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)0.6 s22.22

80 km/h로 달리던 운전자가 장애물을 본다. 반응 시간은 0.6 s이고, 그 후 자동차는 일정한 감속도 8 m/s²로 제동한다. 장애물을 본 순간부터의 총 정지 거리 d을(를) 구하시오.

v₀ = 80 km/htr = 0.6 sa = −8 m/s²
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
θ = 30°a = ?m = 4 kg

질량 4 kg인 블록이 수평과 30°를 이루는 경사면을 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.1이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 경사면을 따르는 블록의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 4 kgθ = 30°μ = 0.1g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
θ = 25°블록v₀ = 7.5 m/s

블록을 밀어 25° 경사로 위로 7.5 m/s의 속력으로 미끄러져 올라가게 한다. 운동 마찰 계수는 0.3이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 블록은 멈추기 전까지 경사로를 따라 얼마나 멀리 d 미끄러지는가?

v₀ = 7.5 m/sθ = 25°μ = 0.3g = 9.81 m/s²
d = m
5.포물선 운동보통
19 my = ?v0​ = 38 m/s70°

평지에서 공을 38 m/s, 수평 위 70°로 19 m 떨어진 벽을 향해 찬다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 공은 벽을 몇 m 높이 y에서 지나는가?

v₀ = 38 m/sθ = 70°x = 19 mg = 9.81 m/s²
y = m
6.포물선 운동어려움
h = 15 mv0​ = 16 m/s45°v = ?

15 m 절벽 꼭대기에서 공을 16 m/s, 수평 위 45°로 발사한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 지면에 닿는 속력 v을(를) 구하시오.

v₀ = 16 m/sθ = 45°h = 15 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
7.원운동보통
r = 4 mω = ?

놀이공원의 로터에서 탑승자는 반지름 4 m인 수직 원통의 벽에 기대어 선다. 충분히 빨리 돌면 바닥이 내려가고 마찰이 탑승자를 붙잡는다. 정지 마찰 계수는 0.4이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 최소 각속도 ω을(를) rad/s로 구하시오.

r = 4 mμs = 0.4g = 9.81 m/s²
ω = rad/s
8.원운동어려움
r = 1 m10.5 m/svtop​ = ?

길이 1 m의 가벼운 줄에 매단 1 kg 공을 연직 원으로 돌린다. 가장 낮은 점에서의 속력은 10.5 m/s이다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 가장 높은 점에서 줄의 장력 Ttop을(를) 구하시오.

m = 1 kgr = 1 mvbottom = 10.5 m/sg = 9.81 m/s²
Ttop = N
9.일과 에너지보통
30°d = 15 mμ = 0.3

블록이 수평과 30°를 이루는 경사면을 정지 상태에서 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.3이다. 경사면을 따라 15 m 미끄러진 뒤의 속력 v을(를) 구하시오.

θ = 30°μ = 0.3d = 15 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
10.일과 에너지어려움
h = 1 mL = 3 mμ = 0.1k = 2000 N/m

질량 2 kg인 블록을 매끄러운 경사로의 높이 1 m에서 가만히 놓는다. 아래에서 길이 3 m인 거친 수평 구간(μ = 0.1)을 지난 뒤, 매끄러운 면에서 스프링(k = 2000 N/m)에 부딪힌다. 스프링의 최대 압축량 x을(를) 구하시오.

m = 2 kgh = 1 mL = 3 mμ = 0.1k = 2000 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
11.운동량과 충돌보통
5 kg44 m/s7 kgv′2​ = ?

수평으로 35 m/s로 움직이던 12 kg 발사체가 폭발해 같은 직선을 따라 움직이는 두 파편으로 나뉜다. 5 kg 파편은 44 m/s로 앞으로 계속 움직인다. 7 kg 파편의 속도 v′2(원래 방향을 양으로)을(를) 구하시오.

M = 12 kgu = 35 m/sm1 = 5 kgv′1 = 44 m/sm2 = 7 kg
v′2 = m/s
12.운동량과 충돌어려움
9 m/s4 m/s

질량 0.25 kg인 공이 9 m/s로 벽에 부딪힌 뒤 4 m/s로 똑바로 튀어나온다. 접촉 시간은 40 ms이다. 벽이 공에 가한 충격량의 크기 J을(를) 구하시오.

m = 0.25 kgvin = 9 m/svout = 4 m/sΔt = 40 ms
J = N·s
13.용수철과 진자보통
0.4 kgk = 440 N/mA = 17 cmx = 7 cm

k = 440 N/m인 스프링에 매단 0.4 kg 질량이 마찰 없는 면 위에서 진폭 17 cm로 진동한다. 평형점에서 7 cm 떨어져 있을 때의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 0.4 kgk = 440 N/mA = 17 cmx = 7 cm
v = m/s
14.용수철과 진자어려움
t (s)x (cm)t = ?15.3

한 물체가 주기 2.7 s, 진폭 17 cm로 단조화 운동을 한다. 최대 변위 17 cm에서 변위 15.3 cm까지 움직이는 데 필요한 최단 시간 t은(는) 얼마인가?

