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)6.667 s20

72 km/h로 달리던 자동차가 3 m/s²의 일정한 감속도로 제동하여 멈춘다. 제동 거리 s을(를) 구하시오.

v₀ = 72 km/ha = −3 m/s²v = 0
s = m
2.운동학어려움
a = 40 m/s²

모형 로켓을 정지 상태에서 똑바로 위로 발사한다. 엔진은 2 s 동안 위쪽으로 일정한 가속도 40 m/s²를 주고, 그 후 엔진이 멈추면 로켓은 자유 운동을 한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 로켓이 도달하는 최고 높이 hmax을(를) 구하시오.

a = 40 m/s²t1 = 2 sg = 9.81 m/s²
hmax = m
3.뉴턴 법칙보통
θ = 25°a = ?m = 2 kg

질량 2 kg인 블록이 수평과 25°를 이루는 경사면을 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.3이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 경사면을 따르는 블록의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 2 kgθ = 25°μ = 0.3g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 2 kg1.5 kgμ = 0.25

수평 탁자 위에 있는 질량 2 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. 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m1 = 2 kgm2 = 1.5 kgμ = 0.25g = 9.81 m/s²
T = N
5.포물선 운동보통
v0​ = 14 m/sθ = ?R = 15 m

평지에서 공을 14 m/s로 발사해 15 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 = 14 m/sR = 15 mg = 9.81 m/s²
θ = °
6.포물선 운동어려움
h = 25 mv0​ = 19 m/s55°H = ?

25 m 절벽 꼭대기에서 공을 19 m/s, 수평 위 55°로 발사한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 절벽 밑 지면으로부터의 최고 높이 H을(를) 구하시오.

v₀ = 19 m/sθ = 55°h = 25 mg = 9.81 m/s²
H = m
7.원운동보통
r = 120 mvmax​ = ?

자동차가 반지름 120 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 = 120 mμs = 0.6g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.원운동어려움
R = 4.5 mh = 19.8 m

3.5 kg 수레가 마찰 없는 트랙 위 높이 19.8 m에서 정지 상태로 놓여 반지름 4.5 m의 연직 루프를 지난다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 루프 바닥에서 트랙이 수레에 작용하는 수직항력 Nbottom을(를) 구하시오.

m = 3.5 kgh = 19.8 mR = 4.5 mg = 9.81 m/s²
Nbottom = N
9.일과 에너지보통
40°d = 19 mμ = 0.15

질량 2 kg인 블록이 수평과 40°를 이루는 경사면을 19 m 미끄러져 내려가며, 운동 마찰 계수는 0.15이다. 마찰에 대해 한 일 Wf을(를) 구하시오.

m = 2 kgθ = 40°μ = 0.15d = 19 mg = 9.81 m/s²
Wf = J
10.일과 에너지어려움
F = 75 N30°μ = 0.38 kg

8 kg 블록이 30° 경사면의 아래에서 정지 상태로 출발해, 경사면에 평행한 일정한 힘 75 N에 의해 위로 끌려 올라간다. 운동 마찰 계수는 0.3이다. 블록이 경사면을 따라 7 m 올라간 뒤의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 8 kgF = 75 Nθ = 30°μ = 0.3d = 7 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.운동량과 충돌보통
1200 kg15 m/s900 kg

15 m/s로 움직이는 1200 kg 자동차가 정지해 있는 900 kg 자동차와 충돌해 두 차가 한 덩어리가 된다. 충돌에서 잃은 운동 에너지 ΔK은(는) 얼마인가?

m1 = 1200 kgv1 = 15 m/sm2 = 900 kgv2 = 0
ΔK = J
12.운동량과 충돌어려움
2.5 kgv = ?10 g10°L = 1.9 m

10 g 총알을 길이 1.9 m의 가벼운 줄에 매달린 2.5 kg 블록에 수평으로 쏘아 박히게 한다. 줄은 연직에서 최대 10°까지 흔들려 나간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 전 총알의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 10 gM = 2.5 kgL = 1.9 mθ = 10°g = 9.81 m/s²
v = m/s
13.용수철과 진자보통
L = 1.2 mT = 5.41 s

다른 행성의 우주 비행사가 길이 1.2 m인 단진자의 작은 진동 주기가 5.41 s임을 알아낸다. 그 행성의 중력 가속도 g을(를) 구하시오.

L = 1.2 mT = 5.41 s
g = m/s²
14.용수철과 진자어려움
3.8 kgk = 200 N/mA = 10 cm

k = 200 N/m인 용수철에 매단 3.8 kg 물체를 평형 위치에서 10 cm 당겼다가 놓는다. 최대 속력 vmax을(를) 구하시오.

m = 3.8 kgk = 200 N/mA = 10 cm
vmax = m/s
15.파동, 소리, 광학보통
L = 0.65 mn = 3

한쪽 끝이 닫힌 관의 길이는 0.65 m이다. 소리의 속력은 343 m/s이다. 3번째 배진동의 진동수 f3을(를) 구하시오.

v = 343 m/sn = 3L = 0.65 m
f3 = Hz
16.파동, 소리, 광학어려움
λ = 650 nmd = 0.5 mmL = 2 my = ?

