뿌리학습 · 중학 과학탐구
파동과 소리의 특성
물체가 떨리면 소리가 난다. 북을 치면 북면이 떨리고 목소리를 내면 목 안이 떨린다. 손끝으로 목을 짚고 소리를 내 보면 떨림이 그대로 느껴진다. 여기까지는 초등에서 이미 겪은 것이다.
이 단원, 내가 꺼낼 수 있는지 확인해 볼까요?
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개념 정리
초등에서는 소리가 여러 물질을 통해 전달된다는 것도 관찰했다. 실을 팽팽히 당겨 종이컵에 대고 말하면 소리가 건너가고, 책상에 귀를 대면 반대편에서 두드리는 소리가 들린다. 다만 그때는 전달된다는 사실만 보았을 뿐 어떻게 전달되는지는 다루지 않았다. 중학교에서 처음 그 물음에 답하게 된다.
먼저 무엇이 옮겨 가는지부터 정하자. 소리가 들린다고 해서 공기가 통째로 이동해 귀에 도착하는 것은 아니다. 만약 그렇다면 큰 소리를 들을 때마다 바람이 불어야 하는데 그런 일은 없다. 스피커 앞에 떠 있는 먼지도 소리가 난다고 해서 멀리 날아가지 않는다.
실제로 일어나는 일은 이렇다. 떨리는 물체가 옆의 공기를 흔들면 그 공기가 다시 옆의 공기를 흔들고, 이렇게 흔들림이 차례로 옮겨 가면서 귀까지 온다. 공기 하나하나는 자기 자리 주변에서 흔들릴 뿐 소리를 따라 이동하지 않는다. 옮겨 가는 것은 공기가 아니라 흔들림이다. 이렇게 흔들림이 옮겨 가는 현상을 파동이라고 하고, 흔들림을 옮겨 주는 물질을 매질이라고 한다. 소리에서는 공기가 매질이다.
매질이 이동하지 않는다는 것은 두 가지를 함께 뜻한다. 하나는 방금 본 것처럼 매질이 소리에 밀려 날아가지 않는다는 것이다. 다른 하나는 매질이 소리를 따라 함께 옮겨 가지도 않는다는 것이다. 흔들림만 앞으로 나아가고 공기는 그 자리에 남는다.
매질이 있어야 소리가 간다. 공기를 모두 빼낸 통 안에서는 종이 울려도 소리가 들리지 않는다. 흔들림을 옮겨 줄 것이 없기 때문이다. 매질이 공기여야만 하는 것은 아니다. 물속에서도 소리가 들리고 나무나 쇠를 통해서도 전달된다.
이제 한 가지를 분명히 해 두자. 소리는 물체가 아니다. 던진 공은 세게 던질수록 빨리 날아가지만 소리는 그렇지 않다. 크게 외치든 작게 속삭이든 소리가 상대에게 닿는 데 걸리는 시간은 같다. 소리가 커진다는 것은 흔들림이 커진다는 뜻이지 무언가를 더 세게 밀어 보낸다는 뜻이 아니다. 소리의 세기와 빠르기는 상관이 없다.
왜 그런지는 앞에서 세운 틀로 설명할 수 있다. 소리가 앞으로 나아가는 것은 공기가 옆의 공기를 차례로 흔들어 주기 때문이다. 크게 외치면 그 흔들림의 폭이 커질 뿐, 옆으로 넘겨주는 일이 더 빨리 일어나지는 않는다. 넘겨주는 빠르기는 흔들림의 크기로 정해지는 것이 아니다. 그래서 같은 곳에서 같은 거리를 가는 소리라면 크게 내든 작게 내든 걸리는 시간이 달라지지 않는다. 벽 앞에서 손뼉을 칠 때도 마찬가지다. 세게 치든 살살 치든 메아리가 돌아오는 데 걸리는 시간은 같다. 그러면 무엇이 그 빠르기를 정하느냐는 물음이 남는데, 그것은 고등학교에서 배운다. 지금은 소리의 크기가 정하는 것은 아니라는 데까지 알아 두면 된다.
같은 이유로, 소리끼리 마주 온다고 해서 공처럼 부딪혀 멈추거나 서로를 튕겨 내는 것은 아니다. 두 사람이 마주 보고 동시에 외쳐도 소리가 중간에서 충돌해 사라지는 일은 없고 서로의 목소리를 들을 수 있다. 공 두 개라면 부딪히겠지만 흔들림은 그렇지 않다.
소리를 눈으로 보려면 그림이 필요하다. 스마트폰 앱이나 소리 분석 프로그램에 소리를 넣으면 물결처럼 오르내리는 그래프가 나오는데 이것을 파형이라고 한다. 파형이 있으면 귀로만 듣던 소리를 눈으로 견줄 수 있다.
파형을 읽기 전에 짚어야 할 것이 있다. 파형은 공기의 사진이 아니다. 공기가 그 그림처럼 오르내리며 출렁이는 것이 아니라, 눈에 보이지 않는 흔들림을 눈으로 볼 수 있게 높낮이로 바꿔 그린 것이다. 온도를 그래프로 그린다고 해서 온도가 위아래로 움직이는 것이 아닌 것과 같다. 그림이 물결 모양이라고 해서 공기가 물결처럼 움직인다고 읽으면 안 된다. 공기는 여전히 제자리에서 흔들리고 있다.
