[통합과학 - 물리] 2강. 중력과 역학적 시스템

안녕하세요, 밤샘공부입니다.

[통합과학 - 물리 2강]

시험기간을 맞아, 통합과학 관련 요점정리 강의를 포스팅해볼까 합니다. 

많은 고등학생 여러분 및 각종 시험을 준비하는 분들에게 도움이 되었으면 좋겠습니다.

 

질문은 아래 오픈채팅방이나 메일로 연락주시면 2시간이내에 답변드리겠습니다~

 

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 이번 2강에서는 <중력과 역학적 시스템>에 대하여 공부하도록 하겠습니다. 마지막에 문제도 있으니 꼭! 끝까지 정독해주세요~ 이해를 돕기 위해 평어체를 사용했습니다.

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1.  교과서 내용 정리하기

 

 (1) 중력

  ① 힘은 '크기'와 '방향'이 존재한다. 즉, 중'력'도 힘의 일종이므로 '크기'와 '방향'에 대해 생각해 주어야 한다.

   - 중력의 크기 : 1kg 당 9.8N ex) 60kg 이라면 588N

   - 중력의 방향 : 지구 중심 방향

 

  ② 중력은 지구 어디에서나 일정한가?

   - No) 일반적으로 중력은 극에서 적도로 갈수록 작아짐. (이는. 지구가 찌그러진 타원형이기 때문.)

   - No) 고도가 높아질수록 중력은 작아짐 (예를 들어. 비행기 안에서의 중력이 지표에서의 중력보다 작음.)

 

 

 (2) 자유낙하 운동

  ① 자유 낙하 운동이란? '중력' 때문에 발생하는 낙하 운동.

   - 대략적으로 매초 9.8m/s씩 빨라짐 (가속도 = 9.8m/s^2)

 

  ② 깃털과 볼링공을 동시에 떨어뜨리면 무엇이 먼저 떨어지는가?

   - 공기저항을 무시한다면) 깃털과 볼링공 모두 동시에 떨어짐.

   - 공기저항을 고려한다면) 깃털과 볼링공이 동시에 떨이지지 않음. (볼링공이 먼저 떨어짐)

 

 

 (3) 수평방향으로 던진 물체의 운동

  ① 허공에 화살을 직진하도록 쏘면 무한정으로 직진하는가?

   - No) 화살은 포물선을 그림. (중력이 작용하여, 지구중심방향으로 잡아당기기 때문)

   - No) 중력은 지구상의 물체에 끊임없이 작용하므로 수평방향으로 던진 물체가 운동하는 동안 항상 아래쪽으로 작용.

 

  ② 수평방향으로 던진 물체의 운동에 대한 해석 (중요)

   - 수평방향(가로 = x축) : 속력이 일정한 등속 직선 운동을 함

   - 연직방향(세로 = y축 = 지구중심방향) : 속력이 일정하게 증가하는 자유낙하 운동

   *교과서 문장 : 이와 같이 수평방향의 등속직선 운동과 연직방향의 자유 낙하 운동이 합쳐져 물체는 포물선 궤도를 그리며 떨어진다.

[교과서 참고자료]

 

  ③ 인공위성과 중력의 관계

   - 인공위성을 쏠 때 중력을 고려하여 인공위성을 발사해야 한다. (추진력이 너무 크다면 지구 궤도 밖으로 튕겨나가고, 그렇지 않다면 궤도에 오르기도 전에 다시 지표로 떨어지기 때문이다.)

   - 궤도에 오르고 나서는 1, 2년 간격으로 조정해주어야 한다. (지구가 완전한 구가 아니라, 타원궤도이기 때문)

 

 

 (4) 중력과 역학적 시스템

  ① 중력의 영향과 가치

   - 중력은 지구상의 모든 물체와 생명체에 끊임없이 작용하면서 지구와 생명체를 유지하는 중요한 역할

[교과서 참고자료]

 

  ② 중력이 지구 시스템에 주는 영향(중요 - 객관식 선지)

