두 물체가 충돌할 때 충돌 후 상대 속도의 크기 충돌 전 상대 속도의 크기 \frac{\text{충돌 후 상대 속도의 크기}}{\text{충돌 전 상대 속도의 크기}}충돌 전 상대 속도의 크기 충돌 후 상대 속도의 크기 인 물리량이다. 기호로는 e ee 로 나타낸다.
그림 (가)는 마찰이 없는 수평면에서 물체 A \mathrm{A}A , B \mathrm{B}B 가 서로를 향해 각각 v vv , 1 m / s 1\,\mathrm{m/s}1 m / s 의 속력으로 등속도 운동하는 것을,
(나)는 (가)에서 A \mathrm{A}A , B \mathrm{B}B 가 충돌한 후 A \mathrm{A}A , B \mathrm{B}B 의 속력이 각각 1 m / s 1\,\mathrm{m/s}1 m / s , 3 m / s 3\,\mathrm{m/s}3 m / s 인 모습을 나타낸 것이다.
A \mathrm{A}A , B \mathrm{B}B 의 질량이 각각 2 k g 2\,\mathrm{kg}2 k g , 1 k g 1\,\mathrm{kg}1 k g 일 때, v vv 와 반발 계수 e ee 를 구해보자. (단, 물체의 크기는 무시한다.)
오른쪽 방향을 양( + ) (+)( + ) 이라 할 때, (가)에서 충돌 전 A \mathrm{A}A 와 B \mathrm{B}B 의 운동량의 합은
2 k g × v + 1 k g × ( − 1 m / s ) , 2\,\mathrm{kg}\times v + 1\,\mathrm{kg}\times (-1\,\mathrm{m/s}),2 k g × v + 1 k g × ( − 1 m / s ) ,
2 v k g − 1 k g ⋅ m / s 2v\,\mathrm{kg} - 1\,\mathrm{kg·m/s}2 v k g − 1 k g ⋅ m / s 이다.
충돌 후 A \mathrm{A}A 와 B \mathrm{B}B 의 운동량의 합은
2 k g × 1 m / s + 1 k g × 3 m / s , 2\,\mathrm{kg}\times 1\,\mathrm{m/s} + 1\,\mathrm{kg}\times 3\,\mathrm{m/s},2 k g × 1 m / s + 1 k g × 3 m / s ,
2 k g ⋅ m / s + 3 k g ⋅ m / s = 5 k g ⋅ m / s 2\,\mathrm{kg·m/s} + 3\,\mathrm{kg·m/s} = 5\,\mathrm{kg·m/s}2 k g ⋅ m / s + 3 k g ⋅ m / s = 5 k g ⋅ m / s 이다.
충돌하는 물체의 운동량의 합은 운동량 보존 법칙에 의해 충돌 전과 후가 같으므로
2 v k g − 1 k g ⋅ m / s = 5 k g ⋅ m / s , 2v\,\mathrm{kg} - 1\,\mathrm{kg·m/s} = 5\,\mathrm{kg·m/s},2 v k g − 1 k g ⋅ m / s = 5 k g ⋅ m / s ,
2 v k g = 6 k g ⋅ m / s , 2v\,\mathrm{kg} = 6\,\mathrm{kg·m/s},2 v k g = 6 k g ⋅ m / s ,
v k g = 3 k g ⋅ m / s , v\,\mathrm{kg} = 3\,\mathrm{kg·m/s},v k g = 3 k g ⋅ m / s ,
v = 3 m / s v = 3\,\mathrm{m/s}v = 3 m / s 이다.
