[물리1 심화칼럼 첫번째] 이론
게시글 주소: https://i.orbi.kr/00028536332
본격적인 문제풀이를 하기 전에, 제가 앞으로 많이 사용할 3개의 공식들을 먼저 설명드리려 해요.
그에 앞서, 우선 퍼텐셜에너지와 보존력에 대해 알아봅시다.
우리는 '중력 퍼텐셜에너지', '탄성 퍼텐셜에너지', '전기 퍼텐셜에너지' 처럼 '퍼텐셜에너지' 라는 말은 많이 사용하지만, 이 개념이 왜 생겼는지, 그리고 왜 퍼텐셜(potential)이라는 말이 붙었는지는 생각 안해보신 분들이 많아요.
퍼텐셜에너지는 말 그대로 잠재된(potential) 에너지에요. 지금 현재 가지고 있는 실질적인 에너지는 아니지만, 잠재되어 있는, 곧 갇게 될 그런 에너지라는 뜻이에요.
이해하기 쉽게 중력 퍼텐셜에너지를 예로 같이 살펴보도록 합시다^^
지면에서 물체를 위로 던지면, 던지는 순간 물체는 운동에너지를 갖죠. 이 운동에너지는 물체가 가지고 있는 실질적인 에너지고, 물체는 실제로 이 에너지로 일을 할 수 있어요.
예를 들어, 이 물체가 날아가면서 공중에 날아가는 종이비행기랑 부딪히게 되면 종이비행기는 속도가 변하겠죠? 물체가 종이비행기에 일을 한 것이에요.
위로 던져진 물체는 언젠가 최고점에 도달하게 되고, 이때 물체의 운동에너지는 0이 되며, 그 감소한 운동에너지는 퍼텐셜에너지로 저장이 되요. 이 상태의 물체는 일을 절대 하지 못합니다.
운동에너지를 가진 다른 물체에게 일을 받을 수는 있어도, 자신이 속력이 0이면 다른 물체에게 일을 하지는 못하죠.
그래요, 퍼텐셜에너지는 실질적인 에너지가 아니에요.
실질적인 에너지는 아니지만, 이 상태의 물체는 중력에 의해 언젠가는 떨어질 것이고, 떨어지는 과정에서 운동에너지를 갖게 될 것이기 때문에 "그 갖게 될 운동에너지 만큼 에너지가 잠재되어있다" 고 해서 중력 퍼텐셜에너지라는 이름이 붙은 거에요.
탄성 퍼텐셜에너지, 전기 퍼텐셜에너지(얘는 물리2)도 마찬가지에요.
용수철에 물체를 매달고 용수철을 끝까지 당긴 상태를 생각해봅시다. 이때 물체의 속력은 0이고 실질적인 에너지는 없지만, 용수철이 다시 원상태로 돌아가면 물체는 속력을 갖게 되고, 운동에너지를 갖게 되기 때문에 "탄성력에 의해 잠재되어있는 에너지다" 고 해서 탄성 퍼텐셜에너지라고 하는거에요.
전기 퍼텐셜에너지도 그래요. 어떤 전기장의 특정 위치에 전하가 있는 것 만으로도 "이 전하는 전기장에 의해 힘을 받을 것이고, 운동에너지를 갖게 될 것이다" 고 해서 그 전하는 전기장에 의한 퍼텐셜에너지, 즉 전기 퍼텐셜에너지를 갖고 있다 라고 하는거죠.
이제 보존력에 대해 알아봅시다.
보존력의 정의는 '물체의 역학적에너지를 변화시키지 않는 힘'이에요.
다시 말해, 물체에게 음의 일을 해서 물체의 실질적인 에너지가 줄어들더라도, 물체의 에너지가 줄어든 만큼 퍼텐셜의 형태로 저장되는 힘을 말해요.
위에서 언급했던 중력, 탄성력, 전기력 모두 보존력이죠.
물체(또는 전하)가 중력장이나 전기장에서 중력이나 전기력에 의해 운동에너지가 줄어도 그만큼 중력 퍼텐셜이나 전기 퍼텐셜로 저장되기 때문에 역학적에너지는 변화하지 않는 것입니다.
이해가 잘 안되시면 보존력이 아닌 힘, 예를 들어 마찰력 같은 것과 비교해서 생각하면 이해가 잘 되실거에요.
