뿌리학습 · 중학 과학탐구
지구의 자전·공전과 달의 위상
밤하늘을 오래 보고 있으면 별들이 조금씩 움직인다. 계절이 바뀌면 보이는 별자리도 달라진다. 달은 매일 모양이 변한다. 이 세 가지 현상은 모두 지구와 달의 운동으로 설명된다.
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개념 정리
먼저 하루 동안의 변화다. 태양은 아침에 동쪽에서 떠서 저녁에 서쪽으로 진다. 별도 마찬가지로 동쪽에서 떠서 서쪽으로 진다. 매일 반복되는 이 움직임을 보면 천체들이 지구 주위를 도는 것처럼 느껴진다.
그러나 실제로 움직이는 것은 지구다. 지구는 스스로 하루에 한 바퀴 도는데 이것을 자전이라고 한다. 지구가 서쪽에서 동쪽으로 돌기 때문에, 그 위에 있는 우리에게는 천체들이 반대 방향인 동쪽에서 서쪽으로 움직이는 것처럼 보인다. 이렇게 지구의 자전 때문에 천체가 하루에 한 바퀴 도는 것처럼 보이는 현상을 일주 운동이라고 한다.
여기서 겉보기 운동이라는 말을 정확히 이해하자. 겉보기라는 말이 붙었다고 해서 잘못 본 것이거나 착각이라는 뜻이 아니다. 실제로 관측되는 현상이 맞고, 다만 그 원인이 천체가 움직여서가 아니라 관측하는 우리가 움직이기 때문이라는 뜻이다. 달리는 기차 안에서 창밖 풍경이 뒤로 흘러가는 것과 같다. 풍경이 실제로 뒤로 가는 것처럼 보이지만 움직이는 것은 기차다.
다음은 일 년 동안의 변화다. 지구는 자전하면서 동시에 태양 주위를 일 년에 한 바퀴 도는데 이것을 공전이라고 한다. 자전과 공전은 이름이 비슷하지만 다르다. 자전은 스스로 도는 것으로 하루 주기이고, 공전은 태양 주위를 도는 것으로 일 년 주기다.
지구가 공전하면 계절마다 밤하늘에 보이는 별자리가 달라진다. 별자리가 이동하는 것이 아니다. 별자리는 아주 멀리 제자리에 있고, 지구가 태양 주위를 돌면서 밤이 되었을 때 우리가 어느 쪽을 향하고 있는지가 달라지는 것이다.
여기서 중요한 점이 있다. 어떤 계절에 밤하늘에서 보이는 별자리는 태양의 반대쪽에 있는 별자리다. 밤은 우리가 태양의 반대쪽을 향하고 있는 시간이기 때문이다. 반대로 태양과 같은 방향에 있는 별자리는 낮 동안 하늘에 떠 있어 태양 빛에 가려 보이지 않는다.
또 하나, 지구가 공전하기 때문에 태양이 별자리를 기준으로 조금씩 자리를 옮겨 가는 것처럼 보인다. 이것도 태양이 실제로 별자리 사이를 여행하는 것이 아니라 지구가 움직이기 때문에 생기는 겉보기 현상이다.
이제 달로 넘어가자. 달은 지구 주위를 약 한 달에 한 바퀴 공전한다. 달의 모양이 초승달, 반달, 보름달로 변하는 것을 위상 변화라고 한다.
달의 모양이 변하는 까닭을 지구의 그림자가 달을 가리기 때문이라고 생각하기 쉬운데, 이것은 틀렸다. 평소의 위상 변화는 지구의 그림자와 관계가 없다. 지구의 그림자가 실제로 달에 드리워지는 현상은 뒤에서 다룰 월식이며, 매달 반복되는 위상 변화와는 별개다.
이렇게 생각해 보자. 달은 스스로 빛을 내지 못하고 태양 빛을 반사한다. 그리고 공처럼 생겼으므로 언제나 태양을 향한 절반은 밝고 반대쪽 절반은 어둡다. 이것은 달이 어디에 있든 항상 그렇다.
