(실전 2-과학) '회전 기준계의 가상의 힘'-지문 해설, 대비 26문제(2024학년도 수능특강 기출 및 변형)

 

 

[1~4] 다음 글을 읽고 물음에 답하시오.

 

태풍은 폭우와 강풍을 동반해 큰 피해를 초래한다. 태풍은 열대 저기압이 발전한 것으로 그 중심은 바깥보다 기압이 낮아 주변의 공기를 빨아들인다. 이때 발생해 작용하는 힘은 저기압의 중심을 향하기 때문에 뉴턴의 운동 법칙에 따르면 바람이 태풍의 중심으로 곧바로 향해야 한다. 그런데 태풍의 바람 방향을 알려 주는 소용돌이의 무늬를 보면 태풍 주변의 바람이 태풍 중심을 향해 곧장 들어가지 않고 돌고 있음을 알 수 있다. ㉠지구 북반구에서 발생하는 태풍의 바람은 시계 반대 방향으로 돌아서 태풍의 중심으로 들어간다. 이 방향은 기압 차이에 의한 힘의 방향과 일치하지 않는 것이다. 이와 같은 현상은 어떤 과학적 원리와 관련이 있을까?

 

태풍의 바람 방향을 설명하기 위해서는 태풍 안팎의 기압 차이에 의한 압력 외에 ‘코리올리 힘’이라고 부르는 ‘가상의 힘’이 추가로 필요하다. 이 힘을 ‘가상의 힘’이라고 부르는 이유는 뉴턴의 운동 법칙에서 가속도와 힘의 관계를 정할 때 설정한 전제 조건과 관련이 있다. 뉴턴은 제1 법칙을 통해 외부의 힘이 가해지지 않으면 정지해 있던 물체는 계속 정지해 있고 운동하는 물체는 계속 등속 직선 운동을 하는 관성을 나타낸다고 제시했다. 이러한 관성의 법칙이 성립하는 계를 관성 기준계라고 한다. 관성의 법칙은‘외부의 힘이 가해지지 않으면 물체의 속도는 일정하다.’라는 명제로 바꿔 말할 수 있다. 또한 이 명제는 어떤 물체에 가해지는 힘과 그 물체의 가속도는 비례하고 질량과 가속도는 반비례한다는 뉴턴의 제2 법칙과 관련하여 가속도가 0인 경우에 해당된다고 해석할 수도 있다.

 

뉴턴의 제1 법칙에는 모든 운동을 관측하고 이해하는 기준틀에 대한 개념이 담겨 있다고 할 수 있다. ‘관성 기준계’라고 정의한 이 기준틀은 뉴턴의 운동 법칙에서 정한 힘이 어디까지 유효한지 그 범위를 정해 준다. 뉴턴은 관측자를 물체의 위치와 운동을 재는 기준으로 설정했다. 가령 관측자 A는 기차역에서 있고, B는 막 출발해 속도를 높이는 기차에 올라탔다고 하자. A의 관측에 따르면 기차역은 정지해 있고 기차는 일정하게 가속하고 있다. A의 기준계에서 보면 기차역의 가속도는 0, 즉 기차역에 작용하는 힘은 없다. 하지만 기차에는 가속도에 비례하는 힘이 작용한다. A의 기준계에서 바라본 기차역과 기차의 운동은 뉴턴의 운동 법칙과 정확히 일치한다. 반면 B의 기준계에서 관측하면, 기차는 정지해 있고 대신 기차역이 가속을 하며 멀어진다. B의 기준계에서 정지해 있는 기차에는 아무런 힘이 작용하지 않고 기차역에는 제2 법칙에 따른 힘이 작용해야 한다. 그런데 A가 관측한 기차의 가속도와 B가 관측한 기차역의 가속도가 방향은 반대인데 크기가 서로 같다. 기차와 기차역이 주고받는 힘은 일정한데, B의 기준계에서는 기차에 비해 아주 무거운 기차역이 똑같은 가속을 하고 있다. 뉴턴의 운동 제2 법칙이 관측자에 따라 다르게 적용되는 모순이 있는 것이다. 뉴턴은 ‘관성 기준계에서 측정했을 때’라는 전제 조건을 제1 법칙에서 설정했는데, 그렇게 한 이유는 이 모순을 해결하기 위해서였다. A는 관성 기준계의 관측자인 반면, B는 비관성 기준계의 관측자이다. ㉡비관성 기준계에서는 뉴턴의 제2 법칙의 가속도와 힘의 관계가 성립하지 않는다.

 

 

[해설]

회전 기준계의 가상의 힘

{해제}

태풍의 중심은 바깥보다 기압이 낮다. 그럼에도 태풍의 바람은 시계 반대 방향으로 돌아서 태풍의 중심으로 들어간다. 이 글에서는 이 현상과 관련 있는 과학적 원리를 설명하고 있다. 이 글에서 설명하고 있는 ‘코리올리 힘’은 가상의 힘이라고 할 수 있다. 이 글에서는 뉴턴의 운동 법칙에 대한 설명을 바탕으로 구체적 사례를 들어 코리올리 힘에 대한 이해를 쉽게 할 수 있도록 내용을 전개하고 있다.

 

SMALL

 

{주제}

태풍의 바람 방향과 관련 있는 과학적 원리

{구성}

•1문단: 기압 차이에 의한 힘의 방향과 일치하지 않는 태풍의 바람 방향

•2문단: 관성 기준계의 개념과 관성의 법칙의 의미

•3문단: 관성 기준계와 비관성 기준계의 차이점

•4문단: 뉴턴의 운동 법칙에 맞게 회전 기준계의 운동을 설명하는 데 필요한 가상의 힘

•5문단: 회전 운동을 하는 물체의 관성에 영향을 주는 코리올리 힘

 

 

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