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)0.9 s12.5

45 km/h로 달리던 운전자가 장애물을 본다. 반응 시간은 0.9 s이고, 그 후 자동차는 일정한 감속도 7.5 m/s²로 제동한다. 장애물을 본 순간부터의 총 정지 거리 d을(를) 구하시오.

v₀ = 45 km/htr = 0.9 sa = −7.5 m/s²
d = m
2.운동학어려움
v₀ = 17 m/s20 m

지면에서 20 m 높이에 있는 지붕 가장자리에서 공을 17 m/s로 똑바로 위로 던진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 쓴다. 던진 뒤 공이 지면에 닿을 때까지의 시간 t을(를) 구하시오.

v₀ = 17 m/sh₀ = 20 mg = 9.81 m/s²
t = s
3.뉴턴 법칙보통
상자v₀ = 10.5 m/sμ = ?

상자가 처음 속력 10.5 m/s로 평평한 바닥을 미끄러지다가 14 m 후에 멈춘다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 운동 마찰 계수 μ을(를) 구하시오.

v₀ = 10.5 m/sd = 14 mg = 9.81 m/s²
μ =
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 10 kg7 kgθ = 25°

25° 경사로 위의 10 kg 블록이 경사로 꼭대기의 마찰 없는 도르래를 지나는 가벼운 줄로 매달린 7 kg 질량과 연결되어 있다. 매달린 질량은 아래로 움직인다. 경사로에는 마찰이 없다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m1 = 10 kgm2 = 7 kgθ = 25°μ = 0g = 9.81 m/s²
T = N
5.포물선 운동보통
v0​ = 18 m/s55°수평 도달 거리

공을 평지에서 수평에서 55° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿을 때까지의 비행 시간 t을(를) 구하시오.

v0 = 18 m/sθ = 55°g = 9.81 m/s²
t = s
6.포물선 운동어려움
h = 45 mv0​ = 25 m/s60°x = ?

공을 높이 45 m인 절벽 위에서 수평에서 60° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿기 전까지 이동한 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v0 = 25 m/sθ = 60°h = 45 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.원운동보통
r = 75 mvmax​ = ?

자동차가 반지름 75 m인 평평한 커브를 돈다. 타이어와 도로 사이의 정지 마찰 계수는 0.4이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 미끄러지지 않고 커브를 돌 수 있는 최대 속력 vmax을(를) 구하시오.

r = 75 mμs = 0.4g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.원운동어려움
θ = 15°중심 방향vmin​ = ?

반지름 50 m인 커브가 15° 기울어져 있고, 타이어와 도로 사이의 정지 마찰 계수는 0.2이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 자동차가 경사면 아래로 미끄러지지 않고 커브를 돌 수 있는 최소 속력 vmin을(를) 구하시오.

r = 50 mθ = 15°μs = 0.2g = 9.81 m/s²
vmin = m/s
9.일과 에너지보통
40°d = 9 mμ = 0.1

블록이 수평과 40°를 이루는 경사면을 정지 상태에서 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.1이다. 경사면을 따라 9 m 미끄러진 뒤의 속력 v을(를) 구하시오.

θ = 40°μ = 0.1d = 9 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
10.일과 에너지어려움
k = 800 N/m15°μ = 0.30.5 kg

15° 경사면 아래에 있는 강성 800 N/m인 스프링을 0.5 kg 블록으로 8 cm 압축했다가 놓는다. 블록과 경사면 사이의 운동 마찰 계수는 0.3이다. 블록은 놓은 점에서 경사면을 따라 얼마나 멀리 d 올라간 뒤 멈추는가? (스프링이 미는 짧은 거리는 무시하고, 마찰과 중력은 전체 거리 d에 걸쳐 작용한다고 하시오.)

m = 0.5 kgk = 800 N/mx = 8 cmθ = 15°μ = 0.3g = 9.81 m/s²
d = m
11.운동량과 충돌보통
15 kg88 m/s3 kgv′2​ = ?

수평으로 37 m/s로 움직이던 18 kg 발사체가 폭발해 같은 직선을 따라 움직이는 두 파편으로 나뉜다. 15 kg 파편은 88 m/s로 앞으로 계속 움직인다. 3 kg 파편의 속도 v′2(원래 방향을 양으로)을(를) 구하시오.

M = 18 kgu = 37 m/sm1 = 15 kgv′1 = 88 m/sm2 = 3 kg
v′2 = m/s
12.운동량과 충돌어려움
11 m/s20 m/s

질량 0.35 kg인 공이 11 m/s로 벽에 부딪힌 뒤 20 m/s로 똑바로 튀어나온다. 접촉 시간은 40 ms이다. 벽이 공에 작용한 평균 힘 Favg을(를) 구하시오.

m = 0.35 kgvin = 11 m/svout = 20 m/sΔt = 40 ms
Favg = N
13.용수철과 진자보통
t (s)x (cm)0.3 s

k = 320 N/m인 스프링에 매단 2.2 kg 질량을 양의 방향으로 5 cm 당겼다가 t = 0에 정지 상태에서 놓는다. t = 0.3 s에서 평형점으로부터의 변위 x(부호 포함)을(를) 구하시오.

m = 2.2 kgk = 320 N/mA = 5 cmt = 0.3 s
x = cm
14.용수철과 진자어려움
2 kgk = 340 N/m

k = 340 N/m인 늘어나지 않은 수직 스프링의 아래 끝에 2 kg 질량을 달고 정지 상태에서 놓는다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 질량의 최대 속력 vmax을(를) 구하시오.

m = 2 kgk = 340 N/mg = 9.81 m/s²
vmax = m/s
15.파동, 소리, 광학보통
L = 0.6 mn = 2

양 끝이 열린 관의 길이는 0.6 m이다. 소리의 속력은 343 m/s이다. 2번째 배진동의 진동수 f2을(를) 구하시오.

v = 343 m/sn = 2L = 0.6 m
f2 = Hz
16.파동, 소리, 광학어려움
λ = ?81.9°

1 mm당 600개의 선이 있는 격자에서 스펙트럼선의 3차 극대가 직진 방향에서 81.9°에 나타난다. 그 선의 파장 λ을(를) 구하시오.

