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Kinematics

AP Physics C: Mechanics · ⁨AP 물리학 C: 역학⁩ · Topic 1 · ⁨주제 1⁩

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7:31

운동학

로켓이 이륙합니다. 매초마다 엔진이 더 강하게 연소되어 가속도가 계속 증가합니다. 이제 첫 번째 단원의 공식을 사용하여 속도를 찾아보세요…

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨영어 내레이션 · 영어 + 중국어 자막 burned-in⁩

1.1

Scalars and Vectors · ⁨스칼라와 벡터⁩

Syllabus
English

Learning Objective 1.1.A: Describe a scalar or vector quantity using magnitude and direction, as appropriate.

  • 1.1.A.1 Scalars are quantities described by magnitude only; vectors are quantities described by both magnitude and direction.
  • 1.1.A.2 Vectors can be visually modeled as arrows with appropriate direction and lengths proportional to their magnitude.
  • 1.1.A.3 Distance and speed are examples of scalar quantities, while position, displacement, velocity, and acceleration are examples of vector quantities.
  • 1.1.A.4 Vectors can be expressed in unit vector notation or as a magnitude and a direction.
    • 1.1.A.4.i Unit vector notation can be used to represent vectors as the sum of their constituent components in the $x$-, $y$-, and $z$-directions, denoted by $\hat{i}$, $\hat{j}$, and $\hat{k}$, respectively.
      • Equation: $\vec{r} = \left( A\hat{i} + B\hat{j} + C\hat{k} \right)$
    • 1.1.A.4.ii The position vector of a point is given by $\vec{r}$, and the unit vector in the direction of the position vector is denoted $\hat{r}$.
    • 1.1.A.4.iii A resultant vector is the vector sum of the addend vectors' components.
      • Equation: $\vec{C} = \vec{A} + \vec{B}$
      • Equation: $\vec{C} = \left( A_x + B_x \right)\hat{i} + \left( A_y + B_y \right)\hat{j}$
  • 1.1.A.5 In a given one-dimensional coordinate system, opposite directions are denoted by opposite signs.
한국어

학습 목표 1.1.A: 크기와 방향을 사용하여 스칼라 또는 벡터 양을 적절히 기술하시오.

  • 1.1.A.1 스칼라는 크기만으로 서술되는 양이며, 벡터는 크기와 방향 모두로 서술되는 양입니다.
  • 1.1.A.2 벡터는 적절한 방향과 크기에 비례하는 길이를 가진 화살표로 시각적으로 모델링할 수 있습니다.
  • 1.1.A.3 거리와 속도는 스칼라 양의 예시이며, 위치, 변위, 속도, 가속도는 벡터 양의 예시입니다.
  • 1.1.A.4 벡터는 단위 벡터 표기법이나 크기와 방향으로 표현할 수 있습니다.
    • 1.1.A.4.i 단위 벡터 표기법을 사용하여 벡터를 constituent components인 ⟨$x$⟩, ⟨$y$⟩, ⟨$z$⟩ 방향의 합으로 나타낼 수 있으며, 이를 각각 ⟨$\hat{i}$⟩, ⟨$\hat{j}$⟩, ⟨$\hat{k}$⟩로 표시한다.
      • 식: $\vec{r} = \left( A\hat{i} + B\hat{j} + C\hat{k} \right)$
    • 1.1.A.4.ii 점의 위치 벡터는 $\vec{r}$로 주어지며, 위치 벡터 방향의 단위 벡터는 $\hat{r}$로 표시됩니다.
    • 1.1.A.4.iii 합성 벡터는 덧셈 벡터들의 성분의 합입니다.
      • 식: $\vec{C} = \vec{A} + \vec{B}$
      • 식: $\vec{C} = \left( A_x + B_x \right)\hat{i} + \left( A_y + B_y \right)\hat{j}$
  • 1.1.A.5 주어진 1차원 좌표계에서 반대 방향은 반대 부호로 표시됩니다.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨출처: College Board AP Course and Exam Description⁩

English

Kinematics 运动学 describes motion. Two kinds of quantity:

  • A scalar 标量 has only size (magnitude 大小): distance, speed, mass, time.
  • A vector 矢量 has magnitude and direction: displacement, velocity, acceleration, force.

In this calculus-based course you resolve vectors into components 分量 and add them component by component; a vector's magnitude is $\sqrt{v_x^2+v_y^2+\cdots}$. Physics C also writes vectors with unit vectors 单位矢量: $\vec{v}=v_x\hat{i}+v_y\hat{j}$, where $\hat{i}$ and $\hat{j}$ are directions of length one along $x$ and $y$ – handy because calculus can then act on each component separately.

