탐구 과제 · 02 케플러 법칙 — 행성이 타원을 도는 이유와 그 결과 ← 레슨으로
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지구과학Ⅰ 수업 · Ⅳ. 우주 학생용 탐구 과제

케플러 법칙 — 행성이 타원을 도는 이유와 그 결과

행성 궤도는 왜 원이 아니라 타원인가. 이심률로 궤도 모양을 읽고, 면적 속도 일정 법칙으로 근일점이 빠른 이유를 설명하며, 조화 법칙 P²=a³ 를 힘의 균형에서 직접 유도한다.

학년 · 반
이름
날짜
학습 목표
  • 모형의 이상화 — 원 궤도로 놓고 유도한 결과를 타원에 쓰는 것이 왜 정당한가 (1·4장)
  • 단위의 힘 — 년·AU를 고르자 상수가 사라지는 과정 (4장)
  • 보존량으로 설명하기 — 속력 변화를 힘이 아니라 에너지로 설명하기 (2·3장)
  • 기술과 발견의 순서 — 규칙의 발견과 원인의 설명은 별개다 (심화)

단원 학습 내용 정리

GUIDING QUESTION · 오늘의 질문

지구는 태양에서 가장 가까울 때와 가장 멀 때의 거리가 3% 남짓밖에 차이 나지 않습니다. 거의 원인 셈이죠. 그런데 왜 굳이 "타원"이라고 배울까요? 타원이라는 한 단어에서 무엇이 따라 나오길래 그럴까요?

3개
케플러가 남긴 궤도 운동 법칙
0.0167
지구 공전 궤도의 이심률
P² = a³
주기(년)와 긴반지름(AU) 태양계에서 성립
1609 · 1619
제1·2법칙 발표 제3법칙 발표
  • 제1법칙 — 타원 궤도
  • 왜 하필 타원인가 — 총에너지로 보기
  • 제2법칙 — 면적 속도 일정
  • 제3법칙 — 조화 법칙

평가 문항

1서술형 배점
지구 궤도의 이심률은 0.0167로 거의 원입니다. 그렇다면 우리나라의 계절 변화는 태양과의 거리 차이 때문일까요? 실제로 지구는 1월 초에 근일점을 지납니다. 이 사실이 무엇을 말해 주는지 설명해 보세요.
2서술형 배점
긴반지름이 같고 이심률만 다른 두 행성이 있습니다. 주기는 같은데 평균 공전 속력은 다릅니다. 모순처럼 보이는 이 상황을 둘레와 주기의 관계로 설명해 보세요.
3서술형 배점
어떤 혜성이 태양을 한 번 스쳐 지나간 뒤 다시는 돌아오지 않았습니다. 이 혜성의 총에너지 부호와 궤도의 종류는 무엇이었을까요? 그렇게 판단한 근거를 쓰세요.
4객관식 정답
케플러 제1법칙에서 태양이 놓이는 위치는?
  1. 타원의 중심
  2. 타원의 두 초점 중 하나
  3. 타원의 두 초점 모두
  4. 근일점
5객관식 정답
공전 궤도의 이심률 e에 대한 설명으로 옳은 것은?
  1. e가 클수록 원에 가깝다
  2. 긴반지름과 짧은반지름이 같으면 e = 0 이다
  3. 행성의 e는 항상 1보다 크다
  4. e는 궤도의 크기를 나타낸다
6객관식 정답
행성이 근일점에서 원일점보다 빠르게 움직이는 이유를 에너지로 설명한 것은?
  1. 근일점에서 위치 에너지가 작아 운동 에너지가 크기 때문
  2. 근일점에서 총에너지가 커지기 때문
  3. 근일점에서 만유인력이 사라지기 때문
  4. 근일점에서 각속도가 일정해지기 때문
7객관식 정답
P² = a³ 라는 간단한 형태가 그대로 성립하는 조건은?
  1. 모든 항성계에서 항상 성립한다
  2. 태양계에서 주기를 년, 긴반지름을 AU로 잴 때
  3. 주기를 초, 긴반지름을 m로 잴 때
  4. 궤도가 완전한 원일 때만
8객관식 정답
천체의 총에너지가 E > 0 일 때 궤도는?
  1. 원 궤도
  2. 타원 궤도
  3. 쌍곡선 궤도
  4. 정지 상태
9객관식 정답
긴반지름이 같고 이심률만 다른 두 행성 A(e=0)와 B(e=0.6)를 비교한 것으로 옳은 것은?
  1. A의 주기가 더 짧다
  2. B의 주기가 더 짧다
  3. 주기는 같고, A의 평균 공전 속력이 더 빠르다
  4. 주기는 같고, B의 평균 공전 속력이 더 빠르다
지구과학Ⅰ 수업 · Ⅳ. 우주 교사용 별지 · 정답과 해설