충돌 전과 충돌 후의 A \mathrm{A}A 또는 B \mathrm{B}B 의 상대 속도를 구해보자:
A \mathrm{A}A 가 관찰자인 경우
A \mathrm{A}A 가 봤을 때 B \mathrm{B}B 의 속도는 v B − v A v_{\mathrm{B}} - v_{\mathrm{A}}v B − v A 이므로
충돌 전이 − 1 m / s − 3 m / s = − 4 m / s -1\,\mathrm{m/s} - 3\,\mathrm{m/s} = -4\,\mathrm{m/s}− 1 m / s − 3 m / s = − 4 m / s 이고, 충돌 후가 3 m / s − 1 m / s = 2 m / s 3\,\mathrm{m/s} - 1\,\mathrm{m/s} = 2\,\mathrm{m/s}3 m / s − 1 m / s = 2 m / s 이다.
B \mathrm{B}B 가 관찰자인 경우
B \mathrm{B}B 가 봤을 때 A \mathrm{A}A 의 속도는 v A − v B v_{\mathrm{A}} - v_{\mathrm{B}}v A − v B 이므로
충돌 전이 3 m / s − ( − 1 m / s ) = 4 m / s 3\,\mathrm{m/s} - (-1\,\mathrm{m/s}) = 4\,\mathrm{m/s}3 m / s − ( − 1 m / s ) = 4 m / s 이고, 충돌 후가 1 m / s − 3 m / s = − 2 m / s 1\,\mathrm{m/s} - 3\,\mathrm{m/s} = -2\,\mathrm{m/s}1 m / s − 3 m / s = − 2 m / s 이다.
그러므로 A \mathrm{A}A 와 B \mathrm{B}B 의 상대 속도의 크기는 충돌 전이 4 m / s 4\,\mathrm{m/s}4 m / s 이고, 충돌 후가 2 m / s 2\,\mathrm{m/s}2 m / s 이다.
따라서 반발 계수 e = 충돌 후 상대 속도의 크기 충돌 전 상대 속도의 크기 = 2 m / s 4 m / s = 1 2 e = \frac{\text{충돌 후 상대 속도의 크기}}{\text{충돌 전 상대 속도의 크기}} = \frac{2\,\mathrm{m/s}}{4\,\mathrm{m/s}} = \frac{1}{2}e = 충돌 전 상대 속도의 크기 충돌 후 상대 속도의 크기 = 4 m / s 2 m / s = 2 1 이다.
반발 계수 e ee 의 값에 따라 탄성 충돌, 비탄성 충돌, 완전 비탄성 충돌로 나뉜다.
e = 1 e = 1e = 1 일 때의 충돌이다.
운동 에너지의 손실이 일어나지 않으므로 충돌 전후 물체의 운동 에너지의 합이 같다.
0 < e < 1 0<e<10 < e < 1 일 때의 충돌이다.
운동 에너지의 손실이 일어나며, 충돌로 한 덩어리로 합쳐지지 않는다.
e = 0 e = 0e = 0 일 때의 충돌이다.
운동 에너지의 손실이 일어나며, 충돌로 한 덩어리로 합쳐진다.
그림은 마찰이 없는 x y xyx y 평면에서 2 m / s 2\,\mathrm{m/s}2 m / s 의 속력으로 등속도 운동하던 물체 A \mathrm{A}A 가 원점에 정지해 있는 물체 B \mathrm{B}B 와 충돌한 것을 나타낸 것이다.
충돌 후 A \mathrm{A}A 와 B \mathrm{B}B 는 x xx 축과 각각 6 0 ∘ 60^\circ6 0 ∘ , 3 0 ∘ 30^\circ3 0 ∘ 의 각을 이루며 운동하고, A \mathrm{A}A 와 B \mathrm{B}B 의 속력은 각각 v A v_{\mathrm{A}}v A , v B v_{\mathrm{B}}v B 이다.
A \mathrm{A}A 와 B \mathrm{B}B 의 질량이 1 k g 1\,\mathrm{kg}1 k g 으로 같을 때, v A v_{\mathrm{A}}v A , v B v_{\mathrm{B}}v B 를 구하고 A \mathrm{A}A 와 B \mathrm{B}B 는 어떤 충돌을 했는지 확인해보자. (단, 물체의 크기는 무시한다.)
