09 전기 에너지와 소비 전력

과학전기와 자기중260쪽중2 과학 · 전기와 자기

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이 자료는

중2 과학 「전기와 자기」 시리즈의 아홉 번째 자료로, 전기 에너지와 소비 전력을 다루는 문제 유형 학습지입니다. 문제를 여덟 가지 유형으로 나누고 유형마다 하나의 물음을 걸었습니다. 유형은 에너지 전환과 보존 구별하기, 소비 전력과 제품 표시 읽기, 전력량과 사용 시간 계산하기, 누적 전기 에너지 그래프 읽기, 소비 전력–시간 그래프 읽기, 전압과 전류로 소비 전력 구하기, 직렬·병렬의 소비 전력 비교하기, 효율과 대기 전력으로 절약량 비교하기입니다. 이 가운데 유형 4~7은 교과서 기본 내용보다 한 걸음 더 나간 '더 나아가기' 유형으로, 앞의 유형을 다 익힌 뒤에 보도록 표시되어 있습니다.

유형마다 '대표문제 → 질문으로 이해하기 → 꼭 기억할 지식 → 대표문제 풀이 → 적용 문제' 순서로 되어 있습니다. '6 W는 무슨 뜻일까?', '전압이 절반이면 소비 전력도 절반일까?', '꺼 두었는데도 전력을 쓸까?'처럼 학생이 헷갈려 하는 설명 질문 24개에 한 줄 답과 설명이 붙어 있고, 질문마다 '틀린 생각'과 '바른 문장'을 나란히 놓아 흔한 오해를 바로잡습니다. 전기 에너지가 기능별로 전환되는 모습, 충전과 사용의 전환 방향, 소비 전력에 곱하는 시간 단위와 전력량 단위의 관계, 소비 전력 그래프와 누적 전기 에너지 그래프의 대응, 직렬·병렬 회로의 전압·전류·소비 전력, 작동·대기·전원 분리 상태의 소비 전력 비교 그림이 들어 있습니다.

문제는 대표문제 10개, 유형별 적용 문제 32개, 여러 유형을 섞은 통합 확인 12개로 모두 54문항입니다. 표와 그래프 읽기, 단위를 바르게 고쳐 쓰기, 틀린 설명 고쳐 쓰기 같은 서술형 문항이 섞여 있습니다. 51쪽부터 모든 문항의 정답과 해설, 선택지별 풀이, 서술형 인정 범위가 있고, 문항마다 '다시 볼 유형'이 적혀 있습니다.

미리보기

실제 학습지의 일부입니다. 누르면 크게 볼 수 있습니다.

전기 에너지는 무엇으로 바뀔까 — 조명·가열·소리·회전·충전 다섯 기능별 에너지 전환 그림과 충전·사용의 전환 방향 설명 · 4쪽

누적 그래프의 기울기와 소비 전력 — 10 W → 0 W → 5 W로 바뀌는 소비 전력 그래프와 누적 전기 에너지 그래프를 위아래로 맞춘 그림 · 21쪽

직렬·병렬에서 소비 전력이 큰 쪽 — 4 Ω과 8 Ω을 병렬(각 8 V)·직렬(같은 1 A)로 연결한 두 회로의 전압·전류·소비 전력 비교 그림 · 35쪽

핵심 정리 · 전기 에너지와 소비 전력

학습지의 설명 질문 24개 가운데 핵심을 짧게 정리했습니다. 그림·표와 54문항은 PDF에 있습니다.

에너지 전환은 무슨 뜻인가요?

한 형태의 에너지가 다른 형태로 바뀌는 것입니다. 전기 에너지는 전류가 흐를 때 기구에 공급되는 에너지로, 조명에서는 빛에너지, 가열에서는 열에너지, 소리 내기에서는 소리 에너지, 회전에서는 운동 에너지, 배터리 충전에서는 화학 에너지를 주로 이용합니다. 기구의 어느 부분과 기능을 묻는지 확인해 그 부분의 에너지 전환을 찾습니다. 배터리는 충전할 때 전기 에너지를 화학 에너지로 저장하고 사용할 때 화학 에너지를 전기 에너지로 바꾸어, 충전과 사용의 전환 방향이 반대입니다.

전구를 지나면 전류가 줄어드나요? 열로 바뀐 에너지는 사라지나요?

아닙니다. 전기 에너지는 빛과 열로 바뀌지만, 갈라짐 없는 회로에서 일정하게 흐르는 전류의 세기는 전구 앞뒤가 같습니다. 에너지 100 J가 빛 25 J와 열 75 J로 바뀌면 합은 100 J로, 전환 전후 에너지의 총량은 보존되며 이용하지 못한 열도 주변으로 퍼질 뿐 사라지지 않습니다. 난방 기구에서는 열에너지가 목적에 맞게 이용되므로 열을 언제나 이용하지 못한 에너지라고 부르지는 않습니다.

소비 전력은 무엇이고 어떻게 구하나요?

