1. 물이 0도에서 어는데, 그렇다면 0도보다 차가운 얼음이 존재할까?
0도에서 얼기 시작한 얼음은 외부의 온도가 더 내려가면, 외부온도에 맞추어 온도가 더 낮아집니다. 예를 들어 영하 10도의 냉동실에 얼음을 넣어놓으면 그 얼음의 온도는 영하 10도가 됩니다. 영하 20도의 냉동실에 얼음을 넣어놓으면 그 얼음의 온도는 영하 20도까지 내려갑니다.
2. 수평하게 놓여있는 윗접시 저울을 오른쪽으로 기울였더니 바늘을 0보다 왼쪽(눈금의 마이너스로 움직였다. 그러면 저울을 오른 쪽으로 기울이면 바늘은 어느쪽으로 움직일까?
윗접시 저울은 위에 있는 접시를 속에 들어있는 용수철이 받치고 있습니다. 이 상태에서 눈금을 0으로 조정되어 있습니다. 저울을 기울이면 윗접시의 무게가 모두 용수철에 걸리지 않게 됩니다. 따라서 용수철이 약간 덜 눌리게 되어 눈금이 마이너스로 움직입니다.
이러한 현상은 저울이 왼쪽으로 기울이나 오른쪽으로 기울이나 같습니다.
3. 철수와 영희는 무 한개를 둘이서 돈을 반반씩 지불하고 샀다. 집에 가져와서 어떻게 반으로 정확히 나눌 것인가 고민하다가 물리 공부를 잘하는 철수가 무의 가운데에 실을 매달아 수평이 되었을 때 그실 부분을 칼로 자르면 양쪽이 깥은 무게가 된다고 말했다. 과연 철수의 방법이 맞을까?
틀립니다. 시소를 생각해 봅시다. 꼬마와 어른이 시소를 타고 균형을 맞춥니다. 양쪽의 크기가 같을까요? 그렇지 않습니다. 가운데 균형을 잡는 축을 중심으로 무거운 것은 조금더 가까운 곳에 있고, 가벼운 것은 조금더 먼 곳에 있게 됩니다. 즉, 균형은 양쪽의 무게뿐만 아니라 중심에서의 거리도 중요합니다.
무우를 균형을 잡아 자르면 뭉퉁한 부분에 가깝게 균형이 잡히게 됩니다. 둘로 자르고 나서 따로 무게를 재면 뭉퉁한 부분이 더 무겁게 나옵니다.
4. 2m정도라면 어떻게 해서든지 건너 뛸 자신이 있는 남자가 있다. 어느 날 연못에 놀러 와서 물가에서 2m 정도 떨어진 곳에 떠 있는 보트에 뛰어 올라 탔다.
그러면 이 남자는 반대로 보트에서 2m 정도 떨어진 물가로 뛰어오를 수 있을까?
뛸수 없습니다. 일단 쉽게 설명해서 뛰기 위해 구르는 동안(즉, 한 발은 위로 치켜들고 다른 발은 보트를 밀고 있는 동안) 배는 작용반작용에 의해 뒤로 밀리게 됩니다. 따라서 남자가 보트에서 발을 떼는 순간 보트에서 물가까지의 거리는 이미 2m보다 길어진 상태입니다. 또한 고정된 부분을 딛고 뛰는 것과 뒤로 움직이고 있는 물체를 딛고 뛰는 것은 사람의 운동에너지 차이가 생가 점프길이가 달라집니다.
5.석유를 파내는 우물이 있다.그밑바닥에서 어떤 남자가 앉은뱅이 저울을 사용해서 사과의 무게를 측정하였다. 이 남자가 이번에는 같은 사과를 지표면에서 측정하였다. 과연 사과의 무게는 어떻게 될까? 단, 지구의 자전은 고려하지 않는다.
중력이 생기는 가장 큰 원인은 지구의 질량입니다. 거대한 질량체가 당기는 만유인력에 의해 중력이 생기는 것입니다. 지표면에 있을때 지구는 모두 발 아래쪽에 위치하게 됩니다. 그러나 지구의 내부로 들어가게 되면, 지구의 질량 일부가 머리 위쪽에 존재하게 됩니다. 좌우는 대칭이므로 무시한다고 할 때 지구질량의 일부는 발 아래쪽에 있고, 일부는 머리 위쪽에 있게 됩니다. 따라서 위와 아래에서 당기는 두 만유인력이 일부 상쇄되어 지구내부에서의 중력은 지표면보다 작아지게 됩니다. 지구가 완전 구형이라고 가정할 때 지구 중심에서의 중력은 0이 됩니다. (상하좌우 완전대칭이므로)
6.풍선에 수소 기체를 채우고 실로 묶어서 실의 끝을 자동차의 바닥에 고정시켰다. 풍선속의 수소 때문에 실은 팽팽하게 직선으로 서 있었다. 이자동차가 일정한 속도로 달리다가 급브레이크를 건다면 풍선은 자동차의 어느쪽으로 기울어질까? 단, 자동차의 모든 창문은 닫혀 있다.
