#9 측정 표준과 불변의 상수

문제 1 · OX 문제

측정 표준이란 전 세계가 공통으로 사용하여 측정 결과에 객관성을 부여하는 단위의 기준을 의미한다. ( )

정답: O

표준은 운동 경기의 '공식 규칙'과 같아요. 모두가 똑같은 규칙(기준)을 지켜야 공정한 경기(측정과 소통)가 가능한 것처럼, 전 세계가 합의한 약속이 바로 측정 표준입니다.

문제 2 · OX 문제

18세기 프랑스에서 처음 정의한 1m의 기준은 지구 북극점에서 적도까지의 거리를 계산하여 정했다. ( )

정답: O

사람의 팔 길이 대신, 누구나 똑같이 인정할 수 있는 거대한 '지구'를 자로 삼으려 했던 멋진 시도였죠. 북극부터 적도까지의 1/4 바퀴를 기준으로 삼았답니다.

문제 3 · OX 문제

과거의 미터 원기나 킬로그램 원기 같은 금속 물체는 시간이 흘러도 그 상태가 절대 변하지 않는 완벽한 기준이다. ( )

정답: X

금속은 아무리 튼튼해도 세월이 흐르면 표면이 미세하게 깎이거나 오염될 수 있어요. '물체'는 언제나 환경에 의해 변할 위험을 안고 있는 '가변적인' 존재랍니다.

문제 4 · OX 문제

현대의 1m는 진공에서 '빛'이 아주 짧은 시간 동안 진행한 경로의 길이를 기준으로 정의한다. ( )

정답: O

빛은 우주에서 가장 정직하고 빠른 달리기 선수예요. 어떤 상황에서도 속력이 변하지 않는 '절대 상수'이기 때문에, 이 빛을 기준으로 삼으면 가장 정밀한 1m를 얻을 수 있습니다.

문제 5 · OX 문제

국가 간의 공정한 무역과 과학 데이터의 신뢰성을 위해서는 각 나라마다 서로 다른 독자적인 측정 표준을 사용하는 것이 바람직하다. ( )

정답: X

수출하는 부품 크기가 수입하는 나라의 기준과 안 맞는다면 큰 혼란이 생기겠죠? 전 세계가 '공통의 언어'인 표준을 써야 경제적 손실을 막고 서로 협력할 수 있습니다.

문제 6 · OX 문제

미터(m) 정의의 발전 과정은 '지구 크기 → 미터 원기 → 빛의 속력' 순으로 더 불변하는 기준을 찾아온 역사이다. ( )

정답: O

인류는 더 규칙적이고 변하지 않는 대상을 찾아 거대한 자연물에서 인공 물체, 그리고 마지막 상수의 영역으로 기준을 옮겨왔습니다. 이는 오차를 지워가는 위대한 여정이었죠.

문제 7 · 빈칸 채우기

전 세계가 동일한 측정 결과를 공유하기 위해 약속하여 정한 단위의 공통적인 기준을 측정 ( )라고 한다. (2글자)

정답: 표준

이것이 진짜 1이다!라고 선포한 전 세계의 약속이에요. 이 표준이 있어야 비로소 우리는 서로의 데이터를 믿고 공유할 수 있습니다.

문제 8 · 빈칸 채우기

18세기 프랑스에서는 누구나 인정할 수 있는 기준을 세우기 위해 ( )의 북극점에서 적도까지의 거리를 계산하여 1m를 처음 정하였다. (2글자)

정답: 지구

주관적인 사람의 몸 대신, 모든 인류가 밟고 사는 거대한 지구를 자로 삼으려 했던 과학적 도전이었습니다.

문제 9 · 빈칸 채우기

과거 미터법을 통일하기 위해 백금과 이리듐 합금으로 제작하여 보관했던 길이의 기준 물체를 미터 ( )라고 부른다. (2글자)

정답: 원기

이 막대기가 세상 모든 자의 오리지널이다!라고 정해둔 물건이에요. 하지만 이 원기는 세월이 흐르며 미세하게 닳거나 오염된다는 약점이 있었죠.

문제 10 · 빈칸 채우기

현대 미터 정의의 전제 조건으로, 공기나 매질의 저항이 없는 ( ) 상태에서 빛의 속력이 일정하다는 원리를 이용한다. (2글자)

정답: 진공

공기나 물속에서는 빛의 속도가 미세하게 바뀔 수 있어요. 그래서 아무것도 방해하지 않는 진공 상태에서의 빛 속도를 절대적인 기준으로 삼았답니다.