파장 650 nm의 빛이 0.5 mm 떨어진 두 슬릿에 입사한다. 스크린은 2 m 떨어져 있다. 중앙 밝은 무늬에서 1번째 밝은 무늬까지의 거리 y1을(를) 구하시오.

λ = 650 nmd = 0.5 mmL = 2 mm = 1
y1 = mm

3용액

1.운동학

답: s = 66.67 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 = 72/3.6 = 20 m/s

제동 거리

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 20²/(2·3) = 66.67 m

답

s = 66.67 m
2.운동학

답: hmax = 406.2 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.

동력 비행 단계

v₁ = 40·2 = 80 m/s
h₁ = ½·40·2² = 80 m

위로의 자유 비행

최고점에서 속도는 0입니다.

Δh = v₁²/(2g) = 80²/(2·9.81) = 326.2 m
hmax = 80 + 326.2 = 406.2 m

답

hmax = 406.2 m
3.뉴턴 법칙

답: a = 1.479 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 25° − 0.3·cos 25°) = 9.81·(0.4226 − 0.2719) = 1.479 m/s²

답

a = 1.479 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: T = 10.51 N

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 − 4.905)/3.5 = 2.803 m/s²

탁자 위 블록에서 구한 장력

T − μ·m1·g = m1·a
T = 2·2.803 + 4.905 = 10.51 N

답

T = 10.51 N
5.포물선 운동

답: θ = 24.33 °

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 = 9.81·15/14² = 0.7508

위상각

2θ = 48.66° → θ = 24.33°

답

θ = 24.33°

다른 해는 90° − θ = 65.67°입니다.

6.포물선 운동

답: H = 37.35 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.

처음 수직 속력

vy = 19·sin 55° = 15.56 m/s

절벽 위로 올라간 높이

Δh = vy²/(2g) = 15.56²/(2·9.81) = 12.35 m

지면으로부터의 높이

H = 25 + 12.35 = 37.35 m

답

H = 37.35 m
7.원운동

답: vmax = 26.58 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) = √(0.6·9.81·120) = 26.58 m/s

답

vmax = 26.58 m/s (95.68 km/h)
8.원운동

답: Nbottom = 336.5 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 = 2·9.81·19.8 = 388.5 m²/s²

힘

중심 방향을 양으로.

N = m·v²/R + m·g = 3.5·388.5/4.5 + 34.34 = 336.5 N

답

Nbottom = 336.5 N
9.일과 에너지

답: Wf = 42.83 J

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).

마찰력

N = mg·cos θ = 19.62·0.766 = 15.03 N
F = μN = 0.15·15.03 = 2.254 N

마찰에 대한 일

Wf = F·d = 2.254·19 = 42.83 J

답

Wf = 42.83 J
10.일과 에너지

답: v = 5.186 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).

경사면 방향의 힘

m·g = 8·9.81 = 78.48 N
mg·sin θ = 39.24 N
μ·mg·cos θ = 20.39 N

일–에너지

½mv² = (75 − 59.63)·7 = 107.6 J
v = √(2·107.6/8) = 5.186 m/s

답

v = 5.186 m/s
11.운동량과 충돌

답: ΔK = 57857 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) = 1200·15/2100 = 8.571 m/s

충돌 전후의 운동 에너지

Kbefore = ½·1200·15² = 135000 J
Kafter = ½·2100·8.571² = 77143 J

잃은 에너지

ΔK = 135000 − 77143 = 57857 J

답

ΔK = 57857 J

잃은 에너지는 변형, 열, 소리로 갑니다.

12.운동량과 충돌

답: v = 188.9 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) = 1.9·(1 − cos 10°) = 0.02887 m

충돌 후의 속력

V = √(2·9.81·0.02887) = 0.7526 m/s

충돌

v = (m + M)·V/m = 2.51·0.7526/0.01 = 188.9 m/s

답

v = 188.9 m/s
13.용수철과 진자

답: g = 1.619 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 = 4π²·1.2/5.41² = 1.619 m/s²

답

g = 1.619 m/s²
14.용수철과 진자

답: vmax = 0.7255 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 = √(200/3.8) = 7.255 rad/s

최대 속력

vmax = A·ω = 0.1·7.255 = 0.7255 m/s

답

vmax = 0.7255 m/s
15.파동, 소리, 광학

답: f3 = 395.8 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 = 4·0.65/3 = 0.8667 m

진동수

f = v/λ = 343/0.8667 = 395.8 Hz

답

f3 = 395.8 Hz
16.파동, 소리, 광학

답: y1 = 2.6 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.

무늬 간격

Δy = λL/d = 650 × 10⁻⁹·2/(0.5 × 10⁻³) = 2.6 mm

1번째 무늬

y1 = 1·2.6 = 2.6 mm

답

y1 = 2.6 mm

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