한국어

운동학은 운동을 기술합니다. 두 종류의 물리량:

  • 스칼라는 크기(절댓값)만 가집니다: 거리, 속도, 질량, 시간.
  • 벡터는 크기와 방향을 모두 가집니다: 변위, 속도, 가속도, 힘.

이 미적분 기반 과정에서는 벡터를 성분으로 분해하여 성분별로 더합니다; 벡터의 크기는 $\sqrt{v_x^2+v_y^2+\cdots}$입니다. Physics C는 또한 단위 벡터를 사용하여 벡터를 표기합니다: $\vec{v}=v_x\hat{i}+v_y\hat{j}$, 여기서 $\hat{i}$와 $\hat{j}$는 $x$와 $y$ 방향으로 길이가 1인 방향입니다 – 이것이 유용한 이유는 미적분이 각 성분에 개별적으로 작용할 수 있기 때문입니다.

벡터를 x 및 y 성분으로 분해함
벡터를 x 및 y 성분으로 분해함
자동차 속도계: 속도는 속도의 크기—스칼라 운동 속도입니다
자동차 속도계: 속도는 속도의 크기—스칼라 운동 속도입니다
Explore · ⁨탐색하기⁩

Explore the dot product · ⁨내적(dot product) 탐구하기⁩

Drag the components of $\vec{A}$ and $\vec{B}$. The dot product $\vec{A}\cdot\vec{B}=A_xB_x+A_yB_y$ reaches zero exactly when the two vectors are perpendicular — the geometry behind $\cos\theta$. · ⁨$\vec{A}$과 $\vec{B}$의 성분을 드래그하세요. 두 터가 **수직(perpendicular)**일 때 내적(dot product) $\vec{A}\cdot\vec{B}=A_xB_x+A_yB_y$이 정확히 **영(zero)**이 됩니다. 이는 $\cos\theta$의 기하학적 배경입니다.⁩

Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
English 한국어
vector/ˈvektə/ 벡터
components/kəmˈpəʊnənts/ 구성 요소
unit vectors/ˈjuːnɪt ˈvektəz/ 단위 벡터
1.2

Displacement, Velocity, and Acceleration · ⁨변위, 속도, 그리고 가속도⁩

Syllabus
English

Learning Objective 1.2.A: Describe a change in an object's position.

  • 1.2.A.1 When using the object model, the size, shape, and internal configuration are ignored. The object may be treated as a single point with extensive properties such as mass and charge.
  • 1.2.A.2 Displacement is the change in an object's position.
    • Equation: $\Delta x = x - x_0$

Learning Objective 1.2.B: Describe the average velocity and acceleration of an object.

  • 1.2.B.1 Averages of velocity and acceleration are calculated considering the initial and final states of an object over an interval of time.
  • 1.2.B.2 Average velocity is the displacement of an object divided by the interval of time in which that displacement occurs.
    • Equation: $\vec{v}_{\text{avg}} = \dfrac{\Delta \vec{x}}{\Delta t}$
  • 1.2.B.3 Average acceleration is the change in velocity divided by the interval of time in which that change in velocity occurs.
    • Equation: $\vec{a}_{\text{avg}} = \dfrac{\Delta \vec{v}}{\Delta t}$
  • 1.2.B.4 An object is accelerating if either the magnitude and/or direction of the object's velocity are changing.
  • 1.2.B.5 Calculating average velocity or average acceleration over a very small time interval yields a value that is very close to the instantaneous velocity or instantaneous acceleration.

Learning Objective 1.2.C: Describe the instantaneous position, velocity, and acceleration of an object as a function of time.

  • 1.2.C.1 As the time interval used to calculate the average value of a quantity approaches zero, the average value of that quantity approaches the value of the quantity at that instant, called the instantaneous value.
    • 1.2.C.1.i Instantaneous velocity is the rate of change of the object's position, which is equal to the derivative of position with respect to time.
      • Equation: $\vec{v} = \dfrac{d\vec{r}}{dt}$
      • Equation: $v_x = \dfrac{dx}{dt}$
    • 1.2.C.1.ii Instantaneous acceleration is the rate of change of the object's velocity, which is equal to the derivative of velocity with respect to time.
      • Equation: $\vec{a} = \dfrac{d\vec{v}}{dt}$
      • Equation: $a_x = \dfrac{dv_x}{dt}$
  • 1.2.C.2 Time-dependent functions and instantaneous values of position, velocity, and acceleration can be determined using differentiation and integration.
한국어

학습 목표 1.2.A: 물체의 위치 변화를 기술하시오.

