유형·난이도는 우리말 풀이가 붙은 문제는 선생님이 정했고, 나머지는 자동 분류라 다를 수 있어요. 난이도가 정해지지 않은 문제는 난이도로 거를 때 빠집니다.

32문제 · 2 / 2쪽

21.OpenStax 1권 · 3.4절 · 23번우리말 번역

[계산기 사용] 홀링 II형 방정식은 f(x)=axn+xf(x)=\frac{ax}{n+x} 로 나타내며, 여기서 xx 는 이용할 수 있는 먹이의 양이고 a>0a>0 는 포식자의 최대 섭취율이다.

a. a=0.5a=0.5 이고 n=5n=5 일 때 홀링 II형 방정식의 그래프를 그리세요. 홀링 I형 방정식과 II형 방정식의 차이점은 무엇인가요? b. 홀링 II형 방정식의 1계 도함수를 구하고, 그 도함수의 물리적 의미를 해석하세요. c. f(n)=12af(n)=\frac{1}{2}a 임을 보이고, 매개변수 nn 의 의미를 해석하세요. d. 2계 도함수를 구하고 그 의미를 해석하세요. 홀링 II형 함수가 홀링 I형 함수보다 더 현실적인 이유는 무엇인가요?

영어 원문 보기

[T] The Holling type II equation is described by f(x)=axn+x,f(x)=\frac{ax}{n+x}, where xx is the amount of prey available and a>0a>0 is the maximum consumption rate of the predator.

a. Graph the Holling type II equation given a=0.5a=0.5 and n=5.n=5. What are the differences between the Holling type I and II equations? b. Take the first derivative of the Holling type II equation and interpret the physical meaning of the derivative. c. Show that f(n)=12af(n)=\frac{1}{2}a and interpret the meaning of the parameter n.n. d. Find and interpret the meaning of the second derivative. What makes the Holling type II function more realistic than the Holling type I function?

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.1절 · 13번
# 속도와 가속도증명·논술자동 분류
OpenStax Calculus Volume 1 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
22.OpenStax 1권 · 3.4절 · 25번우리말 번역

[계산기 사용] 1937년부터 1943년까지 7년 동안 수집한 눈신토끼의 개체 수(단위: 천 마리)와 스라소니의 개체 수(단위: 백 마리)가 다음 표에 나와 있습니다. 눈신토끼는 스라소니의 주된 먹이입니다.

눈신토끼와 스라소니의 개체 수

눈신토끼의 개체 수(천 마리) 스라소니의 개체 수(백 마리)
20 10
55 15
65 55
95 60

출처: http://www.biotopics.co.uk/newgcse/predatorprey.html.

a. 자료의 점들을 그래프로 그리고, 어떤 홀링 유형 함수가 자료에 가장 잘 맞는지 판단하세요. b. 매개변수 aa 와 nn 의 의미를 이용하여, 자료의 그래프를 살펴보고 두 매개변수의 값을 구하세요. nn 은 포식자 값이 최댓값의 절반이 되게 하는 먹이 값을 나타낸다는 것을 기억하세요. c. 자료 위에 홀링 I형, II형, III형 함수의 그래프를 함께 그리세요. a에서 얻은 결과가 맞았습니까?

영어 원문 보기

[T] The populations of the snowshoe hare (in thousands) and the lynx (in hundreds) collected over 7 years from 1937 to 1943 are shown in the following table. The snowshoe hare is the primary prey of the lynx.

Snowshoe Hare and Lynx Populations

Population of snowshoe hare (thousands) Population of lynx (hundreds)
20 10
55 15
65 55
95 60

Source: http://www.biotopics.co.uk/newgcse/predatorprey.html.

a. Graph the data points and determine which Holling-type function fits the data best. b. Using the meanings of the parameters aa and n,n, determine values for those parameters by examining a graph of the data. Recall that nn measures what prey value results in the half-maximum of the predator value. c. Plot the resulting Holling-type I, II, and III functions on top of the data. Was the result from part a. correct?

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 3.4절 · 14번
# 속도와 가속도그래프·표 해석자동 분류
OpenStax Calculus Volume 1 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
23.CLP-1 · 3.1절 · 1번우리말 번역

공을 똑바로 위로 던졌고, t=0t=0 부터 t=4t=4 까지 공의 높이가 h(t)=−4.9t2+19.6th(t)=-4.9t^2+19.6t 로 주어진다고 하자. 참인지 거짓인지 판단하세요: 시각 t=2t=2 에서 공의 가속도는 0이다.

영어 원문 보기

Suppose you throw a ball straight up in the air, and its height from t=0t=0 to t=4t=4 is given by h(t)=−4.9t2+19.6th(t)=-4.9t^2+19.6t. True or false: at time t=2t=2, the acceleration of the ball is 0.

정답·풀이 보기

거짓이다. 공의 가속도는 h′′(t)=−9.8h''(t)=-9.8 이다. 이는 공이 움직이는 내내 상수이다(중력 때문이다).

참고: t=2t=2 에서 공의 속도는 h′(2)=−9.8(2)+19.6=0h'(2)=-9.8(2)+19.6=0 이므로 0이지만, 속도가 0인 것은 한 순간뿐이다. 속도가 변하고 있으므로 가속도는 0이 아니다.

원본 교재 풀이(영어)

False. The acceleration of the ball is given by h′′(t)=−9.8h''(t)=-9.8. This is constant throughout its trajectory (and is due to gravity).

Remark: the velocity of the ball at t=2t=2 is zero, since h′(2)=−9.8(2)+19.6=0h'(2)=-9.8(2)+19.6=0, but the velocity is only zero for an instant. Since the velocity is changing, the acceleration is nonzero.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.1절 · 15번
# 속도와 가속도개념 확인기본자동 분류
24.CLP-1 · 3.1절 · 2번우리말 번역

어떤 물체가 일정한 가속도로 움직인다고 하자. 이 물체가 1 ms1~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} 에서 2 ms2~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} 로 가속하는 데 10초가 걸린다. 2 ms2~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} 에서 3 ms3~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} 로 가속하는 데 걸리는 시간을 구하세요. 3 ms3~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} 에서 13 ms13~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} 로 가속하는 데 걸리는 시간을 구하세요.

