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스토리로 이해하는
지금까지 없었던 물리 입문서

이 책은 물리 참고서이기도 하지만 읽을거리이기도 하다. 이 책에서는 물리의 각 단원 해설과 함께 과학자의 이름과 공식의 배경을 잘 구성해 넣어서 이야기가 잘 떠오르도록 했다. 그렇게 해서 이 책은 물리의 기초를 이해하기 위한 참고서 역할을 함과 동시에 위대한 과학의 천재들이 몸과 마음을 다해 이루어 낸 물리의 장대한 역사를 맛보는 읽을거리 역할을 충족한다. 공식을 암기하는 과목이라고 생각해 물리 공부가 고통스러웠던 사람이나, 물리에 등장하는 수식에 당황해 무조건 싫어하던 사람들에게 꼭 필요한 물리책이다. 분명히 물리라는 과목의 이미지가 180도 바뀔 것이다.

고등학교 물리는
‘현대 물리학을 배우기 전에 알아두어야 할
물리의 역사’다!
고등학교 물리에는 100개 정도의 공식이 등장한다. 의미도 잘 모르는 숫자나 기호의 나열을 100개나 암기하는 일은 전화번호를 100개를 암기하는 일과 다르지 않다. 이런 공부는 고행일 뿐이다. 그래서 저자는 공식만 외워서는 안 된다고 말한다. 사실 물리는 원래 외울 필요가 거의 없는 과목이다!
물리에 나오는 공식들은 ‘물리 나무’에 돋아난 ‘잎’에 지나지 않다. 물리 공부에서는 ‘물리 나무’의 ‘줄기’를 이해하는 일이 가장 중요하다. ‘줄기’란 공식이 생긴 배경, 즉 ‘스토리’를 말한다. 스토리를 한번 이해해두면 억지로 공식을 외우려고 하지 않아도 스스로 유도할 수 있게 된다.
그렇다면 물리의 스토리란 도대체 무엇일까? 고등학교 물리에서 다루는 내용은 물리학 분야 중 ‘고전 물리학’이다. 고전 물리학은 17세기 뉴턴이 발견한 운동 방정식에서 시작된다(뉴턴 역학). 당시 과학자들은 뉴턴의 역학적 개념을 바탕으로 물체의 운동이나 열, 파동, 전자기 등의 물리 현상을 시행착오를 거치면서 하나씩 풀고 밝혔는데, 19세기 말 즈음 설명할 수 없는 다양한 물리 현상에 직면했다. 그렇게 고전 물리학은 종식을 맞이하고 대학 물리에서 다루는 양자론의 시대가 시작되었다. 이것이 고등학교 물리 내용의 이면에 흐르는 스토리의 큰 줄기다.

한 계단씩 기본을 다지는 스텝업 물리
하나하나 차근차근 개념을 쌓아보자!
물리학을 아주 간결하게 표현하면 “모든 자연 현상을 어떤 규칙에 근거한 움직임으로 보고 기술하는 학문”이다. 이 ‘기술’이라는 행위의 결과로 공식이라는 수식이 생겼다. 즉, 물리를 배울 때는 공식 그 자체가 아니라, 공식이 만들어진 배경이 되는 스토리가 중요한 것이다.
물리에 등장하는 ‘공식’ 뒤에는 자연계의 이치를 연구하는 과정에서 시행착오를 거듭해온 유명한 천재들의 위대한 ‘인간 드라마’가 숨어 있다. 무엇보다 스토리를 이해하면 억지로 의미도 모르는 채 수식을 외우는 고행을 하지 않아도 스스로 공식을 끌어낼 수 있다.
이 책으로 물리와 친해지고 아주 조금이라도 ‘물리가 즐겁다, 생각보다 물리가 재미있다, 물리가 신기하다’라고 생각하게 되었기를 바란다.