이제 파형에서 세 가지를 찾아보자.
진폭은 흔들림의 크기다. 파형에서 기준선으로부터 가장 높은 곳까지의 높이가 진폭이다. 큰 소리를 넣으면 그래프가 위아래로 크게 벌어지고 작은 소리를 넣으면 납작해진다. 진폭이 클수록 큰 소리로 들린다.
진동수는 정해진 시간 동안 흔들림이 몇 번 되풀이되는지다. 파형에서 같은 모양이 몇 번 반복되는지를 세면 된다. 높은 소리를 넣으면 그래프가 촘촘해지고 낮은 소리를 넣으면 성겨진다. 진동수가 클수록 높은 소리다.
파장은 파동에서 같은 모양이 한 번 되풀이되는 길이다. 파형에서는 흔들림이 촘촘한지 성긴지를 보면 파장이 짧은지 긴지를 견줄 수 있다. 촘촘하게 되풀이될수록 파장은 짧고, 성기게 되풀이될수록 길다. 그래서 높은 소리일수록 파장이 짧다.
여기서 헷갈리기 쉬운 것이 큰 소리와 높은 소리다. 일상에서는 둘 다 크다고 말하지만 서로 다른 것이다. 큰 소리는 진폭이 큰 소리이고 높은 소리는 진동수가 큰 소리다. 북을 세게 치면 같은 음이 크게 나고, 가는 줄을 살짝 튕기면 작아도 높은 음이 난다.
초등에서 쓰던 말과 이어 보면 정리가 쉽다. 큰 소리와 작은 소리는 진폭으로, 높은 소리와 낮은 소리는 진동수로 바꿔 말할 수 있다. 새로운 것을 외우는 것이 아니라 이미 귀로 알던 것에 이름을 붙이는 셈이다.
피아노와 바이올린으로 같은 음높이와 같은 크기의 도를 내도 두 소리는 분명히 다르게 들린다. 진폭도 진동수도 맞추었는데 왜 다를까. 파형의 생김새가 다르기 때문이다. 이것이 파형을 따로 다루는 이유다. 진폭과 진동수만으로는 두 소리를 구별할 수 없고, 그림의 모양까지 보아야 무엇이 다른지 알 수 있다.
정리하면 파형 하나에서 세 가지를 읽을 수 있다. 높이를 보면 소리의 크기를, 되풀이되는 횟수를 보면 소리의 높낮이를, 생김새를 보면 어떤 악기나 목소리인지를 알 수 있다. 귀로 듣던 것을 눈으로 나누어 보는 셈이다.
이 단원 시험에서 묻는 것
학교 시험은 교육과정 성취기준을 바탕으로 출제됩니다. 이 단원의 성취기준은 다음을 할 수 있는지 확인하도록 정하고 있습니다.
- [9과10-04]파동의 발생과 전달 과정을 이해하고, 소리의 특성을 진폭, 진동수, 파형 등의 과학적 용어로 표현할 수 있다.
자주 하는 착각
이 단원 오답의 뿌리 — 소리를 물체처럼 본다
- 소리를 던진 공처럼 다룬다. 세게 밀면 빨라지고, 커지면 무거워지고, 부딪히면 튕겨 나온다고 여긴다. 물체를 다루는 규칙이 이미 몸에 익어 있어서 소리에도 그대로 옮겨 쓰기 때문이다. 아래 오답 대부분이 이 하나에서 갈라져 나온다. 소리는 물체가 아니라 흔들림이 옮겨 가는 현상이고, 물체의 규칙이 그대로 적용되지 않는다.
세기와 빠르기를 묶는다
- 소리가 크면 더 빨리 간다고 여긴다. 소리가 커지면 힘이나 에너지가 커진다고 보기 때문이다. 학생들은 소리가 커지면 에너지가 커져서 빨리 간다거나, 소리를 이루는 알갱이가 힘이 세지거나 많아져서 빨리 간다고 설명한다. 중1의 열에 여섯 가까이가 이렇게 답했고, 수업을 받은 뒤에는 오히려 늘어 열에 여섯을 넘었다. 벽에 대고 손뼉을 세게 치면 메아리가 빨리 돌아온다고 답하는 것도 같은 생각이며 이 역시 수업 뒤에 늘어난다. 소리의 세기와 빠르기는 상관이 없다.
- 반대로 소리가 작으면 가벼워서 빨리 간다고 여기기도 한다. 크게 내면 무거워져 오히려 느려진다는 생각이다. 방향만 반대일 뿐 소리에 무게가 있다고 보는 점은 같아서, 둘 중 하나만 고쳐도 다른 하나가 남는다.
