☞ 강의 Tip.

“실험뚝딱” 교사용 지도서- 역학적 에너지의 변환

이번 단원에서는 에너지 전환에 대해 알아봅니다. 먼저 에너지의 개념이 무엇인지 설명하고, 에너지는 그 형태가 서로 바뀔 수 있으나 에너지의 총량은 변하지 않는다는 개념을 그림을 통해 지도해주시기 바랍니다. 에너지 전환의 다양한 예를 들어서 쉽게 이해를 할 수 있도록 지도해주시기 바랍니다.

▩ 에너지

에너지는 ‘물체 내부에 간직되어 있는 일’이란 뜻의 그리스어에서 나왔습니다. 그래서 에너지가 사람에게 쓰일 때는 ‘사람이 활동하는 데 근원이 되는 힘’ 즉‘사람이 일 을 할 수 있는 능력’을 뜻하고, 물체에 쓰일 때는 ‘물체가 일을 할 수 있는 능력’을 뜻합니다.

! 에너지의 근원

지구상에 존재하는 대부분의 에너지의 근원은 태양 에너지입니다. 이 태양 에너지가 다른 여러 가지 형태의 에너지로 전환되어 지구의 환경을 움직이고 인간에 의해 사용되는 것입니다. 하지만 이 태양 에너지에 근원을 두고 있지 않은 에너지도 있습니다. 지구상에 존재하는 에너지 중에서 우라늄에 의한 원자력 에너지나 수소의 핵융합 에너지는 물질 자체가 가지고 있는 에너지로 태양 에너지에 근원을 두고 있지 않습니다.

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▩ 에너지 전환

에너지는 한 형태에서 다른 형태로 바뀔 수 있습니다. 우리는 흔히 ‘에너지를 써 버린다.’라고 말하지만 사실은 에너지를 사용하여 없어지게 하는 것이 아니라 다른 형태로 바꾸는 것입니다.

(1) 댐에 고여 있는 물이 가지고 있는 위치 에너지는 수력 발전소에서 발전기를 돌리면 서 전기 에너지로 바뀝니다.

(2) 원자력 발전소에서는 우라늄이 핵 분열할 때에 발생하는 열이 전기 에너지로 전환됩니다. 그리고 이 전기 에너지가 각 가정으로 전달되어서 전열기에 공급되면 열에너지로 바뀌고, 전등에 공급되면 빛 에너지로 바뀌고, 청소기에서는 전기 에너지가 운동 에너지로 바뀌는 것입니다.

(3) 태양 전지는 태양의 빛에너지를 전기 에너지로 전환시킵니다.

(4) 풍력 발전소에서는 바람의 운동 에너지가 전기 에너지로 전환됩니다.

(5) 롤러코스터는 처음에 전기 에너지를 이용해서 높은 곳까지 올라갑니다. 이 과정에서 전기 에너지는 위치 에너지로 전환됩니다. 제일 높은 곳까지 올라갔던 롤러코스터는 아래로 내려가면서 속력이 빨라집니다. 이때 위치 에너지가 운동 에너지로 전환됩니다. 아래로 내려갔던 롤러코스터는 위로 올라가면서 속력이 느려집니다. 이때 운동 에너지가 위치 에너지로 전환됩니다.

! 역학적 에너지

(1) 위치에너지

수력 발전소에는 높은 곳에 있는 물을 낙하시켜 발전기를 돌려 전기를 얻습니다. 즉, 높은 곳에 있는 물은 에너지를 가지고 있습니다. 어떤 기준보다 높은 곳에 있는 물체는 그 기준에 대해 상대적인 위치에너지를 가집니다. 그러므로 위치에너지는 높이에 비례합니다. 지구상에 있는 물체는 연직 아래 방향으로 힘을 받으므로 높은 곳에 있는 물체는 중력에 의하여 연직 아래 방향으로 낙하하면서 일을 할 수 있습니다.

(2) 운동에너지

운동하고 있는 물체는 일을 할 수 있는 능력이 있으므로 에너지를 가지고 있습니다. 이와 같이 운동하고 있는 물체가 가지는 에너지를 운동 에너지라고 합니다. 이 운동에너지 의 크기는 물체의 운동 속력과 물체의 질량에 영향을 받습니다. 물체의 질량에는 비례하고 물체의 속력에는 제곱에 비례합니다.

