물리1 1단원 개념 완벽 정리

간략한 요약

이 비디오는 이동 거리 대 변위, 속력 대 속도, 가속도와 같은 물리학의 기본 개념을 설명합니다. 그런 다음 등속 직선 운동, 등가속도 직선 운동, 뉴턴의 운동 법칙, 운동량 보존, 충격량, 일과 에너지, 역학적 에너지 보존, 기체가 하는 일, 열역학 법칙, 열기관, 특수 상대성 이론, 질량-에너지 등가성에 대해 설명합니다.

• 이동 거리와 변위, 속력과 속도, 가속도의 차이점을 설명합니다.
• 등속 직선 운동, 등가속도 직선 운동, 뉴턴의 운동 법칙을 설명합니다.
• 운동량 보존, 충격량, 일과 에너지, 역학적 에너지 보존을 설명합니다.
• 기체가 하는 일, 열역학 법칙, 열기관을 설명합니다.
• 특수 상대성 이론과 질량-에너지 등가성을 설명합니다.

이동 거리 vs 변위, 속력 vs 속도, 가속도

이동 거리는 물체가 실제로 움직인 총 거리이고, 변위는 물체의 위치 변화량입니다. 예를 들어, 구슬이 A 지점에서 B 지점까지 5m를 이동했지만, A와 B 사이의 위치 변화량은 3m일 수 있습니다. 속력은 물체의 빠르기를 나타내는 물리량이며 방향 정보가 없습니다. 속력은 단위 시간당 이동 거리로 나타낼 수 있습니다. 속도는 물체의 운동 방향과 빠르기를 함께 나타냅니다. 속도는 단위 시간당 변위로 나타낼 수 있습니다. 평균 속도는 특정 시간 동안의 평균적인 속도를 나타내며, 순간 속도는 특정 순간의 속도입니다. 가속도는 물체의 속도가 시간에 따라 변하는 정도를 나타내는 물리량입니다. 가속도는 단위 시간당 속도 변화량으로 나타낼 수 있습니다.

등속 직선 운동

등속 직선 운동은 속도가 일정하고 방향이 바뀌지 않는 운동입니다. 물체에 힘이 작용하지 않거나, 물체에 작용하는 알짜힘이 0일 때 성립합니다. 등속 직선 운동의 그래프에서 시간-속력 그래프는 속력이 일정한 직선으로 나타나고, 그래프 아래의 넓이는 이동 거리를 나타냅니다. 시간-이동 거리 그래프는 시간에 따라 이동 거리가 일정하게 증가하는 직선으로 나타나며, 기울기는 속력을 나타냅니다. 등속 원운동은 속력은 일정하지만 운동 방향이 계속해서 바뀌는 운동입니다. 속력과 운동 방향이 모두 바뀌는 운동은 진자 운동, 포물선 운동 등이 있습니다.

등가속도 직선 운동

등가속도 직선 운동은 일정한 가속도로 직선 운동을 하는 것입니다. 가속도의 크기와 방향이 일정하며, 속도가 일정하게 증가하거나 감소합니다. 자유 낙하 운동은 등가속도 직선 운동의 대표적인 예시입니다. 자유 낙하 운동에서 중력 가속도는 9.8m/s²이며, 속도가 1초당 9.8m/s씩 증가합니다. 등가속도 직선 운동의 공식은 v = v₀ + at, s = v₀t + (1/2)at², 2as = v² - v₀²입니다. 등가속도 직선 운동 문제를 풀 때는 공식을 이용하거나, 그래프를 그려서 면적을 구하는 방법을 사용할 수 있습니다.

관성의 법칙

힘은 물체의 모양이나 운동 상태를 변화시키는 원인입니다. 알짜힘은 물체에 작용하는 모든 힘을 합한 것입니다. 뉴턴 운동 제1법칙인 관성의 법칙은 물체에 작용하는 알짜힘이 0이라면, 정지해 있는 물체는 계속 정지해 있고, 운동 중인 물체는 계속 등속 직선 운동을 하려고 한다는 것입니다. 관성은 물체가 원래의 운동 상태를 유지하려는 성질이며, 질량이 클수록 관성이 커집니다. 관성에는 정지 관성과 운동 관성이 있습니다.

