01 괄호 안에 들어갈 알맞은 용어를 <보기>에서 골라 쓰시오.

Ⅰ. 시공간과 우주 / 2. 시공간의 새로운 이해

10. 일반 상대성 이론

소단원 문제

	<보 기>
•변위 •등가 원리 •가속도 •같다 •세차 •사건의 지평선 •특수 상대성 이론 •반대이다 •자전 •허블법칙 •속도

⑴ 아인슈타인은 가속하는 계에서의 운동과 중력이 작용

하는 공간에서의 운동은 같은 원리에 일어남을 제안하

였다. 이를 (  ㉠  )라 한다.

⑵ 태양에서 가장 가까운 행성인 수성은 태양의 중력에

의해 휘어진 공간 때문에 공전 운동 시 회전축이 변하

는 (  ㉡  )를 한다.

⑶ 블랙홀에 가까이 갈수록 중력에 의한 시간 지연이 커

지게 된다. 그에 따라 시간이 멈춘 것 같은 경계면이

나타나는데 이를 (  ㉢  )라 한다.

02 특수 상대성 이론으로 설명할 수 없지만 일반 상대성 이론으로는 설명할 수 있는 현상만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

	<보 기>
ㄱ. 빠르게 움직이는 물체의 길이는 정지해 있을 때 보다 짧다. ㄴ. 수성의 세차 운동은 뉴턴의 이론으로 예측한 것 과 차이가 있다. ㄷ. 별빛이 지구까지 오는 도중에 무거운 천체가 있 으면 빛의 경로가 휘어진다.

① ㄱ	② ㄴ	③ ㄱ, ㄴ

④ ㄱ, ㄷ	⑤ ㄴ, ㄷ

03 다음은 어떤 이론에 대한 기본 원리를 설명한 것이다.

중력이 없는 우주 공간에서 가속도 운동을 하는 로

켓이 있다. 로켓 안에 서 있는 관측자가 물체를 놓으

면 물체가 낙하하는 것으로 보인다. 이는 지구에서

잡고 있던 물체를 놓았을 때 아래로 떨어지는 것과

같다. 즉, 중력에 의한 현상과 가속에 의한 현상은

서로 구별할 수 없다.

이 이론을 적용할 수 있는 내용으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

	<보 기>
ㄱ. 중력 렌즈 효과 ㄴ. 수성의 세차 운동 ㄷ. 중력파

① ㄱ	② ㄴ	③ ㄷ

④ ㄱ, ㄷ	⑤ ㄱ, ㄴ, ㄷ

04 다음은 일상생활에서 상대성 이론을 이용한 예에 관한 설명이다.

원자시계가 탑재된 인공위성을 이용한 GPS는 지표

면과 위성에서 시간의 흐름이 다르기 때문에 상대성

이론으로 시간을 보정해 주어야만 정확한 위치를 찾

을 수 있다. GPS 위성이 빠른 속도로 운동하고 있

으므로 ㉠ 특수 상대성 이론을 고려한 시간 보정이

필요하고, 위성의 궤도에서 중력은 지표면에서보다

작으므로 ㉡ 일반 상대성 이론을 고려한 시간 보정

이 필요하다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

	<보 기>
ㄱ. 현재 국제 시간 표준은 세슘(Cs) 원자시계를 기 준으로 정했다. ㄴ. ㉠에 의하면 빠르게 운동하는 물체의 좌표계에 서의 시간은 정지한 좌표계에서의 시간보다 느 리다. ㄷ. ㉠과 ㉡을 모두 적용하면 인공위성에서의 시간 은 지표면의 시간보다 느리다.

① ㄴ	② ㄷ	③ ㄱ, ㄴ

④ ㄱ, ㄷ	⑤ ㄱ, ㄴ, ㄷ

05 중력 가속도가 [eqn: g]인 지구 표면에서 측정한 철수의 몸무게가 [eqn: w]였다. 그림과 같이 위로 가속되는 엘리베이터 안에서 측정한 철수의 몸무게에 대해 서술하시오.

	<보 기>
. ㄱ. ㄴ ㄷ

06 그림은 질량이 큰 천체 근처에서 빛이 휘어지는 모습을 나타낸 것이다.

이와 같은 현상이 나타나는 이유를 일반 상대성 이론으로

설명하시오.

07 그림은 밤하늘의 사진과

일식 때의 사진을 분석한

자료이다. 점은 태양이 없을

때 별들의 위치이고, 화살표

는 태양이 있을 때 별들의

위치 변화를 나타낸 것이다.