영어 원문 보기

Suppose an object is moving with a constant acceleration. It takes ten seconds to accelerate from 1 ms1~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} to 2 ms2~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}. How long does it take to accelerate from 2 ms2~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} to 3 ms3~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}? How long does it take to accelerate from 3 ms3~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} to 13 ms13~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}?

정답·풀이 보기

가속도가 상수이므로 속도의 변화율이 상수이다. 따라서 속도가 1 m/s 증가하는 데(1 ms1~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} 에서 2 ms2~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} 로) 10초가 걸렸으므로, 속도가 1 m/s 증가하는 데에는 언제나 10초가 걸린다.

그러므로 2 ms2~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} 에서 3 ms3~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} 로 가속하는 데 10초가 걸린다. 3 ms3~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} 에서 13 ms13~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} 로 가속하는 데(즉, 속도가 10 m/s 변하는 데)에는 10×10=10010\times 10=100초가 걸린다.

원본 교재 풀이(영어)

The acceleration is constant, which means the rate of change of the velocity is constant. So, since it took 10 seconds for the velocity to increase by 1 metre per second (from 1 ms1~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} to 2 ms2~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}), then it always takes 10 seconds for the velocity to increase by 1 metre per second.

So, it takes 10 seconds to accelerate from 2 ms2~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} to 3 ms3~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}. To accelerate from 3 ms3~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} to 13 ms13~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} (that is, to change its velocity by 10 metres per second), it takes 10×10=10010\times 10=100 seconds.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.1절 · 1번
# 속도와 가속도활용기본자동 분류
25.CLP-1 · 3.1절 · 7번우리말 번역

이 절에서는 지구에서 떨어지는 물체와 관련된 여러 문제를 낸다. 달리 언급하지 않는 한, 공기 중에서 떨어지는 물체의 중력 가속도는 초당 초당 9.8미터(9.8 m/s²)라고 가정하세요.

당신은 2미터 떨어진 곳에 서 있는 친구에게 열쇠를 던집니다. 열쇠는 처음에 초속 2미터로 친구를 향해 움직이지만, 초당 초당 0.25미터의 비율로 느려집니다. 친구가 열쇠를 받으려고 반응할 수 있는 시간은 얼마인지 구하세요. 즉, 열쇠가 친구에게 닿기까지 날아가는 시간은 얼마인지 구하세요.

영어 원문 보기

For this section, we will ask you a number of questions that have to do with objects falling on Earth. Unless otherwise stated, you should assume that an object falling through the air has an acceleration due to gravity of 9.8 meters per second per second.

You toss a key to your friend, standing two metres away. The keys initially move towards your friend at 2 metres per second, but slow at a rate of 0.25 metres per second per second. How much time does your friend have to react to catch the keys? That is–how long are the keys flying before they reach your friend?

답 쓰고 채점
초
정답·풀이 보기

s(t)s(t) 를 열쇠가 손을 떠난 뒤 이동한 거리라고 하자. 열쇠가 움직이는 속력 s′(t)s'(t) 는 초당 0.25미터씩 감소한다. 즉, s′′(t)=−0.25s''(t)=-0.25 이다. 따라서 어떤 상수 cc 에 대해 s′(t)=−0.25t+cs'(t)=-0.25t+c 이다. c=s′(0)=2c=s'(0)=2 이므로 s′(t)=2−0.25ts'(t)=2-0.25t 이다. 그러면 s(t)s(t) 는 2−0.25t2-0.25t 를 도함수로 가지므로, 어떤 상수 dd 에 대해 s(t)=2t−18t2+ds(t)=2t-\frac{1}{8}t^2+d 이다. 시각 t=0t=0 에서 열쇠는 아직 어디로도 움직이지 않았으므로 0=s(0)=d0=s(0)=d 이다. 따라서 s(t)=2t−18t2s(t)=2t-\frac{1}{8}t^2 이다.

열쇠가 친구에게 닿는 때는 s(t)=2s(t)=2 이고 t>0t>0 일 때이다. 즉:

2=2t−18t20=18t2−2t+2t=8±43\begin{aligned} 2&=2t-\frac{1}{8}t^2\\ 0&=\frac{1}{8}t^2-2t+2\\ t&=8\pm4\sqrt{3} \end{aligned}

이 tt 의 값 중 어느 것이 실제로 열쇠가 친구에게 닿는 시각인지 가려내야 한다. 열쇠는 t=0t=0 부터 친구에게 닿는 시각까지 이렇게 움직인다. (그 뒤에는 s(t)s(t) 가 열쇠의 움직임을 나타내지 않는다.) 그러므로 s(t)=2s(t)=2 를 만족하는 양수 tt 중 처음 값을 찾아야 한다. 8−43>08-4\sqrt{3}>0 이므로 이 값이 s(t)=2s(t)=2 이고 t>0t>0 인 첫 번째 시각이다. 따라서 열쇠가 친구에게 닿기까지 걸리는 시간은 8−43≈1 초8-4\sqrt{3}\approx 1~\text{초} 이다.

