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 = 4.5 m/s²자동차35 m/s

일정한 35 m/s로 과속하는 자동차가 정지해 있는 경찰차를 지나간다. 그 순간 경찰차가 출발해 4.5 m/s²로 균일하게 가속한다. 경찰차가 따라잡는 데 얼마나 걸리는가? t을(를) 구하시오.

vcar = 35 m/sapolice = 4.5 m/s²v0,police = 0
t = s
2.운동학어려움
v₀ = 15 m/s25 m

지면에서 25 m 높이에 있는 지붕 가장자리에서 공을 15 m/s로 똑바로 위로 던진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 쓴다. 던진 뒤 공이 지면에 닿을 때까지의 시간 t을(를) 구하시오.

v₀ = 15 m/sh₀ = 25 mg = 9.81 m/s²
t = s
3.뉴턴 법칙보통
θ = 25°a = ?m = 14 kg

질량 14 kg인 블록이 수평과 25°를 이루는 경사면을 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.3이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 경사면을 따르는 블록의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 14 kgθ = 25°μ = 0.3g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
4 kg1 kgTF = 70 Nμ = 0.1

평평한 바닥 위의 두 블록이 가벼운 수평 줄로 연결되어 있다. 수평력 70 N이 앞쪽의 1 kg 블록을 끌고, 4 kg 블록은 뒤에서 끌려온다. 두 블록 모두 운동 마찰 계수는 0.1이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 연결 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m1 = 4 kgm2 = 1 kgF = 70 Nμ = 0.1g = 9.81 m/s²
T = N
5.포물선 운동보통
v0​ = 10 m/s50°x = ?

공을 평지에서 수평에서 50° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿기 전까지 이동한 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v0 = 10 m/sθ = 50°g = 9.81 m/s²
x = m
6.포물선 운동어려움
h = 20 mv0​ = 23 m/s45°x = ?

공을 높이 20 m인 절벽 위에서 수평에서 45° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿기 전까지 이동한 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v0 = 23 m/sθ = 45°h = 20 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.원운동보통
r = 2.5 mn = ?

놀이공원의 로터에서 탑승자는 반지름 2.5 m인 수직 원통의 벽에 기대어 선다. 충분히 빨리 돌면 바닥이 내려가고 마찰이 탑승자를 붙잡는다. 정지 마찰 계수는 0.5이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 최소 회전수 n을(를) 분당 회전수로 구하시오.

r = 2.5 mμs = 0.5g = 9.81 m/s²
n = rpm
8.원운동어려움
r = 1.1 m11 m/svtop​ = ?

길이 1.1 m의 가벼운 줄에 매단 0.7 kg 공을 연직 원으로 돌린다. 가장 낮은 점에서의 속력은 11 m/s이다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 가장 높은 점에서 줄의 장력 Ttop을(를) 구하시오.

m = 0.7 kgr = 1.1 mvbottom = 11 m/sg = 9.81 m/s²
Ttop = N
9.일과 에너지보통
40°d = 4 mμ = 0.35

질량 10 kg인 블록이 수평과 40°를 이루는 경사면을 4 m 미끄러져 내려가며, 운동 마찰 계수는 0.35이다. 마찰에 대해 한 일 Wf을(를) 구하시오.

m = 10 kgθ = 40°μ = 0.35d = 4 mg = 9.81 m/s²
Wf = J
10.일과 에너지어려움
h = 2.5 mL = 4.5 mμ = 0.15k = 1000 N/m

질량 0.5 kg인 블록을 매끄러운 경사로의 높이 2.5 m에서 가만히 놓는다. 아래에서 길이 4.5 m인 거친 수평 구간(μ = 0.15)을 지난 뒤, 매끄러운 면에서 스프링(k = 1000 N/m)에 부딪힌다. 블록이 스프링에 닿을 때의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 0.5 kgh = 2.5 mL = 4.5 mμ = 0.15k = 1000 N/mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.운동량과 충돌보통
3.5 kg5 m/s4.5 kg