들어가며_물리에는 하나의 스토리가 있다!
homeroom ① 물리는 공식을 암기할 필요가 전혀 없다!
homeroom ② 물리는 ‘스토리’로 배우자!
homeroom ③ 이것만은! 물리에 필요한 수학

제1장 역학
역학은 운동 방정식이 90%
위치 · 속도 · 가속도물체가 ‘언제’ ‘어디에’ 있는지 아는 것이 역학의 목적
등가속도 운동‘세 가지 식’의 의미를 ‘v-t 그래프’에서 해석한다
상대 운동‘움직이는 물체’ 사이의 ‘속도’와 ‘위치’를 구한다
운동 방정식‘힘’과 ‘가속도’의 인과 관계를 나타내는 운동 방정식
작용 · 반작용의 법칙힘이 발생하려면 두 개 이상의 물체가 필요하다
힘의 종류접촉력은 원자와 분자에 의한 전자기적 힘
경사면 위 물체의 운동경사면의 운동은 힘을 ‘분해’한다
힘의 평형힘의 평형은 ‘가속도 0’인 운동 방정식
마찰력마찰력은 세 가지로 나누어 이해한다
탄성력탄성력의 크기를 구하는 ‘훅의 법칙’
관성력중력, 접촉력 외의 외관상 힘 ‘관성력’
일과 에너지 / 충격량과 운동량 ①운동 방정식에서 얻을 수 있는 두 가지 정보
일과 에너지 ①일이란 ‘힘의 거리 합계’
일과 에너지 ②일과 에너지에는 어떤 관계가 있을까?
충격량과 운동량 ①충격량이란 ‘힘의 시간 합계’
충격량과 운동량 ②충격량과 운동량에는 어떤 관계가 있을까?
일과 에너지 / 충격량과 운동량 ②에너지와 운동량은 언제 사용하면 좋을까?
위치 에너지중력의 일을 에너지로 보는 ‘위치 에너지’
역학적 에너지 보존 법칙‘역학적 에너지’는 운동 에너지와 위치 에너지의 합
운동량 보존 법칙운동량의 총합은 충돌 전후가 같다
반발 계수충돌 전후의 상대 속도 차이로 ‘반발 계수’를 구한다
등속 원운동일정한 속력으로 움직이는 원운동의 속력과 각속도의 관계
구심 운동 방정식가속도가 한정된 원운동의 운동 방정식
원심력‘구심력’과 ‘원심력’은 다른 힘
단진동 ①반드시 단진동이 되는 가속도의 형태
단진동 ②단진동의 대표적인 예 수평 용수철 진자
만유인력의 법칙 ①질량을 가진 물체 사이에는 반드시 인력이 작용한다
만유인력의 법칙 ②만유인력의 위치 에너지를 구하는 방법
우주 속도지구를 한 바퀴 돌 수 있는 공의 속도는?
케플러의 법칙천체의 운동에 관한 세 법칙 ‘케플러의 법칙’
돌림힘 ①물체를 회전시키려는 작용 ‘돌림힘’
돌림힘 ②돌림힘을 결정하는 두 요소
돌림힘 ③세 힘의 작용선은 반드시 한 점에서 교차한다
무게 중심‘수학적 무게 중심’과 ‘물리학적 무게 중심’은 같다

제2장 열역학
열 현상을 ‘역학적’으로 접근한 열역학
열역학이란 무엇인가?‘뉴턴 역학’과 ‘확률 통계론’의 융합
열과 온도역학적인 온도 ‘절대 온도’
비열과 열용량‘물체’의 온도를 1[K] 올리는 데 필요한 열량
이상 기체‘분자의 움직임’으로 열 현상을 알아본다
상태 방정식보일의 법칙과 샤를의 법칙으로 만든 ‘상태 방정식’
내부 에너지이상 기체의 운동 에너지의 합을 구한다
열역학 제1법칙에너지의 흡수와 방출을 표시한 ‘열역학 제1법칙’
기체의 변화 ①P-V 그래프로 ‘기체의 변화’를 따라가본다
기체의 변화 ②기체의 대표적인 변화 네 가지
기체 분자 운동론기체의 압력을 ‘입자의 운동’으로 본다