원본 교재 풀이(영어)

Let s(t)s(t) be the distance your keys have travelled since they left your hand. The rate at which they are travelling, s′(t)s'(t), is decreasing by 0.25 metres per second. That is, s′′(t)=−0.25s''(t)=-0.25. Therefore, s′(t)=−0.25t+cs'(t)=-0.25t+c for some constant cc. Since c=s′(0)=2c=s'(0)=2, we see s′(t)=2−0.25ts'(t)=2-0.25t Then s(t)s(t) has 2−0.25t2-0.25t as its derivative, so s(t)=2t−18t2+ds(t)=2t-\frac{1}{8}t^2+d for some constant dd. At time t=0t=0, the keys have not yet gone anywhere, so 0=s(0)=d0=s(0)=d. Therefore, s(t)=2t−18t2s(t)=2t-\frac{1}{8}t^2

The keys reach your friend when s(t)=2s(t)=2 and t>0t>0. That is:

2=2t−18t20=18t2−2t+2t=8±43\begin{aligned} 2&=2t-\frac{1}{8}t^2\\ 0&=\frac{1}{8}t^2-2t+2\\ t&=8\pm4\sqrt{3} \end{aligned}

We need to figure out which of these values of tt is really the time when the keys reach your friend. The keys travel this way from t=0t=0 to the time they reach your friend. (Then s(t)s(t) no longer describes their motion.) So, we need to find the first value of tt that is positive with s(t)=2s(t)=2. Since 8−43>08-4\sqrt{3}>0, this is the first time s(t)=2s(t)=2 and t>0t>0. So, the keys take 8−43≈1 second8-4\sqrt{3}\approx 1~\text{second} to reach your friend.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.1절 · 17번
# 속도와 가속도활용보통자동 분류
26.CLP-1 · 3.1절 · 9번우리말 번역

이 절에서는 지구에서 낙하하는 물체와 관련된 여러 문제를 낸다. 달리 언급하지 않는 한, 공기 중에서 떨어지는 물체의 중력에 의한 가속도는 매초 매초 9.8미터라고 가정하세요.

당신은 시속 120 km로 달리고 있으며, 100미터 안에 멈춰야 합니다. 브레이크는 얼마만큼의 감속도를 내야 하는지 구하세요. 브레이크가 일정한 감속도를 만든다고 가정해도 됩니다.

영어 원문 보기

For this section, we will ask you a number of questions that have to do with objects falling on Earth. Unless otherwise stated, you should assume that an object falling through the air has an acceleration due to gravity of 9.8 meters per second per second.

You are driving at 120 kph, and need to stop in 100 metres. How much deceleration do your brakes need to provide? You may assume the brakes cause a constant deceleration.

정답·풀이 보기

브레이크가 내는 감속도를 d kmhr2d~\frac{\mathrm{km}}{\mathrm{hr}^2} 이라 하자. 그러면 v(t)v(t) 가 자동차의 속도일 때 v(t)=120−dtv(t)=120-dt 이다 (t=0t=0 에서 속도는 120이고, 1시간마다 시속 dd km씩 감소한다). 자동차는 0=v(t)0=v(t) 일 때 멈추므로 t=120dt=\frac{120}{d} 시간이다.

s(t)s(t) 를 브레이크를 밟은 지 tt 시간 후까지 자동차가 이동한 거리라 하자. 그러면 s′(t)=v(t)s'(t)=v(t) 이므로 어떤 상수 cc 에 대해 s(t)=120t−d2t2+cs(t)=120t-\frac{d}{2}t^2+c 이다. 0=s(0)=c0=s(0)=c 이므로

s(t)=120t−d2t2s(t)=120t-\frac{d}{2}t^2

자동차는 100미터, 즉 110\frac{1}{10} 킬로미터 안에 멈춰야 한다. 앞에서 정지하는 데 걸리는 시간이 t=120dt=\frac{120}{d} 임을 구했다. 따라서

110=s(120d)110=120(120d)−d2(120d)2양변에 d 를 곱하면:d10=1202−12022d=5⋅1202\begin{aligned} \frac{1}{10}&=s\left(\frac{120}{d}\right)\\ \frac{1}{10}&=120\left(\frac{120}{d}\right)-\frac{d}{2}\left(\frac{120}{d}\right)^2\\ \\ \text{양변에 $d$ 를 곱하면:} \\ \frac{d}{10}&=120^2-\frac{120^2}{2}\\ d&=5\cdot 120^2 \end{aligned}

따라서 브레이크는 1시간당 시속 72 000 km의 감속도를 내야 한다.

원본 교재 풀이(영어)

Suppose the deceleration provided by the brakes is d kmhr2d~\frac{\mathrm{km}}{\mathrm{hr}^2}. Then if v(t)v(t) is the velocity of the car, v(t)=120−dtv(t)=120-dt (at t=0t=0, the velocity is 120, and it decreases by dd kph per hour). The car stops when 0=v(t)0=v(t), so t=120dt=\frac{120}{d} hours.

Let s(t)s(t) be the distance the car has travelled tt hours after applying the brakes. Then s′(t)=v(t)s'(t)=v(t), so s(t)=120t−d2t2+cs(t)=120t-\frac{d}{2}t^2+c for some constant cc. Since 0=s(0)=c0=s(0)=c, s(t)=120t−d2t2s(t)=120t-\frac{d}{2}t^2

The car needs to stop in 100 metres, which is 110\frac{1}{10} kilometres. We already found that the stopping time is t=120dt=\frac{120}{d}. So:

110=s(120d)110=120(120d)−d2(120d)2Multiplying both sides by d:d10=1202−12022d=5⋅1202\begin{aligned} \frac{1}{10}&=s\left(\frac{120}{d}\right)\\ \frac{1}{10}&=120\left(\frac{120}{d}\right)-\frac{d}{2}\left(\frac{120}{d}\right)^2\\ \\ \text{Multiplying both sides by $d$:} \\ \frac{d}{10}&=120^2-\frac{120^2}{2}\\ d&=5\cdot 120^2 \end{aligned}

So, the brakes need to apply 72 000 kph per hour of deceleration.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 3.4절 · 10번
# 속도와 가속도활용보통자동 분류
27.CLP-1 · 3.1절 · 11번우리말 번역

이 절에서는 지구에서 떨어지는 물체와 관련된 여러 문제를 다룹니다. 따로 언급하지 않는 한, 공기 중에서 떨어지는 물체의 중력 가속도는 초당 초당 9.8미터라고 가정하세요.

