논술관련 읽기 자료10(자연계) - 2008년 서울대 모의 논술 대비

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논술관련 읽기 자료10(자연계) - 2008년 서울대 모의 논술 대비

 

 

 

1. 들어가기

2007년 2월 22일 실시된 서울대 2008모의논술 자연계 [문항 3]은 지구과학과 물리를 통합한 통합과학형 문항이다. 제시문은 고등학교 과학과 지구과학I 교과서에서 출제됐다. 만유인력의 발견에 대한 역사적 배경을 이해하고, 이를 바탕으로 논제 1에서 과학적 탐구과정에 대해 쓸 것을 요구하고 있다. 뿐만 아니라 이를 확장해 논제 2 와 논제 3에서는 뉴턴의 운동법칙(특히 원운동에 관한 법칙)과 만유인력의 법칙으로부터 태양계나 우리은하의 질량분포를 추론하게 했다.

 

2. 읽기자료

 

가. 과학의 탐구과정

과학이란 자연의 이치와 경험적 사실로부터 얻어낸 보편적이고 객관적으로 체계화된 지식 또는 그런 지식을 얻기 위한 인간의 활동을 말한다. 이때 과학은 자연과학을 의미하며, 넓은 의미로는 인문과학, 사회과학 등 학문의 의미 또는 진리나 법칙을 얻어내기 위해 수행하는 지식체계를 가리키기도 한다.

 

과학의 탐구과정은 귀납적 방법과 가설 연역적 방법으로 나뉜다. 귀납적 방법은 여러 번의 관찰결과에 근거해 결론을 내리는 것으로 별개의 관찰 사실을 종합해 보편성을 이끌어낸다. 반면 연역적 방법은 커다란 가설을 설정하고 이로부터 구체적인 결론을 내리는 방법이다. 말하자면 보편적인 추론을 정한 후 구체적인 명제를 도출하는 방법이다.

 

귀납적 방법은 베이컨의 경험주의적 전통과 관련이 있으며, 대표적인 예는 아리스토텔레스의 연구방법과 다윈의 진화론을 들 수 있다. 연역적 방법은 데카르트의 인간 이성에 의한 진리 탐구와 관련이 있으며, 레디의 생물속생설 증명과 파스퇴르의 백신 개발 등 현대과학의 대부분이 연역적 방법으로 밝혀졌다.

 

보통 자연현상을 관찰한 뒤‘왜’라는 의문을 갖게 되면서부터 과학의 탐구과정은 시작된다. 이런 문제인식에 잠정적인 답을 한 것이 가설이다. 가설은 일련의 현상을 설명하기 위해 어떤 학설을 논리적으로 구성하는 명제로 맞을 수도 있고 틀릴 수도 있다. 특히 가설은 이미 알고 있는 경험적 진리나 개념에 의해 새로운 명제나 개념을 산출해 내는 것이므로 가설 설정은 가장 창조적인 행위로 볼 수 있다.

 

가설 설정 후 실험이나 관찰 방법을 구체적으로 계획하고 그에 따라 수행하게 된다. 이 때 변인을 정확히 조작하고 통제하며, 실험군과 대조군을 잘 설정해야 결과에 타당성을 부여할 수 있다. 이런 자료들로부터 경향성이나 규칙성을 찾아내어 가설이 맞다면 결론을 이끌어 낸다. 이 결론이 넓은 영역에서도 적용된다면 일반화할 수 있다.

 

문제인식→가설설정→탐구 설계 및 수행→자료해석→결론도출 및 일반화

 

과학은 끊임없는 검증을 통해 과학 그 자체의 모형을 수정해 가고 있다. 그러므로 올바른 자연현상을 이해하기 위해서는 새로운 가설을 통해 모형을 계속 다듬어야 하는데 이는 모두 피드백 장치를 통해 이뤄진다. 왜냐하면 가설은 그 전에 나왔던 실험 결과나 결론들을 토대로 세우기 때문이다. 여기서 변인이란 실험과정 중 변화하는 요인으로 독립변인과 그에 따른 종속변인으로 나눌 수 있다. 독립변인에는 실험자가 의도적으로 변화시켜야 하는 하나의 조작변인과 그 나머지를 일정하게 유지해야 하는 여러 개의 통제변인이 있다. 조작변인 외에 나머지를 일정하게 유지하는 과정을 변인 통제라 한다. 그리고 실험 결과 요인을 종속변인이라고 한다. 이때 조작변인을 변화시킨 실험과 변화시키지 않은 실험이 존재해야 한다. 조작변인을 변화시킨 가공되고 변화된 실험이 실험군(구)이고 조작변인을 변화시키지 않은, 보통 자연 그대로의 실험을 대조군(구)이라고 한다. 이렇게 비교하며 실험하는 것을 대조실험이라고 한다. 두 개의 실험을 동시에 진행시키는데 하나는 목적하는 실험이고, 다른 하나는 비교 실험이다. 이상적으로는 두 실험 결과는 하나의 변수(조작변인)를 제외한 모든 조건에서 같은 결과가 나와야 한다.

