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 = 2 m/s²자동차16 m/s

일정한 16 m/s로 과속하는 자동차가 정지해 있는 경찰차를 지나간다. 그 순간 경찰차가 출발해 2 m/s²로 균일하게 가속한다. 경찰차가 따라잡는 데 얼마나 걸리는가? t을(를) 구하시오.

vcar = 16 m/sapolice = 2 m/s²v0,police = 0
t = s
2.운동학어려움
v₀ = 8 m/s20 m

지면에서 20 m 높이에 있는 지붕 가장자리에서 공을 8 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 = 8 m/sh₀ = 20 mg = 9.81 m/s²
t = s
3.뉴턴 법칙보통
15 kg40°F = 170 Nμ = 0.4

15 kg 썰매를 수평 위 40° 방향의 로프로 170 N의 힘으로 평평한 눈 위에서 끈다. 운동 마찰 계수는 0.4이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 썰매의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 15 kgF = 170 Nθ = 40°μ = 0.4g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 4.5 kg1.5 kgμ = 0.25

수평 탁자 위에 있는 질량 4.5 kg인 블록이 가벼운 줄로 마찰 없는 도르래를 거쳐 매달린 1.5 kg 물체와 연결되어 있다. 블록과 탁자 사이의 운동 마찰 계수는 0.25이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 계의 가속도 a을(를) 구하시오.

m1 = 4.5 kgm2 = 1.5 kgμ = 0.25g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.포물선 운동보통
12 my = ?v0​ = 14 m/s45°

평지에서 공을 14 m/s, 수평 위 45°로 12 m 떨어진 벽을 향해 찬다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 공은 벽을 몇 m 높이 y에서 지나는가?

v₀ = 14 m/sθ = 45°x = 12 mg = 9.81 m/s²
y = m
6.포물선 운동어려움
h = 45 mv0​ = 20 m/s45°v = ?

45 m 절벽 꼭대기에서 공을 20 m/s, 수평 위 45°로 발사한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 지면에 닿는 속력 v을(를) 구하시오.

v₀ = 20 m/sθ = 45°h = 45 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
7.원운동보통
L = 0.8 m35°

길이 0.8 m인 줄에 매단 작은 공이 수평 원운동을 하며, 줄은 연직과 일정한 각 35°를 이룬다(원뿔 진자). g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 공의 속력 v을(를) 구하시오.

L = 0.8 mθ = 35°g = 9.81 m/s²
v = m/s
8.원운동어려움
R = 8 mh = 36 m

4.5 kg 수레가 마찰 없는 트랙 위 높이 36 m에서 정지 상태로 놓여 반지름 8 m의 연직 루프를 지난다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 루프 바닥에서 트랙이 수레에 작용하는 수직항력 Nbottom을(를) 구하시오.

m = 4.5 kgh = 36 mR = 8 mg = 9.81 m/s²
Nbottom = N
9.일과 에너지보통
30°d = 15 mμ = 0.2

블록이 수평과 30°를 이루는 경사면을 정지 상태에서 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.2이다. 경사면을 따라 15 m 미끄러진 뒤의 속력 v을(를) 구하시오.

θ = 30°μ = 0.2d = 15 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
10.일과 에너지어려움
k = 5000 N/m25°μ = 0.31 kg

25° 경사면 아래에 있는 강성 5000 N/m인 스프링을 1 kg 블록으로 15 cm 압축했다가 놓는다. 블록과 경사면 사이의 운동 마찰 계수는 0.3이다. 블록은 놓은 점에서 경사면을 따라 얼마나 멀리 d 올라간 뒤 멈추는가? (스프링이 미는 짧은 거리는 무시하고, 마찰과 중력은 전체 거리 d에 걸쳐 작용한다고 하시오.)

m = 1 kgk = 5000 N/mx = 15 cmθ = 25°μ = 0.3g = 9.81 m/s²
d = m
11.운동량과 충돌보통
2 kg32 m/s9 kgv′2​ = ?

수평으로 24 m/s로 움직이던 11 kg 발사체가 폭발해 같은 직선을 따라 움직이는 두 파편으로 나뉜다. 2 kg 파편은 32 m/s로 앞으로 계속 움직인다. 9 kg 파편의 속도 v′2(원래 방향을 양으로)을(를) 구하시오.

M = 11 kgu = 24 m/sm1 = 2 kgv′1 = 32 m/sm2 = 9 kg
v′2 = m/s
12.운동량과 충돌어려움
2000 kg9 m/s1600 kg25 m/sv′ = ?

교차로에서 동쪽으로 9 m/s로 달리던 2000 kg 자동차가 북쪽으로 25 m/s로 달리던 1600 kg 자동차와 충돌한다. 두 차는 한 덩어리가 된다. 충돌 직후 잔해의 속력 v′을(를) 구하시오.

m1 = 2000 kgv1 = 9 m/s (E)m2 = 1600 kgv2 = 25 m/s (N)
v′ = m/s
13.용수철과 진자보통
L = 1.8 mT = 4.38 s

다른 행성의 우주 비행사가 길이 1.8 m인 단진자의 작은 진동 주기가 4.38 s임을 알아낸다. 그 행성의 중력 가속도 g을(를) 구하시오.