이륙 약 8.5분 후 미국 우주왕복선은 궤도 속도인 시속 17 500마일에 도달했습니다. 가속도가 상수였다고 가정할 때, 그 8.5분 동안 얼마나 멀리 이동했는지 구하세요.

(출처: https://www.nasa.gov/mission_pages/shuttle/shuttlemissions/sts121/launch/qa-leinbach.html)

영어 원문 보기

For this section, we will ask you a number of questions that have to do with objects falling on Earth. Unless otherwise stated, you should assume that an object falling through the air has an acceleration due to gravity of 9.8 meters per second per second.

About 8.5 minutes after liftoff, the US space shuttle has reached orbital velocity, 17 500 miles per hour. Assuming its acceleration was constant, how far did it travel in those 8.5 minutes?

(Source: https://www.nasa.gov/mission_pages/shuttle/shuttlemissions/sts121/launch/qa-leinbach.html)

정답·풀이 보기

가속도가 상수였다면 가속도는 17500 mph8.560 hr≈123500 mileshr2\frac{17 500~\mathrm{mph}}{\frac{8.5}{60}~\mathrm{hr}} \approx 123 500 ~\frac{\mathrm{miles}}{\mathrm{hr}^2} 이다.

따라서 이륙 tt시간 후의 속도는 v(t)=123500tv(t)=123500t 이다. 그러므로 이륙 tt시간 후 왕복선의 위치는 (초기 위치를 s(0)=0s(0)=0으로 놓으면) s(t)=1235002t2=61750t2s(t)=\frac{123500}{2}t^2=61750t^2 이다. 따라서 8.560\frac{8.5}{60}시간 후 왕복선이 이동한 거리는 s(8.560)=(61750)(8.560)2≈1240 miless\left(\frac{8.5}{60}\right)=(61750)\left(\frac{8.5}{60}\right)^2\approx 1240 ~\mathrm{miles} 이며, 이는 2000킬로미터보다 조금 짧은 거리이다.

원본 교재 풀이(영어)

If the acceleration was constant, then it was 17500 mph8.560 hr≈123500 mileshr2\frac{17 500~\mathrm{mph}}{\frac{8.5}{60}~\mathrm{hr}} \approx 123 500 ~\frac{\mathrm{miles}}{\mathrm{hr}^2}

So, the velocity tt hours from liftoff is v(t)=123500tv(t)=123500t Therefore, the position of the shuttle tt hours from liftoff (taking s(0)=0s(0)=0 to be its initial position) is s(t)=1235002t2=61750t2s(t)=\frac{123500}{2}t^2=61750t^2 So, after 8.560\frac{8.5}{60} hours, the shuttle has travelled s(8.560)=(61750)(8.560)2≈1240 miless\left(\frac{8.5}{60}\right)=(61750)\left(\frac{8.5}{60}\right)^2\approx 1240 ~\mathrm{miles} or a little less than 2000 kilometres.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.1절 · 13번
# 속도와 가속도활용보통자동 분류
28.CLP-1 · 3.1절 · 13번우리말 번역

이 절에서는 지구에서 떨어지는 물체에 관한 여러 문제를 다룹니다. 따로 말하지 않는 한, 공기 중에서 떨어지는 물체의 중력 가속도는 초당 초당 9.8미터라고 가정하세요.

송골매는 시속 325 km의 속력으로 급강하할 수 있습니다. 돌을 떨어뜨린다면, 그 돌이 떨어지면서 같은 속력에 이르려면 얼마나 높은 곳에 있어야 하는지 구하세요.

영어 원문 보기

For this section, we will ask you a number of questions that have to do with objects falling on Earth. Unless otherwise stated, you should assume that an object falling through the air has an acceleration due to gravity of 9.8 meters per second per second.

A peregrine falcon can dive at a speed of 325 kph. If you were to drop a stone, how high up would you have to be so that the stone reached the same speed in its fall?

정답·풀이 보기

중력에 의해 낙하하는 물체의 가속도는 초의 제곱당 9.89.8 미터이다. 따라서 떨어뜨린 지 tt초 후 물체의 속도는 v(t)=9.8t msv(t)=9.8t~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} 이다. v(t)v(t) 가 송골매의 급강하 속력과 같아지게 하려면, 그 속력을 초속 미터로 바꾸어야 한다. 325 kmhr⋅(1000 m1 km)(1 hr3600 sec)=162518 ms325~\frac{\mathrm{km}}{\mathrm{hr}}\cdot \left(\frac{1000~\mathrm{m}}{1~\mathrm{km}}\right)\left(\frac{1~\mathrm{hr}}{3600~\mathrm{sec}}\right)=\frac{1625}{18}~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} 돌이 이 속도에 이르는 때는 9.8t=162518⇒t=162518(9.8)9.8t=\frac{1625}{18}\qquad\Rightarrow\qquad t=\frac{1625}{18(9.8)} 일 때이다.

이제 남은 것은 이 시간 동안 돌이 얼마나 떨어지는지 구하는 것이다. 돌의 위치 s(t)s(t) 의 도함수가 9.8t9.8t 이므로, s(0)=0s(0)=0 으로 잡으면 s(t)=4.9t2s(t)=4.9t^2 이다. 따라서 돌이 162518(9.8)\frac{1625}{18(9.8)} 초 동안 떨어지면, 그 시간 동안 이동한 거리는 s(162518(9.8))=4.9(162518(9.8))2≈416 ms\left(\frac{1625}{18(9.8)}\right)=4.9\left(\frac{1625}{18(9.8)}\right)^2\approx 416 ~\mathrm{m} 이다. 그러므로 돌이 송골매만큼 빠르게 떨어지게 하려면 약 416미터 높이에서 떨어뜨려야 한다.