축 방향을 양( + ) (+)( + ) 으로 할 때, 충돌 전후 A , B \mathrm{A}, \mathrm{B}A , B 의 운동량을 x , y x, yx , y 성분으로 분해하면 아래 그림과 표와 같다.
구분
물체
$x$ 성분
$y$ 성분
충돌 전
$\mathrm{A}$
$2\,\mathrm{kg·m/s}$
$0$
$\mathrm{B}$
$0$
$0$
충돌 후
$\mathrm{A}$
$v_{\mathrm{A}}\,\mathrm{kg} \times \cos 60^\cir$
$=v_{\mathrm{A}}\,\mathrm{kg} \times \frac{1}{2}$
$=\frac{1}{2} v_{\mathrm{A}}\,\mathrm{kg}$
$v_{\mathrm{A}}\,\mathrm{kg} \times \sin 60^\circ$
$=v_{\mathrm{A}}\,\mathrm{kg} \times \frac{\sqrt{3}}{2}$
$=\frac{\sqrt{3}}{2} v_{\mathrm{A}}\,\mathrm{kg}$
$\mathrm{B}$
$v_{\mathrm{B}}\,\mathrm{kg} \times \cos 30^\circ$
$=v_{\mathrm{B}}\,\mathrm{kg} \times \frac{\sqrt{3}}{2}$
$=\frac{\sqrt{3}}{2} v_{\mathrm{B}}\,\mathrm{kg}$
$-v_{\mathrm{B}}\,\mathrm{kg} \times \sin 30^\circ$
$=-v_{\mathrm{B}}\,\mathrm{kg} \times \frac{1}{2}$
$=-\frac{1}{2} v_{\mathrm{B}}\,\mathrm{kg}$
운동량 보존 법칙을 x xx , y yy 성분에 각각 적용한다.
x xx 성분에 운동량 보존 법칙 적용:
2 k g ⋅ m / s = 1 2 v A k g + 3 2 v B k g 2\,\mathrm{kg·m/s} = \frac{1}{2}v_{\mathrm{A}}\,\mathrm{kg} + \frac{\sqrt{3}}{2}v_{\mathrm{B}}\,\mathrm{kg}2 k g ⋅ m / s = 2 1 v A k g + 2 3 v B k g ⋯①
y yy 성분에 운동량 보존 법칙 적용:
0 = 3 2 v A k g − 1 2 v B k g , 0 = \frac{\sqrt{3}}{2}v_{\mathrm{A}}\,\mathrm{kg} - \frac{1}{2}v_{\mathrm{B}}\,\mathrm{kg},0 = 2 3 v A k g − 2 1 v B k g ,
3 2 v A k g = 1 2 v B k g , \frac{\sqrt{3}}{2}v_{\mathrm{A}}\,\mathrm{kg} = \frac{1}{2}v_{\mathrm{B}}\,\mathrm{kg},2 3 v A k g = 2 1 v B k g ,
3 2 v A = 1 2 v B , \frac{\sqrt{3}}{2}v_{\mathrm{A}} = \frac{1}{2}v_{\mathrm{B}},2 3 v A = 2 1 v B ,
v B = 3 v A v_{\mathrm{B}} = \sqrt{3}\,v_{\mathrm{A}}v B = 3 v A ⋯②이다.