달라지는 것은 우리가 그 밝은 면을 어느 각도에서 보느냐다. 달이 태양과 같은 방향에 있으면 밝은 면이 태양 쪽을 향하고 있어 우리는 어두운 면만 보게 되고, 그래서 달이 거의 보이지 않는다. 달이 태양의 반대쪽에 있으면 밝은 면을 정면으로 보게 되어 둥근 보름달이 된다. 그 사이 위치에서는 밝은 면의 일부만 보이므로 초승달이나 반달로 보인다. 달이 지구를 공전하면서 위치가 달라지기 때문에 모양이 차례로 변하는 것이다.
달에 대해 하나 더 짚어 두자. 우리는 달의 같은 면만 보게 되는데, 그렇다고 보이지 않는 면이 늘 어두운 것은 아니다. 그 면에도 햇빛이 비치는 때가 있다. 우리 눈에 보이지 않는 것과 빛을 받지 않는 것은 다른 이야기다.
마지막으로 일식과 월식이다. 이 둘은 태양, 지구, 달이 일직선에 놓일 때 일어난다.
일식은 달이 태양을 가리는 현상이다. 태양, 달, 지구가 이 순서로 놓여 달이 가운데에 있을 때 일어나며, 달의 그림자가 지구에 드리워진다.
월식은 달이 지구의 그림자 속으로 들어가는 현상이다. 태양, 지구, 달이 이 순서로 놓여 지구가 가운데에 있을 때 일어난다.
두 이름이 비슷해 헷갈리기 쉬운데, 무엇이 가려지는지로 구분하면 된다. 일식은 태양이 가려지는 것이고 월식은 달이 가려지는 것이다.
그런데 달이 한 달에 한 번씩 지구를 도는데 왜 일식과 월식은 매달 일어나지 않을까. 달이 지구를 도는 길이 지구가 태양을 도는 길과 나란한 평면에 있지 않고 약간 기울어져 있기 때문이다. 그래서 대부분의 달에는 세 천체가 완전한 일직선에 놓이지 않고 조금씩 어긋난다. 세 천체가 제대로 늘어서는 때에만 일식이나 월식이 일어난다.
이 단원 시험에서 묻는 것
학교 시험은 교육과정 성취기준을 바탕으로 출제됩니다. 이 단원의 성취기준은 다음을 할 수 있는지 확인하도록 정하고 있습니다.
- [9과07-04]달을 관측하여 달의 위상변화 원리를 이해하고, 일식과 월식을 설명할 수 있다.
자주 하는 착각
자전과 겉보기 운동
- 태양과 별이 실제로 지구 주위를 돈다고 본다. 매일 동에서 서로 움직이는 것이 눈에 보이기 때문이다. 움직이는 것은 지구다. 지구가 서에서 동으로 자전하기 때문에 천체가 반대 방향으로 도는 것처럼 보인다.
- 겉보기 운동이 눈의 착각이나 오류라고 본다. 겉보기라는 말이 틀린 것처럼 들리기 때문이다. 겉보기 운동은 실제로 관측되는 현상이며, 다만 그 원인이 천체의 이동이 아니라 지구의 자전이라는 뜻이다.
- 지구의 자전 방향과 천체가 움직여 보이는 방향을 같게 본다. 방향을 하나로 기억하기 때문이다. 지구는 서에서 동으로 돌고, 그래서 천체는 동에서 서로 움직여 보인다. 두 방향은 반대다.
공전과 별자리 변화
- 계절에 따라 별자리가 바뀌는 것을 별자리가 이동하기 때문이라고 본다. 별자리가 사라졌다 나타나기 때문이다. 별자리는 제자리에 있고 지구가 태양 주위를 공전하면서 밤에 보이는 방향이 달라지는 것이다.
- 자전과 공전을 구분하지 못하고 하나로 섞는다. 둘 다 회전이기 때문이다. 자전은 지구가 스스로 도는 것으로 하루 주기이고, 공전은 태양 주위를 도는 것으로 일 년 주기다. 주기와 축이 다르다.
- 태양이 별자리 사이를 실제로 지나간다고 본다. 태양의 위치가 별자리를 기준으로 옮겨 가기 때문이다. 태양이 움직이는 것이 아니라 지구가 공전하면서 태양이 어느 별자리 쪽에 놓여 보이는지가 달라지는 것이다.