소비 전력은 1초 동안 사용하는 전기 에너지의 양이며 단위는 W(와트)입니다. 6 W는 1초에 전기 에너지 6 J를 사용한다는 뜻이고, 1 W = 1 J/s입니다. 소비 전력 = 전기 에너지 ÷ 시간(P = E ÷ t)이고, 식을 바꾸면 사용 시간 = 전기 에너지 ÷ 소비 전력입니다. 작동 상태가 같으면 소비 전력은 그대로 유지되고, 오래 쓸수록 늘어나는 것은 전기 에너지입니다.

정격 전압과 정격 소비 전력은 어떻게 읽나요?

정격 전압은 전기 기구를 정상적으로 사용하도록 정한 전압이고, 정격 소비 전력은 그 전압과 표시된 작동 상태에서 소비하는 전력입니다. 정격 전압 220 V·정격 소비 전력 1,100 W라면 220 V에 연결하여 표시된 작동 상태일 때 1초에 1,100 J를 사용합니다. 전압이 달라지면 소비 전력도 달라질 수 있으며, 전압이 너무 낮으면 제 성능을 내지 못하고 높으면 고장 날 수 있습니다.

전력량은 무엇이고 W·Wh·kWh는 어떻게 다른가요?

전력량은 일정 시간 동안 전기 기구가 사용한 전기 에너지의 양으로, 소비 전력 × 시간으로 구합니다. W는 소비 전력의 단위이고 Wh(와트시)와 kWh(킬로와트시)는 전력량의 단위입니다. W에 초를 곱하면 J, W에 시간(h)을 곱하면 Wh, kW에 시간을 곱하면 kWh이며, 1 Wh = 3,600 J, 1 kWh = 1,000 Wh = 3,600,000 J입니다.

사용 시간이 분으로 주어지면 전력량을 어떻게 계산하나요?

분을 시간(h)으로 바꿀 때는 60으로 나누고, 초(s)로 바꿀 때는 60을 곱합니다. 40 W로 3분 사용하면 J로는 40 W × 180 s = 7,200 J, Wh로는 40 W × 0.05 h = 2 Wh이며, 같은 양을 서로 다른 단위로 나타낸 것입니다. 여러 기구의 사용 시간이 다르면 기구별 전력량을 먼저 구해 같은 단위로 더하고, 같은 시간 내내 함께 작동할 때는 소비 전력을 더한 뒤 그 시간을 곱해도 됩니다.

누적 전기 에너지 그래프에서 소비 전력은 어떻게 읽나요?

누적 전기 에너지는 시작 이후 쓴 양을 모두 더한 값이고, 이 그래프에서는 기울기가 소비 전력입니다. 구간 소비 전력은 그 구간의 에너지 증가량을 시간 간격으로 나누어 구하며, 끝의 누적 에너지를 끝 시간으로 나눈 값은 전체 평균이므로 중간 구간을 구하는 식이 아닙니다. 직선의 기울기가 일정하면 소비 전력도 일정하고, 더 가파른 구간은 소비 전력이 크며, 수평 구간은 사용한 에너지가 늘지 않아 소비 전력이 0 W입니다.

소비 전력–시간 그래프에서 사용한 에너지와 평균 소비 전력은 어떻게 구하나요?

직사각형의 넓이 = 가로(시간) × 세로(소비 전력) = 전기 에너지이므로, 사용한 전기 에너지는 구간별 직사각형 넓이를 더한 값입니다. 평균 소비 전력은 그 값을 전체 시간으로 나눈 값이며, 구간 길이가 다르면 전력 숫자만 단순 평균 내지 않습니다. 이 그래프에서 0 W보다 높은 수평선은 작동을 멈춘 것이 아니라 그 높이의 소비 전력으로 계속 작동한다는 뜻입니다.

전압과 전류로 소비 전력을 어떻게 구하나요?

전압과 전류가 일정한 회로에서 소비 전력 = 전압 × 전류(P = V × I)이고, 전류를 구하려면 I = P ÷ V를 씁니다. 1 V에서 1 A이면 1 W입니다. mA로 주어진 전류는 1 A = 1,000 mA를 이용해 A로 바꾼 뒤 계산하며, 예를 들어 200 mA는 0.2 A이므로 5 V × 0.2 A = 1 W입니다.

직렬연결과 병렬연결에서 어느 저항의 소비 전력이 더 큰가요?

직렬은 전류가 같고 병렬은 각 저항에 걸리는 전압이 같습니다. 직렬에서는 같은 전류이므로 큰 저항의 소비 전력이 크고, 병렬에서는 같은 전압이므로 작은 저항의 소비 전력이 큽니다. 같은 종류의 전구를 비교할 때는 소비 전력이 클수록 밝습니다. 전원 전압과 각 기구의 저항이 유지되면 병렬로 기구를 더 연결해도 원래 기구에 걸리는 전압과 소비 전력은 그대로이고, 전체 소비 전력은 각 기구의 소비 전력을 더한 값입니다.