이를 ①에 넣으면
2 k g ⋅ m / s = 1 2 v A k g + 3 2 v B k g 2\,\mathrm{kg·m/s} = \frac{1}{2}v_{\mathrm{A}}\,\mathrm{kg} + \frac{\sqrt{3}}{2}v_{\mathrm{B}}\,\mathrm{kg}2 k g ⋅ m / s = 2 1 v A k g + 2 3 v B k g ⋯①에서
2 k g ⋅ m / s = 1 2 v A k g + 3 2 × 3 v A k g , 2\,\mathrm{kg·m/s} = \frac{1}{2}v_{\mathrm{A}}\,\mathrm{kg} + \frac{\sqrt{3}}{2}\times \sqrt{3}\,v_{\mathrm{A}}\,\mathrm{kg},2 k g ⋅ m / s = 2 1 v A k g + 2 3 × 3 v A k g ,
2 k g ⋅ m / s = 1 2 v A k g + 3 2 v A k g , 2\,\mathrm{kg·m/s} = \frac{1}{2}v_{\mathrm{A}}\,\mathrm{kg} + \frac{3}{2}v_{\mathrm{A}}\,\mathrm{kg},2 k g ⋅ m / s = 2 1 v A k g + 2 3 v A k g ,
2 k g ⋅ m / s = 2 v A k g , 2\,\mathrm{kg·m/s} = 2v_{\mathrm{A}}\,\mathrm{kg},2 k g ⋅ m / s = 2 v A k g ,
2 m / s = 2 v A , 2\,\mathrm{m/s} = 2v_{\mathrm{A}},2 m / s = 2 v A ,
v A = 1 m / s v_{\mathrm{A}} = 1\,\mathrm{m/s}v A = 1 m / s 이다.
이를 ②에 넣으면 v B = 3 v A v_{\mathrm{B}} = \sqrt{3}v_{\mathrm{A}}v B = 3 v A ⋯②에서
v B = 3 × 1 m / s , v_{\mathrm{B}} = \sqrt{3}\times 1\,\mathrm{m/s},v B = 3 × 1 m / s ,
v B = 3 m / s v_{\mathrm{B}} = \sqrt{3}\,\mathrm{m/s}v B = 3 m / s 이다.
충돌 전 A \mathrm{A}A 와 B \mathrm{B}B 의 운동 에너지의 합은
1 2 × 1 k g × ( 2 m / s ) 2 + 1 2 × 1 k g × ( 0 m / s ) 2 , \frac{1}{2}\times 1\,\mathrm{kg}\times (2\,\mathrm{m/s})^2 + \frac{1}{2}\times 1\,\mathrm{kg}\times (0\,\mathrm{m/s})^2,2 1 × 1 k g × ( 2 m / s ) 2 + 2 1 × 1 k g × ( 0 m / s ) 2 ,
1 2 × 1 k g × ( 2 m / s ) 2 + 0 , \frac{1}{2}\times 1\,\mathrm{kg}\times (2\,\mathrm{m/s})^2 + 0,2 1 × 1 k g × ( 2 m / s ) 2 + 0 ,
1 2 × 1 k g × 4 m 2 / s 2 , \frac{1}{2}\times 1\,\mathrm{kg}\times 4\,\mathrm{m^2/s^2},2 1 × 1 k g × 4 m 2 / s 2 ,
2 k g ⋅ m 2 / s 2 = 2 J 2\,\mathrm{kg·m^2/s^2} = 2\,\mathrm{J}2 k g ⋅ m 2 / s 2 = 2 J 이다.
충돌 후 A \mathrm{A}A 와 B \mathrm{B}B 의 운동 에너지의 합은
1 2 × 1 k g × ( 1 m / s ) 2 + 1 2 × 1 k g × ( 3 m / s ) 2 , \frac{1}{2}\times 1\,\mathrm{kg}\times (1\,\mathrm{m/s})^2 + \frac{1}{2}\times 1\,\mathrm{kg}\times (\sqrt{3}\,\mathrm{m/s})^2,2 1 × 1 k g × ( 1 m / s ) 2 + 2 1 × 1 k g × ( 3 m / s ) 2 ,
1 2 × 1 k g × 1 m 2 / s 2 + 1 2 × 1 k g × 3 m 2 / s 2 , \frac{1}{2}\times 1\,\mathrm{kg}\times 1\,\mathrm{m^2/s^2} + \frac{1}{2}\times 1\,\mathrm{kg}\times 3\,\mathrm{m^2/s^2},2 1 × 1 k g × 1 m 2 / s 2 + 2 1 × 1 k g × 3 m 2 / s 2 ,
2 k g ⋅ m 2 / s 2 = 2 J 2\,\mathrm{kg·m^2/s^2} = 2\,\mathrm{J}2 k g ⋅ m 2 / s 2 = 2 J 이다.