   - 질소, 산소 등으로 이루어진 대기가 대류함

   - 공기중의 수증기가 비나 눈의 형태로 지표로 떨어져 바다로 흘러가게 함

   - 중력에 의해 흐르는 물과 빙하는 오랜기간에 걸쳐 지표를 변화 시킴 (침식작용 / U자곡)

   - 중력에 의해 형성된 기권

   - 코끼리나 하마처럼 육상에서 살아가는 무거운 동물은 강한 근육과 단단한 골격으로 중력에 적응

   - 식물의 뿌리는 중력의 영향을 받아 땅속으로 자람

 

   *교과서 문장 : 자연은 일정한 질서에 따라 지속성을 유지하는 체계인 역학적 시스템으로 구성되어 있으며 여러가지 힘(중력, 자기력, 전기 력 등)이 작용하여 시스템이 유지된다.

 

2. 학습지 내용 정리하기

 

 (1) 중력

  ① 중력 : 질량이 있는 물체가 서로 끌어당기는 인력

  ② 중력의 크기 : 두 물체의 질량이 클수록, 두 물체 사이의 거리가 가까울수록 중력의 크기가 커진다.

[중력 공식]

 

   예제1) 아래 그림에서 더 큰 중력이 작용하는 것은 어디일까?

[위일까 아래일까]

 

  ③ 지구 중력의 방향 : 중력은 연직 아래 방향

  ④ 무게 : 물체에 작용하는 중력의 실제 크기

   - 1kg 당 9.8N (항상 그런것은 아님. 달 or 고도 상승 or 적도와 극으로 인한 변화)

   - 중력으로 인하여 낙하하는 물체는 1초당 9.8m/s씩 속도가 빨라짐 (공기저항을 무시할 경우 = 진공상태일 경우)

   - 적도에서 극으로 갈수록 중력은 증가 (극쪽이 지구 중심과 더 가깝기 때문 <- 지구가 타원이므로)

   - 지표면에서 높은 곳으로 갈수록 중력은 감소 (지구 중심과의 거리가 증가했기 때문)

 

 

 (2) 자유낙하 운동

  ① 자유 낙하 운동 : 물체가 중력만을 받아 아래로 떨어지는 운동.

  

  ② 깃털과 볼링공을 동시에 떨어뜨리면 무엇이 먼저 떨어지는가?

   - 공기저항을 무시한다면) 깃털과 볼링공 모두 동시에 떨어짐. => 지표 근처에서 자유낙하 할 때 물체의 속력은 무게와 관계없이 매초 약 9.8m/s 씩 빨라짐.

   - 공기저항을 고려한다면) 깃털과 볼링공이 동시에 떨이지지 않음. (볼링공이 먼저 떨어짐)

 

   예제2) 지우개와 펼친 A4 용지를 동시에 떨어뜨리면 어는것이 먼저 바닥에 떨어지는가? 이유도 같이 설명해 보아라.

 

   예제3) 다음 문장의 참. 거짓을 판단해보아라.

    [1] 중력은 물체 사이의 거리가 멀수록 커지므로, 적도에서 극쪽으로 갈수록 커진다.

    [2] 물체에 작용하는 무게의 크기를 중력이라고 한다.

    [3] 중력은 고도가 상승할수록 증가한다.

    [4] 철수가 70kg, 영희가 50kg이라 할 때 철수가 느끼는 중력의 크기와 영희가 느끼는 중력의 크기는 같다.

    [5] 위 4번 문항에서 철수와 영희가 마주보고 있을 때 중력으로 인하여 서로 끌린다.

    [6] 인공위성이 지구 궤도를 도는 것과 중력은 관계 없다.

    [7] 공기저항을 무시한다면, 자유 낙하할 때 작용하는 힘을 중력 뿐이다.

    [8] 물체를 자유낙하시키면 속도가 점점 빨라지며, 지면에 닿기 직전에 최대 속력이 된다.