T = 2.7 sA = 17 cmx = 15.3 cm
t = s
15.파동, 소리, 광학보통
SO20 m/sf = 800 Hz

관측자가 800 Hz의 정지한 음원을 향해 20 m/s로 움직인다. 소리의 속력은 343 m/s이다. 관측자가 듣는 진동수 f′을(를) 구하시오.

f = 800 Hzv = 343 m/svo = 20 m/s
f′ = Hz
16.파동, 소리, 광학어려움
θn1​ = 1.52n2​ = 1.44n0​ = 1.00

광섬유의 코어는 n₁ = 1.52이고 클래딩은 n₂ = 1.44이다. 개구수 NA을(를) 구하시오.

n1 = 1.52n2 = 1.44
NA =

3용액

1.운동학

답: d = 44.2 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.

단위

v₀ = 80/3.6 = 22.22 m/s

반응 거리

d1 = v₀·tr = 22.22·0.6 = 13.33 m

제동 거리

d2 = v₀²/(2a) = 22.22²/(2·8) = 30.86 m

합계

d = 13.33 + 30.86 = 44.2 m

답

d = 44.2 m
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 = 4.055 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 30° − 0.1·cos 30°) = 9.81·(0.5 − 0.0866) = 4.055 m/s²

답

a = 4.055 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: d = 4.128 m

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

두 힘 모두 경사면 아래를 향하며, 질량은 약분됩니다.

a = 9.81·(sin 25° + 0.3·cos 25°) = 6.813 m/s²

거리

d = v₀²/(2a) = 7.5²/(2·6.813) = 4.128 m

답

d = 4.128 m
5.포물선 운동

답: y = 41.72 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 = 38·cos 70° = 13 m/s
t = x/vx = 19/13 = 1.462 s

그 시각의 높이

y = 35.71·1.462 − ½·9.81·1.462² = 41.72 m

답

y = 41.72 m

공은 벽에서 아직 올라가는 중입니다.

6.포물선 운동

답: v = 23.46 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.

초기 속도 분해

vx = 16·cos 45° = 11.31 m/s
vy0 = 16·sin 45° = 11.31 m/s

충돌 시 수직 속력

에너지 또는 수직 방향의 v² = v₀² + 2as.

vy = √(11.31² + 2·9.81·15) = 20.55 m/s

충돌 속력

v = √(11.31² + 20.55²) = 23.46 m/s

답

v = 23.46 m/s

에너지로 검산: v² = v₀² + 2gh.

7.원운동

답: ω = 2.476 rad/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.

탑승자에 작용하는 힘

N = m·ω²·r
μ·N = m·g → μ·ω²·r = g

각속도

ω = √(g/(μ·r)) = √(9.81/(0.4·4)) = 2.476 rad/s

답

ω = 2.476 rad/s
8.원운동

답: Ttop = 61.2 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 = 10.5² − 4·9.81·1 = 71.01 m²/s²

꼭대기에서의 힘

장력과 중력은 모두 아래, 중심을 향합니다.

T + m·g = m·vtop²/r
T = 1·71.01/1 − 1·9.81 = 61.2 N

답

Ttop = 61.2 N
9.일과 에너지

답: v = 8.408 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).

경사면을 따른 에너지 수지

블록이 높이 d·sin θ만큼 내려가는 동안 마찰이 μmg·cos θ·d를 빼앗습니다. 질량이 소거됩니다.

½v² = g·d·(sin θ − μ·cos θ)
v = √(2·9.81·15·(0.5 − 0.3·0.866)) = 8.408 m/s

답

v = 8.408 m/s
10.일과 에너지

답: x = 11.72 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 = 19.62·(1 − 0.1·3) = 13.73 J

최대 압축량

½kx² = 13.73 → x = √(2·13.73/2000) = 0.1172 m = 11.72 cm

답

x = 11.72 cm
11.운동량과 충돌

답: v′2 = 28.57 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 = 12·35 = 420 kg·m/s

충돌 후 운동량

420 = 5·44 + 7·v′2
v′2 = (420 − 220)/7 = 28.57 m/s

답

v′2 = 28.57 m/s
12.운동량과 충돌

답: J = 3.25 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 = 0.25·(4 + 9) = 3.25 N·s

답

J = 3.25 N·s
13.용수철과 진자

답: v = 5.138 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 = √(440/0.4) = 33.17 rad/s

x에서의 속력

v = ω·√(A² − x²) = 33.17·√(0.17² − 0.07²) = 5.138 m/s

답

v = 5.138 m/s
14.용수철과 진자

답: t = 0.1938 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/2.7 = 2.327 rad/s

시간에 대해 풀기

0.9 = cos(ω·t) → ω·t = arccos(0.9) = 0.451 rad
t = 0.451/2.327 = 0.1938 s

답

t = 0.1938 s
15.파동, 소리, 광학

답: f′ = 846.6 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.

도플러 공식

f′ = f·(v + vo)/(v − vs) = 800·(343 + 20)/(343 − 0)
f′ = 846.6 Hz

답

f′ = 846.6 Hz
16.파동, 소리, 광학

답: NA = 0.4866

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 = 1.44/1.52 = 0.9474 → θc = 71.33°

개구수

NA = √(1.52² − 1.44²) = 0.4866

답

NA = 0.4866

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