충돌 전후 물체의 운동 에너지의 합이 같으므로 A \mathrm{A}A 와 B \mathrm{B}B 는 탄성 충돌을 하였다.
1번 문항 정답 및 해설 보기
정답: $4$
ㄱ. A \mathrm{A}A 와 B \mathrm{B}B 는 충돌로 한 덩어리로 합쳐지므로 완전 비탄성 충돌을 한다. (O)
ㄴ. 오른쪽 방향을 양( + ) (+)( + ) 이라 할 때, (가)에서 충돌 전 A \mathrm{A}A 와 B \mathrm{B}B 의 운동량의 합은
4 k g × 7 m / s + M × ( − 3 m / s ) , 4\,\mathrm{kg}\times 7\,\mathrm{m/s} + M\times (-3\,\mathrm{m/s}),4 k g × 7 m / s + M × ( − 3 m / s ) ,
28 k g ⋅ m / s − 3 M k g ⋅ m / s 28\,\mathrm{kg·m/s} - 3M\,\mathrm{kg·m/s}2 8 k g ⋅ m / s − 3 M k g ⋅ m / s 이다.
충돌 후 A \mathrm{A}A 와 B \mathrm{B}B 의 운동량의 합은
( 4 k g + M ) × 1 m / s , (4\,\mathrm{kg} + M)\times 1\,\mathrm{m/s},( 4 k g + M ) × 1 m / s ,
( 4 k g + M ) k g ⋅ m / s (4\,\mathrm{kg} + M)\,\mathrm{kg·m/s}( 4 k g + M ) k g ⋅ m / s 이다.
충돌하는 물체의 운동량의 합은 운동량 보존 법칙에 의해 충돌 전과 후가 같으므로
28 k g ⋅ m / s − 3 M k g ⋅ m / s = ( 4 k g + M ) k g ⋅ m / s , 28\,\mathrm{kg·m/s} - 3M\,\mathrm{kg·m/s} = (4\,\mathrm{kg} + M)\,\mathrm{kg·m/s},2 8 k g ⋅ m / s − 3 M k g ⋅ m / s = ( 4 k g + M ) k g ⋅ m / s ,
28 k g ⋅ m / s − 3 M k g ⋅ m / s = 4 k g ⋅ m / s + M k g ⋅ m / s , 28\,\mathrm{kg·m/s} - 3M\,\mathrm{kg·m/s} = 4\,\mathrm{kg·m/s} + M\,\mathrm{kg·m/s},2 8 k g ⋅ m / s − 3 M k g ⋅ m / s = 4 k g ⋅ m / s + M k g ⋅ m / s ,
24 k g ⋅ m / s = 4 M k g ⋅ m / s , 24\,\mathrm{kg·m/s} = 4M\,\mathrm{kg·m/s},2 4 k g ⋅ m / s = 4 M k g ⋅ m / s ,
M = 6 k g M = 6\,\mathrm{kg}M = 6 k g 이다. (X)
ㄷ. 충돌 전 A \mathrm{A}A 와 B \mathrm{B}B 의 운동 에너지의 합은
1 2 × 4 k g × ( 7 m / s ) 2 + 1 2 × 6 k g × ( 3 m / s ) 2 , \frac{1}{2}\times 4\,\mathrm{kg}\times (7\,\mathrm{m/s})^2 + \frac{1}{2}\times 6\,\mathrm{kg}\times (3\,\mathrm{m/s})^2,2 1 × 4 k g × ( 7 m / s ) 2 + 2 1 × 6 k g × ( 3 m / s ) 2 ,
1 2 × 4 k g × 49 m 2 / s 2 + 1 2 × 6 k g × 9 m 2 / s 2 , \frac{1}{2}\times 4\,\mathrm{kg}\times 49\,\mathrm{m^2/s^2} + \frac{1}{2}\times 6\,\mathrm{kg}\times 9\,\mathrm{m^2/s^2},2 1 × 4 k g × 4 9 m 2 / s 2 + 2 1 × 6 k g × 9 m 2 / s 2 ,
98 k g ⋅ m 2 / s 2 + 27 k g ⋅ m 2 / s 2 , 98\,\mathrm{kg·m^2/s^2} + 27\,\mathrm{kg·m^2/s^2},9 8 k g ⋅ m 2 / s 2 + 2 7 k g ⋅ m 2 / s 2 ,
125 k g ⋅ m 2 / s 2 = 125 J 125\,\mathrm{kg·m^2/s^2} = 125\,\mathrm{J}1 2 5 k g ⋅ m 2 / s 2 = 1 2 5 J 이다.
