고등 통합과학 공기 중에서와 진공 중에서의 물체의 낙하 운동 예상문제

공기 중에서와 진공 중에서의 물체의 낙하 운동
{유형 분석}
이 문항은 공기 저항이 없는 진공 상태에서 자유 낙하하는 물체의 가속도가 질량과 무관하게 일정함을 이해하고 있는지를 확인하는 문항이다.
{자료 분석}
공기 중에서는 깃털이 동전보다 공기 저항의 영향을 크게 받아 더 늦게 떨어지지만, 진공 상태에서는 공기 저항이 존재하지 않으므로 모든 물체는 질량과 관계없이 동일한 중력 가속도로 낙하한다.
{정답 찾기}
① 진공 상태에서는 공기 저항이 없으므로 깃털과 동전 모두 동일한 중력 가속도로 낙하하여 동시에 바닥에 도달한다. 옳은 설명이다.
② 공기 저항이 있는 상태에서 나타나는 결과이므로 진공 상태에 대한 설명으로는 옳지 않다.
③ 진공 상태에서 깃털이 동전보다 먼저 떨어질 이유가 없으므로 옳지 않다.
④ 진공은 공기가 없는 상태일 뿐 중력이 사라지는 것은 아니므로 옳지 않다.
⑤ 자유 낙하하는 물체의 가속도(중력 가속도)는 질량과 무관하게 일정하므로 옳지 않다.
{오답 피하기}
자유 낙하 운동에서 가속도는 물체의 질량에 관계없이 일정하다는 점과, 공기 저항의 유무에 따라 낙하 속도 차이가 발생한다는 점을 구분해야 한다.

[최종 정답]
정답은 1번 「깃털과 동전은 동시에 유리관 바닥에 도달한다.」이다.

공기 중에서와 진공 중에서의 물체의 낙하 운동
{유형 분석}
진공에서는 공기 저항이 없어 질량과 무관하게 동일한 가속도로 낙하함을 이해하는지 확인하는 문항이다.
{자료 분석}
공기 중에서는 공기 저항 때문에 가벼운 물체(깃털)가 더 천천히 떨어지지만, 진공에서는 공기 저항이 없으므로 모든 물체가 중력가속도 $g$로 동일하게 낙하한다(아폴로 15호의 달 표면 실험으로 실제 확인된 사실이다).
{정답 찾기}
① 진공에서는 공기 저항이 없어 질량에 관계없이 같은 가속도로 낙하하므로 동시에 떨어진다. (O)
② 진공에서는 질량과 낙하 가속도가 무관하다. (X)
③ 진공은 공기가 없는 상태일 뿐 중력은 여전히 작용한다. (X)
④ 공기 저항이 없다면 깃털도 망치와 같은 가속도로 낙하한다. (X)
⑤ 자유 낙하 가속도 $g$는 물체의 질량과 무관하게 일정하다. (X)
정답은 ①번이다.

[최종 정답]
정답은 1번 「공기 저항이 없으므로 깃털과 망치는 동시에 바닥에 떨어진다.」이다.

공기 중에서와 진공 중에서의 물체의 낙하 운동
{유형 분석}
공기 저항의 유무에 따라 낙하 운동이 어떻게 달라지는지, 그리고 진공 중에서는 물체의 질량과 관계없이 낙하 가속도가 동일하다는 사실을 이해하는 문항이다.
{자료 분석}
진공 중에서는 공기 저항이 없으므로 모든 물체가 중력만을 받아 동일한 가속도 $g$로 낙하하지만, 공기 중에서는 물체의 모양과 크기에 따라 공기 저항의 영향을 받아 낙하 속도가 달라질 수 있다.
{정답 찾기}
① 진공 중에서는 공기 저항이 없으므로 깃털과 쇠구슬 모두 중력 가속도로 낙하하여 동시에 떨어진다. (O)
② 공기 중에서는 깃털이 쇠구슬보다 공기 저항의 영향을 상대적으로 크게 받아 더 늦게 떨어진다. (O)
③ 진공 중에서 자유 낙하하는 물체의 가속도는 질량에 관계없이 중력 가속도로 일정하다. (O)
④ 아폴로 15호의 실험에서 실제로 확인된 것처럼, 공기가 없는 달 표면에서는 깃털과 망치가 동시에 표면에 도달한다. (O)
⑤ 공기 중에서 물체가 낙하할 때는 공기 저항력이 작용하므로, 쇠구슬처럼 밀도가 크고 저항의 영향이 작은 물체라도 정확한 가속도는 중력 가속도보다 약간 작을 수 있다. 따라서 공기 중 낙하 가속도가 '항상' 중력 가속도와 '정확히' 같다고 할 수는 없다. (X, 옳지 않은 것)
{오답 피하기}
쇠구슬처럼 무겁고 표면적이 작은 물체는 공기 저항의 영향이 매우 작아 근사적으로 자유 낙하로 취급하지만, 엄밀히는 공기 저항이 존재하는 한 순수한 중력 가속도와는 미세한 차이가 있을 수 있다는 개념적 함정에 유의해야 한다.

