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)t = ?16.67

60 km/h로 달리던 자동차가 3 m/s²의 일정한 감속도로 제동하여 멈춘다. 제동하는 데 걸리는 시간 t을(를) 구하시오.

v₀ = 60 km/ha = −3 m/s²v = 0
t = s
2.운동학어려움
d = ?

돌을 우물에 가만히 떨어뜨린다. 돌을 놓고 3.2 s 후에 물소리가 들린다. 음속은 343 m/s이고, 공기 저항은 무시하며 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 우물의 깊이 d을(를) 구하시오.

ttotal = 3.2 svsound = 343 m/sg = 9.81 m/s²
d = m
3.뉴턴 법칙보통
θ = 35°a = ?m = 6 kg

질량 6 kg인 블록이 수평과 35°를 이루는 경사면을 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.15이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 경사면을 따르는 블록의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 6 kgθ = 35°μ = 0.15g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
θ = 35°블록v₀ = 11 m/s

블록을 밀어 35° 경사로 위로 11 m/s의 속력으로 미끄러져 올라가게 한다. 운동 마찰 계수는 0.3이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 블록은 멈추기 전까지 경사로를 따라 얼마나 멀리 d 미끄러지는가?

v₀ = 11 m/sθ = 35°μ = 0.3g = 9.81 m/s²
d = m
5.포물선 운동보통
16 my = ?v0​ = 16 m/s60°

평지에서 공을 16 m/s, 수평 위 60°로 16 m 떨어진 벽을 향해 찬다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 공은 벽을 몇 m 높이 y에서 지나는가?

v₀ = 16 m/sθ = 60°x = 16 mg = 9.81 m/s²
y = m
6.포물선 운동어려움
h = 25 mv0​ = 16 m/s55°x = ?

공을 높이 25 m인 절벽 위에서 수평에서 55° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿기 전까지 이동한 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v0 = 16 m/sθ = 55°h = 25 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.원운동보통
θ = 12°중심 방향v = ?

반지름 190 m인 커브가 12° 기울어져 있다. 자동차가 마찰 없이도 이 커브를 돌 수 있는 속력 v은(는) 얼마인가? g = 9.81 m/s²를 사용하시오.

r = 190 mθ = 12°g = 9.81 m/s²
v = m/s
8.원운동어려움
r = 0.5 mv = ?

길이 0.5 m인 줄에 매단 공을 연직면에서 원운동시킨다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 줄이 겨우 팽팽하게 유지되는 최고점에서의 최소 속력 vmin을(를) 구하시오.

r = 0.5 mg = 9.81 m/s²
vmin = m/s
9.일과 에너지보통
25°d = 15 mμ = 0.1

질량 1 kg인 블록이 수평과 25°를 이루는 경사면을 15 m 미끄러져 내려가며, 운동 마찰 계수는 0.1이다. 마찰에 대해 한 일 Wf을(를) 구하시오.

m = 1 kgθ = 25°μ = 0.1d = 15 mg = 9.81 m/s²
Wf = J
10.일과 에너지어려움
h = 4.5 mL = 4.5 mμ = 0.25k = 1000 N/m

질량 4 kg인 블록을 매끄러운 경사로의 높이 4.5 m에서 가만히 놓는다. 아래에서 길이 4.5 m인 거친 수평 구간(μ = 0.25)을 지난 뒤, 매끄러운 면에서 스프링(k = 1000 N/m)에 부딪힌다. 블록이 스프링에 닿을 때의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 4 kgh = 4.5 mL = 4.5 mμ = 0.25k = 1000 N/mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.운동량과 충돌보통
3 kg65 m/s8 kgv′2​ = ?

수평으로 20 m/s로 움직이던 11 kg 발사체가 폭발해 같은 직선을 따라 움직이는 두 파편으로 나뉜다. 3 kg 파편은 65 m/s로 앞으로 계속 움직인다. 8 kg 파편의 속도 v′2(원래 방향을 양으로)을(를) 구하시오.

M = 11 kgu = 20 m/sm1 = 3 kgv′1 = 65 m/sm2 = 8 kg
v′2 = m/s
12.운동량과 충돌어려움
1 kgv = ?5 g10°L = 1.2 m

5 g 총알을 길이 1.2 m의 가벼운 줄에 매달린 1 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 = 5 gM = 1 kgL = 1.2 mθ = 10°g = 9.81 m/s²
v = m/s
13.용수철과 진자보통
L = 0.6 mT = 0.98 s

다른 행성의 우주 비행사가 길이 0.6 m인 단진자의 작은 진동 주기가 0.98 s임을 알아낸다. 그 행성의 중력 가속도 g을(를) 구하시오.

L = 0.6 mT = 0.98 s
g = m/s²
14.용수철과 진자어려움
3.3 kgk = 300 N/mA = 6 cm

k = 300 N/m인 용수철에 매단 3.3 kg 물체를 평형 위치에서 6 cm 당겼다가 놓는다. 최대 가속도 amax을(를) 구하시오.

m = 3.3 kgk = 300 N/mA = 6 cm
amax = m/s²
15.파동, 소리, 광학보통
L = 0.8 mn = 5

한쪽 끝이 닫힌 관의 길이는 0.8 m이다. 소리의 속력은 343 m/s이다. 5번째 배진동의 진동수 f5을(를) 구하시오.

v = 343 m/sn = 5L = 0.8 m
f5 = Hz
16.파동, 소리, 광학어려움
λ = 589 nmθ1​ = ?