케플러 법칙 — 행성이 타원을 도는 이유와 그 결과

행성 궤도는 왜 원이 아니라 타원인가. 이심률로 궤도 모양을 읽고, 면적 속도 일정 법칙으로 근일점이 빠른 이유를 설명하며, 조화 법칙 P²=a³ 를 힘의 균형에서 직접 유도한다.

A객관식 정답과 해설

4번정답 ② 타원의 두 초점 중 하나
태양은 중심이 아니라 두 초점 중 하나에 있습니다. 그래서 행성과 태양 사이의 거리가 공전하는 동안 계속 변하고, 근일점과 원일점이 생깁니다.
5번정답 ② 긴반지름과 짧은반지름이 같으면 e = 0 이다
e = √(1 − (b/a)²) 이므로 a = b 이면 e = 0 이고, 그것이 원입니다. e는 크기가 아니라 찌그러진 정도를 나타냅니다.
6번정답 ① 근일점에서 위치 에너지가 작아 운동 에너지가 크기 때문
역학적 에너지가 보존되므로 태양에 가까운 근일점에서는 위치 에너지가 작고, 그만큼 운동 에너지가 커져 속력이 빠릅니다.
7번정답 ② 태양계에서 주기를 년, 긴반지름을 AU로 잴 때
일반형은 P² = (4π²/GM)a³ 입니다. 태양계에서 년과 AU를 쓰면 지구가 P=1, a=1 이므로 괄호 안이 1이 되어 P²=a³ 가 됩니다. 다른 항성계에서는 M이 달라 그대로 쓸 수 없습니다.
8번정답 ③ 쌍곡선 궤도
E > 0 이면 속력이 탈출 속도 √(2GM/r) 보다 크므로 중심별을 벗어나 쌍곡선 궤도로 지나갑니다. E < 0 일 때만 원이나 타원으로 묶입니다.
9번정답 ③ 주기는 같고, A의 평균 공전 속력이 더 빠르다
제3법칙에 들어가는 것은 긴반지름뿐이므로 주기는 같습니다. 같은 시간에 도는데 원 궤도의 둘레가 더 기니, 이심률이 작은 A의 평균 속력이 더 빠릅니다.

B교육과정 연계

과목·영역이 과제와의 연결성취기준
행성우주과학 — 태양계의 운동케플러 세 법칙으로 태양계 천체의 운동을 설명한다. 이 레슨의 중심 성취기준[12행우01-03]
역학과 에너지 — 중력과 천체 운동제3법칙을 만유인력과 원심력의 균형에서 유도하는 과정[12역학01-04]
역학과 에너지 — 역학적 에너지와 탈출 속도총에너지의 부호로 궤도 종류가 갈리는 부분. 탈출 속도 유도[12역학01-05]

C수업 활용 안내

이렇게 쓰면 좋습니다 Ⅰ은 예습·정리용입니다. 웹 레슨을 읽고 채우게 하면 20분 안팎이 걸립니다. 서술형 문항은 정답이 하나가 아닌 열린 질문이라 모둠 토론이나 서술형 평가에 적합합니다. 객관식은 웹에서 즉시 채점되므로, 지면으로 푼 뒤 이 별지로 확인시켜도 됩니다.
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웹 레슨 https://101scenes.com/ko/class-earth1/kepler-laws/
지구과학Ⅰ 수업 02 · 케플러 법칙 — 행성이 타원을 도는 이유와 그 결과 이름