#45 뉴턴의 사고 실험

문제 1 · OX 문제

수평 방향으로 던진 물체는 던져진 순간부터 바닥에 닿을 때까지 수평 방향으로 계속 힘을 받는다. ( )

정답: X

우리가 공을 손에서 놓는 그 순간, 수평으로 밀어주던 힘은 사라집니다. 그 이후에는 오직 아래로 당기는 중력만이 물체와 함께하죠. 수평으로 계속 나아가는 건 힘을 받아서가 아니라, 원래 가던 방향으로 계속 가려는 '관성' 때문이랍니다.

문제 2 · OX 문제

수평으로 던진 물체의 연직(아래쪽) 방향 운동은 자유 낙하 운동과 같다. ( )

정답: O

옆으로 얼마나 빨리 달리든, 지구라는 코치님은 아래로 잡아당기는 힘(중력)을 공평하게 적용하세요. 옆으로 던지나 그냥 떨어뜨리나 아래쪽으로 내려가는 속도와 가속도는 완벽하게 똑같답니다.

문제 3 · OX 문제

지표면 근처에서 물체를 수평으로 던질 때, 던지는 속력이 빠를수록 바닥에 닿는 시간은 짧아진다. ( )

정답: X

이건 가장 많이 하는 착각 중 하나예요! 아래로 떨어지는 실력은 오직 '높이'와 '중력'이 결정해요. 옆으로 아무리 빨리 던져도 아래로 곤두박질치는 시간은 절대 변하지 않아요.

문제 4 · OX 문제

물체가 지구 주위를 원운동을 하기 위해서는 지구 중심 방향으로 작용하는 힘이 반드시 필요하다. ( )

정답: O

직선으로 달리려는 성질(관성)을 가진 물체를 둥글게 휘게 만들려면? 누군가 계속 안쪽으로 잡아당겨야 해요. 그 역할을 바로 '지구 중력'이 해주고 있는 것이죠. 중력이 없으면 물체는 그냥 우주 밖으로 직선으로 날아가 버릴 거예요.

문제 5 · OX 문제

지표면 근처에서 수평으로 던진 물체와 지구 주위를 도는 위성은 모두 '자유 낙하'를 하는 중이다. ( )

정답: O

이게 바로 뉴턴의 위대한 통찰이에요! 위성이 지구 주위를 도는 건 엔진을 켜고 떠 있는 게 아니라, 사실은 지구를 향해 미친 듯이 떨어지고 있는 중이거든요. 다만 옆으로 달리는 속도가 너무 빨라서, 지표면이 둥글게 휘어진 곡선을 따라 영원히 바닥에 닿지 못하고 돌고 있을 뿐이죠.

문제 6 · OX 문제

인공위성이 지구 주위를 돌 때, 물체의 운동 방향은 항상 힘이 작용하는 방향과 일치한다. ( )

정답: X

인공위성은 앞으로 나아가려 하는데(운동 방향), 중력은 지구 중심(아래)으로 잡아당겨요. 힘과 운동 방향이 직각으로 만날 때 물체는 곡선 궤도를 그립니다.

문제 7 · 빈칸 채우기

수평 방향으로 던진 물체는 수평 방향으로는 힘이 작용하지 않아 ( ) 운동을 한다. (2글자)

정답: 등속

아무른 방해꾼도 도와주는 힘도 없는 수평 방향은 아주 정직한 고속도로예요. 처음 던져진 속도 그대로 끝까지 똑같은 속도로 나아가는 것이죠.

문제 8 · 빈칸 채우기

연직 방향으로는 중력이 계속 작용하여 ( ) 운동을 한다. (4글자)

정답: 자유낙하

중력은 1초마다 물체의 속도를 10m/s씩 쑥쑥 늘려주는 아주 유능한 코치님이에요. 그래서 아래쪽 운동을 떼어놓고 보면, 그냥 가만히 놓았을 때 떨어지는 자유낙하와 완벽하게 똑같답니다.