마찰력에 의해 물체의 운동에너지가 감소했다 하더라도 그게 언젠가 다시 운동에너지로 돌아오진 않죠. 마찰력에 의해 운동에너지가 감소하면 그냥 그걸로 끝이에요.
중력장에서 물체를 위로 던졌을 때 물체가 일시적으로는 운동에너지를 잃지만, 중력에 의해 내려오면서 다시 잃어버린 만큼의 운동에너지를 되찾게 되는 거랑은 확실히 다르죠?
이렇듯 '물체의 역학적에너지를 변화시키지 않는 힘'을 물리에서는 보존력이라고 합니다.
여기서 보존력이 물체에 한 일을 생각해봅시다.
다시 물체를 위로 던지는 경우를 생각해봐요.
물체가 출발하는 순간부터 최고점에 도달하는 순간까지 중력은 물체에 음의 일을 합니다. 중력이 물체에 음의 일을 한 만큼 물체의 운동에너지는 감소하게 되고, 그만큼 물체의 퍼텐셜에너지는 증가하게 되죠.
이를 식으로 표현하면 -(중력이 한 일) = (물체의 중력 퍼텐셜에너지 변화량) 이 되요. (중력이 한 일) 앞에 마이너스는 중력이 음의 일을 하기 때문에 붙인 거에요.
마이너스 붙이는 게 이해가 안가시면 다시 그 상황을 생각해봐요. 질량 m인 물체를 위로 던져서 h만큼 올라갔다고 할 때, 중력이 물체에 한 일은 (물체에 작용한 힘) * (힘 방향으로 물체가 이동한 거리) 이므로 mg * (-h) = -mgh 에요. 물체의 중력 퍼텐셜에너지 변화량은 mgh 이니까 (중력이 한 일) 앞에 마이너스를 붙여야 둘이 같아지게 됩니다.
일반적으로 -(보존력이 한 일) = (물체의 퍼텐셜에너지 변화량) 이 성립합니다. 보존력의 정의에 따르면 당연한 공식이죠.
교과서에 가 나오죠? (알짜힘이 한 일) = (물체의 운동에너지 변화량) 이죠. 교과서에 있으니까 이건 증명을 생략할게요^^
여기다 아까 -(보존력이 한 일) = (물체의 퍼텐셜에너지 변화량) 이 식의 양변을 더하면,
(비보존력이 한 일) = (물체의 역학적에너지 변화량) 이 됩니다.
여기서 비보존력은 보존력을 제외한 모든 힘을 말해요. 물리1 고전역학 파트에서는 중력을 제외한 모든 외력이 되겠죠?
이렇게 고전역학에서 자주 사용되는 공식 3가지가 나왔습니다.
1. 알짜힘이 한 일 = 물체의 운동에너지 변화량
2. 중력이 한 일 = 물체의 퍼텐셜에너지 감소량
(좌변에 마이너스 빼고, 우변에 변화량을 감소량으로 바꿈. 같은 식이에요)
3. 중력을 제외한 외력이 한 일 = 물체의 역학적에너지 변화량
사실 이거 3개만 외워도 되는데, 물리가 무작정 외우는 과목은 아니니까 길게 설명해본거에요 ㅋㅋ
다음 칼럼에는 이 공식을 활용하면 깔끔하게 풀리는 17수능 20번을 풀어보고, 그다음 칼럼부터는 전글에서 언급한 계(system)의 운동에 이 공식 3개를 적용시켜 빠르게 푸는 걸 연습해볼게요^^
0 XDK (+0)
유익한 글을 읽었다면 작성자에게 XDK를 선물하세요.
-
세개중에 하나가 무조건 통계가 나와서 시간 소요가 미적 기하보다 압도적으로 적음
-
문과지만 학교 내신으로 확통(상평) 기하(절평)이라서 둘 다 문제 풀고 있는데...
-
고2 물리런데 4
13퍼는 좀 무섭네...그렇다고 버리긴 또 아깝고...아
-
컷에서 논다는 건 고층에서 줄타기 하는 심정임
-
시발 자살함
-
공통 선택 하나씩 틀림
-
좆됐네 0
141111?
