일·일률 (W=Fs·기계적 효율)
물리에서 일은 일상의 "작업"과 다르게 정의돼요. ① 일 (Work·W): W = Fs cos θ. 힘 (F)이 변위 (s) 방향으로 작용한 양. 단위 J (Joule)·1J = 1N·m. 힘과 운동 방향 90° = 일 0 (구심력은 일을 안 함). ② 일의 부호: 양의 일 (힘과 변위 같은 방향·운동E ↑)·음의 일 (반대 방향·운동E ↓·마찰력). ③ 일률 (Power·P): P = W/t = Fv. 단위 W (Watt)·1W = 1J/s. 자동차 마력 (HP·1HP ≈ 746W). ④ 기계적 효율: η = (유용한 일 / 입력 에너지) × 100%. 100% 효율은 불가능 (마찰·열로 손실). 발전소 30~40%·자동차 엔진 25%·LED 90%. ⑤ 일·에너지 정리: 알짜힘이 한 일 = 운동에너지 변화. 모든 학년에서 일관된 핵심 개념. 초등에서는 "움직이는 힘" 정도로, 중등에서 W=Fs 공식, 고등에서 일·운동에너지 정리 심화. 시험에서 "일이 0인 경우" 단골 (구심력·평형 상태·정지 마찰).
운동에너지·위치에너지 (역학적 에너지 보존)
역학적 에너지는 두 종류가 있어요. ① 운동에너지 (Kinetic Energy): K = ½mv². 움직이는 물체의 에너지. 속도의 제곱에 비례 → 속도 2배면 운동E 4배. 자동차 속도 ↑ 위험성 ↑. ② 위치에너지 (Potential Energy): 중력 위치E - U = mgh (질량×중력가속도×높이). 탄성 위치E - U = ½kx² (스프링 압축·인장·후크의 법칙). ③ 역학적 에너지 보존: 마찰·공기저항 무시 시 K + U = 일정. 롤러코스터·진자·자유낙하 분석. 자유낙하 시 위치E ↓ → 운동E ↑·꼭대기에서 위치E 최대·바닥에서 운동E 최대. ④ 비보존력 (마찰·공기저항)이 있으면 역학적 에너지 일부 → 열E 변환. 진자가 점점 작아지는 이유. ⑤ 에너지의 단위는 모두 J (Joule)·운동E·위치E·열E·전기E·화학E·핵E·빛E 모두 같은 단위. 단위 통일이 핵심 통찰. 초5에서 "에너지의 형태"로 입문, 중3 '운동과 에너지'에서 정량 분석, 고등에서 미적분으로 심화. 시험에서 "높이·속도·에너지 관계" 문제 단골 출제.
열·열역학 (비열·1·2법칙)
열은 에너지의 한 형태예요. ① 온도 vs 열: 온도 = 분자의 평균 운동에너지·열 = 두 물체 사이 이동하는 에너지. 단위: 온도 ℃·K (절대온도)·열 J. ② 열의 이동 3가지: 전도 (고체·금속이 빠름)·대류 (액체·기체·온도 차로 순환)·복사 (빛·매질 없이도 전달·태양). 단열재·이중창은 3가지 모두 차단. ③ 비열 (Specific Heat): 1kg 물체를 1℃ 올리는 데 필요한 열량. 물 = 4,186 J/kg·℃ (매우 큼·바다가 기후 조절)·금속 = 작음 (빨리 데워짐). 비열 ↑ = 온도 변화 적음. ④ 열량 공식: Q = mcΔT (질량×비열×온도변화). 열량 보존: 뜨거운 물체가 잃은 열 = 차가운 물체가 받은 열. 열평형. ⑤ 열역학 1법칙 (에너지 보존): ΔU = Q - W (내부E 변화 = 받은 열 - 한 일). 영구 기관 1종 불가능 (에너지 무에서 창조 X). ⑥ 열역학 2법칙 (엔트로피·비가역): 자연은 무질서도 (엔트로피)가 증가하는 방향. 열은 고온 → 저온 자발적 이동·역방향은 일 필요 (냉장고). 영구 기관 2종 불가능. 초5 '열과 우리 생활'에서 입문, 중1 '열' 단원에서 본격, 고등에서 열역학 법칙 심화.
에너지 전환·보존 (발전소·신재생)
에너지는 형태만 바뀔 뿐 사라지지 않아요. ① 에너지 전환의 다양한 사례: 태양 → 식물 (광합성·화학E)·자동차 (화학E → 운동E + 열E)·전기난로 (전기E → 열E)·LED (전기E → 빛E)·운동선수 (화학E → 운동E + 열E). ② 발전소: 모두 운동E → 전기E 전환. 화력 (석탄·가스·연소열 → 증기 → 터빈 → 발전기)·수력 (물의 위치E → 운동E → 발전기)·풍력 (바람 운동E → 발전기)·태양광 (광전효과·빛E → 전기E·터빈 없음)·원자력 (핵분열 → 열E → 증기 → 터빈). 효율 30~40% (핵 + 화력)·태양광 20%·LED 90%. ③ 신재생 에너지 (Renewable): 태양·풍력·수력·지열·바이오매스·조력. 화석연료 (유한·온실가스) 한계 → 기후변화 대응. 한국 전력 비중: 화력 60%·원자력 30%·신재생 8%. ④ 에너지 보존 법칙: 우주 전체 에너지의 합은 일정. 모든 자연 현상의 기본. ⑤ 에너지 효율 향상 = 환경 보호의 핵심. LED 전등·하이브리드차·열펌프·고효율 가전. 초등에서는 "에너지가 변한다" 개념, 중등에서 발전소 종류, 고등에서 효율 계산. 시험에서 "에너지 전환 + 신재생" 시사 자료 단골 출제.