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
경찰a = 4 m/s²자동차24 m/s

일정한 24 m/s로 과속하는 자동차가 정지해 있는 경찰차를 지나간다. 그 순간 경찰차가 출발해 4 m/s²로 균일하게 가속한다. 경찰차는 출발점에서 얼마나 떨어진 곳에서 따라잡는가? d을(를) 구하시오.

vcar = 24 m/sapolice = 4 m/s²v0,police = 0
d = m
2.운동학어려움
v₀ = 18 m/s15 m

지면에서 15 m 높이에 있는 지붕 가장자리에서 공을 18 m/s로 똑바로 위로 던진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 쓴다. 지면으로부터의 최고 높이 hmax을(를) 구하시오.

v₀ = 18 m/sh₀ = 15 mg = 9.81 m/s²
hmax = m
3.뉴턴 법칙보통
20 kg40°F = 140 Nμ = 0.1

20 kg 썰매를 수평 위 40° 방향의 로프로 140 N의 힘으로 평평한 눈 위에서 끈다. 운동 마찰 계수는 0.1이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 썰매의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 20 kgF = 140 Nθ = 40°μ = 0.1g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 3.5 kg7.5 kgθ = 25°

25° 경사로 위의 3.5 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. 계의 가속도 a을(를) 구하시오.

m1 = 3.5 kgm2 = 7.5 kgθ = 25°μ = 0.25g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.포물선 운동보통
v0​ = ?15°R = 40 m

평지에서 공을 수평 위 15°로 발사하자 40 m 떨어진 곳에 떨어진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 발사 속력 v0을(를) 구하시오.

θ = 15°R = 40 mg = 9.81 m/s²
v0 = m/s
6.포물선 운동어려움
h = 25 mv0​ = 10 m/s55°수평 도달 거리

공을 높이 25 m인 절벽 위에서 수평에서 55° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿을 때까지의 비행 시간 t을(를) 구하시오.

v0 = 10 m/sθ = 55°h = 25 mg = 9.81 m/s²
t = s
7.원운동보통
L = 0.3 m60°

길이 0.3 m인 줄에 매단 작은 공이 수평 원운동을 하며, 줄은 연직과 일정한 각 60°를 이룬다(원뿔 진자). g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 한 바퀴 도는 시간 T을(를) 구하시오.

L = 0.3 mθ = 60°g = 9.81 m/s²
T = s
8.원운동어려움
r = 0.8 mv = 3 m/s

길이 0.8 m인 줄에 매단 질량 2 kg인 공을 연직면에서 원운동시킨다. 최저점에서 공의 속력은 3 m/s이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 최저점에서 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m = 2 kgr = 0.8 mv = 3 m/sg = 9.81 m/s²
T = N
9.일과 에너지보통
60 km/h

평평한 도로를 60 km/h로 달리던 자동차가 급제동해 바퀴가 잠긴 채 미끄러져 멈춘다. 타이어와 도로 사이의 운동 마찰 계수는 0.6이다. 정지 거리 d을(를) 구하시오.

v = 60 km/hμ = 0.6g = 9.81 m/s²
d = m
10.일과 에너지어려움
h = 3.5 mL = 4.5 mμ = 0.1k = 2500 N/m

질량 10 kg인 블록을 매끄러운 경사로의 높이 3.5 m에서 가만히 놓는다. 아래에서 길이 4.5 m인 거친 수평 구간(μ = 0.1)을 지난 뒤, 매끄러운 면에서 스프링(k = 2500 N/m)에 부딪힌다. 스프링의 최대 압축량 x을(를) 구하시오.

m = 10 kgh = 3.5 mL = 4.5 mμ = 0.1k = 2500 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
11.운동량과 충돌보통
9 kg28 m/s8 kgv′2​ = ?

