seegongsik
중학교 3학년 (14-15세)

역학적 에너지 보존

Conservation of Mechanical Energy

롤러코스터는 맨 처음 가장 높은 곳까지 끌려 올라간 뒤로는 엔진 없이도 언덕을 몇 번이나 오르내려요. 처음 높이에 쌓아 둔 위치 에너지가 내려가며 운동 에너지로 바뀌고, 올라가며 다시 위치 에너지로 돌아오기 때문이에요. 위치 에너지(mgh)와 운동 에너지(½mv²)의 합을 역학적 에너지라 하고, 마찰과 공기 저항이 없으면 이 합은 어느 지점에서나 같아요. 첫 번째 그림에서 열차를 옮기면 높이가 낮을수록 운동 에너지 막대가 길어지고, 두 막대를 합친 길이는 늘 그대로예요. 그래서 출발점보다 높은 언덕은 넘을 수 없어요. 두 번째 그림에는 50 m에서 멈춘 채 출발한 물체가 높이마다 가진 두 에너지의 비율이 나와요.

에너지는 어디로 갈까

🎢 롤러코스터로 보기
①롤러코스터는 높은 곳에서 출발해 낮은 곳으로 내려갈수록 빨라진다
②높은 곳에 있어서 가진 위치 에너지가 빠르기에 따른 운동 에너지로 바뀐 것이다
③다시 언덕을 오를 때는 운동 에너지가 위치 에너지로 바뀌어 느려진다
④에너지는 사라지지 않고 형태만 바뀐다
10%

위치 에너지와 운동 에너지

⚡ 두 가지 역학적 에너지
①위치 에너지: 높이 있을수록 크다. Eₚ = mgh(무게 × 높이)
②운동 에너지: 빠를수록 크다. Eₖ = ½mv²
③높이가 낮아지면 위치 에너지가 줄고 그만큼 운동 에너지가 늘어 빨라진다
④높이가 높아지면 위치 에너지가 늘고 그만큼 운동 에너지가 줄어 느려진다
⑤그래프는 50 m에서 멈춘 채 출발했을 때 높이마다 두 에너지가 차지하는 비율이다
40m

역학적 에너지 보존 법칙

⚖️ 합은 늘 일정하다
①마찰이나 공기 저항이 없을 때
②위치 에너지 + 운동 에너지 = 일정
③이것을 역학적 에너지 보존 법칙이라고 한다
④가장 높은 점: 위치 에너지가 가장 크다. 멈춰 있으면 운동 에너지는 0이다
⑤가장 낮은 점: 위치 에너지가 가장 작고 운동 에너지가 가장 크다

총정리

역학적 에너지 보존
위치 에너지 + 운동 에너지 = 일정
마찰이 없으면 위치 에너지와 운동 에너지의 합은 어디에서나 같다
위치 에너지
PE = mgh
질량(m) × 중력가속도(g) × 높이(h)
운동 에너지
KE = 12mv²
½ × 질량(m) × 속력²(v²)
🎯 시험에서 자주 묻는 것
①마찰을 무시하면 위치 에너지 + 운동 에너지 = 일정
②높은 곳에서는 위치 에너지가 크고 운동 에너지가 작다
③낮은 곳에서는 위치 에너지가 작고 운동 에너지가 크다
④떨어지는 동안 줄어든 위치 에너지 = 늘어난 운동 에너지
⑤실제로는 마찰 때문에 역학적 에너지가 조금씩 줄고, 줄어든 만큼 열에너지로 바뀐다

예제와 단원평가

예제 1
롤러코스터가 마찰 없이 가장 높은 곳에서 멈춘 채 출발한다. 가장 높은 곳과 가장 낮은 곳에서 위치 에너지와 운동 에너지는 각각 어떠한가?
1
가장 높은 곳에서는 높이가 가장 크므로 위치 에너지가 가장 크고, 멈춰 있으므로 운동 에너지는 0이다.
2
가장 낮은 곳에서는 위치 에너지가 가장 작고, 줄어든 위치 에너지만큼 운동 에너지가 커져 가장 빠르다.
▸ 가장 높은 곳: 위치 에너지 최대 · 운동 에너지 0, 가장 낮은 곳: 위치 에너지 최소 · 운동 에너지 최대
높이 50 m에서 출발해 높이 20 m를 지날 때는 처음 위치 에너지의 40 %가 남고 60 %가 운동 에너지가 되어 있다.
예제 2
마찰과 공기 저항이 없을 때, 물체가 떨어지는 동안 위치 에너지와 운동 에너지의 합은 어떻게 되는가?
1
마찰과 공기 저항이 없으면 위치 에너지가 줄어든 만큼 운동 에너지가 똑같이 늘어난다.
2
그러므로 두 에너지의 합인 역학적 에너지는 어느 높이에서나 같다.
▸ 합은 변하지 않는다(역학적 에너지 보존)
실제 롤러코스터는 마찰로 에너지를 조금씩 잃기 때문에, 뒤쪽 언덕일수록 낮게 만든다.
단원평가 유형
역학적 에너지 보존에 대한 설명으로 옳은 것은?
①낮은 곳으로 내려갈수록 위치 에너지가 커진다
②마찰이 없으면 위치 에너지와 운동 에너지의 합은 일정하다
③최고점에서 운동 에너지가 가장 크다
④운동 에너지가 커지면 역학적 에너지도 함께 커진다
⑤실제로 마찰이 있어도 역학적 에너지는 보존된다
▸ ② 마찰이 없으면 위치 에너지와 운동 에너지의 합은 일정하다
1
높은 곳일수록 위치 에너지가 크고(①X), 최고점에서는 KE가 0이고 PE가 가장 크다(③X).
2
마찰이 없으면 PE↓만큼 KE↑라 합은 일정하고(④X·합은 보존), 실제로는 마찰로 역학적 에너지가 열로 전환돼 감소한다(⑤X). 마찰이 없으면 PE + KE는 일정하다(②O).

마지막 수정

이 페이지가 도움 됐다면 후원하기