일과 에너지

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<학습 목표>
• 등가속도 운동에서 일∙운동 에너지 정리를 이해
한다.
• 역학적 에너지 보존 법칙을 설명할 수 있다.
들어가기
일을 하고 있는 사람은 누구일까?
<생각해 보기>
-
에너지를 소비하는 경우는 어느 것인가?
☞ 네 경우 모두 에너지를 소비한다.
-
물리학적인 의미의 일을 하는 경우는 어느 것
인가?
☞ 물건을 들어 올린 경우와 수레를 밀고 가는 경우이다.
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일에 대하여 알아보자.
<미니탐구> 책 들어 옮기기
1. 무거운 책을 천천히 들어 올리는 동안 책에 작용하는 힘을 말해 보자.
2. 무거운 책을 들고 일정한 속력으로 천천히 걸어가는 동안 책에 작용하는
힘을 말해 보자.
▲ 책 들어 올리기
▲ 책 들고 걷기
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살펴보기
일에 대하여 알아보자.
<미니탐구> 책 들어 옮기기
◈책을 들어 올리는 동안이나 책을 들고 걸어가는 동안 책을 드는 힘의
방향과 책의 운동 방향은 어떤 관계가 있는가?
☞ 책을 드는 힘의 방향은 중력의 방향과 반대 방향이므로 책을 들어 올리는 동안
은 힘의 방향과 운동 방향이 같고, 책을 들고 걸어가는 동안은 힘의 방향과 운동
방향이 수직이다.
◈두 경우 모두 일을 한 것인가? 물리학적인 의미의 일은 어떻게 정의
하면 좋을지 생각해 보자.
☞ 책을 들고 걸어가는 동안은 힘의 방향으로 책이 이동하지 않았으므로 물리학
적인 일을 하지 않았다. 물리학적인 의미에서의 일은 힘이 한 일을 뜻하는데, 힘
이 일을 한 경우는 힘의 방향으로 물체가 이동을 한 경우이다.
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1. 일
(1) 일 : 물체에 힘을 작용하여 물체가 힘의 방향으로 이동하였을 때 물체에
작용한 힘이 일을 하였다고 한다.
(2) 물체에 크기가 F 인 힘을 작용하여 물체가 힘의 방향으로 s만큼 이동하
였을 때 힘이 물체에 한 일 W 는 다음과 같다.
▲ 힘과 물체의 이동 방향이 같은 경우
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1. 일
(3) 물체에 크기가 F 인 힘을 수평면과  의 각을 이루며 작용하여 수평 방
향으로 s 만큼 이동하였을 때 힘이 물체에 한 일 W 는 다음과 같다.
▲ 힘과 물체의 이동 방향이 다른 경우
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1. 일
(4) 힘-이동 거리 관계 그래프 : 힘과 이동 거리의 곱이 한 일의 양이므로
힘과 거리의 관계 그래프에서 넓이는 한 일을 나타낸다.
▲ 힘이 일정할 때
▲ 힘이 일정하지 않을 때
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2. 일∙운동 에너지 정리
(1) 일과 운동 에너지 : 속도 v0 로 운동하는 질량 m인 물체에 운동 방향으로
힘 F 가 작용하여 거리 s 만큼 이동하였을 때 속도가 v가 되는 경우,
F
 s  v 2  v02 이다.
m
1
1
따라서 거리 s만큼 이동하는 동안 한 일 W  Fs  mv 2  mv02 이다.
2
2
1 2
mv 이 물체의 운동 에너지이다.
이때 물리량
2
등가속도 직선 운동의 식에서 2as  2 
(2) 일·운동 에너지 정리 : 물체에 한 일만큼 물체의 운동 에너지가 변한다.
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3. 중력에 의한 퍼텐셜 에너지(위치 에너지)
(1) 물체의 무게와 같은 힘 F 로 질량 m 인 물체를 높이 h 만큼 들어 올리는
동안 물체에 한 일은 w  Fh  mgh 이며, 이때 물리량 mgh 가 중력에 의
한 퍼텐셜 에너지이다.
▲ 일과 퍼텐셜 에너지
(2) 중력 퍼텐셜 에너지는 기준점에 따라 다른 값을 가질 수 있다.
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개념 넓히기 역학적 에너지 보존
역학적 에너지 보존
(1) 역학적 에너지 : 물체의 운동 에너
지와 퍼텐셜 에너지의 합
(2) 역학적 에너지 보존 법칙 : 공기
저항이 없을 때 물체의 운동 에너
지와 퍼텐셜 에너지의 합은 항상
일정하게 보존된다.
▲ 중력에 의한 역학적 에너지 보존
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가 하
평
기
개념
1. 무게가 50 N인 물체를 들고 높이가 5 m인 계단을 올
라가면 사람이 물체에 한 일은 얼마인가?
☞ “사람이 물체에 한 일 = 사람이 물체에 작용한 힘ⅹ물체의
위치 변화”이고, 사람이 물체에 가한 힘의 방향과 물체의 이
동 방향이 나란하므로 50 N X 4 m = 250 J 이다
2. 물체에 작용하는 힘(합력)이 한 일은 무엇과 같은가?
☞ 물체의 에너지 변화량과 같다.
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가 하
평
기
창의
3. 움직 도르래를 사용하면 무거운 물체도 작은 힘으로
들어 올릴수 있다. 같은 물체를 동일한 높이까지 들
어 올릴 때 움직 도르래를 사용하면, 움직 도르래를
사용하지 않을 때보다 한 일의 양이 작아지는가?
☞ 움직 도르래를 사용하면 사용하지 않을 때보다 힘의
크기가 더 작아지지만 한 일의 양은 변함이 없다.
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