 

나. 토마스 쿤의 “과학혁명의 구조”- 김영식 서울대 교수

과학사학자이자 과학철학자인 토머스 쿤은 20세기 후반에 가장 영향력 있는 사상가 중 한 사람으로 꼽힌다. ‘과학혁명’‘패러다임’‘정상과학’등의 개념을 사용한 그의 과학관은 과학사와 과학철학, 역사학과 철학은 물론 거의 대부분의 사회과학 분야와 문학, 예술이론 분야에까지 큰 영향을 미쳤기 때문이다. 그리고 쿤의 유명한 저서 『과학혁명의 구조』는 바로 그의 과학관을 담고 있다.

 

1962년에 출판된 이 책은 근본적으로 과학의 변화를 다뤘고 특히 과학상의 변화 또는 발전이 ‘축적’되지 않고 비연속적이거나 ‘혁명적’이란 생각을 바탕으로 한다. 이런 쿤의 주장은 그의 책에 있는 ‘과학혁명은… 하나의 패러다임이 이와 양립 불가능한 다른 새로운 패러다임에 의해 전체적 또는 부분적으로 대체되는 비축적적인 변화의 에피소드를 가리킨다’란 문장으로 요약할 수 있다.

 

과학의 변화가 이처럼 혁명적이라면 그런 ‘과학혁명’ 사이에는 비혁명적이고 안정된 기간이 있어야 한다. 그 기간이 바로 쿤이 말하는‘정상과학’이다.‘패러다임’이란 이런 정상과학을 특징짓는 개념으로 정상과학 시기에 모든 과학자들이 공유한 이론, 법칙, 지식, 방법과 가치관, 취향, 습관, 규범을 통틀어 폭넓게 지칭한다.

 

쿤은 그의 저서에서 정상과학과 패러다임에 관한 논의부터 정상과학이 ‘위기’를 맞고 무너졌을 때 일어나는 과학혁명 그리고 그 과학혁명의 결과 새로운 정상과학이 생기는 과정을 명쾌하고 설득력 있는 방식으로 전개한다. 그 논의 과정에서 그는 서양 과학역사의 수많은 생생한 예를 적절하게 사용해 자신의 논지를 뒷받침했다.

이 책은 출판과 동시에 굉장한 주목을 받았고 많은 논쟁을 일으켰다. 영향을 크게 받은 것은 과학철학 분야였다. 물론 많은 과학철학자들의 반응이 비판적이었지만 설득력 있는 쿤의 견해는 이미 그들도 느꼈던 전통적인 정적(靜的), 분석적 과학철학의 문제점을 명확히 노정시켜 줬다.

 

특히 쿤의 견해는 과학철학의 여러 논쟁의 한 구심점을 제공했고 많은 사람이 쿤을 이해하고 비판하는 과정에서 자신의 과학철학적 입장을 다졌다. 다른 분야에서 이 책은 훨씬 더 호의적이었다. 많은 과학사학자들은 쿤이 자신들의 공통된 인식을 체계화, 이론화했다고 생각했고 당시 태동하기 시작한 과학사회학에는 쿤의 이론이 강한 추진력이 됐다. 그리고 과학 이외의 학문과 예술 등의 분야에 종사하는 사람들도 자기 분야에서 생긴 지식, 이론, 양식, 사고 등의 변화가 쿤이 제시한 과학지식의 변화모형과 잘 들어맞음을 느꼈고 이에 따라 쿤의 이론을 자신의 분야에서도 변화를 설명하는 모델로 이용하려는 시도가 나타났다. 그리고 그 같은 시도는 급격히 퍼졌고 쿤의 저서는 수많은 사람에게 필독서가 됐다. 나아가 20세기 후반에는 고전(古典) 중 하나가 됐다.

 

다. 케플러의 법칙

케플러는 티코 브라헤의 방대한 관측기록을 세심히 분석하여, 태양에 대한 화성의 운동을 추정하여 다음과 같은 법칙을 정식화했다.

 

•제1법칙 : 행성은 태양이 한 초점에 있는 타원궤도를 따라 움직인다.

•제2법칙 : 행성과 태양을 잇는 선분이 지나는 면적은 일정시간에 대해 항상 일정하다.

•제3법칙 : 행성의 공전주기의 제곱은 궤도의 긴반경의 세제곱에 비례한다.

 

아이작 뉴턴은 자신이 발견한 운동법칙과 케플러 법칙등을 기반으로 만유인력의 법칙을 유도해냈다. 즉, 케플러가 기술한 태양계의 행성의 운동은 뉴턴의 법칙에 따르는 두개의 질점간의 상호작용에 해당한다는 것을 밝혀낸 것이다. 따라서 케플러의 법칙은 태양과 행성 사이에만 성립하는 것이 아니라, 행성과 그 위성(인공위성을 포함하여), 위성과 위성이 갖는 손자위성 사이에도 성립한다.

