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 = 5 m/s²자동차17 m/s

일정한 17 m/s로 과속하는 자동차가 정지해 있는 경찰차를 지나간다. 그 순간 경찰차가 출발해 5 m/s²로 균일하게 가속한다. 경찰차는 출발점에서 얼마나 떨어진 곳에서 따라잡는가? d을(를) 구하시오.

vcar = 17 m/sapolice = 5 m/s²v0,police = 0
d = m
2.운동학어려움
v₀ = 11 m/s40 m

지면에서 40 m 높이에 있는 지붕 가장자리에서 공을 11 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 = 11 m/sh₀ = 40 mg = 9.81 m/s²
t = s
3.뉴턴 법칙보통
상자v₀ = 9 m/sμ = ?

상자가 처음 속력 9 m/s로 평평한 바닥을 미끄러지다가 41 m 후에 멈춘다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 운동 마찰 계수 μ을(를) 구하시오.

v₀ = 9 m/sd = 41 mg = 9.81 m/s²
μ =
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 4.5 kg2.5 kgμ = 0.1

수평 탁자 위에 있는 질량 4.5 kg인 블록이 가벼운 줄로 마찰 없는 도르래를 거쳐 매달린 2.5 kg 물체와 연결되어 있다. 블록과 탁자 사이의 운동 마찰 계수는 0.1이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 계의 가속도 a을(를) 구하시오.

m1 = 4.5 kgm2 = 2.5 kgμ = 0.1g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.포물선 운동보통
v0​ = 32 m/s60°수평 도달 거리

공을 평지에서 수평에서 60° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿을 때까지의 비행 시간 t을(를) 구하시오.

v0 = 32 m/sθ = 60°g = 9.81 m/s²
t = s
6.포물선 운동어려움
h = 50 mv0​ = 35 m/s30°x = ?

공을 높이 50 m인 절벽 위에서 수평에서 30° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿기 전까지 이동한 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v0 = 35 m/sθ = 30°h = 50 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.원운동보통
r = 85 mvmax​ = ?

자동차가 반지름 85 m인 평평한 커브를 돈다. 타이어와 도로 사이의 정지 마찰 계수는 0.6이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 미끄러지지 않고 커브를 돌 수 있는 최대 속력 vmax을(를) 구하시오.

r = 85 mμs = 0.6g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.원운동어려움
r = 0.5 m8.5 m/svtop​ = ?

길이 0.5 m의 가벼운 줄에 매단 1.8 kg 공을 연직 원으로 돌린다. 가장 낮은 점에서의 속력은 8.5 m/s이다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 가장 높은 점에서 줄의 장력 Ttop을(를) 구하시오.

m = 1.8 kgr = 0.5 mvbottom = 8.5 m/sg = 9.81 m/s²
Ttop = N
9.일과 에너지보통
40 km/h

평평한 도로를 40 km/h로 달리던 자동차가 급제동해 바퀴가 잠긴 채 미끄러져 멈춘다. 타이어와 도로 사이의 운동 마찰 계수는 0.8이다. 정지 거리 d을(를) 구하시오.

v = 40 km/hμ = 0.8g = 9.81 m/s²
d = m
10.일과 에너지어려움
4 kg3 kgμ = 0.1d = 0.5 m

4 kg 블록이 거친 수평 테이블(μ = 0.1) 위에 놓여 있다. 가벼운 줄이 블록에서 테이블 가장자리의 매끄러운 도르래를 지나 매달린 3 kg 블록에 연결되어 있다. 계를 정지 상태에서 놓는다. 매달린 블록이 0.5 m 내려간 뒤 블록들의 속력 v을(를) 구하시오.

m1 = 4 kgm2 = 3 kgμ = 0.1d = 0.5 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.운동량과 충돌보통
1400 kg19 m/s1700 kg

19 m/s로 움직이는 1400 kg 자동차가 정지해 있는 1700 kg 자동차와 충돌해 두 차가 한 덩어리가 된다. 충돌에서 잃은 운동 에너지 ΔK은(는) 얼마인가?

m1 = 1400 kgv1 = 19 m/sm2 = 1700 kgv2 = 0
ΔK = J
12.운동량과 충돌어려움
2 kgv = ?10 g20°L = 1.2 m

10 g 총알을 길이 1.2 m의 가벼운 줄에 매달린 2 kg 블록에 수평으로 쏘아 박히게 한다. 줄은 연직에서 최대 20°까지 흔들려 나간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 전 총알의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 10 gM = 2 kgL = 1.2 mθ = 20°g = 9.81 m/s²
v = m/s
13.용수철과 진자보통
t (s)x (cm)0.7 s

k = 240 N/m인 스프링에 매단 2.2 kg 질량을 양의 방향으로 10 cm 당겼다가 t = 0에 정지 상태에서 놓는다. t = 0.7 s에서 평형점으로부터의 변위 x(부호 포함)을(를) 구하시오.

m = 2.2 kgk = 240 N/mA = 10 cmt = 0.7 s
x = cm
14.용수철과 진자어려움
0.6 kgk = 90 N/mA = 15 cm

k = 90 N/m인 용수철에 매단 0.6 kg 물체를 평형 위치에서 15 cm 당겼다가 놓는다. 최대 가속도 amax을(를) 구하시오.

m = 0.6 kgk = 90 N/mA = 15 cm
amax = m/s²
15.파동, 소리, 광학보통
θc = ?90°다이아몬드, n1​ = 2.42아크릴, n2​ = 1.49

빛이 다이아몬드(n = 2.42) 속에서 아크릴(n = 1.49)과의 평평한 경계를 향해 진행한다. 그 각을 넘으면 전반사되는 임계각 θc을(를) 구하시오.

n1 = 2.42n2 = 1.49
θc = °
16.파동, 소리, 광학어려움
SO30 m/sf = 40 kHz

정지한 주차 센서가 30 m/s로 멀어지는 자동차를 향해 40 kHz의 초음파를 보낸다. 센서가 되받는 반향의 진동수 f″을(를) 구하시오(소리의 속력 343 m/s).

f = 40 kHzu = 30 m/sv = 343 m/s
f″ = Hz

3용액

1.운동학

답: d = 115.6 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.