  • 1.2.A.1 물체 모델을 사용할 때는 크기, 형태, 내부 구성을 무시합니다. 물체는 질량과 전하와 같은 광범위한 특성을 가진 단일 점으로 취급될 수 있습니다.
  • 1.2.A.2 변위는 물체의 위치 변화입니다.
    • 식: $\Delta x = x - x_0$

학습 목표 1.2.B: 물체의 평균 속도와 평균 가속도를 기술하시오.

  • 1.2.B.1 속도와 가속도의 평균값은 시간 구간 동안 물체의 초기 상태와 최종 상태를 고려하여 계산됩니다.
  • 1.2.B.2 평균 속도는 해당 변위가 발생하는 시간 구간으로 나눈 물체의 변위입니다.
    • 식: $\vec{v}_{\text{avg}} = \dfrac{\Delta \vec{x}}{\Delta t}$
  • 1.2.B.3 평균 가속도는 속도 변화량을 해당 속도 변화가 발생하는 시간 구간으로 나눈 값입니다.
    • 식: $\vec{a}_{\text{avg}} = \dfrac{\Delta \vec{v}}{\Delta t}$
  • 1.2.B.4 물체의 속도의 크기와/또는 방향이 변화하고 있다면 해당 물체는 가속하고 있습니다.
  • 1.2.B.5 매우 짧은 시간 구간 동안 평균 속도 또는 평균 가속도를 계산하면 instantaneous velocity 또는 instantaneous acceleration에 매우 근접한 값을 얻게 됩니다.

학습 목표 1.2.C: 시간의 함수로서의 물체의 순간 위치, 속도 및 가속도를 설명하십시오.

  • 1.2.C.1 양의 평균값을 계산하는 데 사용되는 시간 간격이 0에 수렴할 때, 해당 양의 평균값은 그 순간의 양의 값인 순간값에 수렴한다.
    • 1.2.C.1.i 순간속도는 물체의 위치 변화율이며, 이는 시간에 대한 위치의 미분값과 같다.
      • 식: $\vec{v} = \dfrac{d\vec{r}}{dt}$
      • 식: $v_x = \dfrac{dx}{dt}$
    • 1.2.C.1.ii 순간가속도는 물체의 속도 변화율이며, 이는 시간에 대한 속도의 미분값과 같다.
      • 식: $\vec{a} = \dfrac{d\vec{v}}{dt}$
      • 식: $a_x = \dfrac{dv_x}{dt}$
  • 1.2.C.2 시간 의존 함수와 위치, 속도, 가속도의 순간값은 미분 및 적분을 통해 구할 수 있다.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨출처: College Board AP Course and Exam Description⁩

English
Projectile motion is two independent motions

Because motion can change continuously, define the rates as derivatives 导数:

$$v=\frac{dx}{dt},\qquad a=\frac{dv}{dt}=\frac{d^2x}{dt^2}.$$
Reversing this, integrate to recover velocity and position:
$$v(t)=v_0+\int_0^t a\,dt,\qquad x(t)=x_0+\int_0^t v\,dt.$$
Distinguish the average from the instantaneous: average velocity 平均速度 is $\Delta x/\Delta t$ over an interval, while instantaneous velocity 瞬时速度 is the derivative at one moment – the slope of the tangent line, and what a speedometer shows.

For constant acceleration these give the familiar kinematic equations ($v=v_0+at$, $x=x_0+v_0t+\tfrac12at^2$, $v^2=v_0^2+2a\,\Delta x$). The most important constant-$a$ case is free fall 自由落体: near Earth's surface every object, heavy or light, accelerates downward at $g=9.8\ \text{m/s}^2$ once air resistance is negligible. When $a$ or $v$ varies with time, use the integrals directly.

Worked example. A particle moves with $x(t)=2t^3-3t^2$ (metres). Differentiate for velocity and acceleration:

$$v=\frac{dx}{dt}=6t^2-6t,\qquad a=\frac{dv}{dt}=12t-6.$$
At $t=2\ \text{s}$, $v=24-12=12\ \text{m/s}$ and $a=24-6=18\ \text{m/s}^2$. This calculus link – not just the constant-$a$ formulas – is what distinguishes Physics C.

Worked example. A particle starts from rest at the origin with $a(t)=6t$. Integrate: $v=\int 6t\,dt=3t^2$ and $x=\int 3t^2\,dt=t^3$. At $t=2\ \text{s}$, $v=12\ \text{m/s}$ and $x=8\ \text{m}$.