- 답은 맞히면서 이유가 틀린다. 같은 크기로 동시에 외치면 누가 먼저 듣느냐는 물음에 열에 아홉이 동시에 듣는다고 옳게 답했다. 그런데 세기와 빠르기가 상관없다는 이유를 댄 학생은 열에 하나 남짓이었다. 나머지는 크기가 같으니 빠르기도 같다고 답했다. 즉 답이 맞은 것은 두 소리의 세기가 우연히 같았기 때문이지 세기와 빠르기를 분리해서가 아니다. 실제로 같은 학생들이 2번 문항에서는 큰 소리가 먼저 도착한다고 답했다. 맞혔는지가 아니라 왜 그렇게 생각했는지를 물어야 하는 이유다.
매질이 어떻게 움직이는가
- 소리가 공기를 밀어낸다고 여긴다. 스피커 앞에 떠 있는 먼지가 멀리 밀려간다고 답하는 형태다. 소리의 힘이 먼지를 밀어낸다거나 공기가 먼지를 밀고 나간다고 설명한다. 소리를 바람처럼 무언가가 실제로 이동하는 것으로 보기 때문이다. 일상에서 소리가 퍼진다거나 소리가 온다고 말하는 것도 이 그림을 굳힌다. 수업 전에는 열에 넷 가까이로 가장 많았고, 수업 뒤에도 넷에 하나쯤 남는다. 소리가 도착했다고 해서 무언가가 날아와 닿은 것은 아니다.
- 매질이 위아래로 오르내린다고 여긴다. 교과서 그림의 물결 모양을 공기가 실제로 그리는 자취로 읽기 때문이다. 학생들은 먼지가 물결을 따라 오르내리면서 앞으로 나아간다고 직접 그림까지 그려 설명한다. 이 답은 수업 전에는 열에 하나 남짓이었는데 수업 뒤에 셋에 하나 가까이로 늘어 가장 많은 답이 된다. 수업이 고쳐 주는 것이 아니라 새로 만드는 오답이다. 매질은 자기 자리 주변에서 흔들릴 뿐 소리를 따라 옮겨 가지 않는다.
- 소리끼리 부딪혀 사라지거나 되튕긴다고 여긴다. 마주 보고 같은 크기로 외치면 소리가 중간에서 부딪혀 없어진다거나, 되튕겨서 자기 목소리만 돌아온다고 답하는 형태다. 공 두 개가 마주 날아와 부딪히는 장면을 그대로 소리에 옮긴 것으로, 1번 뿌리가 가장 뚜렷하게 드러난 경우다. 비율은 높지 않지만 부딪혀 없어진다는 답은 수업 뒤에 사라지는 반면 되튕긴다는 답은 오히려 늘어난다.
파형을 읽을 때
- 파형 그래프를 공기의 사진처럼 읽는다. 6번의 원인이 여기에 있다. 파형은 공기의 흔들림을 눈으로 볼 수 있게 나타낸 그림이며, 이를 이용해 소리의 크기와 높낮이, 소리의 생김새를 견줄 수 있다. 공기가 그 모양으로 출렁이는 장면이 아니다. 그림을 보여 주면서 무엇을 그린 것인지 말해 주지 않으면 학생은 보이는 대로 읽는다. 물결처럼 그려 놓았으니 물결처럼 움직인다고 읽는 것이다.
이런 오개념, 나도 갖고 있을까?
소리는 세게 낼수록 더 빠르게 전달된다.정답 보기
X (흔한 오개념이에요)
물체는 세게 밀수록 빠르게 날아가기 때문에, 소리도 크게 낼수록 더 빨리 전달될 것이라고 생각하기 쉬워요. 하지만 소리는 물체가 아니라 흔들림이 옮겨 가는 현상이라서, 물체를 미는 것과 같은 규칙이 그대로 적용되지 않아요. 실제로는 소리의 빠르기는 소리가 전달되는 물질의 성질에 따라 결정되고, 소리의 세기를 바꾼다고 해서 빠르기가 달라지지는 않아요.
소리의 세기와 소리의 빠르기는 서로 관계가 없다.정답 보기
O (맞는 설명이에요)
소리가 커지면 에너지가 커지니까 더 빨리 나아갈 것이라고 생각하기 쉬워요. 벽에 대고 손뼉을 세게 치면 메아리가 더 빨리 돌아올 것 같다는 느낌도 같은 이유에서 비롯되곤 해요. 실제로는 소리의 세기가 달라져도 소리가 나아가는 빠르기는 변하지 않아요.
소리가 작을수록 가벼워서 더 빨리 전달된다.정답 보기
X (흔한 오개념이에요)
소리가 크면 '무겁다', 작으면 '가볍다'는 식으로 소리에 무게가 있다고 느끼기 쉬워요. 그래서 소리가 작으면 가벼워서 빨리 가고, 크면 무거워서 느려진다고 생각하게 되기도 하지요. 실제로는 소리의 크고 작음은 공기가 얼마나 크게 흔들리는지의 차이일 뿐, 소리가 전달되는 속도와는 관계가 없어요. 소리의 속도는 소리의 크기가 아니라 소리가 지나가는 물질의 종류나 온도 같은 조건에 따라 달라진답니다.
나머지 OX 문제와 4지선다 문제는 앱에서 풀어볼 수 있어요.
자주 묻는 질문
교육부 고시 제2022-33호 과학탐구 교육과정 기반