지문해설 | 2014학년도 고3 수능 B형 "전향력" 과학지문 Q26~27

2014학년도 고3 수능 B형 속 전향력, 지구의 자전으로 인한 물체의 운동 방향 편향 원리를 설명합니다. 잘 와닿지 않아 어려웠던 과학기술을 쉽게 이해해 보세요 :) 

 

목차

2014학년도(2013년 시행) 고3 수능 B형 Q26~27 전향력 

< 요약 >

 

위도에 따라 지구의 자전 속력이 다르기 때문에 지구상에서 운동하는 물체의 운동 방향은 좌우로 편향됩니다.

• 고위도로 갈수록 발사 지점과 목표 지점의 자전 속력의 차이가 더 크기 때문에 물체의 이동 방향이 편향되는 정도가 더 큼
• 물체의 이동 속력이 빠를수록 전향력의 크기가 더 큼

물체가 북반구에 있으면 오른쪽으로, 남반구에 있으면 왼쪽으로 진행 방향이 편향됩니다.

 

1문단

 

지구는 '북극을 내려다보면 시계 반대 방향으로 빠르게 자전'하고 있습니다. 지구의 자전 때문에 '지구 상에서 운동하는 물체의 운동 방향이 편향'되는데, 그 원인이 되는 힘을 '전향력'이라고 합니다.

(출처: 위키백과)

 

이어지는 문단을 통해 지구의 자전으로 인해 물체의 운동 방향이 편향되는 현상이 발생하는 원리를 파악해 봅시다.

 

2문단

 

지구는 약 24시간에 한 번씩 자전을 합니다. 이처럼 '지구의 자전 주기는 위도와 상관없이 동일'하지만 '구 모양인 지구의 둘레는 적도가 가장 길고 위도가 높아질수록 짧기 때문에' 위도에 따라 자전하는 속력이 다릅니다. 자전 속력은 '적도에서 가장 빠르고, 고위도로 갈수록 속력이 느려져서 남극과 북극에서는 0이 됩니다.'

• 지구의 둘레: 적도가 가장 긺 ↔ 고위도일수록 짧음
• 지구의 자전 주기: 위도와 상관없이 동일함
• 지구의 자전 속력: 적도가 가장 빠름 ↔ 고위도일수록 느려짐 ↔ 남극과 북극에서는 속력이 0임

 

지구의 자전 속력의 차이는 어떻게 물체의 운동 방향을 편향시키는 것일까요?

 

 

3문단

 

3문단에서는 '적도 상의 특정 지점에서 동일한 경도 상에 있는 북위 30도 지점을 목표로 어떤 물체를 발사'하는 경우를 예시로 들어 설명하고 있습니다.

• 자전 속력: 적도 1,600 km/h ↔ 북위 30도 1,400 km/h (자전 속력의 차이: 200 km/h)
• 적도(발사 지점)에서 북쪽으로 발사된 물체는 '발사 속력 외에 약 1,600 km/h로 동쪽으로 진행하는 속력'을 동시에 가짐
• 북위 30도(목표 지점)는 발사 지점보다 더 느리게 자전함
• 발사된 물체는 '겨냥했던 목표 지점보다 더 동쪽에 있는 지점에 도달함'
• 발사된 물체의 이동 경로는 '처음에 목표로 했던 북쪽 방향의 오른쪽으로 휘어짐'

지구의 자전으로 인해 물체의 이동 경로가 편향되는 현상 (사진 출처: https://earth.nullschool.net/ ❘ Sciencely가 재구성)

 

4문단

 

3문단에서 적도 → 북위 30도로 발사한 실험과 비교하여, 4문단에서의 실험은 물체를 북위 30도 → 북위 60도로 발사시키는 경우로 위도에 따라 물체가 이동하는 경로가 편향되는 경로가 얼마나 변하는지 설명합니다.

• 자전 속력: 북위 30도 1,400 km/h ↔ 북위 60도 800 km/h (자전 속력의 차이: 600 km/h)
• 북위 60도(목표 지점)는 북위 30도(발사 지점)보다 더 느리게 자전함
• 발사된 물체의 이동 경로는 '처음에 목표로 했던 북쪽 방향의 오른쪽으로 휘어짐'
• '적도에서 북위 30도를 향해 발사'했을 때보다 자전 속력의 차이가 더 크기 때문에 물체는 '더 오른쪽으로 떨어짐'

저위도(좌)와 고위도(우)에서 전향력에 의해 물체의 이동 경로가 편향되는 정도 (사진 출처: https://earth.nullschool.net Sciencely가 재구성)

 

즉, '위도에 따른 자전 속력의 차이'는 '고위도로 갈수록 더 커지기 때문에' 좌우로 편향되는 정도 역시 더 커집니다. 물체의 이동 경로가 편향되는 정도는 '북극과 남극에서 최대가 되고, 적도에서는 0'이 됩니다.

 

 

3, 4문단에서는 설명을 위해 북쪽으로 운동하는 물체만을 언급하고 있지만, '이러한 편향 현상은 북쪽뿐 아니라 다른 방향으로 운동하는 모든 물체'에 마찬가지로 나타납니다.

 

5문단

 

3, 4문단의 내용을 통해 고위도로 갈수록 물체가 좌우로 편향되는 정도가 크다는 점을 확인하였습니다. 즉, 전향력의 크기는 위도와 관련이 있는 것입니다. 또한, '전향력의 크기는 위도뿐만 아니라 물체의 이동하는 속력과도 관련'이 있습니다. 물체가 '지표를 기준으로 이동하는 속력이 빠를수록 전향력이 커지며, 지표 상에 정지해 있는 물체에는 전향력이 나타나지 않습니다.'

• 물체가 고위도에 위치할수록 전향력의 크기가 큼
• 물체의 이동 속력이 빠를수록 전향력의 크기가 큼

한편, 전향력은 물체가 위치한 반구에 따라 물체가 편향되게 하는 방향이 다릅니다. 물체의 진행 방향이 '북반구에서는 오른쪽으로, 남반구에서는 왼쪽으로 편향'됩니다.

 

27번 문제 풀이

 

문제 27번의 <보기>에서는 전향력에 의해 휘어지는 진자의 진동면을 설명하고 있습니다.

'시간이 지남에 따라 진자의 진동면이 시계 방향으로 회전'하는 것은 추(물체)의 이동 방향이 오른쪽으로 휜다는 것을 의미하는데, 이를 통해 물체가 북반구에 위치해 있음을 알 수 있습니다.

• A → B로 이동할 때, B의 오른쪽에 있는 'C쪽으로 미세하게 휘어져 이동'
• B → A로 되돌아올 때, A의 오른쪽에 있는 'D쪽으로 미세하게 휘어져 이동'

 

고위도에 위치할수록 전향력의 크기가 더 크기 때문에, ②에서 '고위도'에서 실험한다면 진자의 진동면이 더 빠르게 휘어지며 회전할 것입니다.

• ① '남반구'에서 실험을 한다면 추의 이동 방향이 왼쪽으로 휘어 진자의 진동면이 시계 반대 방향으로 회전함
• ③ '북극과 남극'에서 실험을 한다면 두 곳의 위도가 같기 때문에 동일한 회전 주기를 가짐
• ④ '적도 상에서 동서 방향으로' 진자를 진동시킨다면 위도가 0인 곳에서 물체의 이동 경로가 편향되는 정도가 0이기 때문에 진자의 진동면은 회전하지 않음
• ⑤ '남위 60도'에서 실험을 한다면 추의 이동 방향이 왼쪽으로 편향됨