제3장 파동
파동 현상을 ‘미세 입자의 움직임’으로 본다
파동이란 무엇인가?‘분자의 진동’에 의해 발생하는 파동 현상
파동의 종류‘파동 현상’은 크게 두 가지로 나뉜다
횡파와 종파‘진동 방향’으로 파동을 분류
파동의 특징파동을 특징짓는 여섯 가지 물리량
파동의 기본 식파동 현상을 수식으로 나타낸 ‘파동의 기본 식’
반사파와 정상파파동이 부딪치면 어떻게 될까?
정상파같은 파동이 역주해 형성하는 ‘정상파’
고유 진동여러 가지 물질이 가지는 진동
현의 진동현에 전달되는 파동의 진동
공기 기둥의 진동통 안에 있는 공기 분자의 진동 ‘공기 기둥의 진동’
도플러 효과왜 구급차의 사이렌 소리는 지나가면 달라질까?

제4장 전자기학
고전 물리학에 ‘장’이라는 새로운 관점이 탄생하다
전자기학이란 무엇인가?전자기를 ‘입자의 움직임’으로 인식한다
전하전하 사이에 작용하는 힘을 수식으로 표현한 ‘쿨롱의 법칙’
전기장(전계)‘전하의 운동’을 표현하는 공간 ‘전기장’
전위와 전압‘전위’란 전기적인 위치 에너지
전자기장전자기장의 네 가지 법칙을 나타내는 ‘맥스웰 방정식’
‘전기력선’과 ‘가우스의 법칙’‘전기력선’을 정량적으로 평가한 ‘가우스의 법칙’
금속금속 내의 전자는 어떻게 이동할까?
축전기축전기와 전기 용량의 관계
전류전하의 대행진 ‘전류’
저항의 정의저항과 전류로 전압을 구하는 ‘옴의 법칙’
전력전류가 흘러서 생기는 열 ‘소비 전력’
회로회로의 전류, 전압을 구하는 ‘회로 방정식’
자기장전하가 자기장으로부터 받는 힘 ‘로런츠 힘’
자기장의 형성자기장의 모양을 나타내는 ‘오른나사의 법칙’
전자기 유도자기장을 변화시키면 ‘전기장’이 생긴다

제5장 원자 물리학
‘고전 역학’에서 ‘현대 물리학’으로의 전환기
원자 물리학 = 전기 양자론원자 레벨의 미시 세계를 연구한 ‘전기 양자론’
빛 ①금속에서 전자기 튀어나오는 ‘광전 효과’
빛 ②빛을 입자로 생각하는 ‘광자 가설’
이중성빛은 파동인가? 아니면 입자인가?
전자전자의 파동성을 나타내는 물질파(드브로이파)
원자 ①원자 모형의 역사
원자 ②보어의 수소 원자 모형
질량과 에너지의 등가 관계사실 질량과 에너지는 같다
원자핵의 구조양성자, 중성자로 구성된 원자핵
결합 에너지핵자를 떼어내면 질량이 변한다
원자핵의 붕괴원자핵의 붕괴로 방출되는 ‘방사선’
붕괴의 모습확률적으로 발생하는 원자핵의 붕괴

역학에서 시작하는 고전 물리학
고전 물리학의 중심이 되는 고전 역학은 뉴턴이 발견한 ma=F라는 ‘운동 방정식’에서 시작합니다. 뉴턴은 ‘물체의 운동은 운동 방정식으로 완벽하게 설명된다’라고 했습니다. 그리고 실제로 과학자들이 다양한 운동 현상을 ‘운동 방정식’으로 설명할 수 있다는 사실을 증명했습니다.
그래서 고전 물리학은 뉴턴의 운동 방정식 발견에서 시작하는 이야기라고도 합니다.
_제1장 역학

