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 = ?s = 800 m

비행기가 이륙하려면 240 km/h의 속력이 필요하고 쓸 수 있는 활주로 길이는 800 m이다. 정지 상태에서 출발한다면 필요한 일정한 가속도 a은(는) 얼마인가?

v₀ = 0v = 240 km/hs = 800 m
a = m/s²
2.운동학어려움
a = 30 m/s²

모형 로켓을 정지 상태에서 똑바로 위로 발사한다. 엔진은 2 s 동안 위쪽으로 일정한 가속도 30 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 = 30 m/s²t1 = 2 sg = 9.81 m/s²
hmax = m
3.뉴턴 법칙보통
상자v₀ = 5.5 m/sμ = ?

상자가 처음 속력 5.5 m/s로 평평한 바닥을 미끄러지다가 10 m 후에 멈춘다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 운동 마찰 계수 μ을(를) 구하시오.

v₀ = 5.5 m/sd = 10 mg = 9.81 m/s²
μ =
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 8 kg7.5 kgθ = 25°

25° 경사로 위의 8 kg 블록이 경사로 꼭대기의 마찰 없는 도르래를 지나는 가벼운 줄로 매달린 7.5 kg 질량과 연결되어 있다. 매달린 질량은 아래로 움직인다. 블록과 경사로 사이의 운동 마찰 계수는 0.25이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m1 = 8 kgm2 = 7.5 kgθ = 25°μ = 0.25g = 9.81 m/s²
T = N
5.포물선 운동보통
18 my = ?v0​ = 26 m/s20°

평지에서 공을 26 m/s, 수평 위 20°로 18 m 떨어진 벽을 향해 찬다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 공은 벽을 몇 m 높이 y에서 지나는가?

v₀ = 26 m/sθ = 20°x = 18 mg = 9.81 m/s²
y = m
6.포물선 운동어려움
h = 40 mv0​ = 35 m/s55°수평 도달 거리

공을 높이 40 m인 절벽 위에서 수평에서 55° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿을 때까지의 비행 시간 t을(를) 구하시오.

v0 = 35 m/sθ = 55°h = 40 mg = 9.81 m/s²
t = s
7.원운동보통
r = 105 mvmax​ = ?

자동차가 반지름 105 m인 평평한 커브를 돈다. 타이어와 도로 사이의 정지 마찰 계수는 0.6이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 미끄러지지 않고 커브를 돌 수 있는 최대 속력 vmax을(를) 구하시오.

r = 105 mμs = 0.6g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.원운동어려움
θ = 20°중심 방향vmin​ = ?

반지름 80 m인 커브가 20° 기울어져 있고, 타이어와 도로 사이의 정지 마찰 계수는 0.15이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 자동차가 경사면 아래로 미끄러지지 않고 커브를 돌 수 있는 최소 속력 vmin을(를) 구하시오.

r = 80 mθ = 20°μs = 0.15g = 9.81 m/s²
vmin = m/s
9.일과 에너지보통
50°L = 1.5 m1 kg

1 kg 공이 길이 1.5 m인 가벼운 줄에 매달려 있다. 줄이 연직과 50°를 이룰 때까지 옆으로 당겼다가 가만히 놓는다. 공이 가장 낮은 점을 지날 때 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m = 1 kgL = 1.5 mθ = 50°g = 9.81 m/s²
T = N
10.일과 에너지어려움
k = 2000 N/m20°μ = 0.23 kg

20° 경사면 아래에 있는 강성 2000 N/m인 스프링을 3 kg 블록으로 8 cm 압축했다가 놓는다. 블록과 경사면 사이의 운동 마찰 계수는 0.2이다. 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 = 3 kgk = 2000 N/mx = 8 cmθ = 20°μ = 0.2g = 9.81 m/s²
d = m
11.운동량과 충돌보통
2 kg9 m/s3.5 kg

9 m/s로 움직이는 질량 2 kg인 글라이더가 마찰 없는 트랙 위에 정지해 있는 질량 3.5 kg인 글라이더와 완전 탄성 정면충돌을 한다. 충돌 후 두 번째 글라이더의 속도 v′2을(를) 구하시오.

m1 = 2 kgm2 = 3.5 kgv1 = 9 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.운동량과 충돌어려움
1400 kgv1​ = ?1500 kg

1400 kg 자동차가 주차된 1500 kg 자동차를 들이받는다. 잔해는 한 덩어리가 되어 11.5 m 미끄러진 뒤 멈춘다. 타이어와 도로 사이의 운동 마찰 계수는 0.5이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 직전 첫 번째 자동차의 속력 v1을(를) 구하시오.

m1 = 1400 kgm2 = 1500 kgd = 11.5 mμ = 0.5g = 9.81 m/s²
v1 = m/s
13.용수철과 진자보통
L = 1.1 mT = 2.21 s

다른 행성의 우주 비행사가 길이 1.1 m인 단진자의 작은 진동 주기가 2.21 s임을 알아낸다. 그 행성의 중력 가속도 g을(를) 구하시오.

L = 1.1 mT = 2.21 s
g = m/s²
14.용수철과 진자어려움
t (s)x (cm)t = ?13.6

한 물체가 주기 1.7 s, 진폭 17 cm로 단조화 운동을 한다. 최대 변위 17 cm에서 변위 13.6 cm까지 움직이는 데 필요한 최단 시간 t은(는) 얼마인가?