- 그 계절의 별자리는 태양과 같은 방향에 있는 별자리라고 본다. 계절과 별자리를 짝지어 외우기 때문이다. 밤에 보이는 별자리는 태양의 반대쪽에 있는 별자리다. 태양과 같은 방향에 있는 별자리는 낮에 하늘에 있어 보이지 않는다.
달의 위상과 일식·월식
- 달의 모양이 변하는 것을 지구의 그림자가 달을 가리기 때문이라고 본다. 초승달과 반달이 잘려 보이기 때문이다. 평소의 위상 변화는 지구의 그림자와 관계가 없다. 달이 지구를 공전하면서 햇빛을 받아 밝은 부분이 지구에서 어떻게 보이는지가 달라지는 것이다. 지구의 그림자가 달을 가리는 현상은 월식으로, 위상 변화와는 별개다.
- 달의 모양이 변하니 달의 절반만 빛을 받는다는 사실을 놓친다. 보이는 모양에 집중하기 때문이다. 달은 언제나 태양 쪽 절반이 밝다. 그 밝은 면을 우리가 얼마나 정면으로 보는지에 따라 모양이 달라진다.
- 달의 뒷면이 항상 어둡다고 본다. 우리가 늘 같은 면만 보기 때문이다. 우리가 보지 못하는 면에도 햇빛이 비치는 때가 있다. 보이지 않는 것과 빛을 받지 않는 것은 다르다.
- 일식과 월식이 매달 일어나야 한다고 본다. 달이 한 달에 한 번씩 지구를 돌기 때문이다. 달의 공전 궤도가 지구의 공전 궤도면과 약간 기울어져 있어 세 천체가 일직선에 놓이는 때가 드물다.
- 일식과 월식을 뒤바꿔 기억한다. 이름이 비슷하기 때문이다. 일식은 달이 태양을 가리는 현상으로 태양-달-지구 순서일 때 일어나고, 월식은 지구의 그림자에 달이 들어가는 현상으로 태양-지구-달 순서일 때 일어난다.
이런 오개념, 나도 갖고 있을까?
태양과 별은 실제로 지구 주위를 동에서 서 방향으로 돌고 있다.정답 보기
X (흔한 오개념이에요)
매일 태양과 별이 동쪽에서 떠서 서쪽으로 지는 모습이 눈에 직접 보이기 때문에, 천체가 실제로 지구 주위를 도는 것이라고 생각하기 쉬워요. 하지만 실제로 움직이는 것은 지구 자신이에요. 지구가 서에서 동 방향으로 자전하고 있기 때문에, 그 반대 방향인 동에서 서로 천체가 이동하는 것처럼 보이는 거예요.
겉보기 운동은 실제로 관측되는 현상이며, 그 원인이 천체의 이동이 아닌 지구의 자전에 있다는 뜻이다.정답 보기
O (맞는 설명이에요)
'겉보기'라는 표현이 마치 틀리거나 잘못된 것을 가리키는 말처럼 느껴지기 쉬워요. 하지만 겉보기 운동은 우리가 실제로 눈으로 관측할 수 있는 엄연한 현상이에요. 다만 그 운동이 천체 자체가 움직여서 생기는 것이 아니라, 지구가 자전하기 때문에 천체가 움직이는 것처럼 보이는 것이라는 뜻에서 '겉보기'라고 부르는 거예요.
지구가 서에서 동으로 자전하기 때문에 하늘의 천체도 서에서 동으로 움직여 보인다.정답 보기
X (흔한 오개념이에요)
자전 방향과 천체가 움직여 보이는 방향, 이 두 가지를 하나로 묶어 같은 방향으로 기억하기 쉬워요. 하지만 실제로는 지구가 서에서 동으로 도는 것을 지구 위에서 바라보면, 천체가 반대 방향인 동에서 서로 이동하는 것처럼 보여요. 마치 달리는 기차 안에서 창밖 풍경이 기차가 가는 방향과 반대로 지나가는 것처럼, 지구의 자전 방향과 천체가 보이는 방향은 서로 반대예요.
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자주 묻는 질문
교육부 고시 제2022-33호 과학탐구 교육과정 기반