같은 거리

v·t = ½·a·t² → t = 2v/a = 2·17/5 = 6.8 s

거리

d = v·t = 17·6.8 = 115.6 m

답

d = 115.6 m

그 순간 경찰차는 2v = 34 m/s로 움직입니다.

2.운동학

답: t = 4.189 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.

−40 = 11·t − ½·9.81·t²
4.905·t² − 11·t − 40 = 0

이차방정식 풀기

물리적으로 의미 있는 것은 양의 근뿐입니다.

t = (11 + √(11² + 2·9.81·40))/9.81 = 4.189 s

답

t = 4.189 s
3.뉴턴 법칙

답: μ = 0.1007

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) = 9²/(2·41) = 0.9878 m/s²

마찰 계수

μ·m·g = m·a → μ = a/g = 0.9878/9.81 = 0.1007

답

μ = 0.1007
4.뉴턴 법칙

답: a = 2.873 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) = (24.53 − 4.415)/7 = 2.873 m/s²

답

a = 2.873 m/s²
5.포물선 운동

답: t = 5.65 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 = 32·cos 60° = 16 m/s
vy = v0·sin θ = 32·sin 60° = 27.71 m/s

체공 시간

출발점과 착지점이 같은 높이: t = 2vy/g.

t = 2·27.71/9.81 = 5.65 s

답

t = 5.65 s
6.포물선 운동

답: x = 164.9 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 = 35·cos 30° = 30.31 m/s
vy = v0·sin θ = 35·sin 30° = 17.5 m/s

체공 시간

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

0 = 50 + 17.5·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (17.5 + √(306.2 + 981))/9.81 = 5.441 s

수평 거리

x = vx·t = 30.31·5.441 = 164.9 m

답

x = 164.9 m
7.원운동

답: vmax = 22.37 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) = √(0.6·9.81·85) = 22.37 m/s

답

vmax = 22.37 m/s (80.52 km/h)
8.원운동

답: Ttop = 171.8 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 = 8.5² − 4·9.81·0.5 = 52.63 m²/s²

꼭대기에서의 힘

장력과 중력은 모두 아래, 중심을 향합니다.

T + m·g = m·vtop²/r
T = 1.8·52.63/0.5 − 1.8·9.81 = 171.8 N

답

Ttop = 171.8 N
9.일과 에너지

답: d = 7.865 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).

기본 단위의 속력

v = 40/3.6 = 11.11 m/s

에너지 수지

½mv² = μmg·d → d = v²/(2μg) = 11.11²/(2·0.8·9.81) = 7.865 m

답

d = 7.865 m

속력이 두 배가 되면 정지 거리는 네 배가 됩니다.

10.일과 에너지

답: v = 1.909 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 = 29.43·0.5 = 14.71 J
μ·m₁g·d = 0.1·39.24·0.5 = 1.962 J

두 블록의 운동 에너지

½(m₁ + m₂)v² = 12.75 → v = √(2·12.75/7) = 1.909 m/s

답

v = 1.909 m/s
11.운동량과 충돌

답: ΔK = 138577 J

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.

공통 속도

v′ = m1·v1/(m1 + m2) = 1400·19/3100 = 8.581 m/s

충돌 전후의 운동 에너지

Kbefore = ½·1400·19² = 252700 J
Kafter = ½·3100·8.581² = 114123 J

잃은 에너지

ΔK = 252700 − 114123 = 138577 J

답

ΔK = 138577 J

잃은 에너지는 변형, 열, 소리로 갑니다.

12.운동량과 충돌

답: v = 239.5 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) = 1.2·(1 − cos 20°) = 0.07237 m

충돌 후의 속력

V = √(2·9.81·0.07237) = 1.192 m/s

충돌

v = (m + M)·V/m = 2.01·1.192/0.01 = 239.5 m/s

답

v = 239.5 m/s
13.용수철과 진자

답: x = 5.165 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 = √(240/2.2) = 10.44 rad/s
ω·t = 10.44·0.7 = 7.311 rad

변위

x = A·cos(ω·t) = 10·cos(7.311) = 5.165 cm

답

x = 5.165 cm
14.용수철과 진자

답: amax = 22.5 m/s²

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 = √(90/0.6) = 12.25 rad/s

최대 가속도

amax = A·ω² = 0.15·12.25² = 22.5 m/s²

답

amax = 22.5 m/s²
15.파동, 소리, 광학

답: θc = 38 °

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.

90°에서의 굴절

sin θc = n₂/n₁ = 1.49/2.42 = 0.6157

임계각

θc = arcsin(0.6157) = 38°

답

θc = 38°
16.파동, 소리, 광학

답: f″ = 33566 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.

자동차에서의 진동수

f′ = 40000·(343 − 30)/343 = 36501 Hz

반향의 진동수

f″ = f′·343/(343 + 30) = 33566 Hz

답

f″ = 33566 Hz

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