우주와 그 역사
The universe is billions of galaxies; each galaxy is billions of stars; the Sun is one star in the Milky Way. Gravity shapes every orbit in it, stars are born and die in patterns set by their mass, and the red-shift of distant galaxies tells us the whole universe is expanding — evidence for a beginning: the Big Bang.
Edexcel International GCSE 물리학 4PH1, 섹션 8 (문항 8.1–8.18P). P가 붙은 문항은 물리학 전용 확장 내용(Paper 2P)입니다.
우주의 운동
우주 → 수십억 개의 은하 → 각 은하는 수십억 개의 별 → 우리의 태양계는 우리은하에 위치합니다. 중력장 강도 g는 질량과 크기에 따라 달라지며, 달에서는 약하고 목성에서는 강합니다. 중력은 모든 궤도를 유지합니다: 위성이 행성을 도며, 행성과 혜성은 태양을 도는 반면, 인공위성은 지구를 도는 것입니다.
행성의 궤도는 거의 원형이며, 혜도의 궤도는 매우 이심률이 큽니다. — 태양 근처에서는 빠르고, 멀리 있을 때는 느립니다. 궤도 속도는 둘레 ÷ 주기로 구할 수 있습니다:
작은 예제 확인. 도 반지름 7000 km(지구 중심으로부터 측정)이고 주기 5800 s인 위성: $v = 2\pi \times 7.0 \times 10^6/5800 \approx 7580$ m/s ≈ 7.6 km/s.
해설 예시 (달의 도). 달은 지구의 중심으로부터 3.84 × 10⁸ m 떨어진 곳을 27.3일마다 한 바퀴 도는다. 먼저 주기를 초 단위로 변환한다: $T = 27.3 \times 24 \times 3600 = 2.36 \times 10^6$ s. 이후 $v = \dfrac{2 \times \pi \times 3.84 \times 10^8}{2.36 \times 10^6} \approx 1.0 \times 10^3$ m/s, 약 1.0 km/s이며, 저궤도 위성에 비해 훨씬 느리다.
해설 예시 (다른 행성에서의 무게). 70 kg의 우주인이 지구에서 $70 \times 10 = 700$ N, 달에서 $70 \times 1.6 = 112$ N($g = 1.6$ N/kg)의 무게를 가진다. 질량은 두 곳 모두에서 70 kg이다.
항성 진화
별은 색에 따라 분류되며, 이는 표면 온도를 따른다: 파란색이 가장 뜨겁고 → 빨간색이 가장 차갑다. 태양과 유사한 별은 성운 → 주계열성(수십억 년간 융합이 중력과 균형을 이룸) → 적색거성 → 백색왜성 순으로 진화하며, 태양보다 훨씬 더 큰 질량을 가진 별(대략 8배 이상)은 성운 → 주계열성 → 적색초거성 → 초신성 → 중성자별 또는 블랙홀로 진화한다.
(P) 별의 밝기는 표준 거리에서의 절대 등급을 사용하여 비교합니다. 헤르츠스프랑-러셀 도표는 절대 등급을 온도에 대해 나타내며, 주계열, 거성 및 백색 왜성이 주요 대를 이룹니다.
우주론 (P)
움직이는 파동 원천은 관측된 파장을 변화시킵니다 (적색편이: 멀어질 때). 은하의 적색편이는 거리에 따라 증가하며, 이 관계는 다음과 같이 정량화됩니다:
풀이 확인. 500 nm인 스펙트럼 선이 먼 은하에서 505 nm로 나타납니다: $\Delta\lambda/\lambda_0 = 5/500 = 0.01$, 따라서 $v = 0.01c = 3000$ km/s입니다.
해설 예시 (P) (이동 예측). 은하가 6000 km/s 속도로 멀어지고 있다. 656 nm에서 방출된 수소 스펙트럼 선이 $\Delta\lambda = \lambda_0 \times \dfrac{v}{c} = 656 \times \dfrac{6000}{300\,000} = 13$ nm만큼 이동하므로, 관측 시 약 669 nm에서 관찰된다. $v$와 $c$에는 같은 단위를 사용한다(여기서는 km/s).
Red-shift increasing with distance means the galaxies are receding faster the further they are — the universe is expanding, which points back to a hot, dense beginning: the Big Bang. The cosmic microwave background (CMB) — faint microwaves from every direction — is the cooled remnant of that early radiation, the second pillar of evidence.
흔한 실수
- 행성의 표면에서 궤도 반경을 측정하는 것. $r$은 중심에서부터입니다. 높이에 행성의 반지름을 더하세요.
- 주기를 시간이나 일 단위로 그대로 두지 말고, $v = 2\pi r/T$ 단위로 변경한 뒤 m/s 계산에는 초 단위로 변환한다.
- 달 위의 우주인이 질량이 적다고 말하지 않는다. 질량은 동일하며, 무게가 작은 것은 $g$가 작기 때문이다.
- (P) 적색 이동한 은하가 붉게 보이는다고 설명하면 안 된다. 스펙트럼 내 모든 선이 더 긴 파장으로 이동하지만, 은하의 색은 거의 변하지 않는다.
- (P) 관측된 파장으로 나누기. $\Delta\lambda/\lambda_0$의 $\lambda_0$은 실험실에서 측정한 파장입니다.
- 모든 별이 블랙홀로 끝난다고 말하면 안 된다. 태양과 유사한 별은 백색왜성으로 끝나며, 오직 훨씬 더 큰 질량을 가진 별만이 중성자별이나 블랙홀이 될 수 있다.
자기 점검하기
- 크기 순서대로 나열하십시오: 은하, 태양계, 우주, 별.
- g가 지구와 달 사이에서 다른 이유는 무엇인가?
- Name the two orbit shapes of comets and planets.
- r = 42 000 km이고 T = 24 시간인 인공위성의 궤도 속도를 계산하십시오.
- 태양과 유사한 별에 대한 주계열 이후의 두 단계를 설명하십시오.
- 별의 색이 무엇을 알려주는가?
- (P) HR 도표는 어떤 두 양을 나타내는가?
- (P) 400 nm인 스펙트럼선이 404 nm로 이동했습니다. v/c를 계산하십시오.
- (P) 빅뱅에 대한 두 가지 증거를 설명하십시오.
- (P) 왜 적색편이가 거리에 따라 증가하는가?
Answers: 1 star (smallest) → solar system → galaxy → universe (largest); 2 g depends on the body's mass and radius — the Moon is smaller and less massive, so its g is about 1.6 N/kg; 3 planets — nearly circular; comets — highly eccentric ellipses; 4 $r = 4.2 \times 10^7$ m, $T = 86\,400$ s; $v = 2\pi \times 4.2\times10^7/86\,400 \approx 3060$ m/s ≈ 3.1 km/s; 5 red giant, then white dwarf; 6 its surface temperature — blue hottest, red coolest; 7 (P) absolute magnitude against temperature (or colour); 8 (P) $\Delta\lambda/\lambda_0 = 4/400 = 0.01 = v/c$; 9 (P) the red-shift of galaxies increasing with distance, and the cosmic microwave background radiation; 10 (P) the further the galaxy, the faster it recedes — space itself expands, so recession speed grows with distance, shifting the light further to the red.