문제 11 · 빈칸 채우기

온도의 기본 단위인 켈빈(K)을 재정의할 때 사용된 물리 상수는 ( ) 상수이다. (3글자)

정답: 볼츠만

온도는 사실 입자들이 얼마나 활발하게 움직이는지를 나타내요. 그 움직임(에너지)과 온도 사이의 비례 관계를 알려주는 볼츠만상수가 온도의 새로운 기둥이 되었습니다.

문제 12 · 빈칸 채우기

현대 과학은 물체가 아닌 물리 ( )를 고정하여 단위를 정의함으로써, 환경에 영향받지 않는 완벽한 기준을 확립했다. (2글자)

정답: 상수

물건은 녹슬고 깎이지만, 우주가 태어날 때부터 정해진 '절대적인 숫자'인 상수는 영원히 변하지 않기 때문에 선택되었습니다.

문제 13 · 단답형

전 세계 과학자들이 공통의 측정 결과를 공유하기 위해 약속하여 정한 공식적인 단위 체계의 약칭은? (2글자)

정답: SI

국제단위계라는 뜻의 프랑스어 줄임말이에요. 전 세계가 과학을 이야기할 때 쓰는 '공통 언어'와 같습니다.

문제 14 · 단답형

과거 미터(m)나 킬로그램(kg)의 단위 기준을 보존하기 위해 금속으로 정밀하게 제작했던 기준 물체를 통칭하는 말은? (2글자)

정답: 원기

금고에 보관되던 '오리지널 물건'들을 말해요. 하지만 이 원기는 마모나 오염으로 인해 미세하게 상태가 변할 수 있는 한계가 있었죠.

문제 15 · 단답형

측정의 기준이 되는 단위를 정의하고, 이를 실제로 재현하여 사회적으로 사용하기 위한 약속된 체계는? (4글자)

정답: 측정표준

단순히 숫자를 정하는 것뿐만 아니라, 그 숫자를 실제로 똑같이 구현해낼 수 있는 장치와 방법 전체를 말합니다.

문제 16 · 단답형

현대 미터 정의의 기준이 되는 물리량으로, 빛이 ( )에서 진행한 경로의 길이를 1m로 정의한다. (2글자)

정답: 진공

빛이 아무런 방해도 받지 않고 최고 속도로 달릴 수 있는 공간 상태를 말해요. 현대 미터법의 가장 중요한 약속입니다.

문제 17 · 단답형

물질량의 단위인 몰(mol)을 정의하기 위해 1mol 속에 들어있는 입자의 개수를 고정한 상수의 명칭은? (5글자)

정답: 아보가드로

계란 한 판이 30개라고 약속한 것처럼, 원자 한 묶음 속에 들어있는 알갱이 수를 딱 정해준 숫자의 이름입니다.

문제 18 · 단답형

2018년 재정의를 통해 킬로그램(kg)의 새로운 기준이 된 물리 상수의 명칭은? (3글자)

정답: 플랑크

130년 동안 질량을 지켰던 금속 덩어리 대신, 이제는 우주의 에너지 규칙인 플랑크상수가 질량의 기준이 되었습니다.

문제 19 · 보기 선택

측정 표준이 현대 사회와 과학 탐구에서 반드시 필요한 이유를 <보기>에서 모두 고르시오.

• ㄱ. 국가 간 무역에서 공정한 거래를 가능하게 하여 경제 질서를 보호한다.
• ㄴ. 실험 데이터를 전 세계적으로 동일하게 공유하여 지식의 신뢰성을 높여준다.
• ㄷ. 개인마다 다른 주관적인 감각을 측정의 절대적인 기준으로 확립하기 위함이다.

정답: ㄱ, ㄴ

표준은 공정함(ㄱ)과 신뢰성(ㄴ)을 위해 존재해요. 내 기분(ㄷ)대로 재는 건 표준의 존재 이유와 정반대되는 행동이랍니다.

문제 20 · 보기 선택

과거 '금속 원기'가 표준으로서 한계를 가졌던 과학적 이유를 <보기>에서 모두 고르시오.

• ㄱ. 주변의 온도 변화 등에 따라 금속의 길이가 미세하게 변하는 현상이 있었다.
• ㄴ. 시간이 흐르며 표면이 마모되거나 오염되어 물리적 상태가 변할 수 있었다.
• ㄷ. 전 세계 어디서나 원본과 100% 똑같은 복제품을 제작하기가 매우 어려웠다.

정답: ㄱ, ㄴ, ㄷ

물체로 만든 기준은 세월을 견디기 힘들어요. 날씨에 예민하고(ㄱ), 닳기도 하며(ㄴ), 완벽하게 똑같이 베끼는 것(ㄷ)도 불가능에 가까웠죠.