원본 교재 풀이(영어)

The acceleration of a falling object due to gravity is 9.89.8 metres per second squared. So, the object's velocity tt seconds after being dropped is v(t)=9.8t msv(t)=9.8t~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} We want v(t)v(t) to be the speed of the peregrine's dive, so we should convert that to metres per second: 325 kmhr⋅(1000 m1 km)(1 hr3600 sec)=162518 ms325~\frac{\mathrm{km}}{\mathrm{hr}}\cdot \left(\frac{1000~\mathrm{m}}{1~\mathrm{km}}\right)\left(\frac{1~\mathrm{hr}}{3600~\mathrm{sec}}\right)=\frac{1625}{18}~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} The stone will reach this velocity when 9.8t=162518⇒t=162518(9.8)9.8t=\frac{1625}{18}\qquad\Rightarrow\qquad t=\frac{1625}{18(9.8)}

What is left to figure out is how far the stone will fall in this time. The position of the stone s(t)s(t) has derivative 9.8t9.8t, so s(t)=4.9t2s(t)=4.9t^2 if we take s(0)=0s(0)=0. So, if the stone falls for 162518(9.8)\frac{1625}{18(9.8)} seconds, in that time it travels s(162518(9.8))=4.9(162518(9.8))2≈416 ms\left(\frac{1625}{18(9.8)}\right)=4.9\left(\frac{1625}{18(9.8)}\right)^2\approx 416 ~\mathrm{m} So, you would have to drop a stone from about 416 metres for it to fall as fast as the falcon.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.1절 · 9번
# 속도와 가속도활용보통자동 분류
29.CLP-1 · 3.1절 · 14번우리말 번역

이 절에서는 지구에서 떨어지는 물체와 관련된 여러 문제를 낸다. 달리 말하지 않는 한, 공기 중에서 떨어지는 물체의 중력 가속도는 초당 초당 9.8 미터(9.8 m/s²)이라고 가정한다.

대포알을 초기 속도 v0v_0 로 공중에 쏘면 중력이 (다른 모든 힘은 무시할 때) 대포알을 다시 아래로 끌어내린다. 대포알이 100m 높이까지 올라갔다면 v0v_0 은 얼마였는지 구하세요.

영어 원문 보기

For this section, we will ask you a number of questions that have to do with objects falling on Earth. Unless otherwise stated, you should assume that an object falling through the air has an acceleration due to gravity of 9.8 meters per second per second.

You shoot a cannon ball into the air with initial velocity v0v_0, and then gravity brings it back down (neglecting all other forces). If the cannon ball made it to a height of 100m, what was v0v_0?

답 쓰고 채점
m/s
정답·풀이 보기

중력만이 대포알을 끌어내리므로 대포알의 가속도는 상수 −9.8 ms2-9.8~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}^2} 이다. 따라서 v(t)=v0−9.8tv(t)=v_0-9.8t 이고, (s(0)=0s(0)=0 으로 두면) 높이는 s(t)=v0t−4.9t2s(t)=v_0t-4.9t^2 으로 주어진다.

최고 높이가 100 미터가 되도록 하는 v0v_0 의 값을 구하려 한다. 최고 높이에 도달하는 때는 v(t)=0v(t)=0 일 때이며, 그 시각은 t=v09.8t=\frac{v_0}{9.8} 이다. 그러므로 다음을 푼다.

100=s(v09.8)100=v0(v09.8)−4.9(v09.8)2100=(19.8−4.99.82)v02100=12⋅9.8v02v02=1960v0=1960≈44 ms\begin{aligned} 100&=s\left(\frac{v_0}{9.8}\right)\\ 100&=v_0\left(\frac{v_0}{9.8}\right)-4.9\left(\frac{v_0}{9.8}\right)^2\\ 100&=\left(\frac{1}{9.8}-\frac{4.9}{9.8^2}\right)v_0^2\\ 100&=\frac{1}{2\cdot 9.8}v_0^2\\ v_0^2&=1960\\ v_0&=\sqrt{1960}\approx 44~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} \end{aligned}

대포알이 땅에서 떠오르려면 v0v_0 이 양수여야 하므로 양의 제곱근을 택한다.

원본 교재 풀이(영어)

Since gravity alone brings your cannon ball down, its acceleration is a constant −9.8 ms2-9.8~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}^2}. So, v(t)=v0−9.8tv(t)=v_0-9.8t and thus its height is given by s(t)=v0t−4.9t2s(t)=v_0t-4.9t^2 (if we set s(0)=0s(0)=0).

We want to know what value of v0v_0 makes the maximum height 100 metres. The maximum height is reached when v(t)=0v(t)=0, which is at time t=v09.8t=\frac{v_0}{9.8}. So, we solve:

100=s(v09.8)100=v0(v09.8)−4.9(v09.8)2100=(19.8−4.99.82)v02100=12⋅9.8v02v02=1960v0=1960≈44 ms\begin{aligned} 100&=s\left(\frac{v_0}{9.8}\right)\\ 100&=v_0\left(\frac{v_0}{9.8}\right)-4.9\left(\frac{v_0}{9.8}\right)^2\\ 100&=\left(\frac{1}{9.8}-\frac{4.9}{9.8^2}\right)v_0^2\\ 100&=\frac{1}{2\cdot 9.8}v_0^2\\ v_0^2&=1960\\ v_0&=\sqrt{1960}\approx 44~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} \end{aligned}

where we choose the positive square root because v0v_0 must be positive for the cannon ball to get off the ground.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.1절 · 7번
# 속도와 가속도활용보통자동 분류
30.CLP-1 · 3.1절 · 15번우리말 번역

이 절에서는 지구에서 물체가 떨어지는 것과 관련된 여러 가지 문제를 냅니다. 달리 언급하지 않는 한, 공기 중에서 떨어지는 물체의 중력에 의한 가속도는 1초당 초속 9.8미터라고 가정하세요.

시속 120 km로 달리고 있다가 1시간당 시속 5000050 000 km의 감속도로 브레이크를 밟기 시작했다고 합시다. 3초 동안 감속도를 1시간당 시속 6000060 000 km까지 꾸준히 늘립니다. (즉, 3초 동안 감속도의 변화율은 일정합니다.) 이 3초가 끝났을 때 시속 몇 km로 달리고 있는지 구하세요.

