교과서 속 틀린 과학 개념(학생들이 가지는 대표적인 과학 오개념 모음)

부제 - 학생들이 가지는 대표적인 과학 오개념 모음

교과서 속에 등장하는 틀린 과학 개념들을 정리한 글입니다.
정말로... 생각보다 많이 보여서 학생들을 위해 정리해봅니다.
시리즈(?) 입니다. 글쓴이가 교과서 속에서 과학오류를 발견할 때마다 업데이트 됩니다.

또한, 교과서 난이도 상승을 피하기 위해 간단히 서술하는 경우도 모두 포함합니다.
예를 들어, 전향력은 고등교육 수준에서 진행방향의 오른쪽이라고 배우지만 사실 3차원 벡터성분이 모두 발생합니다.

마지막 업데이트 날짜 : 21.9.7.

추가예정 - 묽은 용액의 총괄성 - 증기압력내림+라울의 법칙, 좁은 입구 용기

 

<척도 설명> ★ ~ ★★★★★ (당연히 모두 글쓴이의 주관적인 기준입니다)
오류율 : 해당 오류가 정확한 개념에 비해 얼마나 틀렸는지. 얼마나 괴리되어있는지.
빈출도 : 해당 오류가 얼마나 흔히 보이는지
난이도 : 해당 오류를 설명하기 위한 개념이 정규교육과정에서 어느 정도의 수준 인지. 
심각성 : 해당 오류를 범하고 있는 교과서의 수준에 따른 심각성. 과학이 아닌 분야에서 오류를 범한다면 심각성은 낮으며, 높은 레벨의 과학 교과서에서도 범하는 오류일 경우 심각성은 증가함.

 

(아래로 갈수록 난이도는 증가합니다)

 

1. 원심력과 구심력이 평형을 이루어 원운동을 한다.
오류율 : ★★★★★ 터무니 없이 틀린 이야기
빈출도 : ★ 딱 한번 목격
난이도 : ★★★ 등가속도, 알짜힘 개념까지 이해 필요
심각성 : ★ 과학 이외의 교과서에서 목격

오류 예시>
원운동 하는 물체에는 안쪽으로 끌어당기는 구심력과 바깥쪽으로 밀려나려는 원심력이 작용한다. 두 가지 힘이 평형을 이루기 때문에 물체는 원운동 할 수 있는 것이다.

해설>
공기저항을 무시한다면, 원운동하는 물체에 작용하는 알짜힘은 구심력 뿐이다.
만약 알짜힘이 0이라면 물체는 반드시 등속직선운동을 하거나, 제자리에 정지해있어야 한다.

 

 

2. 물에 오래 담근 손이 쭈글쭈글 해지는 것은 삼투현상 때문이다.
오류율 : ★★★★★ 터무니 없이 틀린 이야기
빈출도 : ★★★★★ 굉장히 자주 목격
난이도 : ★★★ 자율신경계에 대한 이해 필요
심각성 : ★★★★★ 고등 이상의 과학 교과서에서 목격

오류 예시>
물 속에 오래 담갔던 손은 쭈글쭈글하게 변하는데, 이것은 삼투현상 때문이다. 물에 비해 몸속의 농도가 더 진하기 때문에 바깥의 물이 손가락 피부 내부로 스며들어와 피부 겉부분이 늘어나게 된다.

해설>
현재까지 밝혀진 바로는 삼투현상과는 무관하게, 자율신경계와 유사한 작용으로 발생한다고 알려져있다.
손이나 발 끝의 땀샘에서 물이 있음을 알아채고 신경을 통해 신호를 보내면, 혈관을 수축하여 주름이 발생하는 것이다.
인위적으로 신경을 차단할 경우 손발이 쭈글쭈글해지는 현상이 일어나지 않는 것으로 증명되었다.

그러나 정확하게 어떤 신경체계로 이러한 과정이 진행되는지에 대해서는 아직 알려진 바가 없다. 왜 이러한 일이 일어나는지는 진화론적 관점으로 해석할 수 있는데, 물에 젖었을 때에도 미끄러지지 않도록 힘을 주어 물건을 잡기 위해서라고 추정되고 있다.