파장 589 nm의 빛이 1 mm당 1200개의 선이 있는 격자에 수직으로 입사한다. 1차 극대의 각 θ1을(를) 구하시오.

N = 1200 mm⁻¹λ = 589 nmm = 1
θ1 = °

3용액

1.운동학

답: t = 5.556 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.

단위

v₀ = 60/3.6 = 16.67 m/s

제동 시간

0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 16.67/3 = 5.556 s

답

t = 5.556 s
2.운동학

답: d = 46.1 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·(3.2 − t₁)
4.905·t₁² + 343·t₁ − 1098 = 0

낙하 시간

물리적으로 의미 있는 것은 양의 근뿐입니다.

t₁ = (−343 + √(343² + 4·4.905·1098))/(2·4.905) = 3.066 s

깊이

d = ½·9.81·3.066² = 46.1 m

답

d = 46.1 m
3.뉴턴 법칙

답: a = 4.421 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 35° − 0.15·cos 35°) = 9.81·(0.5736 − 0.1229) = 4.421 m/s²

답

a = 4.421 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: d = 7.527 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 35° + 0.3·cos 35°) = 8.038 m/s²

거리

d = v₀²/(2a) = 11²/(2·8.038) = 7.527 m

답

d = 7.527 m
5.포물선 운동

답: y = 8.093 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.

벽까지의 시간

vx = 16·cos 60° = 8 m/s
t = x/vx = 16/8 = 2 s

그 시각의 높이

y = 13.86·2 − ½·9.81·2² = 8.093 m

답

y = 8.093 m

공은 벽에서 이미 내려가는 중입니다.

6.포물선 운동

답: x = 36.34 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 = 16·cos 55° = 9.177 m/s
vy = v0·sin θ = 16·sin 55° = 13.11 m/s

체공 시간

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

0 = 25 + 13.11·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (13.11 + √(171.8 + 490.5))/9.81 = 3.959 s

수평 거리

x = vx·t = 9.177·3.959 = 36.34 m

답

x = 36.34 m
7.원운동

답: v = 19.9 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.

힘의 평형

N·cos θ = m·g, N·sin θ = m·v²/r → tan θ = v²/(r·g)

속력

v = √(r·g·tan θ) = √(190·9.81·tan 12°) = 19.9 m/s

답

v = 19.9 m/s
(71.66 km/h)
8.원운동

답: vmin = 2.215 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.

최고점에서 장력 0

m·g = m·v²/r → v = √(g·r) = √(9.81·0.5) = 2.215 m/s

답

vmin = 2.215 m/s
9.일과 에너지

답: Wf = 13.34 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 = 9.81·0.9063 = 8.891 N
F = μN = 0.1·8.891 = 0.8891 N

마찰에 대한 일

Wf = F·d = 0.8891·15 = 13.34 J

답

Wf = 13.34 J
10.일과 에너지

답: v = 8.137 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).

거친 구간을 지난 뒤 남은 에너지

경사로는 매끄러우므로 에너지를 빼앗는 것은 거친 구간뿐입니다.

mgh − μmgL = 39.24·(4.5 − 0.25·4.5) = 132.4 J

스프링에서의 속력

½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9.81·3.375) = 8.137 m/s

답

v = 8.137 m/s
11.운동량과 충돌

답: v′2 = 3.125 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 전 운동량

p = M·u = 11·20 = 220 kg·m/s

충돌 후 운동량

220 = 3·65 + 8·v′2
v′2 = (220 − 195)/8 = 3.125 m/s

답

v′2 = 3.125 m/s
12.운동량과 충돌

답: v = 120.2 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 10°) = 0.01823 m

충돌 후의 속력

V = √(2·9.81·0.01823) = 0.5981 m/s

충돌

v = (m + M)·V/m = 1.005·0.5981/0.005 = 120.2 m/s

답

v = 120.2 m/s
13.용수철과 진자

답: g = 24.66 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 = 4π²·0.6/0.98² = 24.66 m/s²

답

g = 24.66 m/s²
14.용수철과 진자

답: amax = 5.455 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 = √(300/3.3) = 9.535 rad/s

최대 가속도

amax = A·ω² = 0.06·9.535² = 5.455 m/s²

답

amax = 5.455 m/s²
15.파동, 소리, 광학

답: f5 = 535.9 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 = 4·0.8/5 = 0.64 m

진동수

f = v/λ = 343/0.64 = 535.9 Hz

답

f5 = 535.9 Hz
16.파동, 소리, 광학

답: θ1 = 44.98 °

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 = 1/1200 mm = 8.333 × 10⁻⁷ m

격자 방정식

sin θ = mλ/d = 1·589 × 10⁻⁹/(8.333 × 10⁻⁷) = 0.7068
θ = 44.98°

답

θ1 = 44.98°

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