(9.566) = 0.2383 m/s

답

v = 0.2383 m/s
14.용수철과 진자

답: A = 10.47 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) = 0.015·350/2.515 = 2.087 m/s

각주파수

ω = √(k/(m + M)) = √(1000/2.515) = 19.94 rad/s

진폭

A = V/ω = 2.087/19.94 = 0.1047 m = 10.47 cm

답

A = 10.47 cm
15.파동, 소리, 광학

답: θc = 65.05 °

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.

90°에서의 굴절

sin θc = n₂/n₁ = 1.36/1.50 = 0.9067

임계각

θc = arcsin(0.9067) = 65.05°

답

θc = 65.05°
16.파동, 소리, 광학

답: f″ = 40503 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.

자동차에서의 진동수

f′ = 35000·(343 + 25)/343 = 37551 Hz

반향의 진동수

f″ = f′·343/(343 − 25) = 40503 Hz

답

f″ = 40503 Hz

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