Ⅵ. 일과 에너지 전환

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마무리

과학에서는 물체에 ________을 작용하여 힘의 방향으로 물체를 이동시킬 때 일을 한다고 한다.

물체에 작용한 힘의 방향이 물체의 이동 방향과 수직일 때 물체에 한 일의 양은 __________이다.

물체를 일정한 속력으로 들어 올릴 때 물체에 한 일은 ‘물체의 ________×들어 올린 높이’이다.

같은 시간 동안 더 _______ 양의 일을 하거나, 같은 양의 일을 더 _______ 시간에 할수록 일률이 크다.

일률의 단위로 ________를 사용한다.

움직 도르래를 이용하여 무게가 [eqn: 10`rmN]인 물체를 [eqn: 3`RMm]만큼 들어 올릴 때 줄을 당기는 힘의 크기는 ______[eqn: rmN]이고, 당긴 길이는 ______[eqn: RMm]이다.

빗면을 사용하는 이유는 보다 ______ 힘으로 일을 할 수 있기 때문이다.

도구를 사용할 때 한 일의 양은 도구를 사용하지 않을 때와 _________.

외부(다른 물체)에 일을 할 수 있는 능력을 _______라고 한다.

물체에 일을 해 주면 물체의 에너지가 _________한다.

물체가 외부에 일을 하면 물체의 에너지는 ________한다.

에너지의 단위로 _______을 사용하며, 이는 _______의 단위와 같다.

운동 에너지는 질량에 _____하고, (속력)2에 _____한다.

질량이 2배가 되면 운동 에너지는 _______배가 된다. 또한 속력이 2배가 되면 운동 에너지는 _______배가 된다.

위치 에너지는 질량에 _______하고, 기준면으로부터의 높이에 _______한다.

물체의 위치가 변하지 않더라도 위치 에너지는 ______을 어디로 하는가에 따라 달라진다.

두 지점 사이의 위치 에너지 차이는 ________에 관계없이 일정하다.

운동 에너지와 위치 에너지는 서로 _______된다.

다이빙 선수가 낙하하는 동안 운동 에너지는 _________하고, 위치 에너지는 _________한다.

운동 에너지와 위치 에너지의 합을 _________라고 하는데, 마찰 및 공기 저항이 없을 때 그 양은 __________된다.

자동차의 연료로 사용하는 휘발유나 음식물 속에 공통으로 들어 있는 에너지는 ________이다.

태양에서 발생하여 지구로 전달되는 에너지 중 _________와 _________는 지구 상의 대부분 에너지의 원천이 된다.

발전소 등에서 대량으로 생산되어 가정이나 산업 등에 공급되는 에너지는 __________이다.

백열전구에 공급된 전기 에너지는 ________, ________로 전환된다.

에너지가 한 형태에서 다른 형태로 전환될 때 새로 생기거나 없어지지 않고 그 총량은 __________된다. 이를 _________ 법칙이라고 한다.

화력 발전 시 연료가 가진 화학 에너지를 모두 전기 에너지로 전환할 수 ( 있, 없 )으며, 그 일부는 항상 ______로 전환된다.

_______는 현재 인류의 주요 에너지원이지만, 다시 만들어지기까지 매우 오랜 시간이 걸린다.

화석 연료를 대체할 에너지원으로 주목받는 _______는 에너지 자원이 고갈되지 않고 환경에 미치는 영향이 거의 없다는 것이 장점이다.

_______발전, _______발전 등에서는 태양 에너지를 통해 전기 에너지를 얻는다.

단원 종합 문제

과학에서 일을 한 경우라고 볼 수 없는 것을 모두 고르면?(2개)

① 가방을 들고 서 있다.

② 앉아서 과학 책을 읽고 있다.

③ 흔들바위를 힘껏 밀었더니 바위가 움직였다.

④ 지우개가 책상 위에서 바닥으로 떨어지고 있다.

⑤ 바닥에 떨어진 볼펜을 주워 책상 위에 올려놓았다.

물체에 한 일이 나머지 넷과 다른 하나는?

① 질량이 [eqn: 1`rmkg]인 물체를 수직으로 [eqn: 10`rmm] 들어 올렸다.

② 수평면에 놓인 물체를 [eqn: 9.8`rmN]의 힘으로 [eqn: 10`rmm] 당겼다.

③ 무게가 [eqn: 9.8`rmN]인 물체를 [eqn: 10`rmm] 높이만큼 들어 올렸다.

④ 무게가 [eqn: 10RM`N]인 물체를 [eqn: 9.8`RMm] 높이만큼 들어 올렸다.

⑤ 수평면에 놓인 질량이 [eqn: 9.8`rmkg]인 물체를 [eqn: 10RM`N]의 힘으로 [eqn: 10`rmm] 당겼다.