충돌 후 A \mathrm{A}A 와 B \mathrm{B}B 의 운동 에너지의 합은
1 2 × ( 4 k g + 6 k g ) × ( 1 m / s ) 2 , \frac{1}{2}\times (4\,\mathrm{kg} + 6\,\mathrm{kg})\times (1\,\mathrm{m/s})^2,2 1 × ( 4 k g + 6 k g ) × ( 1 m / s ) 2 ,
1 2 × 10 k g × 1 m 2 / s 2 , \frac{1}{2}\times 10\,\mathrm{kg}\times 1\,\mathrm{m^2/s^2},2 1 × 1 0 k g × 1 m 2 / s 2 ,
5 k g ⋅ m 2 / s 2 = 5 J 5\,\mathrm{kg·m^2/s^2} = 5\,\mathrm{J}5 k g ⋅ m 2 / s 2 = 5 J 이다.
그러므로 A \mathrm{A}A 와 B \mathrm{B}B 의 충돌에 의해 손실된 총 운동 에너지는 125 J − 5 J = 120 J 125\,\mathrm{J} - 5\,\mathrm{J} = 120\,\mathrm{J}1 2 5 J − 5 J = 1 2 0 J 이다. (O)
따라서 정답은 4 44 번이다.
2번 문항 정답 및 해설 보기
정답: $5$
ㄱ. 축 방향을 양( + ) (+)( + ) 으로 할 때, 충돌 전후 A , B \mathrm{A}, \mathrm{B}A , B 의 운동량을 x , y x, yx , y 성분으로 분해하면 아래 그림과 표와 같다.
구분
물체
$x$ 성분
$y$ 성분
충돌 전
$\mathrm{A}$
$MV$
$0$
$\mathrm{B}$
$0$
$0$
충돌 후
$\mathrm{A}$
$2M\,\mathrm{m/s} \times \cos 30^\circ$
$=2M\,\mathrm{m/s} \times \frac{\sqrt{3}}{2}$
$=\sqrt{3}M\,\mathrm{m/s}$
$2M\,\mathrm{m/s} \times \sin 30^\circ$
$=2M\,\mathrm{m/s} \times \frac{1}{2}$
$=M\,\mathrm{m/s}$
$\mathrm{B}$
$v\,\mathrm{kg} \times \cos 30^\circ$
$=v\,\mathrm{kg} \times \frac{\sqrt{3}}{2}$
$=\frac{\sqrt{3}}{2} v\,\mathrm{kg}$
$-v\,\mathrm{kg} \times \sin 30^\circ$
$=-v\,\mathrm{kg} \times \frac{1}{2}$
$=-\frac{1}{2} v\,\mathrm{kg}$
운동량 보존 법칙을 x xx , y yy 성분에 각각 적용한다.
