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)1.923 s12.5

45 km/h로 달리던 자동차가 6.5 m/s²의 일정한 감속도로 제동하여 멈춘다. 제동 거리 s을(를) 구하시오.

v₀ = 45 km/ha = −6.5 m/s²v = 0
s = m
2.운동학어려움
v₀ = 13 m/s35 m

지면에서 35 m 높이에 있는 지붕 가장자리에서 공을 13 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 = 13 m/sh₀ = 35 mg = 9.81 m/s²
t = s
3.뉴턴 법칙보통
5 kg30°F = 40 Nμ = 0.4

5 kg 썰매를 수평 위 30° 방향의 로프로 40 N의 힘으로 평평한 눈 위에서 끈다. 운동 마찰 계수는 0.4이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 썰매의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 5 kgF = 40 Nθ = 30°μ = 0.4g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 6.5 kg4.5 kgμ = 0.25

수평 탁자 위에 있는 질량 6.5 kg인 블록이 가벼운 줄로 마찰 없는 도르래를 거쳐 매달린 4.5 kg 물체와 연결되어 있다. 블록과 탁자 사이의 운동 마찰 계수는 0.25이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 계의 가속도 a을(를) 구하시오.

m1 = 6.5 kgm2 = 4.5 kgμ = 0.25g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.포물선 운동보통
v0​ = 34 m/sθ = ?R = 55 m

평지에서 공을 34 m/s로 발사해 55 m 떨어진 곳에 떨어지게 해야 한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 가능한 두 발사각 중 작은 값 θ을(를) 구하시오.

v₀ = 34 m/sR = 55 mg = 9.81 m/s²
θ = °
6.포물선 운동어려움
h = 25 mv0​ = 16 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 = 16 m/sθ = 55°h = 25 mg = 9.81 m/s²
t = s
7.원운동보통
r = 35 mvmax​ = ?

자동차가 반지름 35 m인 평평한 커브를 돈다. 타이어와 도로 사이의 정지 마찰 계수는 0.5이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 미끄러지지 않고 커브를 돌 수 있는 최대 속력 vmax을(를) 구하시오.

r = 35 mμs = 0.5g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.원운동어려움
R = 8.5 mh = 35.7 m

2 kg 수레가 마찰 없는 트랙 위 높이 35.7 m에서 정지 상태로 놓여 반지름 8.5 m의 연직 루프를 지난다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 루프 바닥에서 트랙이 수레에 작용하는 수직항력 Nbottom을(를) 구하시오.

m = 2 kgh = 35.7 mR = 8.5 mg = 9.81 m/s²
Nbottom = N
9.일과 에너지보통
40°d = 13 mμ = 0.15

블록이 수평과 40°를 이루는 경사면을 정지 상태에서 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.15이다. 경사면을 따라 13 m 미끄러진 뒤의 속력 v을(를) 구하시오.

θ = 40°μ = 0.15d = 13 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
10.일과 에너지어려움
h = 3.5 mL = 4 mμ = 0.25k = 1500 N/m

질량 2 kg인 블록을 매끄러운 경사로의 높이 3.5 m에서 가만히 놓는다. 아래에서 길이 4 m인 거친 수평 구간(μ = 0.25)을 지난 뒤, 매끄러운 면에서 스프링(k = 1500 N/m)에 부딪힌다. 스프링의 최대 압축량 x을(를) 구하시오.

m = 2 kgh = 3.5 mL = 4 mμ = 0.25k = 1500 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
11.운동량과 충돌보통
4 kgv = ?15 gh = 11 cm

15 g 총알을 가벼운 줄에 매달린 4 kg 나무 블록에 수평으로 쏘아 박히게 한다. 블록은 처음보다 11 cm 높아질 때까지 흔들려 올라간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 전 총알의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 15 gM = 4 kgh = 11 cmg = 9.81 m/s²
v = m/s
12.운동량과 충돌어려움
1800 kg21 m/s1800 kg9 m/sv′ = ?

교차로에서 동쪽으로 21 m/s로 달리던 1800 kg 자동차가 북쪽으로 9 m/s로 달리던 1800 kg 자동차와 충돌한다. 두 차는 한 덩어리가 된다. 충돌 직후 잔해의 속력 v′을(를) 구하시오.

m1 = 1800 kgv1 = 21 m/s (E)m2 = 1800 kgv2 = 9 m/s (N)
v′ = m/s
13.용수철과 진자보통
t (s)x (cm)0.4 s

k = 220 N/m인 스프링에 매단 1.2 kg 질량을 양의 방향으로 8 cm 당겼다가 t = 0에 정지 상태에서 놓는다. t = 0.4 s에서 평형점으로부터의 변위 x(부호 포함)을(를) 구하시오.

m = 1.2 kgk = 220 N/mA = 8 cmt = 0.4 s
x = cm
14.용수철과 진자어려움
mk = 430 N/mA = 15 cmx = 14 cm

k = 430 N/m인 스프링에 매단 질량이 마찰 없는 면 위에서 진폭 15 cm로 진동한다. 평형점에서 14 cm 떨어져 있을 때의 운동 에너지 K을(를) 구하시오.