가속도 법칙

뉴턴 운동 제2법칙인 가속도 법칙은 가속도는 질량에 반비례하고, 알짜힘에 비례한다는 것입니다. 공식은 a = F/m입니다. 실로 연결된 두 물체의 가속도를 구할 때는 두 물체의 질량을 합쳐서 계산해야 합니다. 각 물체에 작용하는 알짜힘은 F = ma 공식을 이용하여 구할 수 있습니다. 두 물체 사이에 작용하는 힘은 작용 반작용 법칙에 따라 크기는 같고 방향은 반대입니다. 실의 장력은 A에 작용하는 알짜힘과 같습니다.

작용 반작용 법칙

뉴턴 운동 제3법칙인 작용 반작용 법칙은 한 물체가 다른 물체에 힘을 가했을 때, 힘을 받은 물체도 힘을 가한 물체에게 힘을 동시에 가하게 된다는 것입니다. 이때 크기는 같고 방향은 반대입니다. 작용 반작용과 두 힘의 평형은 크기가 같고 방향이 반대라는 공통점이 있지만, 작용 반작용은 두 물체 사이에서 작용하는 힘이고, 두 힘의 평형은 한 물체에 작용하는 두 힘입니다.

운동량, 운동량 보존 법칙

운동량은 운동하는 물체의 운동 효과를 나타내는 양이며, 크기와 방향을 가지고 있습니다. 운동량은 질량 곱하기 속도로 계산합니다. 운동량 보존 법칙은 두 물체가 충돌할 때, 외력이 없다면 충돌 전과 충돌 후의 운동량의 총합은 항상 같다는 것입니다. 운동량 보존 법칙은 한 물체가 두 물체로 분리되어도 성립하고, 두 물체가 충돌 후에 붙어서 운동을 해도 성립합니다.

충격량, 충격력

충격량은 물체가 받은 충격의 정도를 나타내는 양이며, 크기와 방향을 가지고 있습니다. 충격량은 힘 곱하기 시간으로 계산합니다. 충격량 그래프에서 그래프 아래 부분의 넓이는 충격량을 나타냅니다. 평균 힘은 충돌 시간 분의 충격량으로 구할 수 있습니다. 운동량과 충격량은 단위가 같으며, 충격량을 가한 만큼 운동량이 변하게 됩니다. 충격력은 물체가 충돌할 때 받는 힘이며, 단위 시간 동안의 운동량 변화량입니다. 충격량이 같을 때, 충돌 시간이 길어지면 충격력이 작아집니다.

일과 에너지

일을 한다는 것은 힘을 주고 있는 방향대로 이동을 해야 하는 것을 의미합니다. 일의 양은 힘 곱하기 이동 거리로 계산합니다. 운동 에너지는 운동하는 물체가 가진 에너지이며, 1/2 * 질량 * 속력²으로 계산합니다. 알짜힘이 한 일은 물체의 운동 에너지 변화량과 같습니다. 퍼텐셜 에너지는 물체가 기준면으로부터 위치에 따라서 가지는 잠재적인 에너지입니다. 중력 퍼텐셜 에너지는 mgh로 계산하며, 탄성 퍼텐셜 에너지는 1/2 * k * x²으로 계산합니다.

역학적 에너지 보존

역학적 에너지는 물체의 운동 에너지와 퍼텐셜 에너지의 합입니다. 이상적인 상황에서는 역학적 에너지가 항상 보존됩니다. 낙하하는 물체, 롤러코스터, 탄성력에 의한 역학적 에너지 보존 과정에서 역학적 에너지는 항상 일정하게 유지됩니다.

기체가 한 일과 내부 에너지

열에너지는 물체 내부의 분자 운동에 의해서 나타나는 에너지입니다. 온도는 물체의 차갑고 뜨거운 정도를 기준으로 수치로 나타낸 것이며, 열은 온도가 높은 물체에서 낮은 물체로 이동하는 에너지입니다. 열평형 상태는 열이 다 옮겨져서 평형이 된 상태입니다. 기체가 하는 일은 압력 곱하기 부피 변화로 계산합니다. 기체의 부피가 증가하면 기체가 외부의 일을 하고, 기체의 부피가 감소하면 기체가 외부로부터 일을 받습니다. 압력-부피 그래프에서 그래프 아래 면적은 일의 양을 나타냅니다. 이상 기체 내부 에너지는 기체 분자의 운동 에너지의 총합이며, 절대 온도에 비례합니다.

