빙빙 도는 알갱이가 계속 돌 수 있는지 자료로 따지기
물리 2 · 서술형 평가지 · 권장 시간 25분 · 총 100점
안내 — 이 평가지에는 개념 용어가 일부러 빠져 있습니다. 지시를 따라 손으로 직접 해 본 뒤, 그 결과를 여러분의 말로 해석하고 성찰하여 서술하세요. 정답 문장이 정해져 있지 않으니, 이유를 붙인 자기 생각이면 됩니다. 예제: 가운데 무거운 알갱이 둘레를 도는 가벼운 알갱이 그림 (비교용: 기체가 내는 빛을 프리즘에 통과시킨 실제 사진)
1
활동 — 순서대로 해 보기
30점
- ①가운데 무거운 알갱이 둘레를 가벼운 알갱이가 원을 그리며 도는 그림을 [칸 A]에 그리세요.
- ②'휘어져 도는 알갱이는 매 순간 일정한 몫을 잃는다'는 조건을 [칸 A] 옆에 적으세요.
- ③몫을 잃으면 도는 반지름이 커질지 작아질지 골라 [칸 B]에 적고 이유를 한 줄 쓰세요.
- ④계산하니 반지름 5.0×10⁻¹¹ m가 1.0×10⁻¹¹ s 만에 0이 되었다. [칸 B]에 이어 적으세요.
- ⑤실제 기체가 내는 빛을 프리즘에 통과시키면 띄엄띄엄한 밝은 줄 4개만 보인다. [칸 C]에 적으세요.
- ⑥①~④의 그림대로라면 프리즘 뒤에 어떤 무늬가 보여야 할지 예상해 [칸 D]에 적으세요.
- ⑦[칸 C]와 [칸 D]가 어긋난 점을 한 줄로 [칸 E]에 적으세요.
2
해석 — 왜 그런지 내 생각 쓰기
40점
(1)④의 시간 1.0×10⁻¹¹ s는 눈 깜짝할 사이보다도 짧습니다. 그런데도 우리 주변의 물질이 사라지지 않고 그대로 있는 사실은 이 그림에 대해 무엇을 말해 주나요? (15점)
✎ 그림대로라면 모든 물질은 ___ 안에 ___해야 하는데, 실제로는 …
(2)'띄엄띄엄한 줄 4개'는 이 기체에서만 생긴 우연일까요, 다른 기체에서도 나타나는 규칙일까요? 예상을 걸고, 확인하려면 무엇을 바꿔 무엇을 관찰해야 하는지 쓰세요. (15점)
✎ 나는 (우연 / 규칙) 쪽에 걸겠다. ___를 바꾸어 ___를 관찰하면 …
(3)[칸 C]와 [칸 D]의 차이를 없애려면 ②의 조건과 ①의 그림 중 어느 쪽을 어떻게 고쳐야 할지 여러분의 생각을 쓰세요. (10점)
3
성찰 — 활동을 내 것으로 만들기
30점
(1) 순서 다시 짜기 — 이 따져 보기를 처음 하는 친구에게 나라면 어떤 순서로 시킬지 쓰고, 왜 그 순서인지 한 문장으로 이유를 붙이세요. 지워도 되는 단계가 있다면 그것도 쓰세요. (15점)
(2) 이름 붙이기 — 오늘 찾아낸 어긋남 두 가지를 각각 한 문장으로 정리한 뒤, 교과서에서 배운(또는 배울) 과학 용어를 짝지어 붙여 보세요. (15점)
평가 기준
| 활동 수행 (30점) | 주어진 조건에서 반지름 변화를 바르게 골랐고, 실제 관측과 예상 무늬를 각각 정확히 적음 | 상 · 중 · 하 |
| 해석 (40점) | 관측 사실을 근거로 그림의 문제를 지적했고, 확인 방법을 바꿀 것·관찰할 것으로 나누어 제시함 | 상 · 중 · 하 |
| 성찰 (30점) | 순서 재설계에 이유가 있고, 어긋남 두 가지에 알맞은 이름을 짝지음 | 상 · 중 · 하 |
연습 문제
빙빙 도는 알갱이가 계속 돌 수 있는지 자료로 따지기 · 각 20점 · 총 100점
안내 — 1쪽에서 스스로 세운 개념을 이번에는 반복해서 적용해 봅니다. 풀이 과정을 빈 곳에 쓰고, 다 푼 뒤 맨 아래 정답으로 스스로 채점하세요.
1.러더퍼드 원자 모형의 내용을 두 문장으로 요약하시오.
2.러더퍼드 원자 모형이 '원자의 안정성'을 설명하지 못하는 이유를 전자기 이론을 근거로 서술하시오.
3.러더퍼드 원자 모형이 수소 기체의 방출 스펙트럼을 설명하지 못하는 이유를 쓰시오.
4.러더퍼드 원자 모형으로 설명되지 않는 관측 사실 두 가지를 한 줄씩 쓰시오.
5.이 한계를 해결하기 위해 보어가 도입한 두 가지 가정의 이름과 내용을 간단히 쓰시오.
정답
1. 원자의 중심에 (+)전하를 띤 아주 작고 무거운 원자핵이 있고, 그 주위를 (-)전하를 띤 전자가 전기력을 구심력으로 하여 원운동한다. 원자 부피의 대부분은 빈 공간이다.
2. 원운동하는 전자는 가속 운동을 하므로 전자기파를 방출하며 에너지를 잃는다. 그러면 궤도 반지름이 점점 줄어 약 10⁻¹¹ s 만에 나선을 그리며 원자핵으로 떨어져야 하므로 원자는 존재할 수 없다. 그러나 실제 원자는 안정하게 존재한다.
3. 전자가 나선 운동을 하며 궤도 반지름이 연속적으로 줄면 방출되는 빛의 진동수도 연속적으로 변해야 하므로 연속 스펙트럼이 나타나야 한다. 그러나 실제 수소 기체는 특정 파장에서만 밝은 선이 나타나는 불연속적인 선 스펙트럼을 보인다.
4. ① 원자가 붕괴하지 않고 안정하게 존재한다. ② 기체가 내는 빛이 연속이 아닌 불연속적인 선 스펙트럼이다.
5. ① 양자 조건 — 전자는 특정한 조건(mvr=nh/2π)을 만족하는 궤도에서만 돌 수 있고, 이때는 전자기파를 방출하지 않는다. ② 진동수 조건 — 전자가 에너지 준위 Eₙ에서 Eₘ으로 옮겨 갈 때 그 차이만큼의 광자를 방출·흡수한다(hf=Eₙ-Eₘ).