수평으로 19 m/s로 움직이던 17 kg 발사체가 폭발해 같은 직선을 따라 움직이는 두 파편으로 나뉜다. 9 kg 파편은 28 m/s로 앞으로 계속 움직인다. 8 kg 파편의 속도 v′2(원래 방향을 양으로)을(를) 구하시오.

M = 17 kgu = 19 m/sm1 = 9 kgv′1 = 28 m/sm2 = 8 kg
v′2 = m/s
12.운동량과 충돌어려움
1000 kg18 m/s1300 kg19 m/sv′ = ?

교차로에서 동쪽으로 18 m/s로 달리던 1000 kg 자동차가 북쪽으로 19 m/s로 달리던 1300 kg 자동차와 충돌한다. 두 차는 한 덩어리가 된다. 충돌 직후 잔해의 속력 v′을(를) 구하시오.

m1 = 1000 kgv1 = 18 m/s (E)m2 = 1300 kgv2 = 19 m/s (N)
v′ = m/s
13.용수철과 진자보통
L = 2 mT = 2.98 s

다른 행성의 우주 비행사가 길이 2 m인 단진자의 작은 진동 주기가 2.98 s임을 알아낸다. 그 행성의 중력 가속도 g을(를) 구하시오.

L = 2 mT = 2.98 s
g = m/s²
14.용수철과 진자어려움
3.9 kgk = 490 N/mA = 4 cm

k = 490 N/m인 용수철에 매단 3.9 kg 물체를 평형 위치에서 4 cm 당겼다가 놓는다. 최대 가속도 amax을(를) 구하시오.

m = 3.9 kgk = 490 N/mA = 4 cm
amax = m/s²
15.파동, 소리, 광학보통
100 dB?1 m8 m

작은 음원이 모든 방향으로 똑같이 소리를 낸다. 음원에서 1 m 떨어진 곳의 수준이 100 dB이다. 흡수와 반사를 무시할 때 8 m 떨어진 곳의 수준 β2을(를) 구하시오.

β1 = 100 dBr1 = 1 mr2 = 8 m
β2 = dB
16.파동, 소리, 광학어려움
f1​ = 20 cmf2​ = −10 cm40 cm20 cm

얇은 렌즈 두 개가 같은 축 위에 20 cm 떨어져 있다. 렌즈 1은 f₁ = 20 cm, 렌즈 2는 f₂ = −10 cm이다. 물체가 렌즈 1 앞 40 cm에 서 있다. 렌즈 2에서 잰 최종 상의 위치 di2을(를) 구하시오(렌즈 2 뒤쪽이 양수이며, 실상이 양수인 규약).

f1 = 20 cmf2 = −10 cms = 20 cmdo = 40 cm
di2 = cm

3용액

1.운동학

답: d = 288 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.

같은 거리

v·t = ½·a·t² → t = 2v/a = 2·24/4 = 12 s

거리

d = v·t = 24·12 = 288 m

답

d = 288 m

그 순간 경찰차는 2v = 48 m/s로 움직입니다.

2.운동학

답: hmax = 31.51 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.

지붕 위로 올라간 높이

0 = v₀² − 2·g·Δh → Δh = 18²/(2·9.81) = 16.51 m

지면으로부터의 높이

hmax = 15 + 16.51 = 31.51 m

답

hmax = 31.51 m
3.뉴턴 법칙

답: a = 4.831 m/s²

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.

수직항력

N = m·g − F·sin θ = 196.2 − 140·sin 40° = 106.2 N

수평 방향의 힘

m·a = F·cos θ − μ·N = 107.2 − 10.62
a = 96.63/20 = 4.831 m/s²

답

a = 4.831 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: a = 4.662 m/s²

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 = 14.51 N
μ·m₁·g·cos θ = 7.78 N

계의 가속도

a = (73.58 − 14.51 − 7.78)/11 = 4.662 m/s²

답

a = 4.662 m/s²
5.포물선 운동

답: v0 = 28.01 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) = √(9.81·40/sin 30°) = 28.01 m/s