그림과 같이 영수가 무게 [eqn: 50rm`N]인 짐을 들고 A점에서 B점을 거쳐 계단을 올라 높이 [eqn: 10`rmm]인 D점까지 이동하였다.

10 m

10 m

A

B

C

D

10 m

50 N

영수가 짐에 한 일의 양은?

① [eqn: 200`rmJ]           ② [eqn: 300`RMJ]         ③ [eqn: 500`RMJ]

④ [eqn: 1000`RMJ]          ⑤ [eqn: 1500`RMJ]

그림과 같이 지레에 질량이 [eqn: 5RM`kg]인 물체를 올려 놓고, 힘점을 [eqn: 20rm`cm]만큼 눌러 물체를 [eqn: 10`rmcm] 높이로 천천히 들어 올렸다.

5 kg

F

a

b

10 cm

20 cm

이에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

① 물체의 무게는 [eqn: 49`rmN]이다.

② [eqn: F]의 크기는 [eqn: 98`RMN]이다.

③ 사람이 지레에 한 일의 양은 [eqn: 4.9`RMJ]이다.

④ 지레가 물체에 한 일의 양과 사람이 지레에 한 일의 양은 같다.

⑤ [eqn: a]가 [eqn: 20rm`cm]라면 [eqn: b]는 [eqn: 40RM`cm]이다.

동일한 상자를 바닥에서 책상 위로 올려놓는 일을 하는 데 철수는 마찰이 없는 빗면을 이용하여 [eqn: 10]초, 영수는 직접 들어 올려 [eqn: 5]초가 걸렸다. 철수와 영수의 일률의 비(철수：영수)는?

① [eqn: 1`:`1]          ② [eqn: 1`:`2]       ③ [eqn: 1`:`3]

④ [eqn: 2`:`1]          ⑤ [eqn: 3`:`1]

그림과 같이 질량이 [eqn: 2`rmkg]인 물체가 마찰이 있는 수평면에서 [eqn: 10`rmm/s]의 속력으로 운동하다가 [eqn: 10`rmm]를 이동한 후 정지하였다.

2 kg

10 m/s

10 m

이때 물체가 받은 마찰력은?(단, 물체가 받는 마찰력의 크기는 일정하다.)

① [eqn: 2`rmN]           ② [eqn: RM5`N]         ③ [eqn: 10`RMN]

④ [eqn: 20`RMN]          ⑤ [eqn: 40`RMN]

위치 에너지에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

① 물체의 질량에 비례한다.

② 물체의 기준면으로부터의 높이에 비례한다.

③ 두 지점 사이의 위치 에너지 차이는 기준면에 관계없이 항상 일정하다.

④ 중력이 작용하지 않는 곳에서도 위치 에너지는 기준면으로부터의 높이에 비례한다.

⑤ 물체는 낙하하면서 감소한 위치 에너지만큼 일을 할 수 있다.

오른쪽 그림은 진자가 운동하는 모습을 나타낸 것이다. AB 구간과 BC 구간에서 에너지 전환을 다음 표에 쓰시오.(단, 마찰 및 공기 저항은 무시한다.)

B

C

A

B

C

A

구간	A → B	B → C
에너지 전환

다음에 해당하는 에너지를 <보기>에서 골라 그 기호를 쓰시오.

<보기>

ㄱ. 빛에너지	ㄴ. 화학 에너지

ㄷ. 전기 에너지	ㄹ. 역학적 에너지

(1) 운동 에너지와 위치 에너지의 합

(2) 화석 연료, 음식물 등에 저장된 에너지

(3) 녹색 식물의 광합성, 태양 전지 등에 이용하는 에너지

에너지에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

① 에너지는 한 형태에서 다른 형태로 전환될 수 있다.

② 에너지는 전환 과정에서 새로 생성되거나 소멸되지 않는다.

③ 에너지가 전환되는 과정에서 에너지의 일부가 항상 열에너지로 전환된다.

④ 우리가 사용 가능한 에너지의 양은 유한하므로 에너지를 절약해야 한다.

⑤ 유용한 에너지가 점점 감소하는 이유는 에너지가 점점 없어지기 때문이다.

신․재생 에너지에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

① 화석 연료보다 에너지 효율이 낮다.

② 화석 연료의 고갈로 인한 에너지 문제를 해결할 수 있다.

③ 화석 연료로 인한 환경 오염 문제를 해결할 수 있다.

④ 원자력 발전은 신․재생 에너지에 해당한다.

⑤ 고갈되지 않는 에너지원이나 새로운 에너지원에서 얻은 에너지이다.

다음은 신․재생 에너지로 활용 가능한 여러 가지 발전에 대한 설명이다.

