파동의 성질
파동의 파장, 진동수, 속도의 관계(v=fλ)와 매질 내 에너지 전달 방식을 이해한다.
한 곳의 진동이 이웃한 매질 입자로 차례로 전달되어 퍼져 나가는 현상으로, 매질은 제자리에서 진동할 뿐 파동과 함께 이동하지 않으며 가 성립합니다.
경기장의 파도타기 응원을 떠올려 보세요. 물결은 관중석을 가로질러 달려가지만, 사람들은 각자 자리에서 일어났다 앉을 뿐입니다. 옮겨 가는 것은 사람이 아니라 '일어서는 동작', 즉 에너지와 정보입니다.
쉽게 말하면
파동은 단순 조화 운동이 옆으로 번져 나간 것입니다. 매질 입자 하나가 진동하면 그 입자와 이웃한 입자를 잇는 힘 때문에 이웃도 조금 늦게 따라 진동하고, 그 다음 입자가 또 따라 하면서 진동의 '패턴'이 앞으로 나아갑니다. 이동하는 것은 물질이 아니라 에너지와 위상입니다.
파동의 기본 관계식은 다음 한 줄입니다.
뜻은 단순합니다. 파원이 1초에 번 진동하면 파장 짜리 마루가 1초에 개 만들어져 나가므로, 파동의 맨 앞은 1초에 만큼 전진합니다.
이 식에서 누가 무엇을 결정하는지를 구분하는 것이 핵심입니다. 파동의 속력 는 매질이 정합니다 — 줄의 장력과 굵기, 공기의 온도 같은 것이 정하지 파원이 정하지 않습니다. 반면 진동수 는 파원이 정합니다 — 흔드는 손이 1초에 몇 번 흔드는지가 그대로 진동수입니다. 그래서 인 파장은 둘의 결과로 따라 나옵니다.
이 원칙이 가장 극적으로 드러나는 곳이 굴절입니다. 파동이 다른 매질로 넘어가면 가 바뀌지만 파원의 진동수는 그대로이므로, 는 유지되고 가 변합니다.
이렇게 나타납니다
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예시 1진동수 , 파장 인 파동의 속력주기로 확인해도 같습니다. 이고, 한 주기 동안 파동은 정확히 한 파장만큼 나아가므로 입니다.
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예시 2줄을 더 팽팽하게 당기면 파장이 어떻게 되나손을 같은 빠르기로 흔들면 진동수 는 그대로입니다. 그런데 줄을 팽팽하게 하면 파동의 속력 가 커지므로 에서 파장이 길어집니다. 손 흔드는 속도를 바꾸지 않았는데 파장이 변한다는 점이 요점입니다.
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예시 3번개가 친 뒤 천둥이 늦게 오는 이유빛과 소리는 같은 순간에 출발하지만 매질을 지나는 속력이 크게 다릅니다. 빛은 거의 즉시 도착하고 소리는 공기 중을 훨씬 느리게 전파되므로, 번쩍임과 소리 사이의 시간차에 음속을 곱하면 번개까지의 거리를 어림할 수 있습니다.
자주 하는 오해
파동이 지나가면 매질도 함께 옮겨 간다고 생각하기
이렇게 생각하기 쉬움물결이 오른쪽으로 가니까 물도 오른쪽으로 흘러가고, 물 위의 나뭇잎도 함께 실려 간다
실제로는나뭇잎은 제자리에서 위아래로 까딱거릴 뿐 앞으로 실려 가지 않습니다. 이동하는 것은 에너지와 모양입니다.
매질 입자는 자기 평형 위치를 중심으로 진동만 합니다. 이웃 입자에게 진동을 넘겨 줄 뿐 자신은 따라가지 않습니다. 파도에 밀려 해변으로 가는 느낌이 드는 것은 얕은 곳에서 파도가 부서지며 실제로 물이 밀려가는 별개의 현상 때문입니다.
파원을 더 빠르게 흔들면 파동도 더 빨리 달린다고 생각하기
이렇게 생각하기 쉬움손을 두 배 빠르게 흔들었으니 파동의 속력 도 두 배가 된다
실제로는속력 는 매질이 정하므로 그대로입니다. 대신 진동수 가 2배가 되어 파장 가 절반이 됩니다.
를 '를 올리면 가 오른다'는 공식으로 읽으면 안 됩니다. 이 식에서 독립적으로 주어지는 것은 매질이 정하는 와 파원이 정하는 이고, 가 그 결과입니다. 같은 줄에서는 아무리 빨리 흔들어도 파동의 앞머리가 나아가는 속력은 같습니다.
선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요
이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다
같은 단원의 개념 — 탄성파와 소리
공명과 맥놀이고3단순 조화 운동고3단진자고3도플러 효과고3용수철 진자고3음파와 소리고3정상파와 공명고3진폭·파장·진동수·주기고3파동의 간섭과 회절고3파동의 반사·굴절·전반사고3편광고3횡파와 종파고3
자주 묻는 질문
Q1빛은 매질이 없는 진공에서도 가는데, 그래도 파동인가요?
네. 빛은 전기장과 자기장이 서로를 만들어 내며 진행하는 전자기파여서 매질이 필요 없습니다. 매질의 진동이 필요한 소리·물결 같은 파동을 탄성파(역학적 파동)라 하여 구분합니다. 다만 관계는 빛에서도 그대로 성립합니다.
Q2파동은 무엇을 전달하나요?
에너지와 정보입니다. 물질은 옮기지 않습니다. 지진파가 먼 도시의 건물을 흔들 수 있는 것은 진원지의 흙이 그 도시까지 이동해서가 아니라 에너지가 전달되기 때문입니다.
Q3진폭이 크면 파동이 더 빨리 가나요?
아닙니다. 진폭은 파동이 나르는 에너지의 크기와 관계있을 뿐, 속력과는 무관합니다. 큰 소리든 작은 소리든 같은 공기 중에서는 같은 속력으로 도착합니다 — 그렇지 않다면 멀리서 듣는 음악의 박자가 뒤죽박죽이 될 것입니다.
교육과정 2022 개정 · 고3 물리학 · 탄성파와 소리
수록 기본 (교육과정 단원)
파동을 숫자로 다루려면 그래프에서 값을 읽을 줄 알아야 합니다. 진폭·파장·진동수·주기로 이어서 보세요.
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