[2015개정 물리학1] 파동의 속력

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[2015개정 물리학1] 파동의 특성

인디언은 들소를 사냥할 때 땅에 귀를 대고 들소의 발자국 소리를 들었다고 한다. 들소 떼의 발굽소리가 공기 중보다 고체인 땅으로 전달되는 게 더 빠르다는 것을 경험을 통해 알았기 때문이다.

 

소리는 왜 기체보다 고체에서 더 빨리 이동할까?

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1. 파동의 속력

파동은 매질의 한 점이 한 번 진동하는 동안 한 파장의 거리를 이동하므로, 파장을 주기로 나눠주면 파동의 속력을 구할 수 있다.

 

2. 매질에 따른 파동의 속력 비교하기

파동은 매질의 진동에 의해 에너지를 전달하는 형식이다. 이렇다보니 파동이 에너지를 전달하는 속력은 매질을 구성하는 분자들의 결합 구조를 비롯한 물리적 특성에 영향을 받는다.

 

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교과서 145쪽 실험

밧줄을 쓰든 용수철을 쓰든 파동이 생기는 원인은 진동수다. 이 진동수에 의해 매질(용수철, 밧줄)이 진동하게 되면 에너지가 전달되는 거다. 에너지가 전달되는 현상을 파동이 요동치는 걸로 확인한 거다.

진동수 값이 어떻든 각각의 매질에서 파동이 전달되는 속력은 같다. 진동을 해도 물질의 고유한 물리적 특성이 변하지 않기 때문에 속력이 고정된 값으로 나타나는 거다. 즉 속력이 상수(constant)여야 하기 때문에 진동수에 따라 파장이 달라지는 결과가 나타난다. 그리고 이러한 결과에 따른 파동의 속력, 파장, 진동수의 관계는 다음과 같은 식을 만족한다.

 

 

이처럼 파동의 속력은 파동을 전달하는 매질의 성질에 따라 달라진다. 여기에 어떤 일관된 규칙이 있을까?

 

공을 주고 받는 사람 간의 간격이 좁을수록 공을 전달하기가 쉽다. 즉 공의 이동 속력이 빨라진다. 이처럼

느슨한 결합 구조보다는 빽빽한 결합 구조의 매질에서 에너지 전달이 용이하다. 따라서 고체, 액체, 기체 매질에서 파동(예를 들어 음파)의 속력 대소 관계는 '고체 > 액체 > 기체' 로 정리된다.

 

그래서 소리는 기체보다 고체에서 더 빨리 전파한다.

(+TMI 파동의 속력은 매질의 밀도와 탄성력에 관련있다. 다른 상태에서의 파동 속력은 밀도보다는 탄성력에 의한 영향을 많이 받는다. 따라서 파동의 속력 대소 관계가 '고체>액체>기체' 이다. 그러나 같은 상태(예를 들어 기체)에서 온도가 달라지면 파동의 속력은 탄성력보다는 밀도의 영향을 받게 된다. 따라서 앞에 들었던 비유가 맞지 않게 된다. 기체의 온도가 높을수록 파동의 속력은 빨라진다.)

 

줄 파동의 속력은 줄이 팽팽할수록 빠르며 물결파의 속력은 물의 깊이가 깊을수록 빠르다. 특히 수심에 따른 물결파 속력의 대소 관계는 다음에 공부할 굴절의 선행 개념이기에 꼭 기억하길 바란다.