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)3.75 s15

54 km/h로 달리던 자동차가 4 m/s²의 일정한 감속도로 제동하여 멈춘다. 제동 거리 s을(를) 구하시오.

v₀ = 54 km/ha = −4 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. 발사 후 얼마 만에 지면에 떨어지는가? t을(를) 구하시오.

a = 22 m/s²t1 = 2 sg = 9.81 m/s²
t = s
3.뉴턴 법칙보통
20 kg20°F = 200 Nμ = 0.25

20 kg 썰매를 수평 위 20° 방향의 로프로 200 N의 힘으로 평평한 눈 위에서 끈다. 운동 마찰 계수는 0.25이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 썰매의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 20 kgF = 200 Nθ = 20°μ = 0.25g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 4 kg6 kgμ = 0.3

수평 탁자 위에 있는 질량 4 kg인 블록이 가벼운 줄로 마찰 없는 도르래를 거쳐 매달린 6 kg 물체와 연결되어 있다. 블록과 탁자 사이의 운동 마찰 계수는 0.3이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 계의 가속도 a을(를) 구하시오.

m1 = 4 kgm2 = 6 kgμ = 0.3g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.포물선 운동보통
v0​ = 14 m/s25°수평 도달 거리

공을 평지에서 수평에서 25° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿을 때까지의 비행 시간 t을(를) 구하시오.

v0 = 14 m/sθ = 25°g = 9.81 m/s²
t = s
6.포물선 운동어려움
h = 25 mv0​ = 20 m/s45°수평 도달 거리

공을 높이 25 m인 절벽 위에서 수평에서 45° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿을 때까지의 비행 시간 t을(를) 구하시오.

v0 = 20 m/sθ = 45°h = 25 mg = 9.81 m/s²
t = s
7.원운동보통
r = 135 mvmax​ = ?

자동차가 반지름 135 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 = 135 mμs = 0.6g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.원운동어려움
R = 5 mh = 14.5 m

3.5 kg 수레가 마찰 없는 트랙 위 높이 14.5 m에서 정지 상태로 놓여 반지름 5 m의 연직 루프를 지난다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 루프 꼭대기에서 트랙이 수레에 작용하는 수직항력 Ntop을(를) 구하시오.

m = 3.5 kgh = 14.5 mR = 5 mg = 9.81 m/s²
Ntop = N
9.일과 에너지보통
90 km/h

평평한 도로를 90 km/h로 달리던 자동차가 급제동해 바퀴가 잠긴 채 미끄러져 멈춘다. 타이어와 도로 사이의 운동 마찰 계수는 0.5이다. 정지 거리 d을(를) 구하시오.

v = 90 km/hμ = 0.5g = 9.81 m/s²
d = m
10.일과 에너지어려움
F = 100 N15°μ = 0.120 kg

20 kg 블록이 15° 경사면의 아래에서 정지 상태로 출발해, 경사면에 평행한 일정한 힘 100 N에 의해 위로 끌려 올라간다. 운동 마찰 계수는 0.1이다. 블록이 경사면을 따라 9 m 올라간 뒤의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 20 kgF = 100 Nθ = 15°μ = 0.1d = 9 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.운동량과 충돌보통
3 kg34 m/s8 kgv′2​ = ?

수평으로 19 m/s로 움직이던 11 kg 발사체가 폭발해 같은 직선을 따라 움직이는 두 파편으로 나뉜다. 3 kg 파편은 34 m/s로 앞으로 계속 움직인다. 8 kg 파편의 속도 v′2(원래 방향을 양으로)을(를) 구하시오.

M = 11 kgu = 19 m/sm1 = 3 kgv′1 = 34 m/sm2 = 8 kg
v′2 = m/s
12.운동량과 충돌어려움
5 kgv = ?10 g30°L = 0.8 m

10 g 총알을 길이 0.8 m의 가벼운 줄에 매달린 5 kg 블록에 수평으로 쏘아 박히게 한다. 줄은 연직에서 최대 30°까지 흔들려 나간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 전 총알의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 10 gM = 5 kgL = 0.8 mθ = 30°g = 9.81 m/s²
v = m/s
13.용수철과 진자보통
t (s)x (cm)0.35 s

k = 200 N/m인 스프링에 매단 2.3 kg 질량을 양의 방향으로 13 cm 당겼다가 t = 0에 정지 상태에서 놓는다. t = 0.35 s에서 평형점으로부터의 변위 x(부호 포함)을(를) 구하시오.

m = 2.3 kgk = 200 N/mA = 13 cmt = 0.35 s
x = cm
14.용수철과 진자어려움
mk = 30 N/mA = 9 cmx = 7 cm

k = 30 N/m인 스프링에 매단 질량이 마찰 없는 면 위에서 진폭 9 cm로 진동한다. 질량이 평형점에서 7 cm 떨어져 있을 때 스프링에 저장된 에너지 U을(를) 구하시오.

k = 30 N/mA = 9 cmx = 7 cm
U = J
15.파동, 소리, 광학보통
30°90°n1​ = ?글리세롤, n2​ = 1.47

투명한 블록 속의 빛은 글리세롤(n = 1.47)과의 경계에서 입사각이 30°보다 클 때 모두 전반사된다. 블록의 굴절률 n1을(를) 구하시오.