문제 9 · 빈칸 채우기

수평으로 던진 물체가 그리는 곡선 모양의 궤적을 ( ) 운동이라 한다. (3글자)

정답: 포물선

옆으로 달리는 관성과 아래로 끌어당기는 중력이 만나면, 물체는 예쁜 곡선을 그리며 휘어져요. 마치 던져진 농구공이 그리는 궤적처럼 말이죠!

문제 10 · 빈칸 채우기

물체가 지구 주위를 돌 수 있는 것은, 던지는 속력이 빨라져서 떨어지는 경로와 지구 표면의 ( )가 맞아떨어지기 때문이다. (2글자)

정답: 곡률

속력이 빠를수록 물체는 더 멀리 떨어지죠. 그러다 지구가 둥글게 휘어진 만큼(곡률) 물체가 떨어지는 경로가 딱 맞게 되면, 물체는 지면에 닿지 않고 계속 지구 주위를 맴돌게 됩니다.

문제 11 · 빈칸 채우기

인공위성이 지구 주위를 돌 수 있는 것은 ( )과 관성이 평형을 이루거나 적절한 조화를 이루기 때문이다. (2글자)

정답: 중력

인공위성은 원래 가던 방향으로 계속 가려는 '관성' 때문에 옆으로 빠져나가려 하고, 중력은 그걸 다시 지구 쪽으로 당겨요. 이 둘의 팽팽한 밀당(관성으로 인한 튕겨나감 vs 중력으로 인한 끌어당김)이 인공위성을 궤도에 가두는 비결이죠!

문제 12 · 빈칸 채우기

물체의 운동 방향과 끌어당기는 방향이 수직을 이룰 때, 물체는 ( )을/를 하게 된다. (3글자)

정답: 원운동

달리기 선수의 운동 방향과 옆에서 잡아당기는 힘이 정확히 수직을 이룰 때, 선수는 속도가 빨라지거나 느려지는 게 아니라 방향만 싹 바뀝니다. 그래서 원을 그리며 도는 것이죠!

문제 13 · 보기 선택

뉴턴의 사고 실험에 대한 설명으로 옳은 것을 모두 고르시오.

• ㄱ. 물체를 수평으로 던지는 속력이 빠를수록 지표면에 떨어지는 지점은 더 멀어진다.
• ㄴ. 물체를 던지는 속력이 특정 값에 도달하면 물체는 지구 주위를 원운동 하게 된다.
• ㄷ. 지구가 물체를 잡아당기는 힘이 없어도 물체는 스스로 원운동을 유지할 수 있다.
• ㄹ. 원운동을 하는 물체의 질량은 원운동 궤도 유지에 직접적인 영향을 주지 않는다.

정답: ㄱ, ㄴ, ㄹ

ㄱ과 ㄴ은 사고 실험의 핵심이죠! ㄹ은 질량과 상관없이 속력과 중력의 균형이 중요하다는 것을 알려줍니다. ㄷ은 중심 방향으로 잡아당기는 '중력'이라는 줄이 없으면 물체가 직선으로 날아가 버리므로 틀린 설명입니다.

문제 14 · 보기 선택

달과 인공위성의 운동에 대한 설명으로 옳은 것을 모두 고르시오.

• ㄱ. 둘 다 지구 중심 방향으로 작용하는 중력의 영향을 받는다.
• ㄴ. 운동 방향이 매 순간 변하는 가속도 운동을 한다.
• ㄷ. 원운동을 유지하기 위해서는 운동 방향과 정반대 방향으로 힘이 작용해야 한다.
• ㄹ. 지구가 달을 끌어당기는 힘은 달의 운동 방향을 바꾸는 원인이 된다.

정답: ㄱ, ㄴ, ㄹ

ㄱ은 원운동의 필수 조건이고, ㄴ은 매 순간 방향을 틀어야 하니 당연하죠! ㄹ은 중력이 구심력으로 작용해 궤도를 만든다는 뜻입니다. ㄷ은 힘이 운동 방향과 정반대(뒤쪽)면 속력이 줄어들어 원운동이 불가능하므로 틀렸습니다.