k = 430 N/mA = 15 cmx = 14 cm
K = J
15.파동, 소리, 광학보통
L = 1.2 mn = 7

한쪽 끝이 닫힌 관의 길이는 1.2 m이다. 소리의 속력은 343 m/s이다. 7번째 배진동의 진동수 f7을(를) 구하시오.

v = 343 m/sn = 7L = 1.2 m
f7 = Hz
16.파동, 소리, 광학어려움
Fdo​ = 6 cmR = 20 cm

물체가 곡률 반지름 20 cm인 오목 거울 앞 6 cm에 있다. 거울 앞의 상(실상)이면 양수, 거울 뒤의 상(허상)이면 음수로 하여 상거리 di을(를) 구하시오.

do = 6 cmR = 20 cm
di = cm

3용액

1.운동학

답: s = 12.02 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 = 45/3.6 = 12.5 m/s

제동 거리

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 12.5²/(2·6.5) = 12.02 m

답

s = 12.02 m
2.운동학

답: t = 4.307 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.

−35 = 13·t − ½·9.81·t²
4.905·t² − 13·t − 35 = 0

이차방정식 풀기

물리적으로 의미 있는 것은 양의 근뿐입니다.

t = (13 + √(13² + 2·9.81·35))/9.81 = 4.307 s

답

t = 4.307 s
3.뉴턴 법칙

답: a = 4.604 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 = 49.05 − 40·sin 30° = 29.05 N

수평 방향의 힘

m·a = F·cos θ − μ·N = 34.64 − 11.62
a = 23.02/5 = 4.604 m/s²

답

a = 4.604 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: a = 2.564 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) = (44.15 − 15.94)/11 = 2.564 m/s²

답

a = 2.564 m/s²
5.포물선 운동

답: θ = 13.91 °

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 공식

R = v₀²·sin 2θ/g → sin 2θ = 9.81·55/34² = 0.4667

위상각

2θ = 27.82° → θ = 13.91°

답

θ = 13.91°

다른 해는 90° − θ = 76.09°입니다.

6.포물선 운동

답: t = 3.959 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 = 16·cos 55° = 9.177 m/s
vy = v0·sin θ = 16·sin 55° = 13.11 m/s

체공 시간

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

0 = 25 + 13.11·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (13.11 + √(171.8 + 490.5))/9.81 = 3.959 s

답

t = 3.959 s
7.원운동

답: vmax = 13.1 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) = √(0.5·9.81·35) = 13.1 m/s

답

vmax = 13.1 m/s (47.17 km/h)
8.원운동

답: Nbottom = 184.4 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 = 2·9.81·35.7 = 700.4 m²/s²

힘

중심 방향을 양으로.

N = m·v²/R + m·g = 2·700.4/8.5 + 19.62 = 184.4 N

답

Nbottom = 184.4 N
9.일과 에너지

답: v = 11.6 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 = √(2·9.81·13·(0.6428 − 0.15·0.766)) = 11.6 m/s

답

v = 11.6 m/s
10.일과 에너지

답: x = 25.57 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·(3.5 − 0.25·4) = 49.05 J

최대 압축량

½kx² = 49.05 → x = √(2·49.05/1500) = 0.2557 m = 25.57 cm

답

x = 25.57 cm
11.운동량과 충돌

답: v = 393.2 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 흔들림

V = √(2·g·h) = √(2·9.81·0.11) = 1.469 m/s

충돌

m·v = (m + M)·V → v = (0.015 + 4)·1.469/0.015 = 393.2 m/s

답

v = 393.2 m/s
12.운동량과 충돌

답: v′ = 11.42 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 = 1800·21 = 37800 kg·m/s
py = 1800·9 = 16200 kg·m/s

잔해의 속력

v′ = √(px² + py²)/(m1 + m2) = 41125/3600 = 11.42 m/s

답

v′ = 11.42 m/s
13.용수철과 진자

답: x = 5.176 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 = √(220/1.2) = 13.54 rad/s
ω·t = 13.54·0.4 = 5.416 rad

변위

x = A·cos(ω·t) = 8·cos(5.416) = 5.176 cm

답

x = 5.176 cm
14.용수철과 진자

답: K = 0.6235 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 = ½·430·0.15² = 4.837 J

x에서의 스프링 에너지

U = ½·k·x² = ½·430·0.14² = 4.214 J

운동 에너지

K = 4.837 − 4.214 = 0.6235 J

답

K = 0.6235 J
15.파동, 소리, 광학

답: f7 = 500.2 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 = 4·1.2/7 = 0.6857 m

진동수

f = v/λ = 343/0.6857 = 500.2 Hz

답

f7 = 500.2 Hz
16.파동, 소리, 광학

답: di = −15 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.

초점 거리

f = R/2 = 10 cm

거울 공식

1/di = 1/f − 1/do = 1/10 − 1/6
di = −15 cm
F6 cmf = 10 cm

광선도

거울 뒤의 허상

답

di = −15 cm

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