5 m/s로 움직이는 질량 3.5 kg인 글라이더가 마찰 없는 트랙 위에 정지해 있는 질량 4.5 kg인 글라이더와 완전 탄성 정면충돌을 한다. 충돌 후 첫 번째 글라이더의 속도 v′1을(를) 구하시오(처음 진행 방향을 양으로 한다).

m1 = 3.5 kgm2 = 4.5 kgv1 = 5 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.운동량과 충돌어려움
1.5 kgv = ?15 g30°L = 1.7 m

15 g 총알을 길이 1.7 m의 가벼운 줄에 매달린 1.5 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 = 15 gM = 1.5 kgL = 1.7 mθ = 30°g = 9.81 m/s²
v = m/s
13.용수철과 진자보통
2.1 kgk = 310 N/mA = 15 cmx = 1 cm

k = 310 N/m인 스프링에 매단 2.1 kg 질량이 마찰 없는 면 위에서 진폭 15 cm로 진동한다. 평형점에서 1 cm 떨어져 있을 때의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 2.1 kgk = 310 N/mA = 15 cmx = 1 cm
v = m/s
14.용수철과 진자어려움
1 kgk = 120 N/mA = 15 cm

k = 120 N/m인 용수철에 매단 1 kg 물체를 평형 위치에서 15 cm 당겼다가 놓는다. 최대 속력 vmax을(를) 구하시오.

m = 1 kgk = 120 N/mA = 15 cm
vmax = m/s
15.파동, 소리, 광학보통
L = 0.6 mn = 4

양 끝이 열린 관의 길이는 0.6 m이다. 소리의 속력은 343 m/s이다. 4번째 배진동의 진동수 f4을(를) 구하시오.

v = 343 m/sn = 4L = 0.6 m
f4 = Hz
16.파동, 소리, 광학어려움
λ = 450 nmd = 0.4 mmL = 1.2 my = ?

파장 450 nm의 빛이 0.4 mm 떨어진 두 슬릿에 입사한다. 스크린은 1.2 m 떨어져 있다. 중앙 밝은 무늬에서 4번째 밝은 무늬까지의 거리 y4을(를) 구하시오.

λ = 450 nmd = 0.4 mmL = 1.2 mm = 4
y4 = mm

3용액

1.운동학

답: t = 15.56 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.

같은 거리

v·t = ½·a·t² → t = 2v/a = 2·35/4.5 = 15.56 s

답

t = 15.56 s

그 순간 경찰차는 2v = 70 m/s로 움직입니다.

2.운동학

답: t = 4.256 s

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.

운동 방정식

위쪽이 양이고, 지면은 출발점보다 h₀ 아래에 있습니다.

−25 = 15·t − ½·9.81·t²
4.905·t² − 15·t − 25 = 0

이차방정식 풀기

물리적으로 의미 있는 것은 양의 근뿐입니다.

t = (15 + √(15² + 2·9.81·25))/9.81 = 4.256 s

답

t = 4.256 s
3.뉴턴 법칙

답: a = 1.479 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.

경사면 방향의 힘

경사면 아래쪽이 양입니다.

m·a = m·g·sin θ − μ·m·g·cos θ

가속도

a = 9.81·(sin 25° − 0.3·cos 25°) = 9.81·(0.4226 − 0.2719) = 1.479 m/s²

답

a = 1.479 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: T = 56 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.

전체 계

a = (F − μ·(m1 + m2)·g)/(m1 + m2) = (70 − 4.905)/5 = 13.02 m/s²

뒤쪽 블록만

T = m1·(a + μ·g) = 4·(13.02 + 0.981) = 56 N

답

T = 56 N

두 블록의 μ가 같으면 마찰이 빠집니다: T = F·m₁/(m₁ + m₂).