가속되는 자동차 속에 있는 모든 물체는 자동차의 가속도와 반대쪽으로 관성력을 받게 됩니다. 자동차가 급브레이크를 건다면 속도가 감소하므로 가속도의 방향은 뒤쪽입니다.
이때 자동차 안의 질량을 가진 모든 물체는 앞쪽으로 쏠리는 관성력을 받게 됩니다.
그런데 이 자동차 안은 유체(공기)로 가득차 있습니다. 눈에 보이는 물체 뿐만 아니라 공기도 역시 질량이 있기 관성력을 받아 앞으로 나가려고 합니다. 그러나 공기가 가득차 앞으로 나아가지를 못합니다. 따라서 공기는 자동차의 앞면과 충돌하고 반작용으로 튕겨나와 다시 뒤로 가려고 합니다.
즉, 자동차 안의 모든 물체는 자신의 관성력과 공기가 튕겨나오는 관성력 둘을 모두 받게 됩니다. 물체가 어디로 움직이느냐는 두 힘 중 누가 더 크냐에 달려있습니다.
이 힘의 크기는 같은 부피일 때 질량 즉 밀도에 의존하게 됩니다.
따라서 공기보다 밀도가 큰 물체는 공기의 관성력을 이기고 앞으로 나아가게 됩니다.
그러나 공기보다 밀도가 작은 물체는 공기의 관성력을 이기지 못하고 뒤로 밀리게 됩니다.
따라서 급브레이크를 걸었을 때 자동차 안의 사람은 앞으로 쏠리게 되지만, 수소기체를 채운 풍선은 공기보다 밀도가 작아 뒤로 움직이게 됩니다.
이는 중력에 의한 현상과도 같습니다. 중력이 작용하는 곳에서 모든 물체는 아래로 내려가려고 합니다. 그러나 공기보다 밀도가 작은 수소풍선은 공기에 밀려 오히려 위로 올라가게 됩니다. 우리는 이러한 힘을 부력이라고 부릅니다.
관성현상에서도 이러한 부력은 나타날 수 있습니다.
7.빨간 색소물을 가득 담은 삼각 플라스크가 있다. 여기에 긴 유리관이 끼여 있는 고무 마개로 삼각 플라스크의 구멍을 꼭 닫았다. 유리관 끝에 올라온 빨간 색소물을 선으로 표시하고 뜨거운 물을 삼각 플라스크에 부으면 처음의 빨간 색소물의 선은 어덯게 변할까?
모든 물체는 온도가 증가하면 분자간의 거리가 멀어지면서 부피가 팽창하게 됩니다. (물도역시 부피가 팽창하지만, 0℃에서 4℃로 변하는 동안은 분자연결구조가 붕괴되면서 부피가 감소하는 것처럼 보이는 현사이 나타나기도 합니다. )
기체는 특히 조그만 온도변화에도 쉽게 부피가 팽창합니다. 삼각플라스크에 뜨거운물을 부으면 역시 플라스크안의 공기가 팽창하게 됩니다. 따라서 유리관 안에 들어있는 빨간색소물을 밀어내려고 하여 선은 유리관 위로 올라가게 됩니다.
8.지름이 5cm인 굵은 양초가 있다. 이것을 세숫대야 바닥에 촛농으로 충분히 접착시켜서 세우고 불을 켠다. 세숫대야 물을 양초 길이보다 짧게 넣고 관찰을 한다. 점점 양초가 잛아지면서 수면과 닿는다. 시간이 지날수록 양초는 어떻게 되겠는가?
양초가 타서 물과 닿게 되면, 물과 닿은 촛농이 바로 녹아서 굳게 됩니다. 그러나 물과 닿지 않은 안쪽은 계속 타게 되기 때문에 바깥쪽은 녹은 촛농이 마치 성벽처럼 벽을 만들게 되고 가운데는 녹은 촛농이 고여 촛불을 켜는 모양이 됩니다.
9. 1.5V 건전지 3개가 있다. 2개는 같은 방향으로, 하나는 반대 방향으로 모두 직렬로 연결하면 전압계의 눈금은 얼마를 가리킬까?
건전지는 전기에너지를 운반하는 전자를 이동시키는 원동력을 만드는 것입니다. 3개의 건전지를 한개만 반대로 연결한 경우 서로 반대인 2개의 건전지의 원동력은 상쇄되고 1개만이 원동력을 공급하게 됩니다. 따라서 2개가 향하는 방향으로 전류가 흐르게 되고, 크기는 건전지 1개와 같은 결과가 됩니다.