열 현상은 ‘입자의 움직임’인가?
뉴턴 역학의 영향을 받아 열 현상을 역학의 언어로 해설한 학문이 이번 장에서 다룰 ‘열역학’ 분야입니다. 이 장에서는 먼저 우리가 일상생활에서 자주 사용하는 ‘열’과 ‘온도’라는 단어를 ‘역학적’으로 이해하는 일부터 시작합니다.
역학적으로 생각하면 ‘열’의 정체는 바로 에너지입니다. ‘온도’는 [K]라는 단위를 사용하고 ‘절대 온도 T’로 표현합니다. 어떤 물질 1[g]의 온도를 1[K] 상승시키는 데 필요한 열량을 ‘비열’, 어떤 물체의 온도를 1[K] 상승시키는 데 필요한 열량을 ‘열용량’이라고 합니다.
열과 온도를 역학적으로 이해하고 나면 열 현상에 대해 살펴보겠습니다. 고체나 액체는 분자 간의 결합이 매우 복잡하기 때문에 분자가 완전히 자유롭게 움직이고, 기체 분자의 크기를 무시할 수 있는 ‘이상 기체’라는 개념을 사용해 기체의 열 현상을 해설합니다.
_제2장 열역학

파동은 ‘입자(매질)’의 진동
‘파동’이라고 하면 사람들은 수면의 물결을 떠올리기도 합니다. 그래서 파동을 다룬 이 단원에 관해서는 지금까지 다루어 온 역학, 열역학과는 완전히 다른 물리 현상이라고 생각하는 분도 계실지 모르겠습니다. 하지만 파동은 기본적으로는 역학이나 열역학과 같은 틀에서 이해할 수 있습니다.
먼저, 파동에서 다루는 ‘파’는 물결만을 의미하지는 않습니다. 줄의 진동이나 현, 소리의 진동도 사실은 파동 현상입니다. 이 현상은 미시적인 시점에서 보면 모두 ‘입자(매질)’의 진동이 시간의 차를 가지며 전달됩니다. 즉, 파동이라는 현상도 미세한 입자(역학 입자) 하나하나의 움직임이라고 역학적으로 생각할 수 있습니다.
_제3장 파동

지금까지의 역학에서는 설명할 수 없었던 ‘힘의 작용’
앞에서 ‘전자기파(빛)’는 수면의 물결이나 줄, 현, 소리 등의 파동 현상과는 발생 원리가 다르다는 사실을 알게 되어 ‘전자기학’이라는 분야가 확립되었다고 말했습니다. 다만, 역학, 열역학, 파동과 마찬가지로 전자기학을 ‘물체의 입자 운동’으로 보고 역학적으로 접근해 이해할 수는 있습니다.
전자기학에서 ‘입자’에 해당하는 것은 ‘전하’입니다. 역학에서 ‘질량 m[kg]’인 ‘물체’는 전자기학에서는 ‘전기량 q[C]’인 ‘전하’로 바꾸어 생각합니다.
그러면 전자기학은 지금까지의 역학이나 열역학, 파동과 무엇이 다를까요? 바로 ‘장’이라는 개념이 새롭게 추가되었다는 점입니다.
_제4장 전자기학

새로운 물리학의 시작
고전 역학은 19세기 말 무렵에 종말을 맞이했습니다. 뉴턴 역학의 접근으로는 설명할 수 없는 현상이, 특히 미시 세계에서 점차 관측되기 시작했지요. 그리고 고전 물리학에서 현대 물리학으로의 전환이 일어나기 시작했습니다.
이 책의 마지막 장인 제5장에서 다룰 내용은 고전 물리학에서 현대 물리학으로 전환이 일어난 시기에 연구되었던 원자 물리학입니다. 원자 물리학은 역사적으로는 ‘전기 양자론’이라고 합니다.
원자 물리학의 최대 관심사는 빛입니다.
지금까지 고전 물리학에서 설명할 수 없었던 빛의 현상을, 당시의 과학자들은 어떤 접근으로 연구하고 밝혀나가려고 했는지 함께 알아보겠습니다.
_제5장 전자기학