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)5 s20

72 km/h로 달리던 자동차가 4 m/s²의 일정한 감속도로 제동하여 멈춘다. 제동 거리 s을(를) 구하시오.

v₀ = 72 km/ha = −4 m/s²v = 0
s = m
2.운동학어려움
d = ?

돌을 우물에 가만히 떨어뜨린다. 돌을 놓고 3.1 s 후에 물소리가 들린다. 음속은 343 m/s이고, 공기 저항은 무시하며 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 우물의 깊이 d을(를) 구하시오.

ttotal = 3.1 svsound = 343 m/sg = 9.81 m/s²
d = m
3.뉴턴 법칙보통
θ = 25°15 kgF = ?

15 kg 상자를 수평과 25°를 이루는 경사로 위로 경사로에 평행한 힘으로 일정한 속력으로 민다. 운동 마찰 계수는 0.2이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 미는 힘 F을(를) 구하시오.

m = 15 kgθ = 25°μ = 0.2g = 9.81 m/s²
F = N
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 1 kg4 kgμ = 0.3

수평 탁자 위에 있는 질량 1 kg인 블록이 가벼운 줄로 마찰 없는 도르래를 거쳐 매달린 4 kg 물체와 연결되어 있다. 블록과 탁자 사이의 운동 마찰 계수는 0.3이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 계의 가속도 a을(를) 구하시오.

m1 = 1 kgm2 = 4 kgμ = 0.3g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.포물선 운동보통
v0​ = 14 m/s70°x = ?

공을 평지에서 수평에서 70° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿기 전까지 이동한 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v0 = 14 m/sθ = 70°g = 9.81 m/s²
x = m
6.포물선 운동어려움
h = 45 mv0​ = 24 m/s40°H = ?

45 m 절벽 꼭대기에서 공을 24 m/s, 수평 위 40°로 발사한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 절벽 밑 지면으로부터의 최고 높이 H을(를) 구하시오.

v₀ = 24 m/sθ = 40°h = 45 mg = 9.81 m/s²
H = m
7.원운동보통
r = 120 mvmax​ = ?

자동차가 반지름 120 m의 원호인 도로의 둔덕 꼭대기를 지난다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 속력 vmax이(가) 얼마를 넘으면 꼭대기에서 바퀴가 도로에서 떨어지는가?

r = 120 mg = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.원운동어려움
R = 8 mh = 39.2 m

0.5 kg 수레가 마찰 없는 트랙 위 높이 39.2 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 = 0.5 kgh = 39.2 mR = 8 mg = 9.81 m/s²
Nbottom = N
9.일과 에너지보통
20°d = 10 mμ = 0.1

블록이 수평과 20°를 이루는 경사면을 정지 상태에서 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.1이다. 경사면을 따라 10 m 미끄러진 뒤의 속력 v을(를) 구하시오.

θ = 20°μ = 0.1d = 10 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
10.일과 에너지어려움
3 kg5 kgμ = 0.25d = 2.5 m

3 kg 블록이 거친 수평 테이블(μ = 0.25) 위에 놓여 있다. 가벼운 줄이 블록에서 테이블 가장자리의 매끄러운 도르래를 지나 매달린 5 kg 블록에 연결되어 있다. 계를 정지 상태에서 놓는다. 매달린 블록이 2.5 m 내려간 뒤 블록들의 속력 v을(를) 구하시오.

m1 = 3 kgm2 = 5 kgμ = 0.25d = 2.5 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.운동량과 충돌보통
3.5 kgv = ?15 gh = 14 cm

15 g 총알을 가벼운 줄에 매달린 3.5 kg 나무 블록에 수평으로 쏘아 박히게 한다. 블록은 처음보다 14 cm 높아질 때까지 흔들려 올라간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 전 총알의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 15 gM = 3.5 kgh = 14 cmg = 9.81 m/s²
v = m/s
12.운동량과 충돌어려움
2.5 kgv = ?15 g40°L = 1.8 m

15 g 총알을 길이 1.8 m의 가벼운 줄에 매달린 2.5 kg 블록에 수평으로 쏘아 박히게 한다. 줄은 연직에서 최대 40°까지 흔들려 나간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 전 총알의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 15 gM = 2.5 kgL = 1.8 mθ = 40°g = 9.81 m/s²
v = m/s
13.용수철과 진자보통
L = ?

주기가 0.8 s인 단진자의 길이는 얼마여야 하는가? g = 9.81 m/s²를 쓴다. L을(를) 구하시오.

T = 0.8 sg = 9.81 m/s²
L = m
14.용수철과 진자어려움
2 kgk = 1000 N/m250 m/s

250 m/s로 움직이는 8 g 총알이 마찰 없는 면 위에 정지해 있는 2 kg 블록에 맞아 박힌다. 블록은 k = 1000 N/m인 수평 스프링에 연결되어 있다. 이로 인한 진동의 진폭 A을(를) cm로 구하시오.

m = 8 gv = 250 m/sM = 2 kgk = 1000 N/m
A = cm
15.파동, 소리, 광학보통
L = ?n = 7

한쪽 끝이 닫힌 관의 7번째 배진동이(가) 1501 Hz가 되어야 한다. 소리의 속력은 343 m/s이다. 관의 길이 L을(를) 구하시오.

v = 343 m/sn = 7f7 = 1501 Hz
L = m
16.파동, 소리, 광학어려움
λ = 589 nmθ

회절 격자에 1 mm당 100개의 선이 있다. 파장 589 nm의 빛이 수직으로 입사한다. 볼 수 있는 밝은 극대의 가장 높은 차수 mmax은(는) 얼마인가?

