뿌리학습 · 중3 과학탐구 · 에너지

역학적 에너지 보존이란 무엇인가요?

역학적 에너지 보존은 마찰과 공기 저항을 무시할 수 있을 때 위치 에너지와 운동 에너지를 더한 역학적 에너지가 일정하게 유지되는 것입니다. 물체가 떨어지면 위치 에너지가 준 만큼 운동 에너지가 늘어나므로 합은 변하지 않습니다.

높은 곳에서 놓은 공의 에너지 변화(마찰·공기 저항 무시)
공의 위치	위치 에너지	운동 에너지	역학적 에너지
처음 높이(멈춤)	가장 큼	0	일정
중간 높이	줄어듦	늘어남	일정
바닥 직전	0(바닥 기준)	가장 큼	일정

전환과 보존은 어떻게 다른가요?

전환은 한 에너지가 다른 에너지로 바뀌는 것이고, 보존은 그렇게 바뀌어도 둘의 합이 그대로라는 것입니다. 높은 곳의 물체가 떨어지면 위치 에너지가 줄고 운동 에너지가 늘어나는데, 이것이 역학적 에너지의 전환입니다. 이때 준 만큼 늘었으므로 합은 변하지 않는데, 이것이 보존입니다. 두 가지를 따로 외우기보다 같은 현상을 두 방향에서 본 것으로 기억하면 됩니다.

줄에 매단 물체는 어디까지 올라가나요?

마찰과 공기 저항을 무시하면 놓은 높이와 같은 높이까지 반대편으로 올라갑니다. 내려오는 동안 위치 에너지가 운동 에너지로 바뀌어 가장 낮은 곳에서 가장 빠르고, 올라가는 동안에는 운동 에너지가 다시 위치 에너지로 바뀌어 느려집니다. 역학적 에너지가 처음과 같으므로 멈추는 순간의 위치 에너지도 처음과 같고, 그래서 처음과 같은 높이에 이릅니다.

실제로는 왜 결국 멈추나요?

마찰과 공기 저항 때문에 역학적 에너지의 일부가 열에너지 같은 다른 형태로 바뀌기 때문입니다. 그래서 실제로 흔들리는 그네나 굴러가는 공은 점점 덜 올라가다가 멈춥니다. 역학적 에너지 보존은 이런 영향을 무시할 수 있을 때 성립하는 규칙입니다. 중학교 문제는 대개 마찰을 무시하는 상황을 전제하므로, 문제에 그 조건이 있는지 먼저 확인합니다.

이 단원 시험에서 묻는 것

학교 시험은 교육과정 성취기준을 바탕으로 출제됩니다. 이 단원의 성취기준은 다음을 할 수 있는지 확인하도록 정하고 있습니다.

[9과19-04]물체의 운동에서 역학적 에너지의 전환과 보존을 이해하고, 이를 활용하여 일상생활 속 물체의 운동을 예측할 수 있다.

자주 하는 착각

착각 · 속력이 2배가 되면 운동 에너지도 2배가 된다.

왜 헷갈릴까 · 위치 에너지가 높이에 비례하니 운동 에너지도 속력에 그대로 비례할 것이라고 옮겨 생각하기 쉽기 때문입니다.

바른 설명 · 운동 에너지는 속력이 2배가 되면 4배, 3배가 되면 9배가 됩니다.

착각 · 위치 에너지가 커지면 운동 에너지도 커진다.

왜 헷갈릴까 · 서로 다른 높이에서 출발한 경우를 비교한 말과 같은 물체가 움직이는 동안의 말이 섞이기 때문입니다.

바른 설명 · 같은 물체가 올라가는 동안에는 위치 에너지가 커지는 만큼 운동 에너지가 작아집니다. 무엇을 비교하는지 먼저 정합니다.

착각 · 마찰이 있어도 역학적 에너지는 항상 보존된다.

왜 헷갈릴까 · 「보존」이라는 말을 조건 없이 늘 성립하는 것으로 읽기 쉽기 때문입니다.

바른 설명 · 마찰이 있으면 역학적 에너지의 일부가 열에너지 등으로 바뀌어 줄어듭니다. 보존은 마찰을 무시할 때의 규칙입니다.

스스로 확인

마찰과 공기 저항이 없을 때, 떨어지는 공의 위치 에너지가 30 J 줄었다면 운동 에너지는 어떻게 될까요?정답 보기

30 J 늘어납니다.

역학적 에너지가 보존되므로 위치 에너지가 준 만큼 운동 에너지가 늘어납니다. 둘의 합은 변하지 않습니다.

같은 물체의 속력이 3배가 되면 운동 에너지는 몇 배가 될까요?정답 보기

9배가 됩니다.

운동 에너지는 속력의 제곱에 비례하므로 속력이 3배가 되면 3 × 3 = 9배가 됩니다.

이 단원, 내가 꺼낼 수 있는지 확인해 볼까요?

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