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 = ?15

54 km/h로 달리던 자동차가 4.5 m/s²의 일정한 감속도로 제동하여 멈춘다. 제동하는 데 걸리는 시간 t을(를) 구하시오.

v₀ = 54 km/ha = −4.5 m/s²v = 0
t = s
2.운동학어려움
t (s)v (m/s)5 s

트램이 정지 상태에서 출발해 5 s 동안 1 m/s²로 가속한 다음, 20 s 동안 등속으로 달리고, 마지막으로 2.5 m/s²로 제동해 멈춘다. 두 정류장 사이의 총거리 s을(를) 구하시오.

a1 = 1 m/s²t1 = 5 st2 = 20 sa3 = −2.5 m/s²
s = m
3.뉴턴 법칙보통
θ = 40°a = ?m = 18 kg

질량 18 kg인 블록이 수평과 40°를 이루는 경사면을 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.3이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 경사면을 따르는 블록의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 18 kgθ = 40°μ = 0.3g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
3 kg6 kgTF = 75 Nμ = 0.3

평평한 바닥 위의 두 블록이 가벼운 수평 줄로 연결되어 있다. 수평력 75 N이 앞쪽의 6 kg 블록을 끌고, 3 kg 블록은 뒤에서 끌려온다. 두 블록 모두 운동 마찰 계수는 0.3이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 블록들의 가속도 a을(를) 구하시오.

m1 = 3 kgm2 = 6 kgF = 75 Nμ = 0.3g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.포물선 운동보통
v0​ = ?35°R = 65 m

평지에서 공을 수평 위 35°로 발사하자 65 m 떨어진 곳에 떨어진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 발사 속력 v0을(를) 구하시오.

θ = 35°R = 65 mg = 9.81 m/s²
v0 = m/s
6.포물선 운동어려움
h = 30 mv0​ = 34 m/s45°수평 도달 거리

공을 높이 30 m인 절벽 위에서 수평에서 45° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿을 때까지의 비행 시간 t을(를) 구하시오.

v0 = 34 m/sθ = 45°h = 30 mg = 9.81 m/s²
t = 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 = 1.3 mv = 4.5 m/s

길이 1.3 m인 줄에 매단 질량 2 kg인 공을 연직면에서 원운동시킨다. 최저점에서 공의 속력은 4.5 m/s이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 최저점에서 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m = 2 kgr = 1.3 mv = 4.5 m/sg = 9.81 m/s²
T = N
9.일과 에너지보통
0.1 kgk = 800 N/mh = ?

장난감 발사기에 강성 800 N/m인 수직 스프링이 있다. 0.1 kg 공을 올려놓고 스프링을 4 cm 압축한 다음 놓는다. 공기 저항과 스프링의 질량을 무시하고, 스프링이 압축되었을 때의 위치에서 잰 공의 상승 높이 h을(를) 구하시오.

m = 0.1 kgk = 800 N/mx = 4 cmg = 9.81 m/s²
h = m
10.일과 에너지어려움
h = 8.8 mR = 2.5 mv = ?

5 kg 수레가 반지름 2.5 m인 연직 원형 루프로 이어지는 매끄러운 트랙 위 높이 8.8 m에서 가만히 놓인다. 루프 꼭대기에서 수레의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 5 kgh = 8.8 mR = 2.5 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.운동량과 충돌보통
1800 kg21 m/s1100 kg

21 m/s로 움직이는 1800 kg 자동차가 정지해 있는 1100 kg 자동차와 충돌해 두 차가 한 덩어리가 된다. 원래 운동 에너지의 몇 퍼센트 ΔK/K을(를) 잃는가?

m1 = 1800 kgv1 = 21 m/sm2 = 1100 kgv2 = 0
ΔK/K = %
12.운동량과 충돌어려움
2 kgv = ?12 g35°L = 1.1 m

12 g 총알을 길이 1.1 m의 가벼운 줄에 매달린 2 kg 블록에 수평으로 쏘아 박히게 한다. 줄은 연직에서 최대 35°까지 흔들려 나간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 전 총알의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 12 gM = 2 kgL = 1.1 mθ = 35°g = 9.81 m/s²
v = m/s
13.용수철과 진자보통
t (s)x (cm)1 s

k = 60 N/m인 스프링에 매단 3 kg 질량을 양의 방향으로 4 cm 당겼다가 t = 0에 정지 상태에서 놓는다. t = 1 s에서 평형점으로부터의 변위 x(부호 포함)을(를) 구하시오.

m = 3 kgk = 60 N/mA = 4 cmt = 1 s
x = cm
14.용수철과 진자어려움
t (s)x (cm)t = ?16

한 물체가 주기 2.8 s, 진폭 20 cm로 단조화 운동을 한다. 최대 변위 20 cm에서 변위 16 cm까지 움직이는 데 필요한 최단 시간 t은(는) 얼마인가?