문제 21 · 보기 선택

현대의 미터 정의가 '빛'을 기준으로 선택한 과학적 장점을 <보기>에서 모두 고르시오.

• ㄱ. 진공에서의 빛의 속력은 우주 어디서나 항상 일정한 불변의 상수이다.
• ㄴ. 빛은 우주 어디에나 존재하므로, 어디서 측정을 해도 같은 값이 나온다.
• ㄷ. 시간 측정이 정교해짐에 따라 길이도 시간과 연동하여 정밀하게 정의할 수 있다.

정답: ㄱ, ㄷ

빛의 속력은 절대 안 변해요(ㄱ). 그리고 시계가 아주 정확해졌기 때문에, 빛이 간 시간을 재서 길이를 정하는 게 가장 정밀한 방법이 되었죠(ㄷ).

문제 22 · 보기 선택

측정 표준의 확립이 가져온 긍정적인 변화를 <보기>에서 모두 고르시오.

• ㄱ. 국가 간 동일한 기준으로 데이터를 공유하여 과학 기술의 발전을 앞당겼다.
• ㄴ. 부품 규격이 통일되어 서로 다른 회사 제품끼리도 조립이 가능한 호환성을 갖게 되었다.
• ㄷ. 측정 도구의 수량이 한정되어 있어 전문가들만 측정이 가능하도록 제한되었다.

정답: ㄱ, ㄴ

표준 덕분에 지식을 나누고(ㄱ), 부품을 같이 쓸 수 있게(ㄴ) 되었어요. 표준은 특정인이 독점하는 게 아니라 모두가 공평하게 쓰기 위한 약속입니다.

문제 23 · 보기 선택

<보기> 중 2018년 재정의된 단위와 그 기준 상수의 연결이 옳은 것만을 모두 고르시오.

• ㄱ. 킬로그램(kg) — 플랑크 상수
• ㄴ. 켈빈(K) — 볼츠만 상수
• ㄷ. 초(s) — 아보가드로 상수

정답: ㄱ, ㄴ

질량은 플랑크(ㄱ), 온도는 볼츠만(ㄴ) 상수가 지켜주고 있어요. 하지만 초(s)는 아보가드로가 아니라 세슘 원자의 진동수가 기준이랍니다.

문제 24 · 객관식

길이 단위 미터(m) 정의의 역사적 변천 과정을 순서대로 바르게 나열한 것은? ㄱ. 진공에서 빛이 진행한 경로의 길이 기준 ㄴ. 지구 북극에서 적도까지 거리의 1000만분의 1 기준 ㄷ. 백금과 이리듐으로 만든 미터 원기의 길이 기준

• ① ㄱ → ㄴ → ㄷ
• ② ㄴ → ㄷ → ㄱ
• ③ ㄷ → ㄴ → ㄱ
• ④ ㄴ → ㄱ → ㄷ
• ⑤ ㄷ → ㄱ → ㄴ

정답: ②

인류는 거대한 지구(ㄴ)를 쟄고, 보관하기 편한 막대기(ㄷ)를 만들었다가, 결국 영원히 변치 않는 빛(ㄱ)에 도달했습니다.

문제 25 · 객관식

측정 표준의 정의와 필요성에 대한 설명으로 가장 적절하지 않은 것은?

• ① 단위에 대한 공통의 기준을 세워 측정 결과의 객관성을 확보한다.
• ② 국제 무역에서 공정한 거래를 보장하는 사회적 약속의 역할을 한다.
• ③ 측정 기기나 표준 물질 등 기본 단위의 정의를 실현하는 전체 체계를 포함한다.
• ④ 인간의 감각을 과학 데이터에 최대한 반영하기 위해 존재한다.
• ⑤ 정밀한 표준은 반도체 공정 등 첨단 산업 발전의 필수적인 토대가 된다.

정답: ④

표준은 내 기분이 아니라 누가 봐도 똑같은 사실을 말하기 위해 존재해요. 주관성을 최대한 빼고 객관성을 채우는 활동입니다.

문제 26 · 객관식

미터(m) 정의의 변천 과정을 한마디로 요약했을 때 가장 적절한 결론은?

• ① 최대한 가볍고 휴대하기 간편한 자의 재질을 찾아가는 과정이었다.
• ② 측정 비용을 줄이기 위해 가장 구하기 쉬운 자연 재료를 찾는 과정이었다.
• ③ 주변 환경이나 세월에 변하지 않는 '불변의 기준'을 찾아가는 여정이었다.
• ④ 고대 인류의 지혜를 버리고 오직 기계에만 의존하게 되는 퇴보의 과정이었다.
• ⑤ 지구의 크기가 매년 변하고 있음을 전 세계에 알리기 위한 과정이었다.