문제 15 · 보기 선택

원운동을 하는 물체에 대한 설명으로 옳은 것을 모두 고르시오.

• ㄱ. 원운동을 하기 위해서는 원의 중심 방향으로 작용하는 힘이 필요하다.
• ㄴ. 달이 지구 주위를 도는 것은 지구가 달을 끌어당기는 중력 때문이다.
• ㄷ. 태양계의 모든 천체는 태양의 중력에 의해 원운동을 하고 있다.
• ㄹ. 인공위성의 운동 방향과 지구 중심 방향의 힘은 항상 수직이다.

정답: ㄱ, ㄴ, ㄷ, ㄹ

모두 옳은 보기입니다! 빙글빙글 도는 팽이를 떠올려 보세요. 중심 방향으로 힘이 필요하고(ㄱ), 달과 지구(ㄴ), 천체와 태양(ㄷ)도 중력 때문에 원운동을 하죠. 원운동 하는 물체는 항상 운동 방향과 중심 방향의 힘이 수직(ㄹ)을 이룹니다.

문제 16 · 보기 선택

물체가 지구 주위를 원운동 하게 만드는 조건으로 옳은 것을 모두 고르시오.

• ㄱ. 물체의 질량이 매우 커야 원운동이 가능하다.
• ㄴ. 물체를 던지는 속력이 특정 속도에 도달해야 한다.
• ㄷ. 지구가 물체를 잡아당기는 중력이 작용해야 한다.
• ㄹ. 물체를 던지면 지구의 곡률을 따라 떨어지면서 원운동을 한다.

정답: ㄴ, ㄷ, ㄹ

ㄴ, ㄷ, ㄹ이 정답입니다! 물체가 적절한 속도(ㄴ)로 지구의 중력(ㄷ)을 받으면, 지구의 곡률을 따라 떨어지면서(ㄹ) 바닥에 닿지 않는 원운동을 하게 됩니다.

문제 17 · 보기 선택

달과 인공위성의 운동 공통점으로 옳은 것을 모두 고르시오.

• ㄱ. 지구 중력을 구심력으로 하여 원운동을 한다.
• ㄴ. 운동 방향과 힘의 방향이 항상 수직이다.
• ㄷ. 지구 중심 방향으로 가속되는 운동을 한다.
• ㄹ. 달은 지구 주위를 공전하면서 스스로 회전하지 않는다.

정답: ㄱ, ㄴ, ㄷ

달과 인공위성은 지구를 돌며 중력을 줄처럼 이용(ㄱ)하고, 매 순간 중심을 향해 끌려가며(ㄷ) 운동 방향과 수직(ㄴ)인 힘을 받습니다. ㄹ은 달이 자전하고 있기 때문에 틀린 설명입니다.

문제 18 · 보기 선택

중력에 의한 원운동에 대한 설명으로 옳은 것을 모두 고르시오.

• ㄱ. 중력은 물체의 운동 방향을 매 순간 바꾸어 원 궤도를 그리게 한다.
• ㄴ. 물체를 아주 빠르게 던지면 지구가 둥글기 때문에 바닥에 닿지 않을 수 있다.
• ㄷ. 원운동을 하는 물체는 항상 힘의 방향으로만 이동한다.
• ㄹ. 중력은 물체의 운동 방향을 매 순간 중심 방향으로 휘게 한다.

정답: ㄱ, ㄴ, ㄹ

ㄱ, ㄴ, ㄹ은 원운동의 원리를 완벽히 설명합니다. ㄷ이 틀린 이유는 물체가 항상 힘의 방향(중심)으로만 이동한다면, 원을 그리지 않고 지구 중심을 향해 그냥 떨어져 버릴 것이기 때문입니다.