-
화1은 엄… 0
어카누
-
9모 등급컷 보니까 불수능 빌드업이 너무 노골적인데 0
약불 정도면 그래도 꾸역꾸역 버틸 수는 있겠지만 핵불이면 바로 현장에서 멘탈 나갈...
-
더 열심히해야겠구나..
-
윤통 윤ㅅㅇ 0
윤 서 연
-
기능많은 메모장 같은건데 문서끼리 연결할수있음 그리고 이런 그래프모양으로 나타낼수도...
-
중등 개념 또는 고1 개념 중 최근 기출에서 많이 쓰인 적 없던 소재 소위 지엽적인...
-
아오 ㅅㅂ! 놀고싶다거!
-
9모 1
9모 확정 등급컷 어디서 보나요
-
킬캠의 정상화 1
도형이 쉽게나오니까 바로 100나오네
-
74 지구과학2 73 생명과학2 72 윤리와사상 71 세계지리, 화학2 70 세계사...
-
근데 어차피 사탐치고 라인내려서 공대오는 문돌이들은 없음 9
진짜 막상 원서넣을때되면 그렇게 안함 어차피 개빡센 논리퍼즐 풀어야 대학가서...
-
아싸 나도 평가원 수학1 있다
-
수꼭필 0
수상하 기억잘안나는데 수꼭필만 듣고 시발점으로 가도되나요
-
수능끝나고 물리 공부하는 애들이 몇명될까
-
이왜진
-
...
-
지금이라도 무조건 과탐하게 라면 안되나 아
-
2025 이감 오프 시즌4.5.6 가리지 않고 모두 구매하니, (어느 정도 푼 것도...
-
응 표점 대략 추정 115?/124/2/71/73
-
열심히 공부하는 사람들의 그 분위기가 좋음 막 몰두해서 공부 이야기허공 똥글도...
-
미용실에서 머리 감는데 물이 ㅈㄴ 차가웠지만 물 온도가 적당하다고 해버렸다.
-
번개장터 중고나라에 얼마에 양도합니다~ 하는데 돈받고 비번바꾸면 어캐되는거임??
-
왜 시발 사탐런을 허용해가지고
-
난이도 조절 ㅈ박았는데 무조건 9모 보다는 어렵게 내겠죠?
-
분위기 ㄹㅇ 처참할 것 같네
-
국어 > [이감국어 프로그램 시즌6 1] 모의고사 1차 공통, 화작 > [수능특강...
-
생1버리고 생2 해봐야겠다 생2가 생1보다 더 씨발인것같으면 생1으로 컴백하면 되고
-
https://orbi.kr/00069338039
-
100덕 )국어 독서 감 떨어진거 같아서 문제집 풀려고 하는데 4
추천좀여. 수특 올오카 kbs villains 검더텅 앱키마 아수라 함 요즘 아수라...
-
난 나를 믿는다 0
올해는 불국어에 멘탈 안 갈리고 당당히 고득점을 따낼 것을
-
왜 자꾸 다들 "어렵게!!어렵게!!! 내주세요." 하는 거임?....... 작수...
-
20회 난이도가 절대 1컷이 86 나올 시험지가 아닌데; 그래서 찾아보니 짝수회차는...
-
국어 만표 120점대 기하 표점 1등 통합 사상최초 만표 130점대 물1 만점...
-
(1컷을 50이 나오게 만들어 강제 정상화)
-
96 100 1 50 48인데 백분위가 94-96 99 1 96 95인게 너무 ㅈ겉다 아아ㅏㅇㅅ
-
얻어갈건 없고 계산량만 무식하게 늘리는 과탐 실모는 큰 도움이 안됨
-
15,16, 19나 22 수능때도 이랬던거 같아요.
-
'간소화된 지불 절차를 악용하여 불필요한 결제를 유도하는 등 다른 사람에게 금전적...
-
허허..
-
8,9덮 14,15,22 정도 난이도였으면 좋겠어여
고마워요 ㅎㅎ
님님 설대 의대임??
아니요 ㅋㅋ 설, 의에요
2과목 뭐보셨어여 의대면화2? 아님 님이 전설의 물2? 물2면 3만 맞아도 ㄹㅇ 존경함 아니다 문제만 풀어도 존경 ㅋㅋ
수시로 붙어서... 2안했죠^^
올해 물2로 바꾸고 반수합니다 아 인셍 ㅋㅋ