에너지 보존에 대한 질문들

에너지 보존에 대한 질문들

 

1). 에너지의 종류에는 어떤 것이 있는가?

▶답 : 전기, 자기, 생물, 화학, 열, 소리, 빛, 마찰, 역학, 핵, 복사에너지 등

 

2). 에너지 보존법칙이란 무엇인가? 그 범위를 명시하라.

▶답 : 우주 전체의 에너지 총량은 변하지 않고 늘 일정한 량을 가지고 있다는 것이다.

 

3). 역학적 에너지란 무엇을 말하는가?

▶답 : 운동에 관계되는 에너지로 운동에너지와 위치에너지를 말한다.

 

4). 역학적 에너지가 보존되는 경우의 예를 들어 보라.

▶답 : 마찰이 없는 경우는 현실적으로 있을 수가 없다. 따라서 공기가 없는 우주 공간에서 자유낙하하는 물체는 정확히 역학적 에너지가 보존된다고 말할 수 있다.

 

5). 동일한 거리를 걸어서 이동하는 경우와 자전거를 타고 이동하는 경우 어느 것이 더욱 효율적인지 에너지의 소모를 중심으로 말해보라.

 

▶답 : 걷는다는 것은 인체의 화학적 에너지를 소모하여 다리를 들어 올리고(위치에너지) 앞으로 몸을 이동하면(운동 에너지) 바닥을 밀면서(땅과의 마찰에너지) 에너지를 소모한다. 여기에 비해서 자전거를 타는 경우는 인체에너지를 폐달의 회전능율 에너지로 전환 시키고 이 에너지는 바퀴를 돌려 바닥을 미는 마찰 에너지로 소모한다. 여기서 걷는 경우는 특히 장거리를 이동할 때 지속적인 반복운동으로 인한 피로가 가중되고 따라서 비효율적인 에너지 소모가 따른다. 그러나 자전거를 타는 경우는 회전관성에 의하여 에너지 소모없이 이동구간이 생기고 자세가 거의 일정하여 비효율적인 에너지 소모를 줄일 수 있다. 또한 앉아서 이동하기 때문에 부담해야 하는 무게도 상대적으로 적다하겠다.

 

6). 두 개의 당구공이 충돌하였다. 이 경우 완전 탄성 충돌이라 보고 충돌전과 충돌후의 운동에너지는 보존된다고 볼 수 있는가? 보존이 안된다면 그이유를 밝혀라.

 

▶답 : 보존되지 않는다. 충돌하는 순간 '꽝'하고 소리가 나지 않는가? 이것은 소리에너지일 것이고, 또 충돌 후 공의 온도를 측정하면 더 뜨거워져 있을 것이다. 이것은 열에너지가 아닌가? 이들 소리에너지, 열에너지는 어디서 온 것일까? 충돌전 운동에너지에서 나온 것이고 따라서 충돌후의 운동 에너지의 합은 감소되었다고 봐야 옳지 않겠는가.

 

7). 운동하는 물체가 갇는 에너지 즉, 운동 에너지는 ½mv² 이므로 속도가 1배, 2배, 3배로 증가하면 운동에너지는 어떻게 변할까?

▶답 : 1² 배, 2²배, 3² 배로 증가된다.

 

8). 언덕 위에 정지해 있던 자동차가 아래로 달려 내려오기 시작해서 골짜기에서의 속도는 매시 4km였다. 이번에는 정지해 있는 대신 초속도 매시 3km를 가진 이 자동차가 아래로 달려 내려왔다. 골짜기에 다다랐을 때의 속도는 얼마일까?

▶답 : 언덕을 내려가는 운동에서 운동에너지 문제는 일정량끼리 더해주면 되지만 속도는 그렇지 않다. 속도를 단순히 더한다면 3+4=7 이지만, 이것은 틀린 답이다. 속도끼리는 왜 더할 수 없을까? 언덕 위에서 4km/h의 속도를 얻으려면 트럭은 언덕 위에서 일정한 시간이 걸려야 하기 때문이다. 3km/h의 속도로 출발하게 되면 언덕 위에서 시간이 덜 걸리고, 따라서 언덕을 내려가면서 얻는 속도도 덜 나게 된다. 그러나 가법적인 방법이 가능한 물리량이 있다. 바로 에너지다. 우리는 속도가 2배로 될 때 에너지는 4배가 되고, 속도가 3배가 될 때 에너지는 9배, 이런 식으로 된다는 것을 알고 있다. 그러므로 초속도 3은 9단위의 에너지에 해당하고, (언덕을 내려오면서 얻은) 속도 4는 에너지 16단위에 해당한다. 따라서 총 에너지는 9+16=25단위가 된다. 그럼 25단위의 에너지에 해당하는 속도는 얼마일까? 바로 속도는 5가 될 것이다.

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