한국어
포물선 운동은 두 개의 독립된 운동입니다

운동은 continuously(계속적으로) 변할 수 있으므로, 이를 미분으로 정의합니다:

$$v=\frac{dx}{dt},\qquad a=\frac{dv}{dt}=\frac{d^2x}{dt^2}.$$
이를 역으로 적용하면 적분을 통해 속도와 위치를 복원할 수 있습니다:
$$v(t)=v_0+\int_0^t a\,dt,\qquad x(t)=x_0+\int_0^t v\,dt.$$
평균과 즉시를 구분하십시오: 평균 속도는 구간에 대해 $\Delta x/\Delta t$이며, 즉시 속도는 한 순간의 미분입니다 – 접선의 기울기이며, 시속계가 나타내는 값입니다.

일정한 가속도에 대해 이들은 친숙한 운동학 방정식을 제공합니다 ($v=v_0+at$, $x=x_0+v_0t+\tfrac12at^2$, $v^2=v_0^2+2a\,\Delta x$). 가장 중요한 상수-$a$ 경우는 자유 낙하: 지구 표면 근처에서 모든 물체는 공기 저항이 무시할 수 있을 때 무거우나 가벼우나 아래쪽 방향으로 $g=9.8\ \text{m/s}^2$로 가속합니다. $a$ 또는 $v$가 시간에 따라 변할 경우, 적분을 직접 사용하십시오.

해설 예제. 입자가 $x(t)=2t^3-3t^2$(미터)로 움직입니다. 속도와 가속도로 미분하기:

$$v=\frac{dx}{dt}=6t^2-6t,\qquad a=\frac{dv}{dt}=12t-6.$$
$t=2\ \text{s}$에서, $v=24-12=12\ \text{m/s}$ 및 $a=24-6=18\ \text{m/s}^2$입니다. 이 미적분 연계성 – 단순히 상수-$a$ 공식뿐만 아니라 – 이것이 Physics C를 구분하는 특징입니다.

해설 예제. 입자가 원점에서 정지 상태에서 시작하여 $a(t)=6t$로 움직입니다. 적분하기: $v=\int 6t\,dt=3t^2$ 및 $x=\int 3t^2\,dt=t^3$. $t=2\ \text{s}$에서, $v=12\ \text{m/s}$ 및 $x=8\ \text{m}$입니다.

속도-시간 그래프에서 기울기는 가속도이며, 면적은 변위이다
속도-시간 그래프에서 기울기는 가속도이고 면적은 변위입니다
고속 열차: 운동학은 시간에 따른 변위, 속도, 가속도를 설명합니다
고속 열차: 운동학은 시간에 따른 변위, 속도, 가속도를 설명합니다
Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
English 한국어
Kinematics/ˌkɪnɪˈmætɪks/ 운동학
scalar/ˈskeɪlə/ 스칼라
magnitude/ˈmæɡnɪtjuːd/ 크기
1.3

Representing Motion · ⁨운동의 표현⁩

Syllabus
English

Learning Objective 1.3.A: Describe the position, velocity, and acceleration of an object using representations of that object's motion.

  • 1.3.A.1 Motion can be represented by motion diagrams, figures, graphs, equations, and narrative descriptions.
  • 1.3.A.2 For constant acceleration, three kinematic equations can be used to describe instantaneous linear motion in one dimension:
    • Equation: $v_x = v_{x0} + a_x t$
    • Equation: $x = x_0 + v_{x0} t + \dfrac{1}{2} a_x t^2$
    • Equation: $v_x^2 = v_{x0}^2 + 2a_x \left( x - x_0 \right)$
    • Note: The equations above are written to indicate motion in the $x$-direction, but these equations can be used in any single dimension as appropriate.
  • 1.3.A.3 Near the surface of Earth, the vertical acceleration caused by the force of gravity is downward, constant, and has a measured value approximately equal to
    • Equation: $a_g = g \approx 10 \ \text{m/s}^2$.
  • 1.3.A.4 Graphs of position, velocity, and acceleration as functions of time can be used to find the relationships between those quantities.
    • 1.3.A.4.i An object's instantaneous velocity is the rate of change of the object's position, which is equal to the slope of a line tangent to a point on a graph of the object's position as a function of time.
      • Equation: $v_x = \dfrac{dx}{dt}$
    • 1.3.A.4.ii An object's instantaneous acceleration is the rate of change of the object's velocity, which is equal to the slope of a line tangent to a point on a graph of the object's velocity as a function of time.
      • Equation: $a_x = \dfrac{dv_x}{dt}$
    • 1.3.A.4.iii The displacement of an object during a time interval is equal to the area under the curve of a graph of the object's velocity as a function of time (i.e., the area bounded by the function and the horizontal axis for the appropriate interval).
      • Equation: $\Delta x = \displaystyle\int_{t_1}^{t_2} v_x(t) \ dt$
    • 1.3.A.4.iv The change in velocity of an object during a time interval is equal to the area under the curve of a graph of the acceleration of the object as a function of time.
      • Equation: $\Delta v_x = \displaystyle\int_{t_1}^{t_2} a_x(t) \ dt$

Boundary statement: AP Physics C: Mechanics and AP Physics C: Electricity and Magnetism expects that for all situations in which a numerical quantity is required for g, the value $g \approx 10 \ \text{m/s}^2$ will be used. However, students will not be penalized for correctly using the more precise commonly accepted values of $g = 9.81 \ \text{m/s}^2$ or $g = 9.8 \ \text{m/s}^2$.

