특수 상대성 원리 논술 시험

고등학교로 와서 낯선 단원이 특수상대성원리 단원과 반도체 단원이다.

대학때 배웠던 이후로 처음 만나는 단원이다.

걱정은 되었는데 관련문제들을 보니 그리 어려운 문제들은 나오지 않아 내용을 이해하는데 시간을 갖기로 했다.

이 부분을 수행평가로 논술로 하기로 했었는데 그냥 논하라 하면 어려울 듯 하여 예상답지를 주고 진도를 나갔다.

문제를 미리 주겠다고 했더니 정말 똑같이 내요. 하고 묻던 아이들이 문제의 답을 쓰려고 하니 만만치 않음을 느낀다.

논술로 쓴 글의 내용만큼 알고 넘어가면 되는 것 아닌가 하는 생각을 해본다.

5지선다형으로 고르는 문제가 아니고 편하게 다 외워서 서술하는 시험을 낼 수도 있다는 점에서 혼자 가르친다는 것이 편하다. 물리1을 선택한 학생이 많지 않아 2학년 11반 중에 3반뿐이고, 3학년 중에는 물리2를 선택한 학생이 한 반뿐.

1,2,3,4모둠별로 내일부터 발표하고 그 내용을 외워서 시험을 보는 사이, 학생들이 특수상대성이론에 대해 친숙해지리라는 생각을 한다.

다음주가 마침 학생들 등교주간이라 재미있을 듯 하다.

 

1. 특수 상대성 이론을 설명하시오. ( 가정 2가지, 실례를 들어 설명할 것)

 

특수상대성이론은 상대성원리와 광속불변원리라는 두 가지 가정을 통해 세워졌다.

첫 번째는 상대성원리는 서로 등속도 운동을 하는 관성좌표계들 사이의 관계에 대한 이론으로, 모든 관성좌표계에서는 동일한 물리법칙이 성립한다는 것이다.

예를 들어 일정한 속도로 움직이는 트럭 위에서 공을 연직 위로 던졌다가 받는 것을 생각해보자. 트럭 안에 있는 사람과 지면에 있는 관찰자에게는 공의 경로는 다르게 보일 것이다. 그러나 두 관찰자 모두 공의 운동을 설명하는데 동일한 뉴턴의 운동법칙 F=ma를 사용한다. 이처럼 상대성원리는 모든 관성좌표계에서 관찰되는 물리량을 다를 수 있으나 그 물리량 사이에 관계를 나타내는 물리법칙은 동일하다는 것을 뜻한다.

두 번째는 광속불변원리로 모든 관성좌표계에서 보았을 때, 진공 중에서 진행하는 빛의 속력은 관찰자나 광원의 속력에 관계없이 일정하다는 것이다.

 

2. 특수 상대성 이론에 의한 현상 중 ‘시간 지연’과 ‘길이 수축’에 대하여 논술하시오.

(동시성의 상대성을 설명하고 그로 이한 시간지연과 길이수축의 에를 들어 고유시간, 고유길이의 용어를 포함하여 논술하시오. 뮤온의 수명(고유시간)은 2.2*10-6s  이다.)

 

특수상대성이론에서는 관찰자가 상대운동을 할 때, 한 관찰자가 동시에 발생했다고 보는 사건이 상대 운동을 하는 다른 관찰자에게는 동시에 발생한 것으로 보이지 않는다는 것이다.

예를 들면 빠르게 날아가는 우주선 안의 중간에 빛이 반짝일 때, 우주선 안에서 관찰한 사람과 우주선 밖의 사람이 관찰한 시간과 길이는 달라진다.

첫 번째 시간 지연에 대해 알아보자.

이것은 정지한 관찰자가 운동하는 관찰자를 보면 상대방의 시간이 느리게 가는 현상을 말한다. 고유시간이란 어떤 물체의 시간을 측정할 때 그 물체와 함께 운동하는 관찰자가 측정한 시간으로(우주선 안의 사람이 측정한 시간이라고 써도 됨) 정지한 행성에서 측정한 시간보다 짧다. (또는 우주선 안의 시간보다 정지한 행성에서 측정한 시간이 길다. )

두 번째 길이 수축에 대해 알아본다.

이것은 매우 빠르게 움직이는 물체에서 시간지연과 함께 길이가 수축되는 현상이다.

고유길이란 물체가 정지한 상태에서 동시에 물체의 앞과 뒤를 측정한 거리로 운동하는 관찰자가 운동방향과 나란한 거리 L을 측정하면 고유길이보다 짧다.

특수상대성이론의 증거로는 뮤온을 들 수 있는데 뮤온의 수명(고유시간)은 2.2×10-6초인데 시간지연을 고려하지 않으면 지표면에 도달할 수 없다. 그래서 이를 시간지연과 길이 수축으로 해석하면 다음과 같다.

지표면에서 정지한 관찰자는 뮤온의 수명이 늘어나기 때문에 뮤온이 지표면에 도달한다고 해석하고, 뮤온과 함게 움직이는 좌표계에서는 뮤온이 발생한 지점에서 지표면까지의 거리가 줄어들기 때문에 뮤온이 도달하다고 해석한다.

 

3. 질량-에너지 등가성에 대해 설명하시오.

뉴턴역학에서는 질량은 물체가 가지고 있는 고유한 양으로 정의 하였으나 아인슈타인은 질량은 변하지 않는 고유의 양이 아니라 상대적인 물리량으로 생각했다. 즉, 물체의 속력이 빛의 속력에 가까워지면 질량이 급격하게 증가하게 된다. 따라서 물체에 가해준 에너지의 일부는 속력을 증가시키는데 사용되고, 일부는 물체의 질량을 증가시키는데 사용된다. 다시 말해 질량은 에너지의 또 다른 형태로 생각할 수 있다. 이를 질량-에너지 등가성이라 한다.

질량 m과 에너지 E 사이의 관계는 E=mc2 이다.

 

4. 핵분열과 핵융합을 간단하게 설명하시오.

(우라늄, 중성자, 바륨, 크립톤, 수소, 헬륨 등의 원자들을 포함하여 서술하시오. )

핵분열이란 무거운 원자핵이 분열하여 가벼운 원자핵으로 변할 때 생기는 질량결손에 의해 열에너지등이 발생하는 것이다.

예를 들면 우라늄에 중성자가 충돌하여 바륨, 크립톤과 중성자로 쪼개질 때 생기는 질량결손에 의해 열에너지가 발생하는 것을 말한다.

핵융합이란 수소와 같은 질량이 작은 원자핵들이 융합하여 질량이 큰 헬륨원자핵으로 될 때 질량 결손에 의해 열에너지 등이 발생하는 것이다.

핵융합과정에서 질량결손에 이해 발생한 에너지가 태양에너지의 근원이다.