목동 길벗아카데미에서 과학을 담당하는 황윤수 선생님 입니다.​

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길벗 포맷을 통해 중학교 3학년 80점 학생을 기준으로 설명을 드리겠습니다.

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중학교 과학에서 역학적에너지의 전환에 대한 질문이 되겠습니다.

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문제를 이해하기 위한 핵심 개념을 보자면

1. 역학적에너지 = 위치에너지 + 운동에너지 의 총합

2. 위치에너지 = 기준점에서 높이h(m)만큼의 위치에 질량 m(kg)인 물체의 잠재된 에너지로 9.8mh의 크기

3. 운동에너지 = 질량 m(kg)의 물체가 속력이 v(m/s)일때 물체가 지닌 에너지로 1/2mv2의 크기

4. 역학적 에너지 보존의 법칙 = 마찰력에 의한 손실이 없는 경우 역학적에너지에서 위치에너지와 운동에너지의 구성은 바뀔 수 있으나 총량은 일정하다

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위에서 보면 역학적에너지는 물체가 지닌 현위치에서 위치에너지와 운동에너지의 총량을 말하며 마찰이 없는 경우 역학적에너지는 보존됨을 알 수 있습니다. 이 때 위치에너지는 기준점에서 부터 높이(h)의 변화를 통해 발생하는데 역학적에너지 관계적으로 볼 때 위치에너지의 변화는 반드시 운동에너지의 변화를 동반하게 되므로 위치에너지 증가 시 운동에너지는 감소(총량 일정)하게 되고 위치에너지가 감소하게 되면 반드시 운동에너지가 증가(총량 일정 )하게 됩니다.

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따라서 질문인 ' 공을 올릴 때 위치에너지는 운동에너지로 전환 '현상에 대하여 물리적 논리실험으로 설명하면 공의 높이가 증가하여 위치에너지가 커지면 역학적 에너지 보존에 의해 상대적으로 운동에너지는 감소하여 총량이 일정하게 유지되는 사고 실험 결과를 얻게 됨을 알 수 있습니다.

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위의 경우 물리적 논리 사고로 접근했지만 다른 방향에서 이야기하면 높이의 변화 시 필수로 운동의 변화가 동반되고 중력에 대한 힘의 작용으로 가속도 운동을 하게되어 아래쪽방향은 중력과 같은 방향으로 힘이 작용해 속도가 증가하고 (그로인해 운동에너지가 증가하며) 위로 운동 시 중력이 반대로 작용해 속도가 감소(하면서 운동에너지가 감소)하는 힘과 운동의 현상으로 설명이 가능합니다.

( 위 내용은 고등학고 과정 상 물리학1의 내용이 기본이 됨에 따라 주된 내용으로 설명하지 않았습니다.)

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위 질문의 경우 중학교 내신을 기준으로 ​길벗 아카데미의 길벗 포맷을 통해 평가한다면 난이도는 2/5 (시험 통계적으로 비슷한 유형의 5개 문제를 풀이 시 2개 문제를 틀리는 확률) 이며 출제경향성은 2/5 (시험 통계적으로 비슷한 유형의 5개 문제를 출제시 3개 문제의 출제 빈도수를 가짐) 정도로 기본적인 내용일 수 있으나 역학적에너지의 전환 에 관한 근본적인 개념의 질문으로 본다면 일반적인 문제 보다 좀 더 난이도가 높은 사고와 논리적 접근이 필요한 부분이라고 보여집니다.

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공을 올릴 때에는 운동에너지가 위치에너지로 전환되고 공이 떨어질때는 위치에너지가 운동에너지로 전환된다는데 그 반대는 말이 안 된다네요. 예를 들어 ‘공을 올릴 때 위치에너지가 운동에너지로 전환된다’요 이유가 뭐죠??