물리학 1: 역학: 벼락치기 팩

공식 모음, 모든 주제의 핵심 풀이 단계, 연습 문제 16개가 들어 있으며 전체 풀이는 맨 뒤에 있습니다.

새 문제강의로 돌아가기

인쇄 창에서 “PDF로 저장”을 선택하면 기기에 사본을 보관할 수 있습니다.

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 = 6 m/s²자동차18 m/s

일정한 18 m/s로 과속하는 자동차가 정지해 있는 경찰차를 지나간다. 그 순간 경찰차가 출발해 6 m/s²로 균일하게 가속한다. 경찰차가 따라잡는 데 얼마나 걸리는가? t을(를) 구하시오.

vcar = 18 m/sapolice = 6 m/s²v0,police = 0
t = s
2.운동학어려움
t (s)v (m/s)9 s

트램이 정지 상태에서 출발해 9 s 동안 3 m/s²로 가속한 다음, 5 s 동안 등속으로 달리고, 마지막으로 4.5 m/s²로 제동해 멈춘다. 두 정류장 사이의 총거리 s을(를) 구하시오.

a1 = 3 m/s²t1 = 9 st2 = 5 sa3 = −4.5 m/s²
s = m
3.뉴턴 법칙보통
상자v₀ = 2.5 m/sμ = ?

상자가 처음 속력 2.5 m/s로 평평한 바닥을 미끄러지다가 3.2 m 후에 멈춘다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 운동 마찰 계수 μ을(를) 구하시오.

v₀ = 2.5 m/sd = 3.2 mg = 9.81 m/s²
μ =
4.뉴턴 법칙어려움
θ = 20°블록v₀ = 11.5 m/s

블록을 밀어 20° 경사로 위로 11.5 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 = 11.5 m/sθ = 20°μ = 0.3g = 9.81 m/s²
d = m
5.포물선 운동보통
25 my = ?v0​ = 22 m/s70°

평지에서 공을 22 m/s, 수평 위 70°로 25 m 떨어진 벽을 향해 찬다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 공은 벽을 몇 m 높이 y에서 지나는가?

v₀ = 22 m/sθ = 70°x = 25 mg = 9.81 m/s²
y = m
6.포물선 운동어려움
10 mv0​ = 19 m/s70°x = ?

지면에서 공을 19 m/s, 수평 위 70°로 던진다. 공은 내려오는 도중에 높이 10 m인 건물의 평평한 지붕에 떨어진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 발사점에서 떨어진 곳까지의 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v₀ = 19 m/sθ = 70°hroof = 10 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.원운동보통
r = 70 mvmax​ = ?

자동차가 반지름 70 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 = 70 mμs = 0.5g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.원운동어려움
θ = 20°중심 방향vmax​ = ?

반지름 210 m인 커브가 20° 기울어져 있고, 타이어와 도로 사이의 정지 마찰 계수는 0.15이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 자동차가 위쪽 바깥으로 미끄러지지 않고 커브를 돌 수 있는 최대 속력 vmax을(를) 구하시오.

r = 210 mθ = 20°μs = 0.15g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
9.일과 에너지보통
0.2 kgk = 400 N/mh = ?

장난감 발사기에 강성 400 N/m인 수직 스프링이 있다. 0.2 kg 공을 올려놓고 스프링을 10 cm 압축한 다음 놓는다. 공기 저항과 스프링의 질량을 무시하고, 스프링이 압축되었을 때의 위치에서 잰 공의 상승 높이 h을(를) 구하시오.

m = 0.2 kgk = 400 N/mx = 10 cmg = 9.81 m/s²
h = m
10.일과 에너지어려움
2 kg6 kgμ = 0.4d = 1 m

2 kg 블록이 거친 수평 테이블(μ = 0.4) 위에 놓여 있다. 가벼운 줄이 블록에서 테이블 가장자리의 매끄러운 도르래를 지나 매달린 6 kg 블록에 연결되어 있다. 계를 정지 상태에서 놓는다. 매달린 블록이 1 m 내려간 뒤 블록들의 속력 v을(를) 구하시오.

m1 = 2 kgm2 = 6 kgμ = 0.4d = 1 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.운동량과 충돌보통
3 kg6 m/s2 kg

6 m/s로 움직이는 질량 3 kg인 글라이더가 마찰 없는 트랙 위에 정지해 있는 질량 2 kg인 글라이더와 완전 탄성 정면충돌을 한다. 충돌 후 두 번째 글라이더의 속도 v′2을(를) 구하시오.

m1 = 3 kgm2 = 2 kgv1 = 6 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.운동량과 충돌어려움
1600 kg21 m/s2000 kg22 m/sθ = ?

교차로에서 동쪽으로 21 m/s로 달리던 1600 kg 자동차가 북쪽으로 22 m/s로 달리던 2000 kg 자동차와 충돌한다. 두 차는 한 덩어리가 된다. 충돌 직후 잔해의 방향 θ을(를) 동쪽에서 북쪽으로 잰 각으로 구하시오.

m1 = 1600 kgv1 = 21 m/s (E)m2 = 2000 kgv2 = 22 m/s (N)
θ = °
13.용수철과 진자보통
L = ?

주기가 1.4 s인 단진자의 길이는 얼마여야 하는가? g = 9.81 m/s²를 쓴다. L을(를) 구하시오.

