중3 에너지(위치에너지, 운동에너지)

안녕하세요^^

날씨가 풀린 것 같아요~~ 하지만, 일교차가 있으니 다들 감기 조심하세요^^

 

오늘은 중학교 3학년 에너지에 대하여 적어볼게요~~

중학교 3학년 물리파트에서 에너지에 대하여 배우는데, 에너지는 일상생활에서 많이, 그리고 우리가 자주 사용하는 말 중에 하나이잖아요~~ 보통 에너지 하면 힘이라고 생각하시죠?? 여러분은 언제 에너지라는 말을 사용하시나요??  밥을 안 먹어서 에너지가 없네.. 이렇게 사용도 하시는데, 정확하게 사용하는 것입니다. 

과학에서 에너지란 일을 할 수 있는 능력을 에너지라고 합니다. 에너지에는 여러 가지가 있죠. 위치에너지, 운동에너지, 역학적 에너지, 전기에너지, 빛에너지, 바람에너지, 핵에너지 등등 등 정말로 많아요~~ 그럼 중학교에서 이 많은 에너지를 다 배우나요?? 아니요. 위치에너지, 운동에너지, 역학적 에너지에 대해서 배웁니다.

에너지가 일을 할 수 있는 능력이라고 했잖아요. 그럼, 에너지와 일은 어떤 관계일까요? 바로 에너지가 일로 또는 일이 에너지로 전환이 되는 관계입니다. 그래서 에너지와 일의 단위는 J로 같아요.

위치에너지라는 것이 있어요. 위치에너지는 높은 물체가 가지는 에너지를 말하는데, 예를 들면 1m인 곳에 물체가 있다고 합시다. 그럼, 그 물체는 지면에서 1m인 떨어진 곳에 있으니 위치에너지를 갖게 되는데, 누가 물체를 1m인 곳에 올려놓았을까요? 바로 사람이겠죠? 물체가 스스로 올라갈 수 없다면 말이에요~~ 바로 사람이 물체에 일을 하면, 물체에 해준 일이 에너지로 바꿨다는 이야기예요. 반대로 물체가 떨어지면 일을 합니다. 그럼, 어느 만큼 일을 할까요? 갖고 있던 에너지만큼 일을 하게 됩니다. 이처럼 에너지와 일은 서로 변환이 될 수 있다는 이야기.. 이해가 되시나요??

일과 에너지 관계 - 네이버 참조

그림에서 여자분이 추를 올리고 있네요. 그럼, 사람이 추에 일을 해야 올라가죠. 그럼, 추는 높은 곳에 있게 되니 에너지가 증가해요. 어느 만큼 증가를 할까요? 바로 사람이 추에 한 일만큼만 증가를 하게 되죠. 오른쪽 그림은 줄을 놓아버리면 추가 떨어지죠? 그럼 높은 곳에 있던 추가 다시 지면으로 내려오니 에너지는 감소해요. 어느 만큼 감소할까요? 바로 추가 갖고 있던 에너지만큼 감소를 합니다. 이처럼 에너지와 일은 서로 바뀐다는 것 이해를 하고 갔으면 합니다.

그럼 에너지에 대해서 볼까요?

중학교에서 배우는 에너지는 크게 3가지예요~ 위치에너지, 운동에너지, 역학적 에너지 이렇게 3가지만 배워요. 우선 위치에너지는 높은 곳에 있는 물체가 가지는 에너지를 말합니다.

공식은 Ep(Potential energy, 위치에너지는 영어로 포텐샬이라고 합니다.) = 9.8mh(9.8X질량 X높이)로 구하는데, 9.8X질량=무게이므로 위치에너지는 무게 X높이로 구해도 됩니다. 이 공식 본 적 없으신가요? 바로 중력에 대한 일 공식과 같죠. 다시 말해서 내가 물체를 들어 올리면 물체는 에너지를 갖게 되는데, 내가 한 중력에 대한 일이 바로 물체의 위치에너지로 바뀐다는 것입니다. 여기서 주의할 점은 높이예요. 여기서도 높이는 기준면이 있는데, 일반적으로 기준면은 지면이죠. 기준면이 어디냐에 따라서 높이가 달라질 수 있어요. 

높이에 따른 위치에너지 - 네이버 참조

그림에서 1kg인 물체가 옥상에 있는데, 기준면에 따라서 물체의 위치에너지가 달라요. 지면을 기준면이라고 하면 물체의 위치에너지는 9.8X1kgX6m 이고, 베란다를 기준면이라고 할 때 위치에너지는 9.8X1kgX2m 이고, 옥상을 기준면으로 할 때 위치에너지는 9.8X1kgX0m 가 됩니다. 위치에너지에서 기준면이 어딘가로 할 때 에너지값이 달라진다는 것 이해되시나요?? 위치에너지와 질량, 위치에너지와 높이 관계에 대해서 이야기를 하는데, 둘 다 비례 관계입니다. 같은 높이에서 질량이 커지면 위치에너지 커지고, 질량이 작으면 위치에너지 작아지죠. 그리고 같은 질량일 때 높이 높아지면 위치에너지는 커지고, 높이가 낮아지면 위치에너지는 작아지죠. 이처럼 비례관계라고 보시면 됩니다.

위치에너지와 질량, 높이 관계 - 네이버 참조

 

두 번째, 운동에너지입니다. 운동에너지는 운동하는 물체가 가지는 에너지입니다. 운동에너지를 Kinetic energy라고 해서 Ek라고 하고, Ek=1/2 X m X v2(1/2X질량 X속력의 제곱)으로 계산합니다.

운동에너지 - 네이버 참조

예를 들면 100kg인 자동차가 20m/s의 속력으로 달리고 있다면 운동에너지는 1/2X100kgX20의 제곱 이렇게 계산하면 되는데, 운동에너지에서 속력의 단위는 m/s로 바꿔야 해요.. 운동에너지에서 주의할 점이에요^^

운동에너지에서 속력이 커지면 제곱으로 커지는 것에 주의를 해야 합니다. 예를  들면 1kg인 물체가 2m/s 속력으로 갈 때와 4m/s로 갈 때 운동에너지를 구하면 속력이 2m/s 일 때 운동에너지는 1/2 X 1kg X 2의 제곱 = 2J이고, 속력이 4m/s이면 운동에너지는 8J이 됩니다. 왜 그럴까요? 바로 속력의 제곱이기 때문이라는 점... 꼭 유의해주세요^^

운동에너지와 속력 관계 - 네이버 참조

그림에서 다른 점 찾으셨나요? 왼쪽은 운동에너지와 속력이고, 오른쪽은 운동에너지와 속력의 제곱 그래프입니다. 

그리고 운동에너지도 에너지이기 때문에 일로 전환이 될 수 있어요. 예를 들면 멈춰있는 물체에 힘을 가했더니 물체가 1m 이동했다. 1m 이동할 때 에너지는 얼마인가??? 이렇게 물어보면 물체에 가한 일이 물체의 운동에너지로 전환이 되었다고 보시면 됩니다. 

에너지와 일은 서로 전환이 될 수 있다는 것 꼭 명심하시면서 봤으면 합니다.^^ 감사합니다.^&^

 

지금까지 위치에너지와 운동에너지에 대한 이론을 간단하게 정리를 했습니다. 많은 도움이 되었으면 합니다^^ 관련된 문제도 올리도록 할게요^^ 다음에는 에너지와 일, 그리고 역학적 에너지에 대하여 간단하게 정리할게요^^