이 실험에서 알아볼 내용

마찰이 있을 때와 없을 때 에너지가 어떻게 전환되는지 총량을 비교하세요.

교과와 단원

교과서 연결: 비상교육 통합과학2 교사용 교과서 · II. 환경과 에너지. 개념을 설명하기 위해 별도로 만든 모형입니다.

탐구 질문과 해설

1. 마찰을 크게 하면 줄어든 운동 에너지는 어디로 갈까요?

블록과 경사면의 열에너지로 전환됩니다. 위치 에너지와 운동 에너지의 합은 줄어들 수 있지만, 열에너지까지 포함한 총량은 처음과 같습니다.

2. 같은 높이에서 질량만 2배로 늘리면 바닥에서의 속력도 2배가 될까요?

이 모형에서는 속력이 같습니다. 질량이 2배이면 위치·운동·열에너지의 양은 모두 2배이지만, 가속도와 같은 위치에서의 속력은 질량에 관계없이 같습니다.

모형의 가정과 실제 현상과의 차이

처음 속도가 0인 블록이 30° 경사면을 미끄러져 내려오는 모형입니다. 중력 가속도는 9.8 m/s², 운동 마찰계수는 경사면 전체에서 일정하다고 가정합니다. 초기 정지 마찰, 회전, 공기 저항과 소리는 생략합니다. 가속도 a=g(sin30°−μ cos30°), 이동 거리 s=at²/2, 위치 에너지 U=mgh, 열에너지 Q=μmg cos30°×s, 운동 에너지 K=mgH−U−Q를 사용합니다. 열에너지는 블록과 경사면에 생긴 증가량이며, U+K+Q=mgH가 유지됩니다. 마찰계수 범위를 0–0.40으로 제한해 블록이 내려오는 동안 가속도가 항상 양수입니다. 블록의 크기는 표시용이며 도착 이후의 충돌은 계산하지 않고 관찰을 멈춥니다. 0.6배 속도로 천천히 재생합니다.

참고 자료

• OpenStax · 에너지 보존과 마찰 ↗