☞ 강의 Tip. 진자의 운동으로 역학적 에너지의 전환을 설명해주세요!

양끝을 왔다 갔다 움직이는 진자는 폭이 점점 줄어들어 결국에는 정지하고 맙니다. 하지만 위치 에너지와 운동 에너지가 서로 전환되어 역학적 에너지 가 일정하게 보존된다면 진자는 정지하지 않고 계속 운동해야 합니다. 진자가 정지한다는 것은 처음 진자가 가지고 있던 에너지가 없어졌다는 것을 의미하는데, 이 에너지는 어디로 간 것일까요? 진자가 정지하는 이유는 진자가 처음 가지고 있던 에너지가 공기와의 저항이나 실과의 마찰에 의해 열에너지로 전환되기 때문입니다. 즉 에너지가 다른 형태로 전환된 것일 뿐 소멸되거나 새로 생성 되지는 않습니다.

▩ 에너지의 보존

에너지는 한 형태에서 다른 형태로 전환되면서 에너지 총량은 항상 일정하게 보존됩니다. 그러 나 한 번 사용한 에너지는 재활용이 불가능합니다. 그러므로 인류의 장래를 위해서는 에너지 자원을 더 효율적으로 사용하고, 항상 절약해서 사용해야 합니다. 또한, 원자력이나 태양, 바람, 파도 등의 자연의 힘을 이용한 에너지나, 연료전지, 바이오 에너지, 폐기물에너지 등의 대체 에너지를 개발할 필요가 있습니다.

☺ 재미있는 이야기

충돌과 에너지 보존

두 물체가 고립계에서 서로 충돌했을 때 운동량뿐만 아니라 운동에너지도 함께 보존되는 충돌로, 당구공의 충돌이 좋은 예 입니다. 가령 정지해 있는 당구공을 향해 다른 당구공이 가서 부딪히면 충돌한 당구공은 정지하고 정지해있던 당구공은 충돌한 공과 같은 속력으로 앞으로 나가게 되는 경우를 볼 수 있는데, 이때는 에너지의 손실 없이 다음 물체에 그대로 에너지를 전달해 줍니다. 물체 간의 상호작용 힘이 외부 힘보다 훨씬 커지면 외부 힘은 완전히 무시될 수 있고 두 물체는 고립계로 취급될 수 있습니다. 그러면 충돌에서 운동량은 보존되고 충돌 전후 운동량은 같은 값이 됩니다. 만일 자동차가 서로 충돌하였다면 이는 바닥의 마찰이나 공기저항에 비해 자동차 상호작용의 힘이 훨씬 크므로 고립계로 볼 수 있으며, 이때 충돌 전후 운동량은 보존됩니다.

물레방아의 에너지

물의 힘을 이용하여 곡식을 찧는 방아의 한 종류입니다. 물레방아는 물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 떨어지는 힘을 일로 바꾸는데 효과적입니다. 옛날 사람들은 물레방아를 이용해 밀가루를 만드는 제분을 하거나 목재를 켜는 노동을 대신하곤 했습니다.

Play Pump

아이들이 Play Pump에서 놀면서 생산하는 회전 에너지(운동 에너지)를 지하수를 끌어올리는 수직 에너지(위치에너지)로 바꾼 것입니다. 그 후 물을 저장하는 지상의 탱크에 물이 저장됩니다. 수돗물을 얻기 위해 수도꼭지를 돌리면 다시 위치 에너지를 가진 물이 수도관을 통해 이동하여 쉽게 물을 구할 수 있습니다.

왜 우리는 자원을 아껴야 하는 걸까요?

우리가 일상생활에서 가장 많이 사용하는 에너지 자원은 석탄과 석유입니다. 그런데 이들은 매장량이 한정되어 있어서, 우리 에게 무한정 공급되지 않습니다. 지금과 같은 정도로 석탄과 석유를 사용한다면, 안타깝게도 석탄은 100년, 석유는 40년 정도밖에 쓸 수 없다고 전문가들은 말합니다. 이것만 봐도 우리가 에너지를 왜 아껴 써야 하는지 알 수 있는 것이죠.