[최종 정답]
정답은 5번 「공기 중에서 낙하하는 쇠구슬의 가속도는 공기 저항의 유무와 관계없이 항상 중력 가속도와 정확히 같다.」이다.

공기 중에서와 진공 중에서의 물체의 낙하 운동
{유형 분석}
공기 저항의 유무에 따른 낙하 운동의 차이와, 중력 가속도가 질량에 관계없이 일정하다는 사실을 정확히 이해하는지 확인하는 문항이다.
{자료 분석}
진공 중에서는 공기 저항이 없으므로 모든 물체가 동일한 중력 가속도로 낙하하여 동시에 떨어진다. 반면 공기 중에서는 표면적이 넓고 질량이 작은 깃털이 공기 저항력의 영향을 더 크게 받아 쇠구슬보다 늦게 떨어진다.
{정답 찾기}
ㄱ. 중력 가속도는 물체의 질량과 관계없이 일정하다(갈릴레이의 낙하 법칙). (O)
ㄴ. 공기 중에서 깃털이 늦게 떨어지는 것은 공기 저항력 때문이다. (O)
ㄷ. 중력의 크기는 $F=mg$로 질량에 비례하므로, 질량이 다른 쇠구슬과 깃털에 작용하는 중력의 크기는 서로 다르다. (X)
따라서 옳은 것은 ㄱ, ㄴ이다.
{오답 피하기}
중력 가속도(질량과 무관하게 일정)와 중력의 크기(질량에 비례)를 혼동하지 않도록 주의한다.

[최종 정답]
정답은 5번 「ㄱ, ㄴ」이다.

공기 중에서와 진공 중에서의 물체의 낙하 운동
{유형 분석}
공기 저항의 유무에 따른 낙하 운동의 차이와 자유 낙하 운동의 특성(질량과 무관한 가속도)을 이해하는지 확인하는 문항이다.
{자료 분석}
진공 중에는 공기 저항이 없으므로 모든 물체는 질량과 관계없이 동일한 중력 가속도로 낙하하는 자유 낙하 운동을 한다. 공기 중에서는 물체의 모양이나 표면적에 따라 공기 저항의 크기가 달라져 가벼운 물체일수록 낙하 속도가 상대적으로 느려질 수 있다.
{정답 찾기}
① 공기 중에서 물체가 동시에 낙하하려면 공기 저항의 영향이 무시될 정도로 작아야 하며, 질량이 같아서가 아니다. (X)
② 진공 중에서는 공기 저항이 없으므로 모든 물체가 동일한 가속도로 낙하하여 동시에 도달한다. (O)
③ 자유 낙하 가속도(중력 가속도)는 물체의 질량과 무관하게 일정하다. (X)
④ 공기 중에서 깃털이 늦게 떨어지는 것은 공기 저항의 영향이 크기 때문이며, 중력의 크기와는 별개이다. (X)
⑤ 진공 중에서도 물체에는 중력이 작용한다. (X)
정답은 ②이다.

[최종 정답]
정답은 2번 「진공 중에서는 깃털과 쇠구슬이 동시에 낙하하여 바닥에 도달한다.」이다.