빛을 물결로 볼 때의 예상이 실험과 어긋나는 까닭
물리1 · 서술형 평가지 · 권장 시간 25분 · 총 100점
안내 — 빛을 물결처럼 보는 관점에서는 이렇게 예상했습니다. ⑴ 충분히 밝고 강한 빛이면 빛의 색과 상관없이 금속판에서 작은 알갱이가 튀어나온다. ⑵ 알갱이가 나오려면 힘이 쌓일 시간이 필요하므로 잠깐 기다려야 한다. ⑶ 빛이 밝고 강할수록 튀어나온 알갱이가 더 빠르고 힘차다. 그런데 실제 실험에서는 이렇게 관찰됐습니다. ㉮ 붉은 쪽 빛은 아무리 밝고 강해도 알갱이가 하나도 안 나오고, 푸른·보라 쪽 빛이라야 나온다. ㉯ 알갱이가 나오는 빛이라면 아주 어둑하고 약해도 기다림 없이 곧바로 나온다. ㉰ 튀어나온 알갱이의 빠르기는 빛을 밝게 해도 그대로이고, 빛의 색을 바꿀 때만 달라진다. 아래 지시를 따라 예상과 실제 결과를 직접 맞대어 보세요. 예제: 밝고 강한 빛인데도 판에서 아무 알갱이도 안 나오는 상황 (비교용: 어둑하고 약한 빛인데도 곧바로 알갱이가 튀어나오는 상황)
1
활동 — 순서대로 해 보기
30점
- ①예상 ⑴⑵⑶을 하나씩 내 말로 짧게 바꿔 번호와 함께 [칸 A]에 적어 보세요.
- ②실제 결과 ㉮㉯㉰를 하나씩 내 말로 짧게 바꿔 기호와 함께 [칸 B]에 적어 보세요.
- ③⑴과 ㉮, ⑵와 ㉯, ⑶과 ㉰를 짝지어 비교하고, 각 짝이 '같음/다름'인지 [칸 C]에 적어 보세요.
- ④㉮㉯㉰에서 빛을 더 밝고 강하게 바꿨을 때 결과가 달라졌는지 각각 '예/아니오'로 [칸 D]에 적어 보세요.
- ⑤빛의 '밝기'와 '색(붉은 쪽↔푸른·보라 쪽)' 중 무엇을 바꿀 때 결과가 갈렸는지 찾아 [칸 E]에 적어 보세요.
칸 D — 밝게 하면 결과가 바뀌나 (예/아니오)
2
해석 — 왜 그런지 내 생각 쓰기
40점
(1)밝기를 아무리 키워도 안 나오던 빛이 색을 바꾸자 나왔습니다. 결과를 정말로 가른 것은 '밝기'일까요 '색'일까요? [칸 D]와 [칸 E]를 근거로 골라 이유를 쓰세요. (15점)
✎ 나는 (밝기 / 색) 쪽이 결과를 가른다고 본다. 왜냐하면 ㉮에서 ___ 이고 …
(2)㉯처럼 아주 약한 빛인데도 기다림 없이 곧바로 알갱이가 나온 것은 '힘이 쌓일 시간이 필요하다'는 예상과 어긋납니다. 이것이 이 빛만의 우연일까요, 알갱이가 나오는 빛이면 늘 그런 규칙일까요? 근거와 함께 쓰세요. (15점)
✎ 나는 (우연 / 규칙) 쪽에 걸겠다. 왜냐하면 …
(3)밝고 강한 붉은 쪽 빛(㉮)과 어둑하고 약한 푸른·보라 쪽 빛(㉯)은 무엇이 달라서 한쪽만 알갱이를 내보냈을까요? 여러분의 생각을 쓰세요. (10점)
3
성찰 — 활동을 내 것으로 만들기
30점
(1) 순서 다시 짜기 — 이 활동을 처음 하는 친구에게 나라면 예상과 결과를 어떤 순서로 맞대게 시킬지 쓰고, 왜 그 순서인지 한 문장으로 이유를 붙이세요. 지워도 되는 단계가 있다면 그것도 쓰세요. (15점)
(2) 이름 붙이기 — 오늘 다룬 것을 세 문장으로 정리한 뒤, 각 문장이 가리키는 것에 교과서에서 배운(또는 배울) 과학 용어를 짝지어 붙여 보세요. (15점)
평가 기준
| 활동 수행 (30점) | 예상과 결과를 빠짐없이 옮기고, 짝별 비교·표시 지시를 정확히 수행함 | 상 · 중 · 하 |
| 해석 (40점) | 결과를 가른 요인을 근거를 들어 골랐고, 우연/규칙 판단에 이유를 붙임 | 상 · 중 · 하 |
| 성찰 (30점) | 맞대는 순서를 이유와 함께 재설계하고, 세 문장 각각에 알맞은 이름을 짝지음 | 상 · 중 · 하 |
연습 문제
빛을 물결로 볼 때의 예상이 실험과 어긋나는 까닭 · 각 20점 · 총 100점
안내 — 1쪽에서 스스로 세운 결론을 이번에는 과학 용어로 정리하며 확인합니다. 풀이·서술을 빈 곳에 쓰고, 다 푼 뒤 맨 아래 정답으로 스스로 채점하세요.
1.빛을 전자기파로 보는 파동설이 광전 효과에 대해 예상한 세 가지를 쓰고, 각각 실제 실험 결과와 어떻게 달랐는지 서술하시오.
2.금속판에서 광전자가 방출되기 위한 조건을 '진동수'와 관련지어 서술하시오.
3.방출된 광전자의 (최대) 운동 에너지는 빛의 '세기'와 '진동수' 중 무엇에 의해 결정되는가?
4.세기가 약해도 진동수가 큰 빛에서 광전자가 즉시 방출되는 현상을, 빛을 파동으로 보는 파동설로 설명할 수 있는지 이유와 함께 답하시오.
5.일함수가 3.0×10⁻¹⁹ J인 금속에 진동수 6.0×10¹⁴ Hz인 빛을 비출 때, 방출되는 광전자의 최대 운동 에너지를 구하시오. (플랑크 상수 h=6.63×10⁻³⁴ J·s)
정답
1. 파동설 예상 — ⑴세기가 충분히 세면 진동수와 관계없이 광전자가 방출된다 ⑵에너지가 모여야 하므로 방출까지 시간이 걸린다 ⑶세기가 셀수록 광전자의 운동 에너지가 커진다. 실제 결과 — ㉮문턱(한계)진동수보다 작은 빛은 세기를 아무리 키워도 광전자가 방출되지 않는다 ㉯문턱진동수 이상이면 세기가 약해도 즉시 방출된다(시간 지연 없음) ㉰방출된 광전자의 운동 에너지는 빛의 세기와 무관하다. 세 예상 모두 실제와 어긋난다.
2. 빛의 진동수가 그 금속의 문턱(한계)진동수 이상일 때만 광전자가 방출된다. 문턱진동수보다 작으면 세기를 아무리 키워도 방출되지 않는다.
3. 진동수(빛의 색). 세기와는 관계가 없다.
4. 설명할 수 없다. 파동설에서는 에너지가 쌓이는 시간이 필요해 약한 빛이면 지연이 생겨야 하지만, 실제로는 진동수만 충분하면 세기가 약해도 즉시 방출되기 때문이다.
5. 광자 1개 에너지 E=hf=(6.63×10⁻³⁴)(6.0×10¹⁴)=3.978×10⁻¹⁹ J. 최대 운동 에너지 = E - 일함수 = 3.978×10⁻¹⁹ - 3.0×10⁻¹⁹ = 9.78×10⁻²⁰ J.