전압이 절반이 되면 소비 전력도 절반이 되나요?

저항이 일정하면 전압이 절반일 때 전류도 절반이 되어 소비 전력은 4분의 1이 됩니다. 저항 12 Ω에 12 V를 걸면 전류 1 A·소비 전력 12 W이고, 6 V를 걸면 전류 0.5 A·소비 전력 3 W입니다. 다만 실제 전구나 제품은 전압이 바뀌면 저항도 바뀔 수 있어, 정격 표시만 있고 다른 전압에서의 전류나 저항이 주어지지 않았다면 실제 소비 전력을 확정할 수 없습니다.

효율이 높다는 것은 무슨 뜻이고, 대기 전력은 무엇인가요?

효율이 높다는 것은 공급한 전기 에너지 중 목적에 맞게 이용한 몫이 크다는 뜻이며, 소비 전력이 작다고 무조건 효율이 높은 것이 아니라 같은 기능과 성능을 내는지 먼저 비교해야 합니다. 에너지소비효율등급은 1~5등급을 쓰는 같은 종류·비슷한 용량의 제품에서 1등급에 가까울수록 효율이 높습니다. 대기 전력은 플러그가 연결된 채 주된 기능을 꺼 두어도 리모컨 신호 등을 기다리며 소비하는 전력으로, 대기 전력량 = 대기 전력 × 대기 시간이어서 작은 전력도 오래 사용하면 전력량이 커질 수 있습니다.

핵심 용어

전기 에너지: 전류가 흐를 때 기구에 공급되는 에너지. 단위는 J(줄)
에너지 전환: 한 형태의 에너지가 다른 형태로 바뀌는 것
소비 전력: 1초 동안 사용하는 전기 에너지의 양. 줄여서 전력이라고도 하며 단위는 W(와트)
W(와트): 소비 전력의 단위. 1 W = 1 J/s
kW(킬로와트): 1 kW = 1,000 W. k(킬로)는 1,000배를 뜻함
정격 전압: 전기 기구를 정상적으로 사용하도록 정한 전압
정격 소비 전력: 정격 전압과 표시된 작동 상태에서 소비하는 전력
전력량: 일정 시간 동안 전기 기구가 사용한 전기 에너지의 양. 소비 전력 × 시간
Wh(와트시): 전력량의 단위. W에 시간(h)을 곱한 것으로 1 Wh = 3,600 J
kWh(킬로와트시): 전력량의 단위. kW에 시간(h)을 곱한 것으로 1 kWh = 1,000 Wh
누적 전기 에너지: 시작 이후 사용한 양을 모두 더한 값
직류: 전류의 방향이 한쪽으로 유지되는 경우
효율: 공급한 전기 에너지 중 목적에 맞게 이용한 몫을 비교하는 것
대기 전력: 플러그가 연결된 채 주된 기능을 꺼 두어도 리모컨 신호 등을 기다리며 소비하는 전력

다 풀고 나면

기구의 부분과 기능에 맞는 에너지 전환을 찾고, 전환 전후 에너지의 총량이 보존됨을 설명할 수 있다.
소비 전력의 뜻과 단위를 말하고, 전기 에너지·시간·소비 전력의 관계와 정격 표시를 읽을 수 있다.
W·Wh·kWh를 구별하고, 분·시간·초를 알맞게 바꾸어 전력량을 계산할 수 있다.
누적 전기 에너지 그래프의 기울기와 소비 전력–시간 그래프의 넓이로 소비 전력과 전기 에너지를 구할 수 있다.
전압과 전류로 소비 전력을 구하고, 직렬·병렬연결에서 각 저항의 소비 전력을 비교할 수 있다.
효율과 에너지소비효율등급, 대기 전력의 뜻을 알고 절약 방법별 절약량을 같은 단위로 비교할 수 있다.

이렇게 풀면 됩니다

1쪽 '이 편에서 답할 질문'에서 여덟 유형을 확인합니다. 유형마다 맨 앞의 대표문제를 먼저 풀어 봅니다. '더 나아가기'로 표시된 유형 4~7(18~40쪽)은 유형 1~3을 다 익힌 뒤에 봅니다.
'질문으로 이해하기'의 질문을 읽고 내 답을 말해 본 뒤 한 줄 답과 설명, 그림·표를 읽습니다. '틀린 생각'과 '바른 문장'을 견주어 보고, '꼭 기억할 지식과 주의할 점'과 대표문제 풀이의 판단 과정으로 내 풀이를 점검합니다.
유형별 '적용 문제'를 같은 방법으로 풉니다. 46~50쪽 '통합 확인' 12문항(문항 43~54)은 어떤 유형의 풀이를 쓸지 스스로 골라 풉니다.
51쪽부터의 정답과 해설로 맞춰 봅니다. 틀린 문항은 표 오른쪽 '다시 볼 유형'에 적힌 유형으로 돌아가 질문과 설명을 다시 읽습니다.

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