• 조석 현상에 의한 해수면 높이 차가 큰 지역에서는    ㉠   을 활용할 수 있다.

• 바람이 많은 산간 및 해안가는    ㉡   이 활용되고 있다.

• 전자시계 및 전자계산기 등과 같이 소량의 전기가 필요한 곳에는    ㉢   이 활용되고 있다.

㉠~㉢에 알맞은 말을 옳게 짝지은 것은?

	㉠	㉡	㉢
①	조력 발전	태양광 발전	태양열 발전
②	조력 발전	풍력 발전	태양광 발전
③	풍력 발전	조력 발전	태양광 발전
④	풍력 발전	조력 발전	수력 발전
⑤	수력 발전	풍력 발전	태양광 발전

다음에서 설명하는 것은 무엇인지 쓰시오.

연료가 산화할 때 발생하는 에너지를 전기 에너지로 전환하는 새로운 에너지 생산 장치이다. 최근 이 장치를 이용한 자동차가 활발히 연구되고 있으며. 곧 상용화될 것으로 기대하고 있다.

태양광 발전에 대한 설명으로 옳은 것은?

① 소음 및 공해가 없다.

② 에너지원의 고갈 위험이 있다.

③ 전력 생산량이 비교적 일정한 편이다.

④ 열에너지를 전기 에너지로 직접 전환한다.

⑤ 장소에 관계없이 태양광 발전소를 세워 가동할 수 있다.

[44~45] 오른쪽 그림은 바닥에서 튀는 공의 운동을 나타낸 것이다.

공이 낙하하면서 속력이 점점 빨라지는 이유를 역학적 에너지 전환을 이용해 서술하시오.

공이 올라가는 최고 높이가 점점 낮아지는 이유를 에너지 전환을 이용해 서술하시오.

그림과 같이 질량 2kg인 진자 A가 5m 높이에서 내려와 정지해 있던 나무 도막 B와 충돌하였다. 충돌 후 A는 정지하고 B는 마찰이 있는 수평면을 10m 이동한 후 정지하였다.

5 m

A

10 m

B

이때 B에 작용하는 마찰력은 몇 N인지 풀이 과정과 함께 구하시오.(단, A와 B의 충돌로 손실되는 에너지는 없고, B와 수평면 사이의 마찰력은 일정하다.)

정답과 해설

Ⅵ. 일과 에너지 전환

1. 힘   2. 0   3. 무게   4. 많은, 짧은   5. W(와트)   6. 5, 6   7. 작은   8. 같다   9. 에너지   10. 증가   11. 감소   12. J(줄), 일   13. 비례, 비례   14. 2, 4   15. 비례, 비례   16. 기준면   17. 기준면   18. 전환   19. 증가, 감소   20. 역학적 에너지   21. 화학 에너지  22. 빛에너지, 열에너지   23. 전기 에너지   24. 빛에너지, 열에너지   25. 보존, 에너지 보존   26. 열에너지   27. 화석 연료   28. 신․재생 에너지   29. 태양광, 태양열   30. ①, ②   31. ⑤   32. ③   33. ②   34. ②   35. ③   36. ④   37. 해설 참조   38. (1) ㄹ  (2) ㄴ  (3) ㄱ   39. ⑤   40. ④   41. ②   42. 연료 전지   43. ①   44. 해설 참조   45. 해설 참조   46. 해설 참조

4. 일률[eqn: = {한~일의~양} over {걸린~시간}]이므로, 같은 시간 동안 더 많은 양의 일을 하거나, 같은 양의 일을 더 짧은 시간에 할수록 일률이 크다.

6. 움직 도르래를 이용하면 믈체 무게의 [eqn: {1} over {2}]배의 힘으로 물체를 들어 올릴 수 있다. 하지만 물체가 올라간 높이의 2배 길이만큼 줄을 당겨야 한다.

13. [eqn: E _{rmk} = {1} over {2} mv ^{2}]에서 운동 에너지 [eqn: E _{rmk}]는 질량 [eqn: m]에 비례하고, 속력의 제곱 [eqn: v ^{2}]에 비례한다.

14. 운동 에너지는 질량 및 속력의 제곱에 각각 비례하므로, 질량이 2배가 되면 운동 에너지는 2배, 속력이 2배가 되면 운동 에너지는 22=4배가 된다.

15. [eqn: E _{rmp} =9.8mh]에서 위치 에너지 [eqn: E _{rmp}]는 질량 [eqn: m]에 비례하고, 기준면으로부터의 높이 [eqn: h]에 비례한다.

30. ① 이동 거리가 0이므로 과학에서 일을 한 경우가 아니다.