⑴ 별들의 위치 변화가 생

기는 이유를 일반 상대성 이론으로 설명하시오.

⑵ 이런 현상을 무엇이라고 하는지 쓰시오.

정답과 해설

01 ㉠ 등가 원리, ㉡ 세차 운동, ㉢ 사건의 지평선  02 ⑤  03 ⑤

04 ③   05 ㄱ. [eqn: 2w], ㄴ. [eqn: w], ㄷ. [eqn: w]  06 해설 참조 07 해설 참조

01

⑴ 가속 좌표계 내의 물체가 받는 관성력은 중력과 다를 것이 없다는 것은 등가 원리이다.

⑵ 수성의 세차 운동의 원인은 태양 주변의 시공간이 굽어져 있기 때문이다. 이는 일반 상대성 이론의 증거이다.

⑶ 블랙홀 근처로 갈수록 중력이 커져 시간 지연이 커지면서 시간이 멈춘 것 같아 보이는 사건의 지평선이 나타난다.

02

ㄴ, ㄷ. 특수 상대성 이론으로는 질량이 큰 물체 주변에서 공간의 휘어짐을 설명할 수 없다. 수성의 세차 운동과 빛의 경로가 휘어지는 것은 중력이 큰 물체 주위의 시공간이 휘어져 있기 때문에 나타난다. 이는 일반 상대성 이론으로 설명할 수 있다.

ㄱ. 빠르게 움직이는 물체의 길이가 정지해 있는 물체의 길이보다 짧아지는 것은 특수 상대성 이론으로 설명할 수 있다.

오답 체크

03

중력-관성력 등가 원리에 관한 설명이다. 따라서 일반 상대성 이론에 해당하는 내용을 찾으면 된다.

중력 렌즈 효과, 수성의 세차 운동, 중력파는 모두 일반 상대성 이론의 적용이 가능하다.

04

ㄱ. 현재 국제 시간 표준은 1967년 국제 도량형 총회에서 1초를 세슘(Cs)원자가 방출하는 특정한 빛이 9,192,631,770번 진동하는데 걸린 시간으로 정의하여 사용하고 있다.

ㄴ. 특수 상대성 이론에 의하면 정지한 관성계에서 움직이는 관성계의 시간을 측정하면 시간이 팽창한다. 따라서 빠른 속력으로 운동하는 물체의 좌표계에서의 시간은 정지한 좌표계에서의 시간보다 느리게 간다.

ㄷ. ㉠ 특수 상대성 이론을 적용하면 위성에서의 시간이 느려지고 ㉡ 일반 상대성 이론을 적용하면 위성에서의 시간이 빨라지는데 후자의 효과가 더 크기 때문에서 위성에서의 시간은 지표면에서보다 빠르다.

오답 체크

05

정답 키워드

관성력

모범답안_ 중력 [eqn: w]와 관성력 [eqn: w]가 합쳐지므로 저울의 눈금은 [eqn: 2w]로 나타난다.

해설_ 일반 상대론에 의해 중력과 관성력은 구별할 수 없는 두 힘이다. 가속도 [eqn: g]로 윗방향으로 가속되면 관성력의 방향은 아랫방향이고 관성력의 크기는 [eqn: w=mg]이다. ㄱ은 관성력과 중력이 동시에

작용하고, ㄴ은 중력만, ㄷ은 관성력만 작용한다.

채점 기준

등급	채점 기준	배점(%)
A	ㄱ~ㄷ을 모두 맞힌 경우	100
B	ㄱ~ㄷ 중에서 2가지만 맞힌 경우	50
C	ㄱ~ㄷ 중에서 1가지만 맞힌 경우	30

06

정답 키워드

빛의 휘어짐

모범답안_ 중력이 공간을 휘게 만드는데 천체에 가까울수록 중력이 커서 공간의 왜곡도 더 심화된다.

채점 기준

등급	채점 기준	배점(%)
A	이유와 정답을 모두 정확하게 답한 경우	100
B	이유와 답 중 한 가지만 정확하게 답한 경우	50

07

정답 키워드

일반 상대성 이론

모범답안_ ⑴ 별들의 위치가 일식 때 화살표 방향으로 이동하여 관측된 것은 태양 주변의 시공간이 휘어져 있어 별빛이 휘어져 진행했기 때문이다.

⑵ 이는 중력 렌즈 현상이다.

채점 기준

등급	채점 기준	배점(%)
A	⑴ , ⑵를 모두 정확하게 답한 경우	100
B	⑴ , ⑵중에 한 가지만 정확하게 답한 경우	50