5.포물선 운동

답: x = 10.04 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 = 10·cos 50° = 6.428 m/s
vy = v0·sin θ = 10·sin 50° = 7.66 m/s

체공 시간

출발점과 착지점이 같은 높이: t = 2vy/g.

t = 2·7.66/9.81 = 1.562 s

수평 거리

x = vx·t = 6.428·1.562 = 10.04 m

답

x = 10.04 m
6.포물선 운동

답: x = 69.45 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 = 23·cos 45° = 16.26 m/s
vy = v0·sin θ = 23·sin 45° = 16.26 m/s

체공 시간

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

0 = 20 + 16.26·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (16.26 + √(264.5 + 392.4))/9.81 = 4.27 s

수평 거리

x = vx·t = 16.26·4.27 = 69.45 m

답

x = 69.45 m
7.원운동

답: n = 26.75 rpm

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.

탑승자에 작용하는 힘

N = m·ω²·r
μ·N = m·g → μ·ω²·r = g

각속도

ω = √(g/(μ·r)) = √(9.81/(0.5·2.5)) = 2.801 rad/s

회전수

n = ω·60/(2π) = 26.75 rpm

답

n = 26.75 rpm
8.원운동

답: Ttop = 42.66 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.

꼭대기에서의 속력

높이 2r에 걸쳐 운동 에너지가 위치 에너지로 바뀝니다.

vtop² = 11² − 4·9.81·1.1 = 77.84 m²/s²

꼭대기에서의 힘

장력과 중력은 모두 아래, 중심을 향합니다.

T + m·g = m·vtop²/r
T = 0.7·77.84/1.1 − 0.7·9.81 = 42.66 N

답

Ttop = 42.66 N
9.일과 에너지

답: Wf = 105.2 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 = 98.1·0.766 = 75.15 N
F = μN = 0.35·75.15 = 26.3 N

마찰에 대한 일

Wf = F·d = 26.3·4 = 105.2 J

답

Wf = 105.2 J
10.일과 에너지

답: v = 5.984 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).

거친 구간을 지난 뒤 남은 에너지

경사로는 매끄러우므로 에너지를 빼앗는 것은 거친 구간뿐입니다.

mgh − μmgL = 4.905·(2.5 − 0.15·4.5) = 8.952 J

스프링에서의 속력

½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9.81·1.825) = 5.984 m/s

답

v = 5.984 m/s
11.운동량과 충돌

답: v′1 = −0.625 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 = (3.5 − 4.5)/(3.5 + 4.5)·5 = −0.625 m/s
v′2 = 2·3.5/(3.5 + 4.5)·5 = 4.375 m/s

답

v′1 = −0.625 m/s

음의 부호는 첫 번째 글라이더가 튕겨 되돌아간다는 뜻입니다.

12.운동량과 충돌

답: v = 213.5 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) = 1.7·(1 − cos 30°) = 0.2278 m

충돌 후의 속력

V = √(2·9.81·0.2278) = 2.114 m/s

충돌

v = (m + M)·V/m = 1.515·2.114/0.015 = 213.5 m/s

답

v = 213.5 m/s
13.용수철과 진자

답: v = 1.818 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 = √(310/2.1) = 12.15 rad/s

x에서의 속력

v = ω·√(A² − x²) = 12.15·√(0.15² − 0.01²) = 1.818 m/s

답

v = 1.818 m/s
14.용수철과 진자

답: vmax = 1.643 m/s

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 = √(120/1) = 10.95 rad/s

최대 속력

vmax = A·ω = 0.15·10.95 = 1.643 m/s

답

vmax = 1.643 m/s
15.파동, 소리, 광학

답: f4 = 1143 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 = 2L/n = 2·0.6/4 = 0.3 m

진동수

f = v/λ = 343/0.3 = 1143 Hz

답

f4 = 1143 Hz
16.파동, 소리, 광학

답: y4 = 5.4 mm

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.

무늬 간격

Δy = λL/d = 450 × 10⁻⁹·1.2/(0.4 × 10⁻³) = 1.35 mm

4번째 무늬

y4 = 4·1.35 = 5.4 mm

답

y4 = 5.4 mm

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