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)8.571 s30

108 km/h로 달리던 자동차가 3.5 m/s²의 일정한 감속도로 제동하여 멈춘다. 제동 거리 s을(를) 구하시오.

v₀ = 108 km/ha = −3.5 m/s²v = 0
s = m
2.운동학어려움
t (s)v (m/s)12 s

트램이 정지 상태에서 출발해 12 s 동안 2 m/s²로 가속한 다음, 23 s 동안 등속으로 달리고, 마지막으로 4.5 m/s²로 제동해 멈춘다. 총 이동 시간 t을(를) 구하시오.

a1 = 2 m/s²t1 = 12 st2 = 23 sa3 = −4.5 m/s²
t = s
3.뉴턴 법칙보통
상자v₀ = 12 m/sμ = ?

상자가 처음 속력 12 m/s로 평평한 바닥을 미끄러지다가 37 m 후에 멈춘다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 운동 마찰 계수 μ을(를) 구하시오.

v₀ = 12 m/sd = 37 mg = 9.81 m/s²
μ =
4.뉴턴 법칙어려움
θ = 25°블록v₀ = 12 m/s

블록을 밀어 25° 경사로 위로 12 m/s의 속력으로 미끄러져 올라가게 한다. 운동 마찰 계수는 0.1이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 블록은 멈추기 전까지 경사로를 따라 얼마나 멀리 d 미끄러지는가?

v₀ = 12 m/sθ = 25°μ = 0.1g = 9.81 m/s²
d = m
5.포물선 운동보통
v0​ = 30 m/s20°수평 도달 거리

공을 평지에서 수평에서 20° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿을 때까지의 비행 시간 t을(를) 구하시오.

v0 = 30 m/sθ = 20°g = 9.81 m/s²
t = s
6.포물선 운동어려움
h = 40 mv0​ = 30 m/s50°H = ?

40 m 절벽 꼭대기에서 공을 30 m/s, 수평 위 50°로 발사한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 절벽 밑 지면으로부터의 최고 높이 H을(를) 구하시오.

v₀ = 30 m/sθ = 50°h = 40 mg = 9.81 m/s²
H = m
7.원운동보통
r = 50 mvmax​ = ?

자동차가 반지름 50 m인 평평한 커브를 돈다. 타이어와 도로 사이의 정지 마찰 계수는 0.8이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 미끄러지지 않고 커브를 돌 수 있는 최대 속력 vmax을(를) 구하시오.

r = 50 mμs = 0.8g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.원운동어려움
r = 0.8 m11.5 m/svtop​ = ?

길이 0.8 m의 가벼운 줄에 매단 0.9 kg 공을 연직 원으로 돌린다. 가장 낮은 점에서의 속력은 11.5 m/s이다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 가장 높은 점에서 줄의 장력 Ttop을(를) 구하시오.

m = 0.9 kgr = 0.8 mvbottom = 11.5 m/sg = 9.81 m/s²
Ttop = N
9.일과 에너지보통
20°d = 10 mμ = 0.25

질량 10 kg인 블록이 수평과 20°를 이루는 경사면을 10 m 미끄러져 내려가며, 운동 마찰 계수는 0.25이다. 마찰에 대해 한 일 Wf을(를) 구하시오.

m = 10 kgθ = 20°μ = 0.25d = 10 mg = 9.81 m/s²
Wf = J
10.일과 에너지어려움
8 kg3 kgμ = 0.15d = 1 m

8 kg 블록이 거친 수평 테이블(μ = 0.15) 위에 놓여 있다. 가벼운 줄이 블록에서 테이블 가장자리의 매끄러운 도르래를 지나 매달린 3 kg 블록에 연결되어 있다. 계를 정지 상태에서 놓는다. 매달린 블록이 1 m 내려간 뒤 블록들의 속력 v을(를) 구하시오.

m1 = 8 kgm2 = 3 kgμ = 0.15d = 1 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.운동량과 충돌보통
1000 kg19 m/s800 kg

19 m/s로 움직이는 1000 kg 자동차가 정지해 있는 800 kg 자동차와 충돌해 두 차가 한 덩어리가 된다. 원래 운동 에너지의 몇 퍼센트 ΔK/K을(를) 잃는가?

m1 = 1000 kgv1 = 19 m/sm2 = 800 kgv2 = 0
ΔK/K = %
12.운동량과 충돌어려움
26 m/s4 m/s

질량 0.3 kg인 공이 26 m/s로 벽에 부딪힌 뒤 4 m/s로 똑바로 튀어나온다. 접촉 시간은 25 ms이다. 벽이 공에 가한 충격량의 크기 J을(를) 구하시오.

m = 0.3 kgvin = 26 m/svout = 4 m/sΔt = 25 ms
J = N·s
13.용수철과 진자보통
L = 1.3 mT = 3.71 s

다른 행성의 우주 비행사가 길이 1.3 m인 단진자의 작은 진동 주기가 3.71 s임을 알아낸다. 그 행성의 중력 가속도 g을(를) 구하시오.