N = 100 mm⁻¹λ = 589 nm
mmax =

3용액

1.운동학

답: s = 50 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/(2·4) = 50 m

답

s = 50 m
2.운동학

답: d = 43.37 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.

시간의 두 부분

½·9.81·t₁² = 343·(3.1 − t₁)
4.905·t₁² + 343·t₁ − 1063 = 0

낙하 시간

물리적으로 의미 있는 것은 양의 근뿐입니다.

t₁ = (−343 + √(343² + 4·4.905·1063))/(2·4.905) = 2.974 s

깊이

d = ½·9.81·2.974² = 43.37 m

답

d = 43.37 m
3.뉴턴 법칙

답: F = 88.86 N

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.

경사면 방향의 힘

일정한 속력: 힘이 평형을 이룹니다.

F = m·g·sin θ + μ·m·g·cos θ

미는 힘

F = 62.19 + 26.67 = 88.86 N

답

F = 88.86 N
4.뉴턴 법칙

답: a = 7.259 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) = (39.24 − 2.943)/5 = 7.259 m/s²

답

a = 7.259 m/s²
5.포물선 운동

답: x = 12.84 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 = 14·cos 70° = 4.788 m/s
vy = v0·sin θ = 14·sin 70° = 13.16 m/s

체공 시간

출발점과 착지점이 같은 높이: t = 2vy/g.

t = 2·13.16/9.81 = 2.682 s

수평 거리

x = vx·t = 4.788·2.682 = 12.84 m

답

x = 12.84 m
6.포물선 운동

답: H = 57.13 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 = 24·sin 40° = 15.43 m/s

절벽 위로 올라간 높이

Δh = vy²/(2g) = 15.43²/(2·9.81) = 12.13 m

지면으로부터의 높이

H = 45 + 12.13 = 57.13 m

답

H = 57.13 m
7.원운동

답: vmax = 34.31 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.

수직항력 0

m·g = m·v²/r → v = √(g·r) = √(9.81·120) = 34.31 m/s

답

vmax = 34.31 m/s
(123.5 km/h)
8.원운동

답: Nbottom = 52.97 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 = 2·9.81·39.2 = 769.1 m²/s²

힘

중심 방향을 양으로.

N = m·v²/R + m·g = 0.5·769.1/8 + 4.905 = 52.97 N

답

Nbottom = 52.97 N
9.일과 에너지

답: v = 6.976 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 = √(2·9.81·10·(0.342 − 0.1·0.9397)) = 6.976 m/s

답

v = 6.976 m/s
10.일과 에너지

답: v = 5.105 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 = 49.05·2.5 = 122.6 J
μ·m₁g·d = 0.25·29.43·2.5 = 18.39 J

두 블록의 운동 에너지

½(m₁ + m₂)v² = 104.2 → v = √(2·104.2/8) = 5.105 m/s

답

v = 5.105 m/s
11.운동량과 충돌

답: v = 388.4 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 후의 흔들림

V = √(2·g·h) = √(2·9.81·0.14) = 1.657 m/s

충돌

m·v = (m + M)·V → v = (0.015 + 3.5)·1.657/0.015 = 388.4 m/s

답

v = 388.4 m/s
12.운동량과 충돌

답: v = 481.9 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) = 1.8·(1 − cos 40°) = 0.4211 m

충돌 후의 속력

V = √(2·9.81·0.4211) = 2.874 m/s

충돌

v = (m + M)·V/m = 2.515·2.874/0.015 = 481.9 m/s

답

v = 481.9 m/s
13.용수철과 진자

답: L = 0.159 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·(0.8/2π)² = 0.159 m

답

L = 0.159 m
14.용수철과 진자

답: A = 4.463 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.

충돌 후의 속력

V = m·v/(m + M) = 0.008·250/2.008 = 0.996 m/s

각주파수

ω = √(k/(m + M)) = √(1000/2.008) = 22.32 rad/s

진폭

A = V/ω = 0.996/22.32 = 0.04463 m = 4.463 cm

답

A = 4.463 cm
15.파동, 소리, 광학

답: L = 0.3999 m

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.

파장

λ = v/f = 343/1501 = 0.2285 m

길이

L = nλ/4 = 7·0.2285/4 = 0.3999 m

답

L = 0.3999 m
16.파동, 소리, 광학

답: mmax = 16

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.

선 간격

d = 1/100 mm = 10 µm

가장 높은 차수

m ≤ d/λ = 10 µm/0.589 µm = 16.98 → mmax = 16

답

mmax = 16

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