 

 

3. 지우개에 줄을 매달아 돌릴 때 손에 느껴지는 힘은 원심력 때문이다.
오류율 : ★★★★ 관성력의 난해함을 생각하면 ...
빈출도 : ★★★ 꽤 자주 보임
난이도 : ★★★★ 관성력 개념 이해 필요
심각성 : ★★★ 과학 분야 교양 서적에서도 볼 수 있음

오류 예시>
지우개에 줄을 매단 후, 원운동시켜보면 팔이 아프다. 이것은 원운동에서 발생하는 바깥쪽 방향으로 밀려나려는 원심력이 느껴지는 것이다.

해설>
원운동에서의 원심력은 실재하는 힘이 아닌, 가상의 힘(pseduo force)이다. 관성력이라고도 부르는 이러한 힘은 물체가 움직이는 계(system)가 알짜힘이 0인 관성계가 아니라 비관성계이기 때문에 발생한다.
비관성계의 가속도를 \(a\), 물체의 질량을 \(m\)이라 하면 관성력 \(F\)는 \(F=-ma\)로 구해지며 계의 가속도 \(a\)와는 반대방향이다.

이러한 관성력은 실재하는 힘이 아닌, 비관성계이기 때문에 발생하는 하나의 효과라고 이해해야 한다.
줄에 지우개를 매달아 원운동 시킬 때 손에 느껴지는 힘은 원심력 때문이 아니다. 원심력은 원운동하는 당사자인 지우개 본인이 느끼고 있다.

손에 느껴지는 힘은 내가 지우개를 잡아당기는 힘(구심력)에 대한 반작용력(지우개가 내 손을 잡아당기는 힘)이며, 당연히 구심력과 작용반작용 관계의 실재하는 힘이다.

 

 

4. 비행기가 뜨는 원리는 베르누이 원리 때문이다.
오류율 : ★★★ 이상적인 상황과 보편적인 날개 형태에서는 베르누이 적용 가능
빈출도 : ★★★★★ 굉장히 흔하게 보임
난이도 : ★★★★★ 대학 유체역학 전공 수준의 이해 필요
심각성 : ★★★★ 과학 분야 교양~중등 서적에서도 볼 수 있음

오류 예시>
비행기 날개를 기준으로 나뉘는 위쪽 공기와 아래쪽 공기 중 위쪽 공기의 흐름이 더 빠르다. 따라서 베르누이의 원리에 따라 위쪽 압력이 낮아져서 아래쪽에서 위쪽으로 밀어올리는 알짜힘이 발생하는데, 이것이 바로 양력이다.

해설>
베르누이의 원리는 하나의 유체의 압력, 속도, 밀도에 관한 식이다. 이 유체가 압력 변화를 겪거나 속도의 변화가 생겼을 때 각각의 변수들이 어떻게 되는가에 대한 방정식이다. 비행기가 이상적으로 균일한 층류를 지날 때에는 날개의 위쪽과 아래쪽을 지나는 유체가 동일하다고 가정할 수 있으며, 따라서 날개 위아래 두 유체의 속도를 비교하는 것이 가능하다.

그러나 유선형의 보편적인 날개가 아닌, 다른 형태의 날개를 가진 비행기는 날개 아래쪽 유체가 오히려 더 속도가 빠를 수도 있다. 잘 날아가던 비행기가 뒤집어서도 양력을 얻어 비행하는 경우에서도 베르누이 원리를 적용하기 어렵다. 또한 일반적인 비행 상황에서는 날개에 진입하는 날개 위쪽 유체와 날개 아래쪽 유체는 압력, 속도, 밀도가 다른 경우가 더 빈번하다. 그러므로 베르누이의 원리 만으로 양력을 설명하는 것은 굉장히 제한적인, 이상적인 상황에서 밖에 되지 않는다.

양력의 근본 원인은 유체가 날개로부터 받는 힘의 반작용력이다. 유체가 날개를 뚫고 갈 수 없으므로, 날개로 인하여 유체는 휘어지게 되는데 이렇게 유체를 휘게 한 힘은 날개가 유체에게 가해준 힘이다. 또한 이 힘의 반작용력으로 유체가 날개에게 가하는 힘이 발생하는데 이것이 바로 양력의 근원이다.