L = 1.3 mT = 3.71 s
g = m/s²
14.용수철과 진자어려움
0.5 kgk = 900 N/m200 m/s

200 m/s로 움직이는 15 g 총알이 마찰 없는 면 위에 정지해 있는 0.5 kg 블록에 맞아 박힌다. 블록은 k = 900 N/m인 수평 스프링에 연결되어 있다. 이로 인한 진동의 진폭 A을(를) cm로 구하시오.

m = 15 gv = 200 m/sM = 0.5 kgk = 900 N/m
A = cm
15.파동, 소리, 광학보통
SO20 m/sf = 300 Hz

관측자가 300 Hz의 정지한 음원에게서 멀어지며 20 m/s로 움직인다. 소리의 속력은 343 m/s이다. 관측자가 듣는 진동수 f′을(를) 구하시오.

f = 300 Hzv = 343 m/svo = 20 m/s
f′ = Hz
16.파동, 소리, 광학어려움
λ = 600 nmd = 0.25 mmL = 1.2 my = ?

파장 600 nm의 빛이 0.25 mm 떨어진 두 슬릿에 입사한다. 스크린은 1.2 m 떨어져 있다. 중앙 밝은 무늬에서 3번째 밝은 무늬까지의 거리 y3을(를) 구하시오.

λ = 600 nmd = 0.25 mmL = 1.2 mm = 3
y3 = mm

3용액

1.운동학

답: s = 128.6 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 = 108/3.6 = 30 m/s

제동 거리

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 30²/(2·3.5) = 128.6 m

답

s = 128.6 m
2.운동학

답: t = 40.33 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.

최고 속력

v = a1·t1 = 2·12 = 24 m/s

제동 시간

t3 = v/a3 = 24/4.5 = 5.333 s

총 시간

t = 12 + 23 + 5.333 = 40.33 s

답

t = 40.33 s
3.뉴턴 법칙

답: μ = 0.1984

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) = 12²/(2·37) = 1.946 m/s²

마찰 계수

μ·m·g = m·a → μ = a/g = 1.946/9.81 = 0.1984

답

μ = 0.1984
4.뉴턴 법칙

답: d = 14.3 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 25° + 0.1·cos 25°) = 5.035 m/s²

거리

d = v₀²/(2a) = 12²/(2·5.035) = 14.3 m

답

d = 14.3 m
5.포물선 운동

답: t = 2.092 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 = 30·cos 20° = 28.19 m/s
vy = v0·sin θ = 30·sin 20° = 10.26 m/s

체공 시간

출발점과 착지점이 같은 높이: t = 2vy/g.

t = 2·10.26/9.81 = 2.092 s

답

t = 2.092 s
6.포물선 운동

답: H = 66.92 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 = 30·sin 50° = 22.98 m/s

절벽 위로 올라간 높이

Δh = vy²/(2g) = 22.98²/(2·9.81) = 26.92 m

지면으로부터의 높이

H = 40 + 26.92 = 66.92 m

답

H = 66.92 m
7.원운동

답: vmax = 19.81 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) = √(0.8·9.81·50) = 19.81 m/s

답

vmax = 19.81 m/s (71.31 km/h)
8.원운동

답: Ttop = 104.6 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 = 11.5² − 4·9.81·0.8 = 100.9 m²/s²

꼭대기에서의 힘

장력과 중력은 모두 아래, 중심을 향합니다.

T + m·g = m·vtop²/r
T = 0.9·100.9/0.8 − 0.9·9.81 = 104.6 N

답

Ttop = 104.6 N
9.일과 에너지

답: Wf = 230.5 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 = 98.1·0.9397 = 92.18 N
F = μN = 0.25·92.18 = 23.05 N

마찰에 대한 일

Wf = F·d = 23.05·10 = 230.5 J

답

Wf = 230.5 J
10.일과 에너지

답: v = 1.792 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 = 29.43·1 = 29.43 J
μ·m₁g·d = 0.15·78.48·1 = 11.77 J

두 블록의 운동 에너지

½(m₁ + m₂)v² = 17.66 → v = √(2·17.66/11) = 1.792 m/s

답

v = 1.792 m/s
11.운동량과 충돌

답: ΔK/K = 44.44 %

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) = 1000·19/1800 = 10.56 m/s

충돌 전후의 운동 에너지

Kbefore = ½·1000·19² = 180500 J
Kafter = ½·1800·10.56² = 100278 J

잃은 비율

ΔK/K = 80222/180500 = 44.44 %

답

ΔK/K = 44.44 %

잃은 에너지는 변형, 열, 소리로 갑니다.

12.운동량과 충돌

답: J = 9 N·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.

운동량 변화

J = m·Δv = 0.3·(4 + 26) = 9 N·s

답

J = 9 N·s
13.용수철과 진자

답: g = 3.729 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 = 4π²·1.3/3.71² = 3.729 m/s²

답

g = 3.729 m/s²
14.용수철과 진자

답: A = 13.93 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) = 0.015·200/0.515 = 5.825 m/s

각주파수

ω = √(k/(m + M)) = √(900/0.515) = 41.8 rad/s

진폭

A = V/ω = 5.825/41.8 = 0.1393 m = 13.93 cm

답

A = 13.93 cm
15.파동, 소리, 광학

답: f′ = 282.5 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.

도플러 공식

f′ = f·(v − vo)/(v + vs) = 300·(343 − 20)/(343 + 0)
f′ = 282.5 Hz

답

f′ = 282.5 Hz
16.파동, 소리, 광학

답: y3 = 8.64 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 = 600 × 10⁻⁹·1.2/(0.25 × 10⁻³) = 2.88 mm

3번째 무늬

y3 = 3·2.88 = 8.64 mm

답

y3 = 8.64 mm

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