한국어

학습 목표 1.3.A: 운동 도식을 사용하여 물체의 위치, 속도, 가속도를 기술하시오.

  • 1.3.A.1 운동은 운동 도식, 그림, 그래프, 식, 서술적 설명으로 표현할 수 있습니다.
  • 1.3.A.2 등가속도인 경우 1차원의 순간 선형 운동을 기술하기 위해 세 가지 운동학 식을 사용할 수 있습니다:
    • 식: $v_x = v_{x0} + a_x t$
    • 식: $x = x_0 + v_{x0} t + \dfrac{1}{2} a_x t^2$
    • 식: $v_x^2 = v_{x0}^2 + 2a_x \left( x - x_0 \right)$
    • 참고: 위 식들은 $x$ 방향의 운동을 나타내도록 작성되었으나, 이러한 식들은 적절한 단일 차원에서의 운동에도 적용될 수 있다.
  • 1.3.A.3 지구 표면 근처에서 중력 힘에 의해 발생하는 수직 가속도는 아래쪽 방향이며 일정하고, 그 측정값은 대략적으로
    • 식: $a_g = g \approx 10 \ \text{m/s}^2$.
  • 1.3.A.4 시간의 함수로서 위치, 속도, 가속도의 그래프를 사용하여 이러한 양들 사이의 관계를 찾을 수 있습니다.
    • 1.3.A.4.i 물체의 순간 속도는 물체의 위치의 변화율로, 시간의 함수로서의 물체 위치 그래프 상 한 점에 접한 직선의 기울기와 같습니다.
      • 식: $v_x = \dfrac{dx}{dt}$
    • 1.3.A.4.ii 물체의 순간 가속도는 물체의 속도의 변화율로, 시간의 함수로서의 물체 속도 그래프 상 한 점에 접한 직선의 기울기와 같습니다.
      • 식: $a_x = \dfrac{dv_x}{dt}$
    • 1.3.A.4.iii 시간 구간 동안 물체의 변위는 시간의 함수로서의 물체 속도 그래프 하단 면적(즉, 해당 구간에 대한 함수와 수평축으로 둘러싸인 면적)과 같습니다.
      • 식: $\Delta x = \displaystyle\int_{t_1}^{t_2} v_x(t) \ dt$
    • 1.3.A.4.iv 시간 구간 동안 물체의 속도 변화량은 시간의 함수로서의 물체 가속도 그래프 하단 면적과 같습니다.
      • 식: $\Delta v_x = \displaystyle\int_{t_1}^{t_2} a_x(t) \ dt$

경계 설명: AP Physics C: Mechanics 및 AP Physics C: Electricity and Magnetism에서는 g에 필요한 수치적 양이 있는 모든 상황에서 $g \approx 10 \ \text{m/s}^2$ 값을 사용할 것을 기대한다. 그러나 학생들은 더 정밀하게 일반적으로 수용되는 $g = 9.81 \ \text{m/s}^2$ 또는 $g = 9.8 \ \text{m/s}^2$ 값을 올바르게 사용하는 경우 감점되지 않는다.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨출처: College Board AP Course and Exam Description⁩

English

Move fluently between description, graph, table, and equation:

  • On a position–time graph, the slope ($dx/dt$) is velocity.
  • On a velocity–time graph, the slope is acceleration and the area ($\int v\,dt$) is displacement.
  • On an acceleration–time graph, the area ($\int a\,dt$) is the change in velocity.

Slopes are derivatives; areas are integrals – the two are inverse operations here.

한국어

기술, 그래프, 표, 방정식 간에 유창하게 전환하십시오:

변위-시간 그래프: 특정 시점에서의 접선의 기울기가 속도이다
위치-시간 그래프: 어떤 순간의 기울기는 속도입니다
  • 위치–시간 그래프에서 기울기($dx/dt$)는 속도입니다.
  • 속도–시간 그래프에서 기울기는 가속도이며 면적($\int v\,dt$)은 변위입니다.
  • 가속도–시간 그래프에서 면적($\int a\,dt$)은 속도 변화량입니다.

기울기는 미분이고 면적은 적분입니다 – 여기서는 두 연산이 서로 역연산입니다.