10. 단단하면서도 가벼운 금속으로 공을 만들어 그 속에 수소 기체를 넣었더니 공기 중에서 떠올랐다. 이번에는 그 공속의 수소 기체를 펌프로 모두 빼내고 공 속을 진공 상태로 만들었다고 가정해보자. 이공은 공기 중에서 어떻게 될까? 단, 진공으로 만든 공은 외부의 대기압에 의해 찌그러들지 않는다고 가정한다.
질량을 가진 모든 물체는 아래방향으로 중력을 받게 됩니다. 그러나 유체(기체나 액체) 속에서는 위로 떠오르게 되는 부력을 받게 됩니다.
물체가 떠오르냐 아니냐는 물체의 중력과 유체로부터 받는 부력이 누가 더 큰가에 따라 결정되고, 이는 물체와 유체의 밀도의 비교로 쉽게 확인할 수 있습니다. 물체의 밀도가 유체보다 작으면 떠오르고 크면 아래로 가라앉게 됩니다.
공기의 밀도는 매우 작기 때문에 대부분의 물질들은 중력(무게)이 부력보다 커서 아래로 떨어지게 됩니다.
그러나 수소풍선이나 열기구와 같이 공기보다 밀도를 작게 만든 물체들은 위로 떠오르게 됩니다.
수소를 채운 금속공이 떠올랐는 데 속의 수소를 모두 빼고 진공으로 만든다면, 금속공의 질량은 더 가벼워진 상태가 됩니다. 따라서 부력은 변함이 없는 데 중력(무게)가 작아졌으므로 금속공은 더 잘 떠오르게 됩니다.
11.지구의 중심을 통과하는 통과하는 터널을 팠다고 가정하자. 이터널의 한쪽입구에서 돌을 떻어뜨렸다면 돌은 어떻게 운동할까? 단, 공기의 저항과 지열의 영향은 없다고 가정한다.
이 돌은 중심방향으로 지구의 중력을 받아 점점 빠르게 가속됩니다. 속력은 점점 빨라지지만, 지구중심으로 갈수록 중력은 작아지고 중심에서는 0이 되기때문에 가속도는 작아집니다. 중심을 통과하는 순간 돌의 운동과 반대방향으로 중력이 작용하게 되어 돌은 속력은 점점 느려지게 됩니다. 그리고 나서 반대쪽 지표면에 도달하는 순간 멈추게 됩니다.
다시 반대쪽으로 가속되어 끝없이 양지표면 사이를 왕복운동하게 됩니다.
12.잘 반짝거리는 바늘을 수백 개씩 바늘 끝을 가지런히 묶은 후, 위에서 빛을 비추면 어떻게 보일까?
바늘의 끝은 매우 뽀쪽하지만 크게 확대해서 보면 마치 야구방망이의 끝과 같이 둥글게 생겼습니다. 이곳에 빛을 비추면 한반향이 아닌 여러방향으로 빛이 반사됩니다.
이러한 반사는 난반사라고 하는 데 수백개의 바늘끝에서 난반사가 일어나면 수많은 빛이 바늘끝에서 나오는 것처럼 보입니다. 즉, 바늘끝이 빛나는 것처럼 보일 것입니다. 또한 빛을 비추는 방향이나 보는 눈의 방향이 약간 비스듬히 하더라도 바늘끝은 빛나게 보일것입니다. (개인적인 생각일 뿐 이 문제의 답은 정확치 않습니다. )
13.무중력 상태의 우주선 속에서 모양과 크기가 같은 두개의 공이 있다. 우주선에 가져오기 전에 둘 중 하나는 지구에서 무게를 재어보니 다른 공에 비해서 2배 무거웠다. 지금은 무중력 상태이므로 구별하기 어렵다. 어떻게 구별할 수 있을까?
물체에 힘을 가하면 물체가 움직이게 됩니다. 이렇게 속도가 0에서 어떤 값으로 변할때 우리는 가속도가 있다고 말합니다. 즉, 질량을 가진 물체에 힘을 가하면 물체의 속도가 변한다. 이를 뉴튼의 운동제2법칙이라고 하고 식으로는 다음과 같이 표현합니다. F=ma
이 식에 의하면 속도변화(가속도a) = 힘(F)/질량(m) 이 됩니다.
이는 질량이 클수록 같은 힘을 가했을때 속도의 변화가 적다는 것을 의미합니다.
이제 두 공을 손으로 잡고 던져봅시다. 가벼운 공이 더 빠르게 날아가겠죠.
다른 방법으로 두 공을 양손에 잡고 흔들어봅시다. 흔든다는 것은 속도를 계속해서 바꾸는 행동으로 가속도와 관련된 동작입니다. 질량이 큰 물체일수록 빠르게 흔들기가 어려워집니다.