영어 원문 보기

For this section, we will ask you a number of questions that have to do with objects falling on Earth. Unless otherwise stated, you should assume that an object falling through the air has an acceleration due to gravity of 9.8 meters per second per second.

Suppose you are driving at 120 kph, and you start to brake at a deceleration of 5000050 000 kph per hour. For three seconds you steadily increase your deceleration to 6000060 000 kph per hour. (That is, for three seconds, the rate of change of your deceleration is constant.) How fast are you driving at the end of those three seconds?

답 쓰고 채점
km/h
정답·풀이 보기

가속도의 도함수는 상수이므로 가속도 a(t)a(t) 는 mt+bmt+b 꼴이다. a(0)=−50 000a(0)=-50~000 이고 a(33600)=−60 000a\left(\frac{3}{3600}\right)=-60~000 이다. (여기서 33초는 33600\frac{3}{3600}시간임에 주목한다.) 따라서 a(t)a(t) 의 기울기는 −60 000+50 00033600=−12 000 000\frac{-60~000+50~000}{\frac{3}{3600}}=-12~000~000 이고, 이로부터 a(t)=−50 000−(12 000 000)ta(t)=-50~000-(12~000~000)t 를 얻는다. 여기서 tt 는 시간 단위로 잰 값이다.

v′(t)=a(t)=−50 000−(12 000 000)tv'(t)=a(t)=-50~000-(12~000~000)t 이므로 v(t)=−12 000 0002t2−50 000t+c=−6 000 000t2−50 000t+cv(t)=\frac{-12~ 000~000}{2}t^2-50~000t+c=-6~000~000t^2-50~000t+c 이다. 여기서 cc 는 어떤 상수이다. 120=v(0)=c120=v(0)=c 이므로 v(t)=−6 000 000t2−50 000t+120v(t)=-6~000~000t^2-50~000t+120 이다.

그러면 3초 동안 브레이크를 밟은 뒤의 속도는

v(33600)=−6 000 000(33600)2−50 000(33600)+120=−256−1253+120≈74.2 kph\begin{aligned}v\left(\frac{3}{3600}\right) &=-6~000~000\left(\frac{3}{3600}\right)^2-50~000\left(\frac{3}{3600}\right)+120\\ &=-\frac{25}{6}-\frac{125}{3}+120\\ &\approx 74.2 \text{ kph} \end{aligned}

이다.

참고: 가속도가 일정할 때 위치 함수는 이차함수이지만, 위치 함수가 항상 이차함수라고 생각하게 하려는 것은 아니다. 방금 푼 예에서는 속도 함수가 이차함수였다. 위치 함수, 속도 함수, 가속도 함수가 반드시 다항식일 필요는 전혀 없다. 가장 단순한 경우를 다루는 이 절에서만 그렇게 보일 뿐이다.

원본 교재 풀이(영어)

The derivative of acceleration is constant, so the acceleration a(t)a(t) has the form mt+bmt+b. We know a(0)=−50 000a(0)=-50~000 and a(33600)=−60 000a\left(\frac{3}{3600}\right)=-60~000 (where we note that 33 seconds is 33600\frac{3}{3600} hours). So, the slope of a(t)a(t) is −60 000+50 00033600=−12 000 000\frac{-60~000+50~000}{\frac{3}{3600}}=-12~000~000, which leads us to a(t)=−50 000−(12 000 000)ta(t)=-50~000-(12~000~000)t where tt is measured in hours.

Since v′(t)=a(t)=−50 000−(12 000 000)tv'(t)=a(t)=-50~000-(12~000~000)t, we see v(t)=−12 000 0002t2−50 000t+c=−6 000 000t2−50 000t+cv(t)=\frac{-12~ 000~000}{2}t^2-50~000t+c=-6~000~000t^2-50~000t+c for some constant cc. Since 120=v(0)=c120=v(0)=c: v(t)=−6 000 000t2−50 000t+120v(t)=-6~000~000t^2-50~000t+120

Then after three seconds of braking,

v(33600)=−6 000 000(33600)2−50 000(33600)+120=−256−1253+120≈74.2 kph\begin{aligned}v\left(\frac{3}{3600}\right) &=-6~000~000\left(\frac{3}{3600}\right)^2-50~000\left(\frac{3}{3600}\right)+120\\ &=-\frac{25}{6}-\frac{125}{3}+120\\ &\approx 74.2 \text{ kph} \end{aligned}

Remark: When acceleration is constant, the position function is a quadratic function, but we don't want you to get the idea that position functions are always quadratic functions–in the example you just did, it was the velocity function that was quadratic. Position, velocity, and acceleration functions don't have to be polynomial at all–it's only in this section, where we're dealing with the simplest cases, that they seem that way.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 3.4절 · 4번
# 속도와 가속도활용보통자동 분류
31.CLP-1 · 3.1절 · 16번우리말 번역

당신은 트램펄린 가장자리에서 처음 위쪽 속도 초속 11 미터로 뛰어오릅니다. 공중에 있는 동안 중력 때문에 당신의 감속도는 일정하게 초당 9.89.8 미터씩 매초 늘어납니다. 트램펄린에 닿은 뒤 떨어지는 동안에는 당신의 속력이 초당 4.94.9 미터마다 매초씩 줄어듭니다. 점프의 최고점부터 트램펄린 위에서 가장 낮은 지점까지 몇 초가 지나는지 구하세요.

그림

그림

영어 원문 보기

You jump up from the side of a trampoline with an initial upward velocity of 11 metre per second. While you are in the air, your deceleration is a constant 9.89.8 metres per second per second due to gravity. Once you hit the trampoline, as you fall your speed decreases by 4.94.9 metres per second per second. How many seconds pass between the peak of your jump and the lowest part of your fall on the trampoline?

figure

figure

정답·풀이 보기

(1) 뛰어오른 뒤 트램펄린에 닿기 전과 (2) 트램펄린 속으로 떨어지는 동안에는 서로 다른 힘이 작용한다. 두 경우 모두 가속도가 상수이므로 두 높이 함수는 모두 a2t2+vt+h\frac{a}{2}t^2+vt+h 꼴의 이차함수이다. 여기서 aa 는 가속도, vv 는 t=0t=0 일 때의 속도, hh 는 처음 높이이다.