위치, 속도, 가속도는 미분에 의해 연결됨
위치, 속도, 가속도는 미분법으로 연결됨
Explore · ⁨탐색하기⁩

Explore the velocity–time graph · ⁨속도-시간 그래프 탐구하기⁩

Change the start velocity and acceleration. The slope of a $v$–$t$ line is the acceleration $a=\tfrac{dv}{dt}$, and the area underneath is the displacement $\Delta x=\int v\,dt$ — slope and area are the graphical faces of the derivative and the integral. · ⁨초기 속도와 가속도를 변경하세요. $v$-$t$ 그래프의 **기울기(slope)**는 가속도 $a=\tfrac{dv}{dt}$이며, 아래쪽 **면적(area)**는 변위(displacement) $\Delta x=\int v\,dt$입니다. 기울기와 면적은 미분과 적분의 시각적 형태입니다.⁩

1.4

Reference Frames and Relative Motion · ⁨기준 좌표계와 상대 운동⁩

Syllabus
English

Learning Objective 1.4.A: Describe the reference frame of a given observer.

  • 1.4.A.1 The choice of reference frame will determine the direction and magnitude of quantities measured by an observer in that reference frame.

Learning Objective 1.4.B: Describe the motion of objects as measured by observers in different inertial reference frames.

  • 1.4.B.1 Measurements from a given reference frame may be converted to measurements from another reference frame.
  • 1.4.B.2 The observed velocity of an object results from the combination of the object's velocity and the velocity of the observer's reference frame.
    • 1.4.B.2.i Combining the motion of an object and the motion of an observer in a given reference frame involves the addition or subtraction of vectors.
    • 1.4.B.2.ii The acceleration of any object is the same as measured from all inertial reference frames.

Boundary statement: Unless otherwise stated, the frame of reference of any problem may be assumed to be inertial.

한국어

학습 목표 1.4.A: 특정 관측자의 기준 좌표계를 기술하시오.

  • 1.4.A.1 기준 좌표계의 선택은 해당 좌표계에서 관측자가 측정하는 물리량의 방향과 크기를 결정한다.

학습 목표 1.4.B: 서로 다른 관성 기준 좌표계에서 관측자가 측정하는 물체의 운동을 설명한다.

  • 1.4.B.1 특정 기준 좌표계에서 측정한 값은 다른 기준 좌표계에서의 측정값으로 변환할 수 있다.
  • 1.4.B.2 물체의 관측된 속도는 물체 자체의 속도와 관측자의 기준 좌표계의 속도의 합성 결과이다.
    • 1.4.B.2.i 주어진 기준 좌표계 내에서 물체의 운동과 관측자의 운동을 합성하기 위해서는 벡터의 가산 또는 감산을 수행해야 한다.
    • 1.4.B.2.ii 모든 관성 기준 좌표계에서 측정할 때 임의의 물체의 가속도는 동일하다.

경계 조항: 별다른 명시가 없는 한 모든 문제의 기준 좌표계는 관성 좌표계라고 가정할 수 있다.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨출처: College Board AP Course and Exam Description⁩

English

All motion is relative to a reference frame 参考系. Combine velocities by vector addition: $\vec{v}_{A/C}=\vec{v}_{A/B}+\vec{v}_{B/C}$. This handles boats crossing rivers and passengers on moving vehicles – relative motion 相对运动 problems. Read the subscripts as a chain: "A relative to B" plus "B relative to C" gives "A relative to C".

Worked example. A boat that moves at $4.0\ \text{m/s}$ in still water heads straight across a river flowing at $3.0\ \text{m/s}$. Relative to the ground the boat moves at $\sqrt{4.0^2+3.0^2}=5.0\ \text{m/s}$, angled downstream. If the river is $80\ \text{m}$ wide, the crossing still takes $t=\dfrac{80}{4.0}=20\ \text{s}$ – only the across-stream component crosses the river; the current just carries the boat $60\ \text{m}$ downstream.

한국어

모든 운동은 표준 좌표계에 대해 상대적이다. 속도를 벡터 합성하여 결합한다: $\vec{v}_{A/C}=\vec{v}_{A/B}+\vec{v}_{B/C}$. 이는 강을 건너는 배나 이동하는 차량의 승객과 같은 상대 운동 문제를 처리한다. 아래첨자를 사슬처럼 읽는다: "A relative to B" plus "B relative to C" gives "A relative to C".