정답: ③

인류는 신체에서 지구로, 다시 상수로 기준을 옮기며 영원히 변하지 않는 절대적인 자를 꿈꿔왔고 이를 실현했습니다.

문제 27 · 객관식

2018년 재정의된 국제단위계(SI)에서 '기본 단위'와 '기준 물리 상수'의 연결이 옳은 것은?

• ① 킬로그램(kg) — 아보가드로 상수
• ② 켈빈(K) — 플랑크 상수
• ③ 몰(mol) — 볼츠만 상수
• ④ 킬로그램(kg) — 플랑크 상수
• ⑤ 몰(mol) — 세슘 원자 진동수

정답: ④

이번 재정의의 주인공들이에요! 질량(kg)은 플랑크, 온도(K)는 볼츠만, 물질량(mol)은 아보가드로 상수가 담당하고 있답니다.

문제 28 · 객관식

현대 미터($m$)의 정의가 '미터 원기'에서 '빛의 속력'으로 전환된 근본적인 배경은 무엇인가?

• ① 육안으로 관찰이 가능하여 별도의 정밀 장비 없이도 사용하기 편리하기 때문이다.
• ② 진공에서의 빛의 속력은 어디서나 일정한 불변의 물리 상수이기 때문이다.
• ③ 빛을 활용하면 정밀한 측정 도구를 대량 생산하기에 경제적이기 때문이다.
• ④ 빛은 인류 역사에서 측정의 기준으로 역사적 정통성이 높기 때문이다.
• ⑤ 빛의 파장을 조절함으로써 미터의 길이를 가변적으로 정의할 수 있기 때문이다.

정답: ②

표준의 핵심은 '언제, 어디서나 변하지 않는 것'입니다. 인공물인 원기는 마모나 오염으로 미세하게 변할 위험이 있지만, 진공에서의 빛의 속력($c$)은 우주 어디서나 동일한 값을 유지하는 불변의 물리 상수이므로 가장 완벽한 기준이 됩니다.

문제 29 · 객관식

측정 표준의 발달이 현대 기술에 미친 영향으로 가장 적절하지 않은 것은?

• ① GPS 내비게이션이 정확한 위치와 거리를 계산할 수 있게 되었다.
• ② 반도체 공정에서 나노미터 단위의 초미세 제작이 가능해졌다.
• ③ 전 세계 주식 시장의 거래 시점을 나노초 단위로 정교하게 맞출 수 있게 되었다.
• ④ 자율 주행 자동차가 센서를 통해 장애물과의 거리를 정밀하게 유지한다.
• ⑤ 모든 물건의 길이를 하나의 단위로만 설명하게 되었다.

정답: ⑤

측정 표준의 확립은 다양한 물리량(길이, 질량, 시간 등)에 대해 전 세계적으로 통용되는 '정밀한 기준 체계'를 제공하는 것입니다. 이는 첨단 기술의 정밀도를 높여주는 기반이 되지만, 모든 사물을 단 하나의 단위로만 표현하도록 강제하거나 제한하는 것은 아닙니다.

문제 30 · 객관식

'미터 원기'를 보관하던 프랑스 금고에서 꺼내어 전 세계에 복제품을 나누어 줄 때 발생할 수 있는 가장 치명적인 문제점은?

• ① 금속 가공 기술의 발달로 원본과 물리적으로 완전히 동일한 복제품을 손쉽게 제작할 수 있다.
• ② 복제 과정에서 발생하는 미세한 공정 오차가 데이터의 불확실성을 높여 측정의 신뢰도를 저해할 수 있다.
• ③ 금속 원기는 주변 전자기파와 반응하여 스스로 에너지를 생성하므로 별도의 보관 장치가 필요 없다.
• ④ 보관 장소의 위도에 따른 중력 가속도의 차이로 인해 금속 막대의 고유 길이가 실시간으로 변한다.
• ⑤ 전 세계가 하나의 원본을 공유함으로써 표준의 재현 및 전파 과정에서 발생하는 오차가 완전히 사라진다.

정답: ②

물질로 만든 표준은 복제하는 과정에서 원본과 미세한 차이가 발생할 수밖에 없습니다. 이 작은 오차가 전 세계로 퍼지면 측정 결과의 일관성이 무너지는 '불확실성'의 문제가 발생하므로, 현대 과학은 복제가 필요 없는 '물리 상수'를 선택하게 되었습니다.