T = 1.4 sg = 9.81 m/s²
L = m
14.용수철과 진자어려움
1.3 kgk = 300 N/m

k = 300 N/m인 늘어나지 않은 수직 스프링의 아래 끝에 1.3 kg 질량을 달고 정지 상태에서 놓는다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 스프링의 최대 늘어난 길이 xmax을(를) cm로 구하시오.

m = 1.3 kgk = 300 N/mg = 9.81 m/s²
xmax = cm
15.파동, 소리, 광학보통
FFdo​ = 30 cmf = 12 cm

물체가 초점 거리 12 cm인 얇은 수렴 렌즈 앞 30 cm에 서 있다. 상거리 di을(를) 구하시오. 부호 규약 1/f = 1/do + 1/di를 쓴다(오목 렌즈는 f < 0, 허상은 di < 0).

do = 30 cmf = 12 cm
di = cm
16.파동, 소리, 광학어려움
λ = ?d = 0.15 mmL = 1.5 m30 mm

0.15 mm 떨어진 두 슬릿에 단색광을 비춘다. 1.5 m 떨어진 스크린에서 5번째 밝은 무늬가 중앙 무늬에서 30 mm에 있다. 파장 λ을(를) 구하시오.

d = 0.15 mmL = 1.5 my5 = 30 mmm = 5
λ = nm

3용액

1.운동학

답: t = 6 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 = 2·18/6 = 6 s

답

t = 6 s

그 순간 경찰차는 2v = 36 m/s로 움직입니다.

2.운동학

답: s = 337.5 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.

최고 속력

v = a1·t1 = 3·9 = 27 m/s

각 단계의 거리

s1 = ½·3·9² = 121.5 m
s2 = 27·5 = 135 m
s3 = 27²/(2·4.5) = 81 m

총거리

s = 121.5 + 135 + 81 = 337.5 m

답

s = 337.5 m
3.뉴턴 법칙

답: μ = 0.09955

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

a = v₀²/(2d) = 2.5²/(2·3.2) = 0.9766 m/s²

마찰 계수

μ·m·g = m·a → μ = a/g = 0.9766/9.81 = 0.09955

답

μ = 0.09955
4.뉴턴 법칙

답: d = 10.8 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 20° + 0.3·cos 20°) = 6.121 m/s²

거리

d = v₀²/(2a) = 11.5²/(2·6.121) = 10.8 m

답

d = 10.8 m
5.포물선 운동

답: y = 14.54 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 = 22·cos 70° = 7.524 m/s
t = x/vx = 25/7.524 = 3.323 s

그 시각의 높이

y = 20.67·3.323 − ½·9.81·3.323² = 14.54 m

답

y = 14.54 m

공은 벽에서 이미 내려가는 중입니다.

6.포물선 운동

답: x = 19.16 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.

초기 속도 분해

vx = 6.498 m/s, vy = 17.85 m/s

지붕에 떨어지는 시간

큰 근: 공이 내려오는 중입니다.

10 = 17.85·t − 4.905·t²
t = (17.85 + √(17.85² − 2·9.81·10))/9.81 = 2.949 s

수평 거리

x = vx·t = 6.498·2.949 = 19.16 m

답

x = 19.16 m
7.원운동

답: vmax = 18.53 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) = √(0.5·9.81·70) = 18.53 m/s

답

vmax = 18.53 m/s (66.71 km/h)
8.원운동

답: vmax = 33.47 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.

힘의 평형

마찰은 경사면 아래를 향합니다.

N·(sin θ + μ·cos θ) = m·v²/r
N·(cos θ − μ·sin θ) = m·g

속력

v = √(210·9.81·0.483/0.8884) = 33.47 m/s

답

vmax = 33.47 m/s
(120.5 km/h)
9.일과 에너지

답: h = 1.019 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 = 10 cm = 0.1 m
½kx² = ½·400·0.1² = 2 J

높이

m·g = 0.2·9.81 = 1.962 N
h = ½kx²/(mg) = 2/1.962 = 1.019 m

답

h = 1.019 m
10.일과 에너지

답: v = 3.571 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).

방출되고 손실된 에너지

m₂g·d = 58.86·1 = 58.86 J
μ·m₁g·d = 0.4·19.62·1 = 7.848 J

두 블록의 운동 에너지

½(m₁ + m₂)v² = 51.01 → v = √(2·51.01/8) = 3.571 m/s

답

v = 3.571 m/s
11.운동량과 충돌

답: v′2 = 7.2 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 − 2)/(3 + 2)·6 = 1.2 m/s
v′2 = 2·3/(3 + 2)·6 = 7.2 m/s

답

v′2 = 7.2 m/s
12.운동량과 충돌

답: θ = 52.63 °

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 = 1600·21 = 33600 kg·m/s
py = 2000·22 = 44000 kg·m/s

방향

tan θ = py/px = 1.31 → θ = 52.63°

답

θ = 52.63°
13.용수철과 진자

답: L = 0.487 m

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.

길이 구하기

L = g·(T/2π)² = 9.81·(1.4/2π)² = 0.487 m

답

L = 0.487 m
14.용수철과 진자

답: xmax = 8.502 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.

평형점과 진폭

x₀ = m·g/k = 1.3·9.81/300 = 0.04251 m = A

최저점

xmax = 2A = 0.08502 m = 8.502 cm

답

xmax = 8.502 cm
15.파동, 소리, 광학

답: di = 20 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.

얇은 렌즈 공식

1/di = 1/f − 1/do = 1/12 − 1/30
di = 20 cm
FF30 cmf = 12 cm

광선도

실상, 렌즈의 반대쪽

답

di = 20 cm
16.파동, 소리, 광학

답: λ = 600 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) = 0.03·0.00015/(5·1.5) = 6 × 10⁻⁷ m = 600 nm

답

λ = 600 nm

ExamProblems · examproblems.com/courses/physics-1-mechanics