세번째 방법으로 같은 용수철에 공을 매달고 흔들어봅니다. (중력이 없기 때문에 아래쪽으로 흔들리지만은 않겠죠) 진폭과 관계없이 10회 흔들리는 데 걸리는 시간을 측정합니다.
이 시간을 10으로 나누면 1회 진동하는 데 걸리는 시간, 즉 주기를 측정할 수 있습니다.
용수철에 매달린 물체가 흔들리는 주기 = 제곱근{질량/용수철 상수} T=root{m/k}
이 식에 의하면 무거운 물체일수록 같은 회수를 흔들리는 데 걸리는 시간이 길어집니다.
실제로 우주에서 우주인들의 질량을 측정하는 방법입니다.
14. 수소 기체를 관을 통해 공기속으로 불어 내면서 불을 붙이면 어떻게 될까? 이것은 쉽다. 그러면, 반대로 공기를 관을 통해 수소 기체속으로 불어 내면서 불을 붙이면 어떻게 될까?
공기 중의 산소는 불이 붙는 것을 도와주는 역할을 하지만, 수소는 자신이 불에 반응한다.
따라서 관을 통해 공기 속으로 수소가 나올때는 수소가 타고 산소가 도와주기 때문에 쉽게 탄다. 그러나 반대로 수소가 가득찬 공간으로 관을 통해 산소가 나오는 경우 산소 없이도 수소가 반응하기 때문에 폭발해 버린다.
15. 시속 1000km로 수평 비행하고 있는 비행기 속에서 두사람이 서로 권총을 시속 1000km로 발사 했다. 한사람은 비했의 앞부분에서 다른 한 사람은 비행기의 뒷부분에서 각각 발사 했다면 과연 어떤 일이 발생할까?
이는 관성에 관한 것으로 땅에서 서로 총을 쏘는 것과 똑같은 결과가 된다.
비행기가 시속 1000km의 일정한 속력으로 날고 있을때 비행기 안의 사람도 역시 시속 1000km의 일정한 속력으로 움직이는 중이다.
뒤에서 앞으로 쏜 총알의 실제속력은 2000km, 앞에서 뒤로 쏜 총알의 실제속력은 0이 된다.
그러나 뒤에서 쏜 총알이 앞에 있는 사람을 향해 날아갈때 앞의 사람도 1000km로 날아가는 중이므로 상대적으로 총알이 1000km로 날아오는 것처럼 보인다.
앞에서 뒤로 쏜 총알은 제자리에 정지해 있지만, 뒤에 있는 사람이 총알을 향해 1000km로 달려오게 된다. 따라서 뒤에 있는 사람은 자신이 달려가는 것이 아니라 마치 총알이 자신을 향해 1000km로 달려오는 것처럼 보이게 된다.
따라서 두 사람 모두 총알이 1000km로 날아오는 것을 보게된다.
16.두가지 종류의 계란을 삶으려고 한다. 하나는 흰자가 완숙이고 노른자가 반숙인 계란, 다른하나는 노른자가 완숙이고 흰자가 반숙인 계란을 만들려고 한다. 어떻게 하면 좋을까? 단, 흰자는 80도 에서, 노른자는 60 ~ 68도에서 완전히 익는다.
열은 물질사이에 전달되는 데 시간이 걸리게 된다.
따라서 이를 이용하면 원하는 온도를 원하는 곳에 전달할 수 있게 된다.
흰자가 완숙이고 노른자가 반숙인 계란을 만들려면 흰자에 많은 열이 전달되어야 한다. 따라서 80도보다 훨씬 높은 온도를 공급하면 된다. 즉, 100도의 펄펄끓는 물에 넣으면, 열이 노른자에 도달하기 전에 흰자가 익어버린다.
그러나 흰자는 반숙 노른자는 완숙을 만들려면 흰자에 충분한 열을 공급하지 않아야 한다. 따라서 노른자가 익을 수 있는 온도인 70~75정도의 열로 가열하면 흰자는 완전히 익지 않지만 노른자까지 열이 전달된 후 에 노른자는 완전히 익을 수 있게 된다.
17. 2001년 12월 31일 저녁 11시 59분 58초,59초 드디어 2002년 1월 1일 0시 정각, 새해가 밝아보며 2002년 알리는 보신각의 종소리가 힘차게 울리고 있다. 만약 두사람이 있는데 한 사람은 보신각종의 가운데에 머리를 집어넣고 있고, 다른 한사람은 보신각종 바로 옆에서 종을 치고 있다고 가정하자. 둘중에 누가 큰 소리를 들을 수 있을까?
보신각 종안에 들어가 있게 되면 울리는 소리가 공명현상을 일으켜 진폭이 중첩되어 커지게 된다. 따라서 밖에서 듣는 것 보다 훨씬 큰 소리를 듣게 될 것이다.