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)0.8 s12.5

45 km/h로 달리던 운전자가 장애물을 본다. 반응 시간은 0.8 s이고, 그 후 자동차는 일정한 감속도 5.5 m/s²로 제동한다. 장애물을 본 순간부터의 총 정지 거리 d을(를) 구하시오.

v₀ = 45 km/htr = 0.8 sa = −5.5 m/s²
d = m
2.운동학어려움
a = 32 m/s²

모형 로켓을 정지 상태에서 똑바로 위로 발사한다. 엔진은 3 s 동안 위쪽으로 일정한 가속도 32 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 = 32 m/s²t1 = 3 sg = 9.81 m/s²
hmax = m
3.뉴턴 법칙보통
40 kg30°F = 180 Nμ = 0.3

40 kg 썰매를 수평 위 30° 방향의 로프로 180 N의 힘으로 평평한 눈 위에서 끈다. 운동 마찰 계수는 0.3이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 썰매의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 40 kgF = 180 Nθ = 30°μ = 0.3g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 8 kg5.5 kg마찰 없음

수평 탁자 위에 있는 질량 8 kg인 블록이 가벼운 줄로 마찰 없는 도르래를 거쳐 매달린 5.5 kg 물체와 연결되어 있다. 탁자에는 마찰이 없다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m1 = 8 kgm2 = 5.5 kgμ = 0g = 9.81 m/s²
T = N
5.포물선 운동보통
v0​ = 28 m/s30°x = ?

공을 평지에서 수평에서 30° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿기 전까지 이동한 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v0 = 28 m/sθ = 30°g = 9.81 m/s²
x = m
6.포물선 운동어려움
h = 20 mv0​ = 20 m/s25°v = ?

20 m 절벽 꼭대기에서 공을 20 m/s, 수평 위 25°로 발사한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 지면에 닿는 속력 v을(를) 구하시오.

v₀ = 20 m/sθ = 25°h = 20 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
7.원운동보통
r = 115 mvmax​ = ?

자동차가 반지름 115 m인 평평한 커브를 돈다. 타이어와 도로 사이의 정지 마찰 계수는 0.3이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 미끄러지지 않고 커브를 돌 수 있는 최대 속력 vmax을(를) 구하시오.

r = 115 mμs = 0.3g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.원운동어려움
R = 1.5 mh = ?

작은 수레가 마찰 없는 트랙에서 정지 상태로 놓여 반지름 1.5 m의 연직 루프로 들어간다. 루프 꼭대기에서 트랙을 벗어나지 않으려면 루프 바닥보다 최소 몇 m 높이 hmin에서 출발해야 하는가?

R = 1.5 mv₀ = 0
hmin = m
9.일과 에너지보통
35°d = 15 mμ = 0.3

질량 0.5 kg인 블록이 수평과 35°를 이루는 경사면을 15 m 미끄러져 내려가며, 운동 마찰 계수는 0.3이다. 마찰에 대해 한 일 Wf을(를) 구하시오.

m = 0.5 kgθ = 35°μ = 0.3d = 15 mg = 9.81 m/s²
Wf = J
10.일과 에너지어려움
F = 20 N35°μ = 0.12 kg

2 kg 블록이 35° 경사면의 아래에서 정지 상태로 출발해, 경사면에 평행한 일정한 힘 20 N에 의해 위로 끌려 올라간다. 운동 마찰 계수는 0.1이다. 블록이 경사면을 따라 5 m 올라간 뒤의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 2 kgF = 20 Nθ = 35°μ = 0.1d = 5 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.운동량과 충돌보통
900 kg22 m/s1800 kg

22 m/s로 움직이는 900 kg 자동차가 정지해 있는 1800 kg 자동차와 충돌해 두 차가 한 덩어리가 된다. 충돌에서 잃은 운동 에너지 ΔK은(는) 얼마인가?

m1 = 900 kgv1 = 22 m/sm2 = 1800 kgv2 = 0
ΔK = J
12.운동량과 충돌어려움
1.5 kgv = ?12 g20°L = 1.1 m

12 g 총알을 길이 1.1 m의 가벼운 줄에 매달린 1.5 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 = 12 gM = 1.5 kgL = 1.1 mθ = 20°g = 9.81 m/s²
v = m/s
13.용수철과 진자보통
L = 2.2 m

단진자의 길이는 2.2 m이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 작게 흔들릴 때의 주기 T을(를) 구하시오.

L = 2.2 mg = 9.81 m/s²
T = s
14.용수철과 진자어려움
t (s)x (cm)t = ?7.2

한 물체가 주기 2.4 s, 진폭 8 cm로 단조화 운동을 한다. 평형점에서 변위 7.2 cm까지 움직이는 데 필요한 최단 시간 t은(는) 얼마인가?

T = 2.4 sA = 8 cmx = 7.2 cm
t = s
15.파동, 소리, 광학보통
30°90°n1​ = ?물, n2​ = 1.33

투명한 블록 속의 빛은 물(n = 1.33)과의 경계에서 입사각이 30°보다 클 때 모두 전반사된다. 블록의 굴절률 n1을(를) 구하시오.