T = 2.8 sA = 20 cmx = 16 cm
t = s
15.파동, 소리, 광학보통
θc = ?90°다이아몬드, n1​ = 2.42글리세롤, n2​ = 1.47

빛이 다이아몬드(n = 2.42) 속에서 글리세롤(n = 1.47)과의 평평한 경계를 향해 진행한다. 그 각을 넘으면 전반사되는 임계각 θc을(를) 구하시오.

n1 = 2.42n2 = 1.47
θc = °
16.파동, 소리, 광학어려움
f1​ = 8 cmf2​ = 10 cm30 cm15 cm

얇은 렌즈 두 개가 같은 축 위에 15 cm 떨어져 있다. 렌즈 1은 f₁ = 8 cm, 렌즈 2는 f₂ = 10 cm이다. 물체가 렌즈 1 앞 30 cm에 서 있다. 렌즈 2에서 잰 최종 상의 위치 di2을(를) 구하시오(렌즈 2 뒤쪽이 양수이며, 실상이 양수인 규약).

f1 = 8 cmf2 = 10 cms = 15 cmdo = 30 cm
di2 = cm

3용액

1.운동학

답: t = 3.333 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 = 54/3.6 = 15 m/s

제동 시간

0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 15/4.5 = 3.333 s

답

t = 3.333 s
2.운동학

답: s = 117.5 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.

최고 속력

v = a1·t1 = 1·5 = 5 m/s

각 단계의 거리

s1 = ½·1·5² = 12.5 m
s2 = 5·20 = 100 m
s3 = 5²/(2·2.5) = 5 m

총거리

s = 12.5 + 100 + 5 = 117.5 m

답

s = 117.5 m
3.뉴턴 법칙

답: a = 4.051 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 40° − 0.3·cos 40°) = 9.81·(0.6428 − 0.2298) = 4.051 m/s²

답

a = 4.051 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: a = 5.39 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.

전체 계

a = (F − μ·(m1 + m2)·g)/(m1 + m2) = (75 − 26.49)/9 = 5.39 m/s²

답

a = 5.39 m/s²
5.포물선 운동

답: v0 = 26.05 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.

수평 도달 거리 공식을 v₀에 대해 풀기

v₀ = √(g·R/sin 2θ) = √(9.81·65/sin 70°) = 26.05 m/s

답

v0 = 26.05 m/s
6.포물선 운동

답: t = 5.932 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 = 34·cos 45° = 24.04 m/s
vy = v0·sin θ = 34·sin 45° = 24.04 m/s

체공 시간

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

0 = 30 + 24.04·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (24.04 + √(578 + 588.6))/9.81 = 5.932 s

답

t = 5.932 s
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: T = 50.77 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 = 2·9.81 + 2·4.5²/1.3 = 19.62 + 31.15 = 50.77 N

답

T = 50.77 N
9.일과 에너지

답: h = 0.6524 m

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).

스프링 에너지

x = 4 cm = 0.04 m
½kx² = ½·800·0.04² = 0.64 J

높이

m·g = 0.1·9.81 = 0.981 N
h = ½kx²/(mg) = 0.64/0.981 = 0.6524 m

답

h = 0.6524 m
10.일과 에너지

답: v = 8.635 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). 원 궤도에서는 중심을 향한 알짜힘이 mv²/r과 같아야 합니다.

꼭대기에서의 속력

v² = 2g(h − 2R) = 2·9.81·(8.8 − 5) = 74.56 m²/s²
v = 8.635 m/s

답

v = 8.635 m/s

h = 2.5R이면 수레가 겨우 루프를 돌며, 이때 꼭대기에서 N = 0입니다.

11.운동량과 충돌

답: ΔK/K = 37.93 %

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) = 1800·21/2900 = 13.03 m/s

충돌 전후의 운동 에너지

Kbefore = ½·1800·21² = 396900 J
Kafter = ½·2900·13.03² = 246352 J

잃은 비율

ΔK/K = 150548/396900 = 37.93 %

답

ΔK/K = 37.93 %

잃은 에너지는 변형, 열, 소리로 갑니다.

12.운동량과 충돌

답: v = 331.2 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) = 1.1·(1 − cos 35°) = 0.1989 m

충돌 후의 속력

V = √(2·9.81·0.1989) = 1.976 m/s

충돌

v = (m + M)·V/m = 2.012·1.976/0.012 = 331.2 m/s

답

v = 331.2 m/s
13.용수철과 진자

답: x = −0.9518 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.

각주파수

ω = √(60/3) = 4.472 rad/s
ω·t = 4.472·1 = 4.472 rad

변위

x = A·cos(ω·t) = 4·cos(4.472) = −0.9518 cm

답

x = −0.9518 cm
14.용수철과 진자

답: t = 0.2868 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/2.8 = 2.244 rad/s

시간에 대해 풀기

0.8 = cos(ω·t) → ω·t = arccos(0.8) = 0.6435 rad
t = 0.6435/2.244 = 0.2868 s

답

t = 0.2868 s
15.파동, 소리, 광학

답: θc = 37.4 °

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 = 1.47/2.42 = 0.6074

임계각

θc = arcsin(0.6074) = 37.4°

답

θc = 37.4°
16.파동, 소리, 광학

답: di2 = −6.923 cm

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.

렌즈 1의 상

1/di1 = 1/8 − 1/30 → di1 = 10.91 cm

렌즈 2의 물체

do2 = 15 − 10.91 = 4.091 cm

최종 상

1/di2 = 1/10 − 1/4.091 → di2 = −6.923 cm

답

di2 = −6.923 cm

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