  • 먼저 (1), 즉 점프하는 동안 발이 트램펄린에 닿기 전의 시간을 생각하자. t=0t=0 을 뛰어오른 순간으로 하고, 트램펄린 가장자리의 높이를 00 으로 하자. 처음 속도가 (양수) 초속 11 미터였으므로 높이는 다음과 같다. h1(t)=−9.82t2+t=t(−9.82t+1)h_1(t)=\frac{-9.8}{2}t^2+t=t\left(\frac{-9.8}{2}t+1\right) 가속도가 양의 속도와 반대로 작용하므로 음의 부호가 붙는다는 점에 주의한다.
  • 떨어지다가 발이 처음 트램펄린에 닿을 때의 속도를 알아야 한다. 점프한 뒤 발이 처음 트램펄린에 닿는 시각은 바로 h1(t)=0h_1(t)=0 이고 t>0t>0 일 때이다. 즉 t=29.8t=\frac{2}{9.8} 일 때이다. 이제 h′(t)=−9.8t+1h'(t)=-9.8t+1 이므로 h′(29.8)=−9.8(29.8)+1=−1h'\left(\frac{2}{9.8}\right)=-9.8\left(\frac{2}{9.8}\right)+1=-1 이다. 따라서 발이 트램펄린에 닿는 순간 당신은 초속 1 미터로 내려가고 있다.

참고: 이 값이 처음 속력과 같은 것은 우연만은 아니다. 포물선의 대칭성과 에너지 보존을 생각해 보자.

  • 이제 트램펄린이 낙하를 늦추는 동안의 높이를 생각해야 한다. 일반식 a2t2+vt+h\frac{a}{2}t^2+vt+h 에서 vv 는 t=0t=0 일 때의 속도라는 점을 기억하자. 그런데 트램펄린에 닿는 시각은 t=0t=0 이 아니라 t=29.8t=\frac{2}{9.8} 이다. 간단히 하기 위해 여정의 두 번째 부분에는 다른 시간 척도를 쓰자. 발이 트램펄린 표면에 닿는 순간(T=0T=0)부터 낙하의 맨 아래까지, 시각 TT 에서의 높이를 h2(T)h_2(T) 라 하자. 이제 처음 속도가 초속 −1-1 미터(높이가 줄어들므로 음수)이고 가속도가 초당 4.94.9 미터마다 매초(속도가 음수에서 00 으로 증가하므로 양수)라는 사실을 쓸 수 있다. h2(T)=4.92T2−Th_2(T)=\frac{4.9}{2}T^2-T 여기서도 트램펄린 가장자리의 높이는 00 으로 본다.

참고: 자유 낙하할 때의 가속도는 음수인데 트램펄린 위에서의 가속도는 양수라는 점이 혼란스럽다면, 중력은 당신을 아래로 밀고 트램펄린은 당신을 위로 민다는 것을 기억하자.

  • 트램펄린 속에서 얼마나 오래 떨어졌을까? 식 h2(T)h_2(T) 는 트램펄린이 낙하를 늦추는 동안에만 높이를 알려 준다. 속도가 00 이 될 때 낙하의 맨 아래에 이른다. h2′(T)=4.9T−1h_2'(T)=4.9T-1 이므로 T=14.9T=\frac{1}{4.9} 일 때 낙하의 맨 아래에 이른다. 주의하자. 이것은 트램펄린에 닿은 때로부터 14.9\frac{1}{4.9} 초 뒤이지, 낙하의 최고점이나 뛰어오른 때로부터가 아니다.
  • 마지막 조각은 점프의 최고점에서 트램펄린 표면까지 떨어지는 데 걸린 시간이다. 그동안의 운동을 나타내는 식은 h1(t)=−9.82t2+th_1(t)=\frac{-9.8}{2}t^2+t 이다. 속도가 00 일 때 최고점에 이른다. h1′(t)=−9.8t+1=0⇒t=19.8h_1'(t)=-9.8t+1 =0\qquad\Rightarrow\qquad t=\frac{1}{9.8} 따라서 당신은 t=19.8t=\frac{1}{9.8} 에서 최고점을 출발하여 t=21.98t=\frac{2}{1.98} 에서 트램펄린 가장자리 높이에 이르렀으므로, 낙하에 19.8\frac{1}{9.8} 초가 걸렸다.

참고: 앞에서 언급한 대칭성에 의해, 점프의 최고점에서 트램펄린 표면까지 떨어지는 데 걸린 시간은 가장자리에서 뛰어오른 순간부터 다시 트램펄린 표면에 닿는 순간까지 걸린 시간의 절반과 같다.

  • 따라서 점프의 최고점에서 맨 아래까지 떨어진 시간은 19.8+14.9≈0.3\frac{1}{9.8}+\frac{1}{4.9}\approx 0.3 초이다.
원본 교재 풀이(영어)

Different forces are acting on you (1) after you jump but before you land on the trampoline, and (2) while you are falling into the trampoline. In both instances, the acceleration is constant, so both height functions are quadratic, of the form a2t2+vt+h\frac{a}{2}t^2+vt+h, where aa is the acceleration, vv is the velocity when t=0t=0, and hh is the initial height.