풀이 예제. 정수면에서 $4.0\ \text{m/s}$의 속도로 움직이는 보가 $3.0\ \text{m/s}$로 흐르는 강에 수직으로 진입한다. 지상에 대한 보의 운동 속도는 $\sqrt{4.0^2+3.0^2}=5.0\ \text{m/s}$이며 하류 방향으로 기우져 있다. 강 너비가 $80\ \text{m}$라면, 건널时间是仍需$t=\dfrac{80}{4.0}=20\ \text{s}$ – 오직 수직 방향 성분이 강을 건너는 데 기여하며, 유속은 단순히 보를 $60\ \text{m}$만큼 하류로 밀어내일 뿐이다.

1.5

Motion in Two or Three Dimensions · ⁨2차원 또는 3차원에서의 운동⁩

Syllabus
English

Learning Objective 1.5.A: Describe the motion of an object moving in two or three dimensions.

  • 1.5.A.1 Motion in two or three dimensions can be analyzed using one-dimensional kinematic relationships if the motion is separated into components.
  • 1.5.A.2 Velocity and acceleration may be different in each dimension and may be nonuniform.
  • 1.5.A.3 Motion in one dimension may be changed without causing a change in a perpendicular dimension.
  • 1.5.A.4 Projectile motion is a special case of two-dimensional motion that has zero acceleration in one dimension and constant, nonzero acceleration in the second dimension.

Boundary statement: AP Physics C: Mechanics only expects students to quantitatively analyze the motion of an object in two dimensions. AP Physics C: Electricity and Magnetism expects students to also qualitatively describe the motion of a particle in three dimensions.

한국어

학습 목표 1.5.A: 두 차원 또는 세 차원에서 움직이는 물체의 운동을 설명하라.

  • 1.5.A.1 운동이 성분으로 분리될 경우, 두 차원 또는 세 차원의 운동은 일차원 운동학 관계식을 사용하여 분석할 수 있다.
  • 1.5.A.2 속도와 가속도는 각 차원에서 다를 수 있으며 비균일일 수 있다.
  • 1.5.A.3 일차원의 운동은 수직인 차원에 변화를 주지 않고 변경될 수 있다.
  • 1.5.A.4 포물선 운동은 한 차원에서는 가속도가 없고 두 번째 차원에서는 일정하고 비영인 가속도를 가지는 2차원 운동의 특수한 경우이다.

경계 설명: AP Physics C: Mechanics에서는 학생들에게 두 차원에서의 물체 운동을 정량적으로 분석할 것을 기대한다. AP Physics C: Electricity and Magnetism에서는 학생들에게 입자의 세 차원 운동을 정성적으로 기술할 것을 기대한다.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨출처: College Board AP Course and Exam Description⁩

English

In two or three dimensions, position is a vector $\vec{r}(t)=\langle x(t),y(t),z(t)\rangle$, and velocity and acceleration are its successive derivatives – each component handled independently.

Worked example. $\vec{r}(t)=\big(2t^2\big)\hat{i}+\big(4t-t^3\big)\hat{j}$ (metres). Differentiating each component: $\vec{v}=4t\,\hat{i}+(4-3t^2)\,\hat{j}$ and $\vec{a}=4\,\hat{i}-6t\,\hat{j}$. At $t=1\ \text{s}$: $\vec{v}=4\hat{i}+1\hat{j}$, so the speed is $\sqrt{17}\approx4.1\ \text{m/s}$ – no new physics, just one derivative per component.

For projectile motion 抛体运动, horizontal and vertical motions are independent, linked only by time $t$: horizontally $a_x=0$ (constant velocity), vertically $a_y=-g$. The path is a parabola. This component method extends to any two-dimensional motion where the accelerations along each axis are known.

Worked example. A ball is launched at $20\ \text{m/s}$, $30^{\circ}$ above the horizontal ($g=9.8\ \text{m/s}^2$). The components are $v_{0x}=20\cos30^{\circ}=17.3\ \text{m/s}$ and $v_{0y}=20\sin30^{\circ}=10\ \text{m/s}$. The vertical motion sets the time: total flight $=\dfrac{2v_{0y}}{g}=\dfrac{20}{9.8}=2.0\ \text{s}$, maximum height $=\dfrac{v_{0y}^2}{2g}=5.1\ \text{m}$, and range $=v_{0x}\times2.0=35\ \text{m}$.

한국어

2차원 또는 3차원에서 위치는 벡터 $\vec{r}(t)=\langle x(t),y(t),z(t)\rangle$이며, 속도와 가속도는 각각의 성분을 독립적으로 다루는 successive derivatives이다.

풀이 예제. $\vec{r}(t)=\big(2t^2\big)\hat{i}+\big(4t-t^3\big)\hat{j}$ (미터). 각 성분을 미분하면: $\vec{v}=4t\,\hat{i}+(4-3t^2)\,\hat{j}$ 및 $\vec{a}=4\,\hat{i}-6t\,\hat{j}$. $t=1\ \text{s}$ 시점: $\vec{v}=4\hat{i}+1\hat{j}$, 따라서 속도는 $\sqrt{17}\approx4.1\ \text{m/s}$ – 새로운 물리 법칙은 없으며, 각 성분에 대해 하나의 미분만 수행했다.