θc = 30°n2 = 1.33
n1 =
16.파동, 소리, 광학어려움
SO15 m/sf = 20 kHz

정지한 센서가 15 m/s로 멀어지는 자동차를 향해 20 kHz의 초음파를 보내고, 반향을 송신 신호와 섞는다. 맥놀이 진동수 fb을(를) 구하시오(소리의 속력 343 m/s).

f = 20 kHzu = 15 m/sv = 343 m/s
fb = Hz

3용액

1.운동학

답: d = 24.2 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.

단위

v₀ = 45/3.6 = 12.5 m/s

반응 거리

d1 = v₀·tr = 12.5·0.8 = 10 m

제동 거리

d2 = v₀²/(2a) = 12.5²/(2·5.5) = 14.2 m

합계

d = 10 + 14.2 = 24.2 m

답

d = 24.2 m
2.운동학

답: hmax = 613.7 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 = 32·3 = 96 m/s
h₁ = ½·32·3² = 144 m

위로의 자유 비행

최고점에서 속도는 0입니다.

Δh = v₁²/(2g) = 96²/(2·9.81) = 469.7 m
hmax = 144 + 469.7 = 613.7 m

답

hmax = 613.7 m
3.뉴턴 법칙

답: a = 1.629 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 = 392.4 − 180·sin 30° = 302.4 N

수평 방향의 힘

m·a = F·cos θ − μ·N = 155.9 − 90.72
a = 65.16/40 = 1.629 m/s²

답

a = 1.629 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: T = 31.97 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) = (53.96 − 0)/13.5 = 3.997 m/s²

탁자 위 블록에서 구한 장력

T − μ·m1·g = m1·a
T = 8·3.997 + 0 = 31.97 N

답

T = 31.97 N
5.포물선 운동

답: x = 69.21 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 = 28·cos 30° = 24.25 m/s
vy = v0·sin θ = 28·sin 30° = 14 m/s

체공 시간

출발점과 착지점이 같은 높이: t = 2vy/g.

t = 2·14/9.81 = 2.854 s

수평 거리

x = vx·t = 24.25·2.854 = 69.21 m

답

x = 69.21 m
6.포물선 운동

답: v = 28.15 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 25° = 18.13 m/s
vy0 = 20·sin 25° = 8.452 m/s

충돌 시 수직 속력

에너지 또는 수직 방향의 v² = v₀² + 2as.

vy = √(8.452² + 2·9.81·20) = 21.54 m/s

충돌 속력

v = √(18.13² + 21.54²) = 28.15 m/s

답

v = 28.15 m/s

에너지로 검산: v² = v₀² + 2gh.

7.원운동

답: vmax = 18.4 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) = √(0.3·9.81·115) = 18.4 m/s

답

vmax = 18.4 m/s (66.23 km/h)
8.원운동

답: hmin = 3.75 m

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 조건

m·g = m·v²/R → v² = g·R

에너지 보존

g·h = g·2R + ½·g·R → h = 2.5·R = 2.5·1.5 = 3.75 m

답

hmin = 3.75 m
9.일과 에너지

답: Wf = 18.08 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 = 4.905·0.8192 = 4.018 N
F = μN = 0.3·4.018 = 1.205 N

마찰에 대한 일

Wf = F·d = 1.205·15 = 18.08 J

답

Wf = 18.08 J
10.일과 에너지

답: v = 5.975 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 = 2·9.81 = 19.62 N
mg·sin θ = 11.25 N
μ·mg·cos θ = 1.607 N

일–에너지

½mv² = (20 − 12.86)·5 = 35.7 J
v = √(2·35.7/2) = 5.975 m/s

답

v = 5.975 m/s
11.운동량과 충돌

답: ΔK = 145200 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) = 900·22/2700 = 7.333 m/s

충돌 전후의 운동 에너지

Kbefore = ½·900·22² = 217800 J
Kafter = ½·2700·7.333² = 72600 J

잃은 에너지

ΔK = 217800 − 72600 = 145200 J

답

ΔK = 145200 J

잃은 에너지는 변형, 열, 소리로 갑니다.

12.운동량과 충돌

답: v = 143.7 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) = 1.1·(1 − cos 20°) = 0.06634 m

충돌 후의 속력

V = √(2·9.81·0.06634) = 1.141 m/s

충돌

v = (m + M)·V/m = 1.512·1.141/0.012 = 143.7 m/s

답

v = 143.7 m/s
13.용수철과 진자

답: T = 2.975 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.

단진자의 주기

T = 2π·√(2.2/9.81) = 2.975 s

답

T = 2.975 s
14.용수철과 진자

답: t = 0.4277 s

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 = 2π/T = 2π/2.4 = 2.618 rad/s

시간에 대해 풀기

0.9 = sin(ω·t) → ω·t = arcsin(0.9) = 1.12 rad
t = 1.12/2.618 = 0.4277 s

답

t = 0.4277 s
15.파동, 소리, 광학

답: n1 = 2.66

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.

블록의 굴절률

n₁ = n₂/sin θc = 1.33/0.5 = 2.66

답

n1 = 2.66
16.파동, 소리, 광학

답: fb = 1676 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′ = 20000·(343 − 15)/343 = 19125 Hz

반향의 진동수

f″ = f′·343/(343 + 15) = 18324 Hz

맥놀이 진동수

fb = |f″ − f| = 1676 Hz

답

fb = 1676 Hz

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