 

 

5. 이온화도, 이온화상수가 클수록 강한 산이다.(+이온화도와 이온화상수와의 관계식)
오류율 : ★★★★ 묽은 산에서만 적용 가능한 원리
빈출도 : ★★★★★ 굉장히 흔하게 보임
난이도 : ★★★★★ 대학 일반화학 수준의 이해 필요
심각성 : ★★★★★ 과학탐구Ⅱ 교재에서 볼 수 있음

오류 예시>
이온화도가 클 수록 수용액에서 이온화되는 비율이 훨씬 많아진다. 산은 수소이온과 음이온으로 해리되므로 이온화도가 큰 산일수록 강산으로 볼 수 있다. 
이온화상수 \(K_a = \dfrac{C\alpha^2}{1-\alpha}\) 이다.

해설>
이온화도(\(\alpha\))의 정의는 전해질 용액에서 용질 전체의 몰수와 이온화된 몰수의 비를 의미한다. 대표적인 약산인 아세트산(\(CH_3 COOH\))을 예를 들면 0.0001M의 농도에서 \(\alpha\)는 41%(25℃)이다. 즉, 아세트산 분자의 59%는 이온화되지 않은 상태로 존재한다는 뜻이다. 그러나 이러한 이온화도는 용질 농도에 따라 달라지며, 같은 용질이라도 농도가 증가할수록 감소한다. 예를 들어 1M 아세트산의 \(\alpha\)는 0.43%으로 매우 낮아진다.

교과서에서 강산은 100%이온화한다고 서술하지만, 강산으로 알려진 염산, 황산, 질산 등의 산들도 농도가 진해질 경우 이온화도는 1이 되지 않는다. 그러므로 농도가 아주 묽은 용액이라는 전제조건을 달아야 "강산은 100% 이온화한다" 라고 설명할 수 있는 것이다. 

또한, 수용액에서 측정한 이온화도나 이온화상수 만으로는 강산임을 비교할 수 없다. 용액 속에서의 산의 성질은 \(H_3  O^+ \)의 농도에 의해 결정되는데, 강산이 물 속에 존재할 경우 평준화 효과(leveling effect)가 발생한다. 강산 분자가 물 속에 들어올 경우 모두 양성자를 내놓아 물분자를 100% \(H_3  O^+ \) 로 바꿔버린다. 이 과정은 강산의 종류와 무관하므로 결국 강산의 세기를 비교할 수 없게 되는 것이다. 

강산의 세기를 비교하기 위해서는 \(H_3  O^+ \) 가 이미 존재하는 약산 용액에 강산을 넣었을 때 해리되는 정도를 비교하여야 한다. 르 샤틀리에의 원리에 따라 \(H_3  O^+ \) 가 이미 존재하는 약산 용액에서는 강산 분자의 해리가 억제되는데, 강한 산일 수록 이 억제를 이겨내고 더 많은 해리를 가져오게 된다. 또한 이 과정에서 측정되는 평형상수는 어떤 약산을 용매로 사용하는지에 따라 다르다.

결론적으로 강산의 이온화상수\(K_a \)는 어느 하나의 고정된 값이 아닌, 용매(약산)의 종류에 따라 다르게 측정되는 값이므로 교과서에 등재되어 있는 강산의 \(K_a \) 값을 단순 비교하여 산의 세기를 추정하는 것은 명백한 오류라 할 수 있다. 

마지막으로 이온화상수 \(K_a \) 를 구하는 식은 매우 묽은 용액이나 약산일 때에만 적용할 수 있는 식이다. 실제로 강산(강전해질)의 \(K_a \) 값을 이용하여 이온화도 \(\alpha\)를 구해보면 전혀 다른 값이 얻어짐을 알 수 있다. 그러나 교과서에서는 이점에 대한 언급 없이, 약산의 예시만 들어 설명하므로 학생들이 보편적으로 적용되는 식인 것으로 오해할 수 있다.