T = 1.7 sA = 17 cmx = 13.6 cm
t = s
15.파동, 소리, 광학보통
L = 0.75 mn = 5

한쪽 끝이 닫힌 관의 길이는 0.75 m이다. 소리의 속력은 343 m/s이다. 5번째 배진동의 진동수 f5을(를) 구하시오.

v = 343 m/sn = 5L = 0.75 m
f5 = Hz
16.파동, 소리, 광학어려움
θa​ = ?n1​ = 1.55n2​ = 1.47n0​ = 1.00

광섬유의 코어는 n₁ = 1.55이고 클래딩은 n₂ = 1.47이다. 공기 중의 빛이 섬유의 끝면으로 들어가 전반사로 계속 안내될 수 있는 섬유 축에 대한 최대 각 θa을(를) 구하시오.

n1 = 1.55n2 = 1.47n0 = 1.00
θa = °

3용액

1.운동학

답: a = 2.778 m/s²

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

v = 240/3.6 = 66.67 m/s

가속도

a = v²/(2s) = 66.67²/(2·800) = 2.778 m/s²

답

a = 2.778 m/s²
2.운동학

답: hmax = 243.5 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 = 30·2 = 60 m/s
h₁ = ½·30·2² = 60 m

위로의 자유 비행

최고점에서 속도는 0입니다.

Δh = v₁²/(2g) = 60²/(2·9.81) = 183.5 m
hmax = 60 + 183.5 = 243.5 m

답

hmax = 243.5 m
3.뉴턴 법칙

답: μ = 0.1542

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

a = v₀²/(2d) = 5.5²/(2·10) = 1.512 m/s²

마찰 계수

μ·m·g = m·a → μ = a/g = 1.512/9.81 = 0.1542

답

μ = 0.1542
4.뉴턴 법칙

답: T = 62.63 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.

줄 방향의 힘

m₂·g = 73.58 N
m₁·g·sin θ = 33.17 N
μ·m₁·g·cos θ = 17.78 N

계의 가속도

a = (73.58 − 33.17 − 17.78)/15.5 = 1.46 m/s²

매달린 질량에서 구한 장력

m2·g − T = m2·a → T = 7.5·(9.81 − 1.46) = 62.63 N

답

T = 62.63 N
5.포물선 운동

답: y = 3.889 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.

벽까지의 시간

vx = 26·cos 20° = 24.43 m/s
t = x/vx = 18/24.43 = 0.7367 s

그 시각의 높이

y = 8.893·0.7367 − ½·9.81·0.7367² = 3.889 m

답

y = 3.889 m

공은 벽에서 아직 올라가는 중입니다.

6.포물선 운동

답: t = 7.009 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 = 35·cos 55° = 20.08 m/s
vy = v0·sin θ = 35·sin 55° = 28.67 m/s

체공 시간

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

0 = 40 + 28.67·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (28.67 + √(822 + 784.8))/9.81 = 7.009 s

답

t = 7.009 s
7.원운동

답: vmax = 24.86 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) = √(0.6·9.81·105) = 24.86 m/s

답

vmax = 24.86 m/s (89.5 km/h)
8.원운동

답: vmin = 12.62 m/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.

힘의 평형

마찰은 경사면 위를 향합니다.

N·(sin θ − μ·cos θ) = m·v²/r
N·(cos θ + μ·sin θ) = m·g

속력

v = √(80·9.81·0.2011/0.991) = 12.62 m/s

답

vmin = 12.62 m/s
(45.43 km/h)
9.일과 에너지

답: T = 16.82 N

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). 원 궤도에서는 중심을 향한 알짜힘이 mv²/r과 같아야 합니다.

바닥에서의 속력

v² = 2gL(1 − cos θ) = 2·9.81·1.5·(1 − cos 50°) = 10.51 m²/s²

바닥에서의 힘

m·g = 1·9.81 = 9.81 N
T = mg + mv²/L = 9.81 + 1·10.51/1.5 = 16.82 N

답

T = 16.82 N

검산: T = mg(3 − 2cos θ) = 16.82 N.

10.일과 에너지

답: d = 0.4103 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 = 8 cm = 0.08 m
½kx² = ½·2000·0.08² = 6.4 J

경사면을 따른 에너지 수지

m·g = 3·9.81 = 29.43 N
½kx² = mg·d·(sin θ + μ·cos θ)
d = 6.4/(29.43·(0.342 + 0.2·0.9397)) = 0.4103 m

답

d = 0.4103 m
11.운동량과 충돌

답: v′2 = 6.545 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 − 3.5)/(2 + 3.5)·9 = −2.455 m/s
v′2 = 2·2/(2 + 3.5)·9 = 6.545 m/s

답

v′2 = 6.545 m/s
12.운동량과 충돌

답: v1 = 22 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 속력

V = √(2·μ·g·d) = √(2·0.5·9.81·11.5) = 10.62 m/s

충돌에서의 운동량

m1·v1 = (m1 + m2)·V → v1 = 2900·10.62/1400 = 22 m/s

답

v1 = 22 m/s
(79.21 km/h)
13.용수철과 진자

답: g = 8.891 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 = 4π²·1.1/2.21² = 8.891 m/s²

답

g = 8.891 m/s²
14.용수철과 진자

답: t = 0.1741 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 = 2π/T = 2π/1.7 = 3.696 rad/s

시간에 대해 풀기

0.8 = cos(ω·t) → ω·t = arccos(0.8) = 0.6435 rad
t = 0.6435/3.696 = 0.1741 s

답

t = 0.1741 s
15.파동, 소리, 광학

답: f5 = 571.7 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.

이 진동 모드의 파장

λ = 4L/n = 4·0.75/5 = 0.6 m

진동수

f = v/λ = 343/0.6 = 571.7 Hz

답

f5 = 571.7 Hz
16.파동, 소리, 광학

답: θa = 29.44 °

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 = 1.47/1.55 = 0.9484 → θc = 71.51°

개구수

NA = √(1.55² − 1.47²) = 0.4915

수광각

θa = arcsin(0.4915) = 29.44°

답

θa = 29.44°

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