x xx 성분에 운동량 보존 법칙 적용:
M V = 3 M m / s + 3 2 v k g MV = \sqrt{3}M\,\mathrm{m/s} + \frac{\sqrt{3}}{2}v\,\mathrm{kg}M V = 3 M m / s + 2 3 v k g ⋯①
y yy 성분에 운동량 보존 법칙 적용:
0 = M m / s − 1 2 v k g , 0 = M\,\mathrm{m/s} - \frac{1}{2}v\,\mathrm{kg},0 = M m / s − 2 1 v k g ,
M m / s = 1 2 v k g , M\,\mathrm{m/s} = \frac{1}{2}v\,\mathrm{kg},M m / s = 2 1 v k g ,
M = 1 2 v k g ⋅ s / m M = \frac{1}{2}v\,\mathrm{kg·s/m}M = 2 1 v k g ⋅ s / m ⋯②이다.
이를 ①에 넣으면
M V = 3 M m / s + 3 2 v k g MV = \sqrt{3}M\,\mathrm{m/s} + \frac{\sqrt{3}}{2}v\,\mathrm{kg}M V = 3 M m / s + 2 3 v k g ⋯①에서
1 2 v k g ⋅ s / m × V = 3 × 1 2 v k g + 3 2 v k g , \frac{1}{2}v\,\mathrm{kg·s/m}\times V = \sqrt{3}\times \frac{1}{2}v\,\mathrm{kg} + \frac{\sqrt{3}}{2}v\,\mathrm{kg},2 1 v k g ⋅ s / m × V = 3 × 2 1 v k g + 2 3 v k g ,
1 2 v s / m × V = 3 × 1 2 v + 3 2 v , \frac{1}{2}v\,\mathrm{s/m}\times V = \sqrt{3}\times \frac{1}{2}v + \frac{\sqrt{3}}{2}v,2 1 v s / m × V = 3 × 2 1 v + 2 3 v ,
v 2 s / m × V = 3 2 v + 3 2 v , \frac{v}{2}\,\mathrm{s/m}\times V = \frac{\sqrt{3}}{2}v + \frac{\sqrt{3}}{2}v,2 v s / m × V = 2 3 v + 2 3 v ,
1 2 s / m × V = 3 2 + 3 2 , \frac{1}{2}\,\mathrm{s/m}\times V = \frac{\sqrt{3}}{2} + \frac{\sqrt{3}}{2},2 1 s / m × V = 2 3 + 2 3 ,
V 2 s / m = 3 v , \frac{V}{2}\,\mathrm{s/m} = \sqrt{3}\,v,2 V s / m = 3 v ,
V s / m = 2 3 , V\,\mathrm{s/m} = 2\sqrt{3},V s / m = 2 3 ,
V = 2 3 m / s V = 2\sqrt{3}\,\mathrm{m/s}V = 2 3 m / s 이다. (O)
ㄴ. 충돌 전 A \mathrm{A}A 와 B \mathrm{B}B 의 운동 에너지의 합은
1 2 × M × ( 2 3 m / s ) 2 + 1 2 × 1 k g × ( 0 ) 2 , \frac{1}{2}\times M\times (2\sqrt{3}\,\mathrm{m/s})^2 + \frac{1}{2}\times 1\,\mathrm{kg}\times (0)^2,2 1 × M × ( 2 3 m / s ) 2 + 2 1 × 1 k g × ( 0 ) 2 ,
1 2 × M × ( 2 3 m / s ) 2 + 0 , \frac{1}{2}\times M\times (2\sqrt{3}\,\mathrm{m/s})^2 + 0,2 1 × M × ( 2 3 m / s ) 2 + 0 ,
1 2 × M × 12 m 2 / s 2 , \frac{1}{2}\times M\times 12\,\mathrm{m^2/s^2},2 1 × M × 1 2 m 2 / s 2 ,