  • Let's consider (1) first, the time during your jump before your feet touch the trampoline. Let t=0t=0 be the moment you jump, and let the rim of the trampoline be height 00. Then, since your initial velocity was (positive) 11 meter per second, your height is given by h1(t)=−9.82t2+t=t(−9.82t+1)h_1(t)=\frac{-9.8}{2}t^2+t=t\left(\frac{-9.8}{2}t+1\right) Notice that, because your acceleration is working against your positive velocity, it has a negative sign.
  • We'll need to know your velocity when your feet first touch the trampoline on your fall. The time your feet first first touch the trampoline after your jump is precisely when h1(t)=0h_1(t)=0 and t>0t>0. That is, when t=29.8t=\frac{2}{9.8}. Now, since h′(t)=−9.8t+1h'(t)=-9.8t+1, h′(29.8)=−9.8(29.8)+1=−1h'\left(\frac{2}{9.8}\right)=-9.8\left(\frac{2}{9.8}\right)+1=-1. So, you are descending at a rate of 1 metre per second at the instant your feet touch the trampoline.

Remark: it is not only coincidence that this was your initial speed. Think about the symmetries of parabolas, and conservation of energy.

  • Now we need to think about your height as the trampoline is slowing your fall. One thing to remember about our general equation a2t2+vt+h\frac{a}{2}t^2+vt+h is that vv is the velocity when t=0t=0. But, you don't hit the trampoline at t=0t=0, you hit it at t=29.8t=\frac{2}{9.8}. In order to keep things simple, let's use a different time scale for this second part of your journey. Let's let h2(T)h_2(T) be your height at time TT, from the moment your feet touch the trampoline skin (T=0T=0) to the bottom of your fall. Now, we can use the fact that your initial velocity is −1-1 metres per second (negative, since your height is decreasing) and your acceleration is 4.94.9 metres per second per second (positive, since your velocity is increasing from a negative number to zero): h2(T)=4.92T2−Th_2(T)=\frac{4.9}{2}T^2-T where still the height of the rim of the trampoline is taken to be zero.

Remark: if it seems very confusing that your free-falling acceleration is negative, while your acceleration in the trampoline is positive, remember that gravity is pushing you down, but the trampoline is pushing you up.

  • How long were you falling in the trampoline? The equation h2(T)h_2(T) tells you your height only as long as the trampoline is slowing your fall. You reach the bottom of your fall when your velocity is zero. h2′(T)=4.9T−1h_2'(T)=4.9T-1 so you reach the bottom of your fall at T=14.9T=\frac{1}{4.9}. Be careful: this is 14.9\frac{1}{4.9} seconds after you entered the trampoline, not after the peak of your fall, or after you jumped.
  • The last piece of the puzzle is how long it took you to fall from the peak of your jump to the surface of the trampoline. We know the equation of your motion during that time: h1(t)=−9.82t2+th_1(t)=\frac{-9.8}{2}t^2+t. You reached the peak when your velocity was zero: h1′(t)=−9.8t+1=0⇒t=19.8h_1'(t)=-9.8t+1 =0\qquad\Rightarrow\qquad t=\frac{1}{9.8} So, you fell from your peak at t=19.8t=\frac{1}{9.8} and reached the level of the trampoline rim at t=21.98t=\frac{2}{1.98}, which means the fall took 19.8\frac{1}{9.8} seconds.

Remark: by the symmetry mentioned early, the time it took to fall from the peak of your jump to the surface of the trampoline is the same as one-half the time from the moment you jumped off the rim to the moment you're back on the surface of the trampoline.

  • So, your time falling from the peak of your jump to its bottom was 19.8+14.9≈0.3\frac{1}{9.8}+\frac{1}{4.9}\approx 0.3 seconds.
한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.1절 · 11번
# 속도와 가속도그래프·표 해석도전자동 분류
32.CLP-1 · 3.1절 · 17번우리말 번역

어떤 물체가 매초 속도가 두 배가 되도록 움직인다고 하자. 이 물체의 가속도를 나타내는 식을 구하세요.

영어 원문 보기

Suppose an object is moving so that its velocity doubles every second. Give an expression for the acceleration of the object.

정답·풀이 보기

v(t)v(t) 를 물체의 속도라 하자. 주어진 정보로부터 다음을 얻는다.

  • v(0)v(0) 은 어떤 값이며, 이를 v0v_0 이라 한다,
  • v(1)=2v0v(1)=2v_0 (첫 번째 1초 동안 속력이 두 배가 되었으므로),
  • v(2)=2(2)v0v(2)=2(2)v_0 (두 번째 1초 동안 속력이 두 배가 되었으므로),
  • v(3)=2(2)(2)v0v(3)=2(2)(2)v_0, 이와 같은 식으로 계속된다. 따라서 일반적인 tt 에 대해 다음이 성립한다. v(t)=2tv(0)v(t)=2^tv(0) 가속도를 구하기 위해 간단히 미분하면 된다. ddx{2x}=2xlog⁡2\displaystyle \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{2^x\}=2^x\log 2 임을 기억하자. 여기서 log⁡\log 는 밑이 ee 인 로그를 뜻한다. a(t)=2tv0log⁡2a(t)=2^tv_0\log 2 참고: a(t)=v(t)log⁡2a(t)=v(t)\log 2 로 쓸 수도 있다. 가속도 역시 매초 두 배가 된다.
원본 교재 풀이(영어)

Let v(t)v(t) be the velocity of the object. From the given information:

  • v(0)v(0) is some value, call it v0v_0,
  • v(1)=2v0v(1)=2v_0 (since the speed doubled in the first second),
  • v(2)=2(2)v0v(2)=2(2)v_0 (since the speed doubled in the second second),
  • v(3)=2(2)(2)v0v(3)=2(2)(2)v_0, and so on. So, for general tt: v(t)=2tv(0)v(t)=2^tv(0) To find its acceleration, we simply differentiate. Recall ddx{2x}=2xlog⁡2\displaystyle \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{2^x\}=2^x\log 2, where log⁡\log denotes logarithm base ee. a(t)=2tv0log⁡2a(t)=2^tv_0\log 2 Remark: we can also write a(t)=v(t)log⁡2a(t)=v(t)\log 2. The acceleration doubles every second as well.
한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.1절 · 16번
# 속도와 가속도활용도전자동 분류