열역학 제 1법칙

열역학 제1법칙은 외부에서 가해주는 열은 내부 에너지를 증가시키는데 이용이 되고, 또 외부에 일을 할 수 있게 도와준다는 에너지 보존 법칙입니다. 공식은 Q = ΔU + W입니다. 등적 과정은 부피가 일정한 과정이며, 외부로부터 가해지는 열이 전부 다 내부 에너지 변화량으로 사용됩니다. 등압 과정은 압력이 일정한 과정이며, 외부에서 열을 가해주면 압력 빼고는 다 증가합니다. 등온 과정은 온도가 일정한 과정이며, 외부에서 열을 받은 만큼 일을 할 수 있습니다. 단열 과정은 열의 출입이 없으며, 자신의 내부 에너지를 소모해서 일의 양을 늘려줍니다.

열역학 제 2법칙

가역 과정은 처음의 상태로 완전하게 되돌아갈 수 있는 과정이며, 비가역 과정은 한쪽 방향으로만 일어날 수 있는 과정입니다. 열역학 제2법칙은 자연 현상에서 일어나는 변화에 비가역적인 방향성을 제시합니다. 열은 항상 고온에서 저온으로 이동하며, 엔트로피는 분자 배열의 무질서도를 뜻합니다. 엔트로피가 증가한다는 뜻은 분자들이 질서 있는 배열 상태에서 무질서한 배열로 바뀌게 된다는 것입니다.

열기관과 열효율

열기관은 여론으로부터 받은 열에너지를 유용한 일로 바꾸는 장치입니다. 열효율은 고열원에서 흡수한 열에너지 분의 한 일로 계산하며, 항상 1보다 작습니다. 카르노 기관은 열효율이 가장 높은 이상적인 열기관입니다. 연구기관은 영구히 일을 계속할 수 있는 기관을 뜻하지만, 세상에 이런 건 없습니다. 제1종 연구기관은 외부 에너지의 공급이 없이 작동하는 기관이며, 제2종 연구기관은 열기관이 작동하면서 방출한 낮은 온도의 열을 다시 높은 온도로 보내면서 계속해서 사용할 수 있는 기관입니다.

특수 상대성 이론의 기본 원리

상대 속도는 운동하고 있는 관찰자가 봤을 때 물체의 속도가 어떻냐를 말하는 것입니다. A가 본 B의 상대 속도는 B의 속도 - A의 속도입니다. 특수 상대성 이론의 배경은 에테르라는 매질의 존재를 증명하려던 마이컬슨-몰리 실험의 실패입니다. 아인슈타인은 이 실험을 바탕으로 특수 상대성 이론 두 가정을 세웠습니다. 첫 번째는 상대성 원리이며, 모든 관성 좌표계에서 물리 법칙은 동일하게 성립한다는 것입니다. 두 번째는 광속 불변의 원리이며, 모든 관성 좌표계에서 보았을 때 진공 중에서 진행하는 빛의 속력은 관찰자나 광원의 속도에 상관없이 일정하다는 것입니다.

질량과 에너지

질량 증가는 정지 질량이 m₀인 물체가 움직일 때의 질량 m은 속도가 빠를수록 커진다는 것입니다. 질량-에너지 동등성은 질량하고 에너지는 서로 전환될 수 있다는 것이며, 질량 m에 해당하는 에너지 E는 E = mc²으로 계산합니다. 질량 결손은 핵반응 후에 핵반응 전보다 줄어든 질량의 합입니다. 핵반응 과정에서 질량 결손이 있으며, m의 변화량이 델타 m이 질량 에너지 동등성에 따라서 에너지 E로 전환됩니다. 핵반응은 원자핵이 분열하는 핵분열과 서로 합쳐지는 핵융합이 있습니다.