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고등학교 2~3학년 (16-18세)

물리학II 만유인력과 케플러 법칙

Gravitation and Kepler's Laws

사과를 떨어뜨리는 힘과 달을 지구 둘레에 붙잡아 두는 힘은 같은 만유인력이에요. 질량을 가진 모든 물체는 서로 끌어당기고, 그 힘은 거리의 제곱에 반비례해요. 케플러 법칙은 행성이 태양을 한 초점으로 하는 타원 궤도를 돈다는 것, 같은 시간 동안 쓸고 지나는 넓이가 같다는 것, 주기의 제곱이 긴반지름의 세제곱에 비례한다는 것의 세 가지예요. 이 법칙들은 모두 만유인력에서 이끌어 낼 수 있고, 인공위성의 궤도 속력도 같은 방법으로 구해요. 그림에서 이심률을 바꾸면 궤도가 납작해지고, 같은 시간 간격으로 찍은 행성의 자리가 태양에 가까운 쪽에서 더 벌어져요.

만유인력의 직관

🌍 뉴턴의 사과와 달
①사과를 떨어뜨리는 힘과 달을 붙잡아 두는 힘은 같은 종류의 힘이다
②질량을 가진 모든 물체는 서로 끌어당기며, 이 힘을 만유인력이라고 한다
③거리가 2 배가 되면 힘이 1/4 배가 되듯이, 만유인력은 거리의 제곱에 반비례한다

케플러 법칙을 그림으로

e = 0.40
💡 케플러의 세 법칙
①제1법칙(타원 궤도 법칙): 행성은 태양을 한 초점으로 하는 타원 궤도를 돈다
②제2법칙(면적 속도 일정 법칙): 같은 시간 동안 쓸고 지나는 넓이가 같으므로, 태양에 가까운 근일점에서는 빠르고 먼 원일점에서는 느리다. 그림에서 초록 점 사이가 근일점 쪽에서 넓은 까닭이다
③제3법칙(조화 법칙): 공전 주기의 제곱은 궤도 긴반지름의 세제곱에 비례한다(T² ∝ a³)

만유인력 법칙

만유인력 법칙
F = GMmr²
G = 6.67 × 10⁻¹¹ N·m²/kg², M: 중심 천체의 질량, m: 궤도를 도는 물체의 질량, r: 두 물체 중심 사이의 거리
중력 가속도와 만유인력
g = GMR²
지표면의 중력 가속도는 GM/R² 로, 약 9.8 m/s² 다

케플러 제3법칙

케플러 제3법칙(조화 법칙)
T² = 4π²GMa³
주기의 제곱은 긴반지름의 세제곱에 비례하며, 원 궤도에서 구심력 = 만유인력으로 놓으면 이 식이 나온다
🛰️ 인공위성에 적용하기
①원 궤도를 도는 인공위성은 만유인력이 구심력 역할을 하므로 mv²/r = GMm/r² 이다
②궤도 속력 v = √(GM/r) 은 지구 중심에서 잰 거리 r 에만 달려 있고, 위성의 질량과는 관계없다
③정지 궤도 위성은 주기가 24 시간이라, 지표에서 약 36,000 km 높이를 돈다

예제로 익히기

예제 1
두 물체 사이의 거리를 3배로 늘리면 만유인력의 크기는 몇 배가 되는가?
1
만유인력은 F = GMm/r² 이라 거리의 제곱에 반비례한다.
F = GMmr2
2
r 이 3 배가 되면 r² 은 9 배이므로 F 는 1/9 배가 된다.
r→3r ⇒ F ∝ 1(3r)2 = 19F
▸ 19배
거리가 n 배가 되면 힘은 1/n² 배가 된다. 거리를 3 배로 늘렸는데 힘을 1/3 배로 답하는 실수가 잦다.
예제 2
행성 A의 공전 주기가 행성 B의 8배일 때, A의 궤도 장반경은 B의 몇 배인가? (케플러 제3법칙)
1
케플러 제3법칙 T² ∝ a³ 에서 a ∝ T2/3 이다.
T2 ∝ a3 ⇒ a ∝ T2/3
2
T 가 8 배이므로 a 는 82/3 = 4 배가 된다.
aA/aB = 82/3 = (23)2/3 = 4
▸ 4배
주기의 비를 2/3 제곱하면 긴반지름의 비가 된다. 8 = 2³ 이라 82/3 = 2² = 4 로 깔끔하게 떨어진다.

정리

만유인력
F = GMmr²
케플러 제3법칙
T² ∝ a³
수능 유형 변형
지구 표면에서의 중력 가속도가 g일 때, 지구 반지름의 2배 높이(중심에서 거리 3R)에서의 중력 가속도는?
①g2
②g3
③g4
④g9
⑤g6
▸ ④ g9
1
중력 가속도는 g = GM/r² 로, 지구 중심에서 잰 거리의 제곱에 반비례한다.
g = GMr2
2
지표면은 r = R, 문제의 지점은 r = 3R 이므로 g 는 1/9 배가 된다.
g(3R) = GM(3R)2 = g9
🎯 시험 포인트
①만유인력 F = GMm/r² 은 거리의 제곱에 반비례한다
②궤도 속력 v = √(GM/r) 이라 높이 도는 위성일수록 느리다
③케플러 제1법칙: 행성은 태양이 한 초점인 타원 궤도를 돈다
④케플러 제2법칙: 면적 속도가 일정해서 근일점에서 빠르고 원일점에서 느리다
⑤케플러 제3법칙: T² = (4π²/GM)a³ 이므로 주기의 제곱은 긴반지름의 세제곱에 비례한다

마지막 수정

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