각도를 이루며 발사된 포물선: 수평 및 수직 운동은 서로 독립
각도를 이루며 발사된 포물선: 수평 및 수직 운동은 서로 독립

포물선 운동에서 수평 및 수직 운동은 서로 독립적이지만 시간 $t$에 의해 연결됩니다. 수평으로는 $a_x=0$(등속), 수직으로는 $a_y=-g$입니다. 경로는 포물선 형태입니다. 이 성분 분해 방법은 각 축의 가속도가 알려진 모든 2차원 운동으로 확장됩니다.

해설 예제. 공을 $20\ \text{m/s}$, 수평선 above $30^{\circ}$ ($g=9.8\ \text{m/s}^2$)의 각도로 발사합니다. 성분은 $v_{0x}=20\cos30^{\circ}=17.3\ \text{m/s}$과 $v_{0y}=20\sin30^{\circ}=10\ \text{m/s}$입니다. 수직 운동이 시간을 결정하므로 총 비행 시간은 $=\dfrac{2v_{0y}}{g}=\dfrac{20}{9.8}=2.0\ \text{s}$, 최대 높이는 $=\dfrac{v_{0y}^2}{2g}=5.1\ \text{m}$, 사거리는 $=v_{0x}\times2.0=35\ \text{m}$입니다.

각도로 발사된 포사 운동: 속도 성분, 최대 높이, 및 사거리
각도로 발사된 포사 운동: 속도 성분, 최대 높이, 및 사거리
Explore · ⁨탐색하기⁩

Explore projectile motion · ⁨포물선 운동 탐구하기⁩

Fire the projectile, then vary the angle and speed. The horizontal motion is steady while gravity acts only downward — together they trace a parabola. Find the angle that gives the greatest range (it peaks near $45^\circ$), and try the Moon. · ⁨포물질을 발사한 후 **각도(angle)**와 **속도(speed)**를 변경하세요. 수평 운동은 일정하고 중력은 수직 방향으로만 작용하므로 **포물선(parabola)**를 그립니다. **사거리(range)**가 가장 길어지는 각도(약 $45^\circ$附近)를 찾아보고, 달(Moon) 환경에서도 시도해 보세요.⁩

Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
English 한국어
derivatives/dɪˈrɪvətɪvz/ 미분
average velocity/ˈævrɪdʒ vəˈlɒsɪti/ 평균 속도
instantaneous velocity/ˌɪnstənˈteɪnɪəs vəˈlɒsɪti/ 즉각 속도
free fall/friː fɔːl/ 자유 낙하
reference frame/ˈrefrəns freɪm/ 기준 좌표계
relative motion/ˈrelətɪv ˈməʊʃn/ 相대 운동
projectile motion/prəˈdʒektaɪl ˈməʊʃn/ 포물선 운동
1.5

Exam tips · ⁨시험 팁⁩

English
  • Resolve every vector into components before adding — never add magnitudes at an angle directly.
  • On Physics C you are expected to use calculus: velocity is $\vec v=\tfrac{d\vec r}{dt}$ and acceleration $\vec a=\tfrac{d\vec v}{dt}$; reverse with integration.
  • Carry and check units and treat direction with signs (choose a positive axis and stick to it).
  • Use the dot product for work-type quantities and the cross product for torque and angular momentum.
  • Sketch the vectors — a diagram catches sign and direction errors the algebra hides.
한국어
  • 벡터를 더하기 전에 반드시 성분을 분해하라 – 각도 있는状态下 직접 크기를 더하지 마라.
  • Physics C에서는 미적분 사용을 기대한다: 속도는 $\vec v=\tfrac{d\vec r}{dt}$이고 가속도는 $\vec a=\tfrac{d\vec v}{dt}$; 역연산은 적분으로 행한다.
  • 단위를 유지하고 확인하며, 방향은 부호로 다룬다 (양(+)의 축을 정하고 일관되게 사용하라).
  • 일-type 물리량은 점곱(dot product)을, 토크 및 각운동량은 곱(cross product)을 사용하라.
  • 벡터 도형을 그려라 – 도식이 대수식에서 숨겨진 부호와 방향 오류를 잡아준다.

Interactive lessons on this topic · ⁨이 주제에 대한 인터랙티브 수업⁩

Work through it step by step, with instant-check exercises. · ⁨즉시 체크 기능 exercises를 통해 단계별로 진행하세요.⁩

Past Papers · ⁨과거 시험지⁩

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