미터를 두 배로 바꾸면, 킬로그램도 같이 바꿔야 할까요?

초의 크기와 플랑크 상수의 수치를 고정한 채 길이 단위를 두 배로 정해요. 길이 단위의 제곱과 질량 단위가 함께 묶이는 관계로 새 질량·에너지 단위를 계산해요.

금속추와 무눈금 길이 측정 사물 생성 이미지

이미지: AI 생성 · 수학 이야기

가상의 새 단위 체계에서 s'=s, m'=2m로 정해요. 같은 물리적 플랑크 상수 h가 kg·m²/s와 kg'·m'²/s'에서 같은 수치 H를 가져야 해요. kg'=a kg일 때 a는 얼마인가? 에너지 단위 J'=kg'·m'²/s'²도 달라지나요?

h=H kg m2s=H kg′ m′2s′.h=H\,\frac{{\rm kg}\,\mathrm{m}^2}{\rm s} =H\,\frac{{\rm kg}'\,\mathrm{m}'^2}{{\rm s}'}.

물리량 h와 그 수치 H를 같게 고정하면 kg'·m'²=kg·m²입니다. 대입하여4a=1이므로 a=1/4입니다.

kg′=14kg,J′=14⋅22J=J.{\rm kg}'=\frac14{\rm kg},\qquad {\rm J}'=\frac14\cdot2^2{\rm J}={\rm J}.

길이 단위만 두 배로 하고 질량 단위를 그대로 두면 h의 수치는 기존의1/4로 바뀌어 문제의 요구를 어겨요.

BIPM는 kg을 정하는 h의 단위가 kg·m²·s⁻¹이라고 밝혀요. 이 글의 m'=2m는 실제 SI를 변경했다는 뉴스가 아니라 단위 연결을 확인하는 가정이에요. 상수의 물리량이 바뀌는 것과 그 값을 적는 단위의 크기가 바뀌는 것도 구분해요.

교사는 단위 글자를 장식처럼 생략한 풀이에 제곱을 다시 넣게 해요. “길이가 두 배니 질량도 두 배”라는 비례 추정은 어떤 물리량의 수치를 보존하는지 확인하지 않았어요. 길이·시간·질량의 선택이 정의 상수로 묶인다는 점을 에너지 단위의 재검산으로 확인해요.

착안: BIPM, The International System of Units (SI), 9th edition. 문항의 작은 값·상황·계산 모형은 자체 교육용이에요.

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