 

 

 (3) 수평방향으로 던진 물체의 운동

  ① 수평 방향으로 던진 물체에 작용하는 힘 : 중력 (항상 아래쪽으로 작용)

 

  ② 수평방향으로 던진 물체의 운동에 대한 해석 (중요)

   - 수평방향(가로 = x축) : 중력의 영향을 받지 않으므로 속력이 일정한 등속 직선 운동을 함

   - 연직방향(세로 = y축 = 지구중심방향) : 중력이 계속 작용하므로 속력이 일정하게 증가하는 자유낙하 운동

   *수평방향의 등속직선 운동과 연직방향의 자유 낙하 운동이 합쳐져 물체는 포물선 궤도를 그린다.

구분	수평방향	연직방향
힘 [단위 : N]	0	중력 (1kg 당 9.8N)
가속도 [단위 : m/s^2]	0	중력 가속도 (9.8m/s^2)
속도 [단위 : m/s]	일정	일정하게 증가 (1초 당 9.8m/s씩)
운동 유형	등속 직선 운동	자유 낙하 운동

 

  ③ 수평방향으로 던진 물체의 운동에 대한 해석 [속도-시간] 그래프 (중요)

   - 수평방향(가로 = x축) : 중력의 영향을 받지 않으므로 속력이 일정한 등속 직선 운동을 함

[수평방향 - 등속 직선 운동]

   - 연직방향(세로 = y축 = 지구중심방향) : 중력이 계속 작용하므로 속력이 일정하게 증가하는 자유낙하 운동

[연직방향 - 자유 낙하 운동]

 

 

  ③ 인공위성의 궤도 : 인공위성과 로켓의 전체 무게에 따라 로켓의 추진력을 잘 조절해야 함.

   - 무게에 비해 추진력이 너무 크면 -> 인공위성과 로켓은 튕겨져 나간다.

   - 무게에 비해 추진력이 너무 작은면 -> 인공위성과 로켓은 궤도에 오르기도 전에 추락한다.

 

 

 (4) 중력과 역학적 시스템

  ① 중력이 지구 시스템에 미치는 영향

   - 대류 : 차가운 공기는 아래로 / 뜨거운 공기는 위로

   - 지표의 침식 : 중력에 의해 흐르는 물은 지표를 변화시킴

   - 기상 현상 : 중력은 공기 중 수증기가 비나 눈의 형태로 떨어지도록 함

   - 달의 공전 : 달은 중력에 의하여 지구에서 멀어지지 않고 지구 주변을 공전

 

  ② 중력이 생명 시스템에 미치는 영향(중요 - 객관식 선지)

   - [동물] : 골격과 근육 <강한 근육과 단단한 골격. ex) 코끼리와 하마>

   - [동물] : 기린의 심장과 혈압 <심장이크고 혈압이 높아, 심장으로 부터 멀리 떨어져 있는 머리까지 중력을 이기고 혈액을 뿜어냄>

   - [동물] : 전정기관 <귀 속 작은 칼슘 덩어리인 이석이 중력을 감지하여 평형 유지>

   - [식물] : 세포벽 <식물에는 세포벽이 있어 세포의 중력으로 생기는 무게를 지탱하고 높이 자랄 수 있도록 함>

   - [식물] : 뿌리와 줄기 <중력이 작용하는 방향으로 뿌리를 내리고 반대방향으로 줄기를 뻗음>

 

  ③ 역학적 시스템

*교과서 문장 : 자연은 일정한 질서에 따라 지속성을 유지하는 체계인 역학적 시스템으로 구성되어 있으며 여러가지 힘(중력, 자기력, 전기 력 등)이 작용하여 시스템이 유지된다.

 

    - 전자기력 : 전기력 + 자기력 [자석]

    - 강력 : 원자핵 안에서 양성자와 중성자가 결합하는 힘

    - 약력 : 소립자를 다른 소립자로 변화시키는 데 작용하는 힘

    - 중력 : 질량을 가진 물체 사이에 서로 잡아당기는 힘

 

 

3.  관련 문제 풀어보기

[도선고 2020년 11번]

[도선고 2020년 12번]

[도선고 2020년 13번]

[도선고 2020년 15번]

답) 1번 / 5번 / 3번 / 5번

 

이번 시간에는 중력과 역학적 시스템에 대하여 공부했습니다. 

다음 3강에서는 <운동량과 충격량>에 대해 공부하겠습니다~