공명(공진)현상-면접자료

Q1) 1850년 영국의 보병 부대가 다리를 지나다가 다리가 무너진 사고가 발생했다. 사고 이후, 부대가 다리를 건널 때는 ‘발을 맞추지 않고’ 건너는 것이 통례가 됐다. 발을 맞춰 행진한 것이 원인이었을까? 강제진동과 관련지어 설명하시오.

 

 
전문가 클리닉

부대의 규칙적인 발걸음이 다리에 가했을 영향을 생각한다면 쉽게 대답할 수 있는 문제입니다. 공명은 고유 진동수로 진동하는 물체에 주기적인 충격을 가하는 경우에도 일어납니다. 아무리 단단한 돌, 콘크리트, 강철이라 할지라도 고유 진동수와 일치하는 외부 힘이 지속적으로 작용하면 공명하게 됩니다.

 

 

예시답안

물체의 고유 진동수와 같은 진동수로 외부 힘을 가하면 아무리 단단한 물체라도 강제 진동시킬 수 있다. 부대의 규칙적인 발걸음으로 인한 충격은 우연히 다리의 고유 진동수와 일치했을 것이다. 충격에 의해 다리는 강제 진동하고 공진에 의해 진폭이 점차 증가했다. 결국 다리가 진동을 견디지 못하고 무너지는 일이 발생했다.
하지만 무조건 발을 맞춰 간다고 해서 다리가 무너지지는 않을 것이다. 많은 수의 군인들이 규칙적으로 발걸음을 맞추면서 주기적인 충격이 상당한 힘으로 가해졌으며, 다리가 길어서 충격이 지속적으로 전달되는 시간이 충분히 작용해 다리를 무너뜨릴 정도의 에너지를 전달했을 것이다.

 

 

Q2) 빛(전자기파)은 전기장과 자기장의 주기적인 변화가 전파되는 에너지이다. 빛이 물질에 입사될 때 그 물질 속의 전자들은 빛에 힘을 받아 입사될 때 물질이 어떻게 반응할지는 빛의 진동수와 물질 속에 있는 전자의 고유 진동수에 달려 있다.
1) 전자레인지 내부에서 음식물이 데워지는 원리도 강제 진동으로 이해할 수 있다. 전자레인지는 파장이 약 1.2㎝인 마이크로파를 방출한다. 이 마이크로파에 의해 음식물이 데워지는 과정을 마이크로파(전자기파)와 물분자의 특성에 근거해 설명하시오.
2) 유리가 자외선을 투과시키지 못하는 이유를 유리에 입사하는 빛과 물질 내부를 구성하는 원자와의 공명과 관련지어 설명하시오.

 

 

 

전문가 클리닉

1) 물분자는 한몸에 (+)와 (-)극성을 동시에 갖는 극성분자(전기쌍극자)입니다. 주변에 전기장이 있으면 전기력을 받습니다. 빛(전자기파)이 지나가면 주변의 전기장이 변화하고, 물분자는 전기력에 의한 운동을 한다는 점에 착안해야 합니다. 전자기파의 경우 전기장의 크기 뿐 아니라 방향도 바뀌기 때문에 물분자는 한쪽 방향으로 끌려가는 것이 아니라 진동하게 됩니다.
2) 빛이 물질 내부로 입사되면 전자들은 진동합니다. 만약 전자의 고유 진동수에 일치하는 빛이 입사될 경우 공명이 일어나고, 전자가 진동하는 폭이 상당히 커진다는 점에 착안해야 합니다.

 

 

예시답안

1) 물분자는 (+)극성을 갖는 수소원자와 (-)극성을 갖는 산소원자가 공유결합돼 있는 극성분자다. 전기적 극성을 띠기 때문에 전기장에 의해 힘(전기력)을 받는다. 전자기파가 입사되면 물분자 주변의 전기장이 변화한다. 만약 물분자 위쪽이 (+)극, 아래쪽이 (-)극인 전기장이 작용하면 물분자의 수소(+)쪽은 아랫방향으로, 산소(-)쪽은 위쪽으로 향하면서 물분자가 회전하고 또 끌려간다. 그런데 전기장 방향이 바뀌어 위쪽이 (-), 아래쪽이 (+)이 되면 물분자는 한쪽 방향으로만 끌려가지 않고 다시 회전하거나 방향을 바꿔 움직인다. 전자기파의 진동수가 적당하다면 물분자는 진동하거나 움직인다. 운동하는 물분자가 주변의 다른 분자들과 충돌하며 열의 형태로 에너지를 전달하면서 음식물의 온도는 올라가고 조리되는 것이다.
2) 유리 속에 있는 전자들의 고유 진동수는 자외선 영역이다. 자외선이 유리에 입사하면 유리 속의 전자들은 자외선에 공명한다. 원자가 빛으로부터 얻는 에너지는 최대가 되며 원자는 충돌에 의해 이웃한 원자에게 에너지를 열의 형태로 전달한다. 그러므로 자외선은 유리를 통과하지 못한다.
하지만 가시광선처럼 자외선에 비해 진동수가 작은 전자기파가 입사하면 유리를 구성하는 원자들에 구속된 전자들은 진폭이 더 작은 진동을 한다. 원자는 이웃한 원자들과의 충돌 기회도 적어지고 따라서 열의 형태로 에너지를 전달할 기회도 줄어든다. 진동하는 전자의 에너지는 빛의 형태로 재방출된다. 재방출된 빛은 다시 다른 이웃한 원자의 전자를 진동시키고, 흡수, 재방출을 거듭하면서 결국 유리를 통과해 나가는 것이다.

 

출처 : 과학동아