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)0.7 s25

90 km/h로 달리던 운전자가 장애물을 본다. 반응 시간은 0.7 s이고, 그 후 자동차는 일정한 감속도 5 m/s²로 제동한다. 장애물을 본 순간부터의 총 정지 거리 d을(를) 구하시오.

v₀ = 90 km/htr = 0.7 sa = −5 m/s²
d = m
2.운동학어려움
AB: 19 m/s30 m

공 A를 높이 30 m에서 가만히 떨어뜨린다. 같은 순간 바로 아래 지면에서 공 B를 19 m/s로 똑바로 위로 던진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 두 공은 언제 만나는가? t을(를) 구하시오.

H = 30 mv0B = 19 m/sg = 9.81 m/s²
t = s
3.뉴턴 법칙보통
2 kg0.5 kg

2 kg과 0.5 kg인 질량이 가볍고 마찰 없는 도르래 양쪽에 가벼운 줄로 연결되어 매달려 있다. 계를 정지 상태에서 놓는다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m1 = 2 kgm2 = 0.5 kgg = 9.81 m/s²
T = N
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 2 kg10 kgθ = 20°

20° 경사로 위의 2 kg 블록이 경사로 꼭대기의 마찰 없는 도르래를 지나는 가벼운 줄로 매달린 10 kg 질량과 연결되어 있다. 매달린 질량은 아래로 움직인다. 블록과 경사로 사이의 운동 마찰 계수는 0.15이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m1 = 2 kgm2 = 10 kgθ = 20°μ = 0.15g = 9.81 m/s²
T = N
5.포물선 운동보통
v0​ = 30 m/s35°x = ?

공을 평지에서 수평에서 35° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿기 전까지 이동한 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v0 = 30 m/sθ = 35°g = 9.81 m/s²
x = m
6.포물선 운동어려움
h = 60 mv0​ = 26 m/s15°x = ?

공을 높이 60 m인 절벽 위에서 수평에서 15° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿기 전까지 이동한 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v0 = 26 m/sθ = 15°h = 60 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.원운동보통
θ = ?중심 방향40 km/h

도로 기술자는 자동차가 마찰에 의존하지 않고 반지름 310 m의 커브를 40 km/h로 돌기를 원한다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 경사각 θ을(를) 구하시오.

r = 310 mv = 40 km/hg = 9.81 m/s²
θ = °
8.원운동어려움
r = 0.5 mv = 7.5 m/s

길이 0.5 m인 줄에 매단 질량 0.7 kg인 공을 연직면에서 원운동시킨다. 최저점에서 공의 속력은 7.5 m/s이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 최저점에서 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m = 0.7 kgr = 0.5 mv = 7.5 m/sg = 9.81 m/s²
T = N
9.일과 에너지보통
40°L = 3 m2 kg

2 kg 공이 길이 3 m인 가벼운 줄에 매달려 있다. 줄이 연직과 40°를 이룰 때까지 옆으로 당겼다가 가만히 놓는다. 공이 가장 낮은 점을 지날 때 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m = 2 kgL = 3 mθ = 40°g = 9.81 m/s²
T = N
10.일과 에너지어려움
4 kg1 kgμ = 0.15d = 2 m

4 kg 블록이 거친 수평 테이블(μ = 0.15) 위에 놓여 있다. 가벼운 줄이 블록에서 테이블 가장자리의 매끄러운 도르래를 지나 매달린 1 kg 블록에 연결되어 있다. 계를 정지 상태에서 놓는다. 매달린 블록이 2 m 내려간 뒤 블록들의 속력 v을(를) 구하시오.

m1 = 4 kgm2 = 1 kgμ = 0.15d = 2 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.운동량과 충돌보통
4.5 kgv = ?12 gh = 14 cm

12 g 총알을 가벼운 줄에 매달린 4.5 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 = 12 gM = 4.5 kgh = 14 cmg = 9.81 m/s²
v = m/s
12.운동량과 충돌어려움
2000 kgv1​ = ?1300 kg

2000 kg 자동차가 주차된 1300 kg 자동차를 들이받는다. 잔해는 한 덩어리가 되어 16 m 미끄러진 뒤 멈춘다. 타이어와 도로 사이의 운동 마찰 계수는 0.6이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 직전 첫 번째 자동차의 속력 v1을(를) 구하시오.

m1 = 2000 kgm2 = 1300 kgd = 16 mμ = 0.6g = 9.81 m/s²
v1 = m/s
13.용수철과 진자보통
2.2 kgk = 290 N/mA = 18 cmx = 4 cm

k = 290 N/m인 스프링에 매단 2.2 kg 질량이 마찰 없는 면 위에서 진폭 18 cm로 진동한다. 평형점에서 4 cm 떨어져 있을 때의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 2.2 kgk = 290 N/mA = 18 cmx = 4 cm
v = m/s
14.용수철과 진자어려움
3.7 kgk = 250 N/mA = 8 cm

k = 250 N/m인 용수철에 매단 3.7 kg 물체를 평형 위치에서 8 cm 당겼다가 놓는다. 진동의 전체 에너지 E을(를) 구하시오.

m = 3.7 kgk = 250 N/mA = 8 cm
E = J
15.파동, 소리, 광학보통
θc = ?90°크라운 유리, n1​ = 1.50물, n2​ = 1.33

빛이 크라운 유리(n = 1.50) 속에서 물(n = 1.33)과의 평평한 경계를 향해 진행한다. 그 각을 넘으면 전반사되는 임계각 θc을(를) 구하시오.

n1 = 1.50n2 = 1.33
θc = °
16.파동, 소리, 광학어려움
λ = 532 nmθ3​ = ?