② 책을 읽는 것은 힘과 이동 거리의 곱으로 나타낼 수 없으므로 과학에서 일을 한 경우가 아니다.

31. ① [eqn: (9.8 TIMES 1) rm N TIMES 10`` rm m=98``rmJ]	② [eqn: 9.8``rmN TIMES 10``rmm=98``rmJ]

③ [eqn: 9.8``rmN TIMES 10``rmm=98``rmJ]	④ [eqn: 10`` rm N TIMES 9.8`` rm m=98`` rm J]

⑤ [eqn: 10`` rm N TIMES 10`` rm m=100`` rm J]

32. 영수가 짐에 연직 위 방향으로 힘을 작용하여 짐을 들고 있다. 따라서 영수가 수평면을 걸어가는 동안에는 힘의 방향과 이동 방향이 수직이 되어 일의 양이 0이고, 계단을 올라가는 동안에는 힘의 방향과 수직 방향 이동 거리의 곱인 [eqn: 50`` rm N TIMES 10`` rm m=500``rmJ]만큼의 일을 한다. 따라서 영수가 짐에 한 일의 양은 500J이다.

33. ① [eqn: (9.8 TIMES 5)rmN=49``rmN]

②, ③, ④ 지레가 물체에 한 일의 양=사람이 지레에 한 일의 양이다. 따라서 [eqn: 49``rmN TIMES 0.1``rmm=itF TIMES 0.2``rmm]에서 [eqn: F=24.5``rmN]이고, 한 일의 양은 4.9J이다.

⑤ [eqn: w TIMES a=F TIMES b]에서 [eqn: 49``rmN TIMES ita=24.5``rmN TIMES itb]이다. 따라서 [eqn: a:b=1:2]이므로 [eqn: a=20``rmcm]이면 [eqn: b=40``rmcm]이다.

34. 같은 양의 일을 할 때 일률은 걸린 시간에 반비례하므로 철수：영수[eqn: = {1} over {10초} : {1} over {5초} =1:2]이다.

35. 물체의 운동 에너지가 마찰력에 대한 일로 전환되었으므로, [eqn: {1} over {2} TIMES 2``rmkg TIMES (10``rmm/s) ^{2} ＝itf TIMES 10``rmm]에서 마찰력 [eqn: f=10``rmN]이다.

36. ④ 중력이 작용하지 않으면 높은 곳에 있는 물체가 낙하하면서 일을 할 수 없다. 따라서 중력이 작용하지 않는 곳에서 위치 에너지는 기준면으로부터의 높이에 관계없이 항상 0이다.

37. [모범 답안] •A → B : 위치 에너지 → 운동 에너지

•B → C : 운동 에너지 → 위치 에너지

38. (3) 녹색 식물은 빛에너지를 이용하여 양분과 같은 화학 에너지를 생산하고, 태양 전지는 태양의 빛에너지를 이용하여 전기 에너지를 생산한다.

39. ⑤ 에너지가 전환되는 과정에서 에너지의 일부가 항상 우리가 사용할 수 없는 형태의 열에너지로 전환되므로, 우리에게 유용한 에너지의 양은 점점 감소한다. 이때 에너지는 없어지지 않고 그 총량은 일정하게 보존된다.

40. ④ 원자력 발전 과정에서 방사성 폐기물이 발생하여, 이를 처리하는 문제가 어렵다. 또한 원자력 발전에 사용되는 우라늄의 매장량에도 한계가 있다. 따라서 원자력 발전은 신․재생 에너지에 해당하지 않는다.

43. ②, ③, ④, ⑤ 태양광 발전은 태양 전지를 이용하여 태양의 빛에너지를 전기 에너지로 직접 전환하는 발전 방식이다. 이 발전에 이용되는 태양 에너지는 고갈 위험이 없다는 장점이 있다. 하지만 시간이나 기후에 따라 햇빛의 양이 달라져 전력 생산량이 일정하지 않고, 햇빛이 잘 드는 지역에만 태양광 발전소를 세워 가동할 수 있다는 제한점이 있다.

44. [모범 답안] 위치 에너지가 운동 에너지로 전환되면서 운동 에너지가 점점 증가하기 때문에 속력이 점점 빨라진다.

45. [모범 답안] 공이 바닥에 부딪칠 때, 공기 중에서 운동할 때 역학적 에너지의 일부가 열에너지와 소리 에너지 등으로 전환되어 역학적 에너지가 점점 감소한다. 따라서 공이 올라가는 최고 높이가 점점 감소한다.

46. [모범 답안] A의 위치 에너지가 B에 마찰력에 대한 일로 전환된다.

[eqn: (9.8 TIMES 2)rmN TIMES 5``rmm=itf TIMES 10``rmm], [eqn: THEREFORE `f=9.8``rmN]