뉴턴 운동 법칙Ⅰ(힘, F=ma, 관성, 작용과 반작용)

물리학Ⅰ 전개도

아웃라인

핵심 개념

①힘 ②F=ma ③관성 ④작용과 반작용

목표 기출 문제

16년도 수능 물리1 4번

답: 1번

 

21년도 9월 학평 물리학1(고2) 9번

답: 2번

 

22년도 6월 학평(고2) 물리학1 2번

답: 4번

1. 운동 제2법칙, 가속도의 법칙

운동의 원인, 힘

물체에 작용하여 물체의 모양과 운동 상태를 변화시키는 원인. 기호는 F(Force), 단위는 N

알짜힘(힘의 합력) 구하기

만약 한 물체에 여러 힘이 동시에 작용하고 있다면, 그 힘들의 알짜힘(합력)을 구하는 게 운동 분석에 훨씬 효율적이다.

F=ma

물체는 알짜힘의 방향으로 가속된다. 이때 물체의 가속도 크기는 물체에 작용하는 알짜힘의 크기에 비례하고 물체의 질량에 반비례한다. 

질량이 동일한 물체에 다른 크기의 힘이 작용하는 경우

질량이 다른 물체에 같은 크기의 힘이 작용하는 경우

2. 운동 제1법칙, 관성의 법칙

별 거 없다. 'F = ma'를 써놓고 보자. 질량 m인 물체에 작용하는 알짜힘 F이 0이라면 가속도 a가 0이 될 수밖에 없다. 가속도는 단위 시간 동안의 속도 변화량이다.

가속도가 0이라는 건 속도 변화량이 0이라는 거다. 속도 변화량이 0인 경우는 두 가지가 있다.

①속도 값 0으로 유지: 정지해있는 물체는 계속 정지해 있다. 

②등속도 운동: 물체가 동일한 속도를 유지한 채 운동한다. 

 

즉 물체에 작용하는 알짜힘이 0이라면(=물체에 힘이 작용하지 않는다면), 정지한 물체는 계속 정지해 있고 움직이던 물체는 계속 일정한 속도로 운동하는 등속도 운동을 한다. 뭔가 힘을 받지 않는 물체는 자신의 원래 운동 상태를 계속 유지하려는 것처럼 보인다. 이처럼 힘이 작용하지 않는 물체가 자신의 운동 상태를 유지하려는 성질을 관성이라고 한다.

1) 관성의 예시

ⓛ계속 정지해 있으려고 해서 나타나는 현상

 

②계속 운동하려고 해서 나타나는 현상

2) 관성과 질량

성격이 사람마다 다르듯이 운동 상태를 유지하려는 성질, 관성 역시 물체마다 다르다. 예를 들어보자.

같은 속력 v로 움직이는 볼링공과 탁구공이 있고, 우리는 이 두 공을 멈추게 하고 싶다. 하지만 두 공은 '관성'이라는 본연의 성질 때문에 운동 상태를 유지하려 할 것이며, 탁구공을 멈추는 것보다는 볼링공을 멈추는 데 더 큰 힘을 주어야 함을 잘 알고 있다. 이는 볼링공의 관성이 탁구공의 관성보다 크다는 걸 뜻한다.

 

볼링공은 관성이 커서 더 큰 힘을 주어야 정지하고, 탁구공은 관성이 작아 힘을 덜 작용해도 정지하게 된다. (같은 속도 변화를 만들어내기 위해 작용해야 하는 힘의 크기가 물체마다 다르다는 말) 뉴턴은 그러한 추상적 성질인 관성을 '질량'이라는 구체적인 수치로 정의했다. 즉, 관성이 큰 물체는 질량이 큰 물체이고, 관성이 작은 물체는 질량이 작은 물체이다.

3. 운동 제3법칙, 작용 반작용의 법칙

내기의 꽃, 손목 치기와 딱밤 후리기. 맞는 놈도 아프지만 사실 때린 놈도 아프다.

스케이트를 타다가 친구를 밀면 친구만 밀려나는 게 아니라 나도 밀려난다. 이처럼 힘은 두 물체 사이에서 상호 작용하는데, 이때 두 힘은 작용과 반작용 관계를 이룬다.

작용과 반작용

	작용	반작용
손목 때리기	'나의 손가락'이 '친구 손목'을 때리는 힘	'친구 손목'이 '나의 손가락'을 때리는 힘
사람 밀기	'나'가 '친구'를 미는 힘	'친구'가 '나'를 미는 힘

작용과 반작용의 관계에 있는 두 힘은 주어와 목적어 위치가 교차되어 있음을 확인하라.

1) 작용 반작용의 예

2) 작용 반작용 관계인 두 힘의 특징

①두 힘은 크기가 같고 방향이 반대이다.

②두 힘은 동일 작용선상에 있다.

③두 힘은 서로 다른 물체에 작용한다.

도전 기출 문제

16년도 6월 모평 물리1 7번

답: 5번