N = 600 mm⁻¹θ3 = 81.9°m = 3
λ = nm

3용액

1.운동학

답: d = 21.67 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 = 45/3.6 = 12.5 m/s

반응 거리

d1 = v₀·tr = 12.5·0.9 = 11.25 m

제동 거리

d2 = v₀²/(2a) = 12.5²/(2·7.5) = 10.42 m

합계

d = 11.25 + 10.42 = 21.67 m

답

d = 21.67 m
2.운동학

답: t = 4.394 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.

운동 방정식

위쪽이 양이고, 지면은 출발점보다 h₀ 아래에 있습니다.

−20 = 17·t − ½·9.81·t²
4.905·t² − 17·t − 20 = 0

이차방정식 풀기

물리적으로 의미 있는 것은 양의 근뿐입니다.

t = (17 + √(17² + 2·9.81·20))/9.81 = 4.394 s

답

t = 4.394 s
3.뉴턴 법칙

답: μ = 0.4014

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) = 10.5²/(2·14) = 3.938 m/s²

마찰 계수

μ·m·g = m·a → μ = a/g = 3.938/9.81 = 0.4014

답

μ = 0.4014
4.뉴턴 법칙

답: T = 57.47 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 = 68.67 N
m₁·g·sin θ = 41.46 N
μ·m₁·g·cos θ = 0 N

계의 가속도

a = (68.67 − 41.46 − 0)/17 = 1.601 m/s²

매달린 질량에서 구한 장력

m2·g − T = m2·a → T = 7·(9.81 − 1.601) = 57.47 N

답

T = 57.47 N
5.포물선 운동

답: t = 3.006 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 = 18·cos 55° = 10.32 m/s
vy = v0·sin θ = 18·sin 55° = 14.74 m/s

체공 시간

출발점과 착지점이 같은 높이: t = 2vy/g.

t = 2·14.74/9.81 = 3.006 s

답

t = 3.006 s
6.포물선 운동

답: x = 74.43 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 = 25·cos 60° = 12.5 m/s
vy = v0·sin θ = 25·sin 60° = 21.65 m/s

체공 시간

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

0 = 45 + 21.65·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (21.65 + √(468.8 + 882.9))/9.81 = 5.955 s

수평 거리

x = vx·t = 12.5·5.955 = 74.43 m

답

x = 74.43 m
7.원운동

답: vmax = 17.16 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) = √(0.4·9.81·75) = 17.16 m/s

답

vmax = 17.16 m/s (61.76 km/h)
8.원운동

답: vmin = 5.624 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

마찰은 경사면 위를 향합니다.

N·(sin θ − μ·cos θ) = m·v²/r
N·(cos θ + μ·sin θ) = m·g

속력

v = √(50·9.81·0.06563/1.018) = 5.624 m/s

답

vmin = 5.624 m/s
(20.25 km/h)
9.일과 에너지

답: v = 9.999 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 = √(2·9.81·9·(0.6428 − 0.1·0.766)) = 9.999 m/s

답

v = 9.999 m/s
10.일과 에너지

답: d = 0.9514 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 = 8 cm = 0.08 m
½kx² = ½·800·0.08² = 2.56 J

경사면을 따른 에너지 수지

m·g = 0.5·9.81 = 4.905 N
½kx² = mg·d·(sin θ + μ·cos θ)
d = 2.56/(4.905·(0.2588 + 0.3·0.9659)) = 0.9514 m

답

d = 0.9514 m
11.운동량과 충돌

답: v′2 = −218 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 = 18·37 = 666 kg·m/s

충돌 후 운동량

666 = 15·88 + 3·v′2
v′2 = (666 − 1320)/3 = −218 m/s

답

v′2 = −218 m/s

음의 부호는 두 번째 파편이 뒤로 날아간다는 뜻입니다.

12.운동량과 충돌

답: Favg = 271.3 N

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 = 0.35·(20 + 11) = 10.85 N·s

평균 힘

Favg = J/Δt = 10.85/0.04 = 271.3 N

답

Favg = 271.3 N
13.용수철과 진자

답: x = −4.443 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 = √(320/2.2) = 12.06 rad/s
ω·t = 12.06·0.3 = 3.618 rad

변위

x = A·cos(ω·t) = 5·cos(3.618) = −4.443 cm

답

x = −4.443 cm
14.용수철과 진자

답: vmax = 0.7524 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.

평형점과 진폭

x₀ = m·g/k = 2·9.81/340 = 0.05771 m = A

최대 속력

속력은 평형점에서 가장 큽니다.

ω = √(340/2) = 13.04 rad/s
vmax = A·ω = 0.05771·13.04 = 0.7524 m/s

답

vmax = 0.7524 m/s
15.파동, 소리, 광학

답: f2 = 571.7 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 = 2L/n = 2·0.6/2 = 0.6 m

진동수

f = v/λ = 343/0.6 = 571.7 Hz

답

f2 = 571.7 Hz
16.파동, 소리, 광학

답: λ = 550 nm

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.

파장

λ = d·sin θ/m = 1.667 × 10⁻⁶·sin 81.9°/3 = 550 nm

답

λ = 550 nm

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