6 M m 2 / s 2 6M\,\mathrm{m^2/s^2}6 M m 2 / s 2 이다.
충돌 후 A \mathrm{A}A 와 B \mathrm{B}B 의 운동 에너지의 합은
1 2 × M × ( 2 m / s ) 2 + 1 2 × 1 k g × v 2 , \frac{1}{2}\times M\times (2\,\mathrm{m/s})^2 + \frac{1}{2}\times 1\,\mathrm{kg}\times v^2,2 1 × M × ( 2 m / s ) 2 + 2 1 × 1 k g × v 2 ,
1 2 × M × 4 m 2 / s 2 + 1 2 × 1 k g × v 2 , \frac{1}{2}\times M\times 4\,\mathrm{m^2/s^2} + \frac{1}{2}\times 1\,\mathrm{kg}\times v^2,2 1 × M × 4 m 2 / s 2 + 2 1 × 1 k g × v 2 ,
2 M m 2 / s 2 + 1 2 v 2 k g 2M\,\mathrm{m^2/s^2} + \frac{1}{2}v^2\,\mathrm{kg}2 M m 2 / s 2 + 2 1 v 2 k g 이다.
탄성 충돌을 하므로 충돌 전후 A \mathrm{A}A 와 B \mathrm{B}B 의 운동 에너지의 합이 같다. 그러므로
6 M m 2 / s 2 = 2 M m 2 / s 2 + 1 2 v 2 k g , 6M\,\mathrm{m^2/s^2} = 2M\,\mathrm{m^2/s^2} + \frac{1}{2}v^2\,\mathrm{kg},6 M m 2 / s 2 = 2 M m 2 / s 2 + 2 1 v 2 k g ,
4 M m 2 / s 2 = 1 2 v 2 k g , 4M\,\mathrm{m^2/s^2} = \frac{1}{2}v^2\,\mathrm{kg},4 M m 2 / s 2 = 2 1 v 2 k g ,
M m 2 / s 2 = 1 8 v 2 k g , M\,\mathrm{m^2/s^2} = \frac{1}{8}v^2\,\mathrm{kg},M m 2 / s 2 = 8 1 v 2 k g ,
M = 1 8 v 2 k g ⋅ s 2 / m 2 M = \frac{1}{8}v^2\,\mathrm{kg·s^2/m^2}M = 8 1 v 2 k g ⋅ s 2 / m 2 이다.
이를 ②에 넣으면
M = 1 2 v k g ⋅ s / m M = \frac{1}{2}v\,\mathrm{kg·s/m}M = 2 1 v k g ⋅ s / m ⋯②에서
1 8 v 2 k g ⋅ s 2 / m 2 = 1 2 v k g ⋅ s / m , \frac{1}{8}v^2\,\mathrm{kg·s^2/m^2} = \frac{1}{2}v\,\mathrm{kg·s/m},8 1 v 2 k g ⋅ s 2 / m 2 = 2 1 v k g ⋅ s / m ,
1 8 v 2 s / m = 1 2 v , \frac{1}{8}v^2\,\mathrm{s/m} = \frac{1}{2}v,8 1 v 2 s / m = 2 1 v ,
1 8 v s / m = 1 2 , \frac{1}{8}v\,\mathrm{s/m} = \frac{1}{2},8 1 v s / m = 2 1 ,
1 4 v s / m = 1 , \frac{1}{4}v\,\mathrm{s/m} = 1,4 1 v s / m = 1 ,
v = 4 m / s v = 4\,\mathrm{m/s}v = 4 m / s 이다. (O)
ㄷ. v = 4 m / s v = 4\,\mathrm{m/s}v = 4 m / s 를 ②에 넣으면
M = 1 2 v k g ⋅ s / m M = \frac{1}{2}v\,\mathrm{kg·s/m}M = 2 1 v k g ⋅ s / m ⋯②에서
M = 2 k g M = 2\,\mathrm{kg}M = 2 k g 이다. (O)
따라서 정답은 5 55 번이다.