θc = 30°n2 = 1.47
n1 =
16.파동, 소리, 광학어려움
λ = ?d = 0.4 mmL = 2 m13.75 mm

0.4 mm 떨어진 두 슬릿에 단색광을 비춘다. 2 m 떨어진 스크린에서 5번째 밝은 무늬가 중앙 무늬에서 13.75 mm에 있다. 파장 λ을(를) 구하시오.

d = 0.4 mmL = 2 my5 = 13.75 mmm = 5
λ = nm

3용액

1.운동학

답: s = 28.13 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 = 54/3.6 = 15 m/s

제동 거리

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 15²/(2·4) = 28.13 m

답

s = 28.13 m
2.운동학

답: t = 11.88 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.

동력 비행 단계

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

지면까지의 자유 비행

−h₁ = v₁·t₂ − ½·g·t₂²을 풀어 양의 근을 취합니다.

t₂ = (44 + √(44² + 2·9.81·44))/9.81 = 9.879 s
t = 2 + 9.879 = 11.88 s

답

t = 11.88 s
3.뉴턴 법칙

답: a = 7.799 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 − 200·sin 20° = 127.8 N

수평 방향의 힘

m·a = F·cos θ − μ·N = 187.9 − 31.95
a = 156/20 = 7.799 m/s²

답

a = 7.799 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: a = 4.709 m/s²

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) = (58.86 − 11.77)/10 = 4.709 m/s²

답

a = 4.709 m/s²
5.포물선 운동

답: t = 1.206 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 = 14·cos 25° = 12.69 m/s
vy = v0·sin θ = 14·sin 25° = 5.917 m/s

체공 시간

출발점과 착지점이 같은 높이: t = 2vy/g.

t = 2·5.917/9.81 = 1.206 s

답

t = 1.206 s
6.포물선 운동

답: t = 4.12 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 = 20·cos 45° = 14.14 m/s
vy = v0·sin θ = 20·sin 45° = 14.14 m/s

체공 시간

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

0 = 25 + 14.14·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (14.14 + √(200 + 490.5))/9.81 = 4.12 s

답

t = 4.12 s
7.원운동

답: vmax = 28.19 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) = √(0.6·9.81·135) = 28.19 m/s

답

vmax = 28.19 m/s (101.5 km/h)
8.원운동

답: Ntop = 27.47 N

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.

에너지 보존에서 구한 속력

v² = 2·9.81·(14.5 − 2·5) = 88.29 m²/s²

힘

중심 방향을 양으로.

N = m·v²/R − m·g = 3.5·88.29/5 − 34.34 = 27.47 N

답

Ntop = 27.47 N
9.일과 에너지

답: d = 63.71 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 = 90/3.6 = 25 m/s

에너지 수지

½mv² = μmg·d → d = v²/(2μg) = 25²/(2·0.5·9.81) = 63.71 m

답

d = 63.71 m

속력이 두 배가 되면 정지 거리는 네 배가 됩니다.

10.일과 에너지

답: v = 5.219 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 = 20·9.81 = 196.2 N
mg·sin θ = 50.78 N
μ·mg·cos θ = 18.95 N

일–에너지

½mv² = (100 − 69.73)·9 = 272.4 J
v = √(2·272.4/20) = 5.219 m/s

답

v = 5.219 m/s
11.운동량과 충돌

답: v′2 = 13.38 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 = 11·19 = 209 kg·m/s

충돌 후 운동량

209 = 3·34 + 8·v′2
v′2 = (209 − 102)/8 = 13.38 m/s

답

v′2 = 13.38 m/s
12.운동량과 충돌

답: v = 726.5 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.

블록의 상승

h = L·(1 − cos θ) = 0.8·(1 − cos 30°) = 0.1072 m

충돌 후의 속력

V = √(2·9.81·0.1072) = 1.45 m/s

충돌

v = (m + M)·V/m = 5.01·1.45/0.01 = 726.5 m/s

답

v = 726.5 m/s
13.용수철과 진자

답: x = −12.9 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.

각주파수

ω = √(200/2.3) = 9.325 rad/s
ω·t = 9.325·0.35 = 3.264 rad

변위

x = A·cos(ω·t) = 13·cos(3.264) = −12.9 cm

답

x = −12.9 cm
14.용수철과 진자

답: U = 0.0735 J

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.

전체 에너지

E = ½·k·A² = ½·30·0.09² = 0.1215 J

x에서의 스프링 에너지

U = ½·k·x² = ½·30·0.07² = 0.0735 J

답

U = 0.0735 J
15.파동, 소리, 광학

답: n1 = 2.94

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.

블록의 굴절률

n₁ = n₂/sin θc = 1.47/0.5 = 2.94

답

n1 = 2.94
16.파동, 소리, 광학

답: λ = 550 nm

간섭과 회절: 거리 d만큼 떨어진 두 슬릿을 지난 빛은 경로차 d·sin θ를 가지고 스크린의 한 점에 도달합니다. 밝은 무늬는 d·sin θ = mλ(m = 0, ±1, ±2, …)인 곳에 나타납니다. 스크린까지의 거리 L ≫ d이면 m번째 밝은 무늬는 y = mλL/d에 있고 무늬 간격은 Δy = λL/d입니다. 1 mm당 N개의 선이 있는 격자는 d = 1/N이고 d·sin θ = mλ에서 날카로운 극대를 만듭니다. sin θ ≤ 1이므로 가장 높은 차수는 m ≤ d/λ를 만족하는 가장 큰 정수입니다. 폭 a의 단일 슬릿은 a·sin θ = mλ (m = ±1, ±2, …)에서 어두운 무늬를 만듭니다.

파장

λ = y·d/(mL) = 0.01375·0.0004/(5·2) = 5.5 × 10⁻⁷ m = 550 nm

답

λ = 550 nm

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