답

v0 = 28.01 m/s
6.포물선 운동

답: t = 3.242 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 55° = 5.736 m/s
vy = v0·sin θ = 10·sin 55° = 8.192 m/s

체공 시간

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

0 = 25 + 8.192·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (8.192 + √(67.1 + 490.5))/9.81 = 3.242 s

답

t = 3.242 s
7.원운동

답: T = 0.7769 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 = 0.3·sin 60° = 0.2598 m

속력

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

v = √(r·g·tan θ) = √(0.2598·9.81·tan 60°) = 2.101 m/s

주기

T = 2π·r/v = 2π·0.2598/2.101 = 0.7769 s

답

T = 0.7769 s
8.원운동

답: T = 42.12 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 = 2·9.81 + 2·3²/0.8 = 19.62 + 22.5 = 42.12 N

답

T = 42.12 N
9.일과 에너지

답: d = 23.6 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).

기본 단위의 속력

v = 60/3.6 = 16.67 m/s

에너지 수지

½mv² = μmg·d → d = v²/(2μg) = 16.67²/(2·0.6·9.81) = 23.6 m

답

d = 23.6 m

속력이 두 배가 되면 정지 거리는 네 배가 됩니다.

10.일과 에너지

답: x = 48.92 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·(3.5 − 0.1·4.5) = 299.2 J

최대 압축량

½kx² = 299.2 → x = √(2·299.2/2500) = 0.4892 m = 48.92 cm

답

x = 48.92 cm
11.운동량과 충돌

답: v′2 = 8.875 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 전 운동량

p = M·u = 17·19 = 323 kg·m/s

충돌 후 운동량

323 = 9·28 + 8·v′2
v′2 = (323 − 252)/8 = 8.875 m/s

답

v′2 = 8.875 m/s
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 = 1000·18 = 18000 kg·m/s
py = 1300·19 = 24700 kg·m/s

잔해의 속력

v′ = √(px² + py²)/(m1 + m2) = 30563/2300 = 13.29 m/s

답

v′ = 13.29 m/s
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 = 4π²·2/2.98² = 8.891 m/s²

답

g = 8.891 m/s²
14.용수철과 진자

답: amax = 5.026 m/s²

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 = √(490/3.9) = 11.21 rad/s

최대 가속도

amax = A·ω² = 0.04·11.21² = 5.026 m/s²

답

amax = 5.026 m/s²
15.파동, 소리, 광학

답: β2 = 81.94 dB

파동: 주기적인 파동은 한 주기에 한 파장을 이동하므로 v = fλ이고 T = 1/f입니다. 팽팽한 줄에서는 v = √(T/μ)이며, T는 장력, μ = m/L은 1미터당 질량입니다. 공기 중의 소리는 20 °C에서 약 343 m/s로, 진공 중의 빛은 c = 3.00 × 10⁸ m/s로 진행합니다. 소리의 크기는 로그 눈금으로 측정합니다: β = 10·log₁₀(I/I₀) dB, I₀ = 10⁻¹² W/m²이므로 세기가 10배가 되면 10 dB가 늘어납니다. 점음원은 일률 P를 구면 위로 퍼뜨립니다: I = P/(4πr²).

세기의 비

I₂/I₁ = (1/8)² = 0.01563

새로운 수준

β₂ = 100 + 10·log₁₀(0.01563) = 81.94 dB

답

β2 = 81.94 dB

거리가 두 배가 될 때마다 수준이 약 6 dB씩 낮아집니다.

16.파동, 소리, 광학

답: di2 = −20 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.

렌즈 1의 상

1/di1 = 1/20 − 1/40 → di1 = 40 cm

렌즈 2의 물체

do2 = 20 − 40 = −20 cm

최종 상

1/di2 = 1/(−10) − 1/(−20) → di2 = −20 cm

답

di2 = −20 cm

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