문제 19 · 객관식

뉴턴의 사고 실험에서 물체가 바닥에 떨어지지 않고 지구 주위를 원운동 하게 만드는 가장 직접적인 원인은?

• ① 물체의 관성
• ② 지구의 중력
• ③ 물체의 높은 질량
• ④ 지표면의 공기 저항
• ⑤ 달과 태양의 인력

정답: ②

지구가 물체를 꽉 잡고 중심 방향으로 당겨주기 때문에(중력), 물체가 직선으로 가려다가 옆으로 꺾이면서 원을 그리게 되는 것입니다!

문제 20 · 객관식

원운동 하는 인공위성에 작용하는 힘의 방향과 운동 방향의 관계로 가장 적절한 것은?

• ① 힘의 방향과 운동 방향이 항상 같다.
• ② 힘의 방향과 운동 방향이 정반대이다.
• ③ 힘의 방향과 운동 방향이 항상 수직이다.
• ④ 힘의 방향과 운동 방향이 45도를 이룬다.
• ⑤ 인공위성에는 힘이 작용하지 않는다.

정답: ③

앞으로 가려는 힘과 지구 중력이 당기는 방향이 수직일 때, 물체는 예쁜 원을 그릴 수 있습니다!

문제 21 · 객관식

다음 중 '중력에 의한 원운동'의 사례로 가장 적절하지 않은 것은?

• ① 지구 주위를 도는 달
• ② 태양 주위를 도는 지구
• ③ 지구 주위를 도는 인공위성
• ④ 높은 곳에서 자유 낙하하는 사과
• ⑤ 행성 주위를 도는 위성

정답: ④

사과는 중력을 받지만 직선으로 떨어집니다. 원을 그리며 돌지 않기 때문에 '원운동'이라고 할 수 없습니다.

문제 22 · 객관식

뉴턴의 사고 실험에서, 물체가 지구 주위를 계속 도는 현상을 설명하는 물리적 원리로 가장 옳은 것은?

• ① 물체는 속력이 빠를수록 중력을 받지 않기 때문이다.
• ② 지구 표면의 곡률을 따라 물체가 계속 낙하하기 때문이다.
• ③ 인공위성 내부에서 강력한 엔진이 분사되기 때문이다.
• ④ 공기 저항이 물체를 띄워 올리기 때문이다.
• ⑤ 원심력이 중력과 완벽히 상쇄되기 때문이다.

정답: ②

지구가 둥글기 때문에 물체가 떨어지는 만큼 지면도 아래로 휘어져 내려갑니다. 그래서 물체는 계속 떨어지는데 바닥에는 닿지 않는 것입니다.

문제 23 · 객관식

원운동을 하는 달에 대한 설명으로 옳은 것은?

• ① 달의 운동 방향은 변하지 않는다.
• ② 달에는 아무런 힘도 작용하지 않는다.
• ③ 달은 지구 중심 방향으로 가속되고 있다.
• ④ 달은 운동 방향과 같은 방향으로 힘을 받고 있다.
• ⑤ 달이 원운동을 하는 것은 스스로 움직이기 때문이다.

정답: ③

힘(중력)이 중심 방향으로 작용하니, 매 순간 중심 쪽으로 끌려가는 가속도 운동을 하는 것이 맞습니다!

문제 24 · 객관식

태양계 천체들의 운동에 대한 설명으로 가장 적절한 것은?

• ① 모든 행성은 직선 운동을 한다.
• ② 행성들은 태양의 중력에 의해 원운동을 한다.
• ③ 행성들은 스스로의 힘으로 방향을 바꾼다.
• ④ 태양의 중력은 행성의 운동에 영향을 주지 않는다.
• ⑤ 행성들은 태양으로부터 멀어질수록 중력을 받지 않는다.

정답: ②

태양은 행성들을 꽉 잡고 있는 거대한 자석 같습니다. 그 중력 덕분에 행성들은 태양 주변을 뱅글뱅글 궤도를 그리며 돕니다.