 

[심화 읽기 : 암흑 물질(dark matter)]

우주 총물질의 90%이상을 차지하고 있고, 어떠한 전자기파(전파·적외선·가시광선·자외선·X선·감마선 등)로도 관측되지 않고 중력을 통해서만 존재를 인식할 수 있는 물질이다. 그 존재는 F. 츠비키가 은하단을 구성하는 은하들의 동력학적 평형 연구에서 처음 제기했고, 1978년 V. 루빈이 나선은하의 회전속도를 관측함으로써 확인됐다. 암흑물질은 질량과 빛을 내는 물질의 척도인 광도를 이용한 ‘질량-광도비’로 수치화할 수 있다. 태양의 질량-광도의 비는 1, 즉 암흑물질을 포함하지 않고 있다. 태양계 행성들의 공전속도는 거리에 반비례해 감소하고 있지만 나선은하의 관측된 회전속도는 거리에 따라 증가해 최대속도가 된 후 일정한 값을 가진다.

 

만유인력 법칙에 따르면 나선은하의 질량이 거리에 비례해 증가한다. 반면에 관측된 나선은하들의 광도는 거리에 따라 감소하므로 나선은하의 질량-광도 비는 거리에 따라 증가해 전 나선은하의 질량-광도 비는 태양의 약 10배가된다. 그러므로 나선은하에 포함된 암흑물질은 빛을 내는 물질의 약 10배나 된다.

 

X선 관측을 통해 타원은하도 암흑물질이 10배 이상 많고, 은하단과 초은하단과 같이 천체가 크면 클수록 더욱 많은 암흑물질을 포함하고 있다는 것이 밝혀졌다. 암흑물질의 구성 성분은 아직도 미해결의 문제다. 현재까지 알려진 것은 암흑물질은 약한 상호작용을 하는 질량을 가진 기본입자들로 구성됐다는 이론이 유력하지만 원시 블랙홀이나 갈색왜성을 구성하는 바리온도 배제하지 못한다.

3. 300자 내외로 요약하기

 

 

 

 

4. 생각할 거리

우리 은하 속도 곡선을 분석하여 다음 문제들을 생각해 보자.

1) 나선 은하의 속도 곡선을 이용해 무엇을 알아낼 수 있나?

 

2) 우리 은하에 속하는 물체의 회전 속도는 은하 중심으로부터 특정 거리에 존재하는 천체(항성)의 시선속도를 측정함으로써 구할 수 있다. 다음 그림은 우리 은하의 회전 속도 곡선을 개략적으로 나타낸 것이다.

 

(2-1) 우리 은하의 질량은 어떻게 구할 수 있는가? 은하의 회전속도와 질량과의 관계식을 유도하라.

(2-2) 위의 관계식으로부터 우리은하 회전 곡선을 해석하라(단, 은하의 회전속도곡선은 0.8kpc까지는 은하중심거리(r)에 비례하고, 3kpc까지는 에 비례하며 14kpc 이후로는 X축에 평행하다).

(2-3) 우리 은하의 반지름은 15kpc으로 추정된다. 하지만 그래프를 보면 그 이상의 거리에서도 회전이 있음을 알 수 있다. 이것을 어떻게 해석할 수 있는가?

 

 

▣ 교사 지도 자료 ▣

3. 300자 내외로 요약하기

 

[예시 답안]

가.과학이란 자연의 이치와 경험적 사실로부터 얻어낸 보편적이고 객관적으로 체계화된 지식 또는 그런 지식을 얻기 위한 인간의 활동이다. 과학은 문제인식 - 가설설정- 탐구 설계 및 수행-자료해석-결론도출 및 일반화의 과정을 거쳐 형성된다.

나, 쿤은 그의 유명한 저서 『과학혁명의 구조』를 통해 과학상의 변화 또는 발전이 ‘축적’되지 않고 비연속적이거나 ‘혁명적’이란 생각을 전개했다. 쿤의 견해는 과학철학의 여러 논쟁의 한 구심점을 제공했고 많은 사람이 쿤을 이해하고 비판하는 과정에서 자신의 과학철학적 입장을 다졌다.

 

 

4.생각할 거리

 

[예시 답안]

1) 은하 중심으로부터의 거리에 따른 속도 분포는 만유인력과 원심력의 평형식에 의해 은하의 질량 분포를 나타낸다.

2)(2-1) 질량은 만유인력과 원심력의 평형을 통해 구할 수 있습니다. 수식으로 표시하면

GmM/r2 = mv2/r 입니다. 따라서 M= rv2/G 이다.

(2-2) 0.8kpc까지 거리 : v가 r에 비례하므로 M= rv2/G 에서 M은 R3에 비례해 증가한다.

3kpc까지의 거리 : M= rv2/G 에서 v가 1/√r 에 비례하므로 M은 상수값이다. 따라서 이 구역에서의 은하 질량은 일정하다고 할 수 있다.

14kpc 이후의 거리 : v가 상수값이므로 M= rv2/G 에서 질량 M은 r에 비례해 증가한다.

(2-3) 은하의 질량분포를 고찰해보면 은하 반지름이 끝나는 15kpc에서도 은하의 질량이 계속 증가함을 볼 수 있다. 이것은 항성 이외에도 우리 은하의 질량에 영향을 미치는 존재가 있음을 의미한다. 알려진 바로는 이러한 존재를 ‘암흑물질’(dark matter)이라고 부른다.

 

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