파장 532 nm의 빛이 1 mm당 300개의 선이 있는 격자에 수직으로 입사한다. 3차 극대의 각 θ3을(를) 구하시오.

N = 300 mm⁻¹λ = 532 nmm = 3
θ3 = °

3용액

1.운동학

답: d = 80 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 = 90/3.6 = 25 m/s

반응 거리

d1 = v₀·tr = 25·0.7 = 17.5 m

제동 거리

d2 = v₀²/(2a) = 25²/(2·5) = 62.5 m

합계

d = 17.5 + 62.5 = 80 m

답

d = 80 m
2.운동학

답: t = 1.579 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.

만나는 시간

위쪽을 양으로 하고, 지면은 y = 0입니다.

30 − ½g·t² = 19·t − ½g·t² → t = 30/19 = 1.579 s

답

t = 1.579 s
3.뉴턴 법칙

답: T = 7.848 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.

가속도

알짜 구동력은 무게의 차이이며, 전체 질량을 움직입니다.

a = (2 − 0.5)·9.81/(2 + 0.5) = 5.886 m/s²

가벼운 질량에서 구한 장력

T − m2·g = m2·a → T = 0.5·(9.81 + 5.886) = 7.848 N

답

T = 7.848 N
4.뉴턴 법칙

답: T = 24.25 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.

줄 방향의 힘

m₂·g = 98.1 N
m₁·g·sin θ = 6.71 N
μ·m₁·g·cos θ = 2.766 N

계의 가속도

a = (98.1 − 6.71 − 2.766)/12 = 7.385 m/s²

매달린 질량에서 구한 장력

m2·g − T = m2·a → T = 10·(9.81 − 7.385) = 24.25 N

답

T = 24.25 N
5.포물선 운동

답: x = 86.21 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 = 30·cos 35° = 24.57 m/s
vy = v0·sin θ = 30·sin 35° = 17.21 m/s

체공 시간

출발점과 착지점이 같은 높이: t = 2vy/g.

t = 2·17.21/9.81 = 3.508 s

수평 거리

x = vx·t = 24.57·3.508 = 86.21 m

답

x = 86.21 m
6.포물선 운동

답: x = 106.7 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 = 26·cos 15° = 25.11 m/s
vy = v0·sin θ = 26·sin 15° = 6.729 m/s

체공 시간

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

0 = 60 + 6.729·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (6.729 + √(45.28 + 1177))/9.81 = 4.25 s

수평 거리

x = vx·t = 25.11·4.25 = 106.7 m

답

x = 106.7 m
7.원운동

답: θ = 2.325 °

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.

단위

v = 40/3.6 = 11.11 m/s

경사각

tan θ = v²/(r·g) = 11.11²/(310·9.81) = 0.0406
θ = 2.325°

답

θ = 2.325°
8.원운동

답: T = 85.62 N

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.

최저점에서의 힘

중심 방향(위쪽)이 양입니다.

T − m·g = m·v²/r
T = 0.7·9.81 + 0.7·7.5²/0.5 = 6.867 + 78.75 = 85.62 N

답

T = 85.62 N
9.일과 에너지

답: T = 28.8 N

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). 원 궤도에서는 중심을 향한 알짜힘이 mv²/r과 같아야 합니다.

바닥에서의 속력

v² = 2gL(1 − cos θ) = 2·9.81·3·(1 − cos 40°) = 13.77 m²/s²

바닥에서의 힘

m·g = 2·9.81 = 19.62 N
T = mg + mv²/L = 19.62 + 2·13.77/3 = 28.8 N

답

T = 28.8 N

검산: T = mg(3 − 2cos θ) = 28.8 N.

10.일과 에너지

답: v = 1.772 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 = 9.81·2 = 19.62 J
μ·m₁g·d = 0.15·39.24·2 = 11.77 J

두 블록의 운동 에너지

½(m₁ + m₂)v² = 7.848 → v = √(2·7.848/5) = 1.772 m/s

답

v = 1.772 m/s
11.운동량과 충돌

답: v = 623.2 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.

충돌 후의 흔들림

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

충돌

m·v = (m + M)·V → v = (0.012 + 4.5)·1.657/0.012 = 623.2 m/s

답

v = 623.2 m/s
12.운동량과 충돌

답: v1 = 22.64 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 속력

V = √(2·μ·g·d) = √(2·0.6·9.81·16) = 13.72 m/s

충돌에서의 운동량

m1·v1 = (m1 + m2)·V → v1 = 3300·13.72/2000 = 22.64 m/s

답

v1 = 22.64 m/s
(81.52 km/h)
13.용수철과 진자

답: v = 2.015 m/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 = √(290/2.2) = 11.48 rad/s

x에서의 속력

v = ω·√(A² − x²) = 11.48·√(0.18² − 0.04²) = 2.015 m/s

답

v = 2.015 m/s
14.용수철과 진자

답: E = 0.8 J

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 = √(250/3.7) = 8.22 rad/s

에너지

E = ½·k·A² = ½·250·0.08² = 0.8 J

답

E = 0.8 J
15.파동, 소리, 광학

답: θc = 62.46 °

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.

90°에서의 굴절

sin θc = n₂/n₁ = 1.33/1.50 = 0.8867

임계각

θc = arcsin(0.8867) = 62.46°

답

θc = 62.46°
16.파동, 소리, 광학

답: θ3 = 28.61 °

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 = 1/300 mm = 3.333 × 10⁻⁶ m

격자 방정식

sin θ = mλ/d = 3·532 × 10⁻⁹/(3.333 × 10⁻⁶) = 0.4788
θ = 28.61°

답

θ3 = 28.61°

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