L = 1.8 mT = 4.38 s
g = m/s²
14.용수철과 진자어려움
2.8 kgk = 30 N/mA = 6 cm

k = 30 N/m인 용수철에 매단 2.8 kg 물체를 평형 위치에서 6 cm 당겼다가 놓는다. 최대 속력 vmax을(를) 구하시오.

m = 2.8 kgk = 30 N/mA = 6 cm
vmax = m/s
15.파동, 소리, 광학보통
SO20 m/sf = 1200 Hz

관측자가 1200 Hz의 정지한 음원을 향해 20 m/s로 움직인다. 소리의 속력은 343 m/s이다. 관측자가 듣는 진동수 f′을(를) 구하시오.

f = 1200 Hzv = 343 m/svo = 20 m/s
f′ = Hz
16.파동, 소리, 광학어려움
λ = 550 nma = 0.15 mmL = 2.5 m

파장 550 nm의 빛이 폭 0.15 mm의 단일 슬릿을 통과한다. 2.5 m 떨어진 스크린에서 중앙 밝은 극대의 폭 w(양쪽 첫 번째 어두운 무늬 사이)을 구하시오.

λ = 550 nma = 0.15 mmL = 2.5 m
w = mm

3용액

1.운동학

답: t = 16 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 = 2·16/2 = 16 s

답

t = 16 s

그 순간 경찰차는 2v = 32 m/s로 움직입니다.

2.운동학

답: t = 2.993 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.

−20 = 8·t − ½·9.81·t²
4.905·t² − 8·t − 20 = 0

이차방정식 풀기

물리적으로 의미 있는 것은 양의 근뿐입니다.

t = (8 + √(8² + 2·9.81·20))/9.81 = 2.993 s

답

t = 2.993 s
3.뉴턴 법칙

답: a = 7.672 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 = 147.2 − 170·sin 40° = 37.88 N

수평 방향의 힘

m·a = F·cos θ − μ·N = 130.2 − 15.15
a = 115.1/15 = 7.672 m/s²

답

a = 7.672 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: a = 0.6131 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) = (14.71 − 11.04)/6 = 0.6131 m/s²

답

a = 0.6131 m/s²
5.포물선 운동

답: y = 4.793 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 = 14·cos 45° = 9.899 m/s
t = x/vx = 12/9.899 = 1.212 s

그 시각의 높이

y = 9.899·1.212 − ½·9.81·1.212² = 4.793 m

답

y = 4.793 m

공은 벽에서 이미 내려가는 중입니다.

6.포물선 운동

답: v = 35.82 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 = 20·cos 45° = 14.14 m/s
vy0 = 20·sin 45° = 14.14 m/s

충돌 시 수직 속력

에너지 또는 수직 방향의 v² = v₀² + 2as.

vy = √(14.14² + 2·9.81·45) = 32.91 m/s

충돌 속력

v = √(14.14² + 32.91²) = 35.82 m/s

답

v = 35.82 m/s

에너지로 검산: v² = v₀² + 2gh.

7.원운동

답: v = 1.775 m/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 = 0.8·sin 35° = 0.4589 m

속력

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

v = √(r·g·tan θ) = √(0.4589·9.81·tan 35°) = 1.775 m/s

답

v = 1.775 m/s
8.원운동

답: Nbottom = 441.5 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 = 2·9.81·36 = 706.3 m²/s²

힘

중심 방향을 양으로.

N = m·v²/R + m·g = 4.5·706.3/8 + 44.15 = 441.5 N

답

Nbottom = 441.5 N
9.일과 에너지

답: v = 9.807 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 − 0.2·0.866)) = 9.807 m/s

답

v = 9.807 m/s
10.일과 에너지

답: d = 8.256 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).

스프링 에너지

x = 15 cm = 0.15 m
½kx² = ½·5000·0.15² = 56.25 J

경사면을 따른 에너지 수지

m·g = 1·9.81 = 9.81 N
½kx² = mg·d·(sin θ + μ·cos θ)
d = 56.25/(9.81·(0.4226 + 0.3·0.9063)) = 8.256 m

답

d = 8.256 m
11.운동량과 충돌

답: v′2 = 22.22 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 = 11·24 = 264 kg·m/s

충돌 후 운동량

264 = 2·32 + 9·v′2
v′2 = (264 − 64)/9 = 22.22 m/s

답

v′2 = 22.22 m/s
12.운동량과 충돌

답: v′ = 12.18 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 = 2000·9 = 18000 kg·m/s
py = 1600·25 = 40000 kg·m/s

잔해의 속력

v′ = √(px² + py²)/(m1 + m2) = 43863/3600 = 12.18 m/s

답

v′ = 12.18 m/s
13.용수철과 진자

답: g = 3.704 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 = 4π²·1.8/4.38² = 3.704 m/s²

답

g = 3.704 m/s²
14.용수철과 진자

답: vmax = 0.1964 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 = √(30/2.8) = 3.273 rad/s

최대 속력

vmax = A·ω = 0.06·3.273 = 0.1964 m/s

답

vmax = 0.1964 m/s
15.파동, 소리, 광학

답: f′ = 1270 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) = 1200·(343 + 20)/(343 − 0)
f′ = 1270 Hz

답

f′ = 1270 Hz
16.파동, 소리, 광학

답: w = 18.33 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.

첫 번째 어두운 무늬

y₁ = λL/a = 550 × 10⁻⁹·2.5/(0.15 × 10⁻³) = 9.167 mm

중앙 극대의 폭

w = 2y₁ = 18.33 mm

답

w = 18.33 mm

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