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신나는 물리 세계로 탐험을 떠나자!

교과서 속 물리의 원리와 개념을 스토리로 배우는 일상생활 속 물리 『선생님도 놀라게 하는 물리』. 이 책은 선생님과 친구들 앞에서 물리 실력을 뽐낼 수 있는 여러 가지 비법들을 담은 책이다. 버뮤다 삼각지대가 왜 그렇게 악명이 높고, 프라이팬 위의 물방울들은 왜 춤을 추며, 신기루는 어떻게 생성되는지 등의 일상생활 속 사례들을 들려주며 원리와 개념을 쉽게 이해할 수 있도록 이끌어준다.

이 책은 모두 7가지 주제로 나누어져 있다. 에너지, 전기, 열, 소리, 빛, 방사능, 그리고 우주까지의 주제로 나누어 물방울과 바닷물, 채찍과 카푸치노 머신, 현미경, 안경, 지구, 우주에 이르기까지 쉽고 재미있게 물리를 배워볼 수 있도록 했다. 모래시계를 통해 시간의 연속성을 살펴보고 냉장고를 통해 열역학 제2법칙을 알아보고 헬륨가스를 통해 주파수를 살펴보며 물리와 친해질 수 있는 기회를 마련해준다.

선생님도 놀라게 하는 물리

교과서 속 물리를 생활 속 사례를 통해
쉽고 재미있게 배워보자.

■■■ 번지 점프, 물수제비 뜨기, 풍선에서 바람 빼기, 자동차의 안전 거리 확보, 냉장고가 차가운 것은 누구나 알고 있을 것이다. 그런데 이 안에는 꼭 알아야 할 교과서 속 물리법칙이 숨어 있다면? 작용 반작용, 만유인력, 상대성이론, 자유낙하와 운동량 보존의 법칙 등 교과서 속 물리를 안전벨트, 번개, 풍선, 비행기 등 우리 생활 속 사례들을 통해 그 원리와 개념을 가장 쉽게 이해하도록 돕는다!
어떤 질문을 하면 선생님을 궁지에 빠뜨릴 수 있을까? 무슨 지식을 뽐내면 선생님의 입이 딱 벌어질까? 어떻게 하면 선생님이 내 실력을 인정하며 그저 고개만 끄덕이게 될까?
그런 경험을 한 번쯤은 해보고 싶다면 이 책을 꼭 읽어보기 바란다. 이 책에는 선생님과 친구들 앞에서 물리 실력을 뽐낼 수 있는 여러 가지 비법들이 들어 있기 때문이다. 이 정도 물리 지식을 지닌 학생은 분명 선생님 입장에서도 본 적이 거의 없을 것이다.
이 책에는 예컨대 버뮤다 삼각지대가 왜 그렇게 악명이 높은지, 프라이팬 위의 물방울들이 왜 춤을 추는지, 신기루가 어떻게 생성되는지 등 똑똑해지고 싶은 친구들을 위한 수많은 물리 상식들이 들어 있다.
빵빵해진 풍선으로 운동량 보존의 법칙을 이해할 수 있다?! 용수철 하나면 후크의 법칙을 정복하고, 물수제비 뜨기에는 각운동량 보존의 법칙과 에너지 보존의 법칙, 반사의 법칙 등 수많은 물리 법칙이 숨어 있다는 것을 알고 있는가? 고무줄로도 자동차는 달릴 수 있지만 왜 고무줄 자동차가 없는 것일까? 번지점프 줄을 안전하게 만드는 법은? 레이어드룩에 숨겨진 물리법칙으로 패션을 배운다? 지구와 우주를 넘나드는 물리를 이론이 아니라 우리 삶 속에서 신나고 쉽고 재미있게 배워보자!!

1. 에너지 9
다양한 운동의 법칙들 10
다양한 역학에너지 43
모래시계 66
관성과 질량 70

2. 전기 73
직류 74
교류 89
전구와 LED 98
정전기 102

3. 열 105
열역학 106
온도 117
액체의 상태 변화 121
전자기파와 적외선 125

4. 소리 129
주파수 130
음속 138

5. 빛 147
보이는 빛, 보이지 않는 빛 148
빛을 이용한 각종 기기 150
반사 161
굴절 167
무지개 173

6. 방사능 175
방사선 176
붕괴 186

7. 우주 189
우주의 에너지 190

허풍선이 남작과 작용-반작용의 법칙
모든 힘은 쌍으로 존재한다. 예컨대 A라는 물체가 B라는 물체에 어떤 힘을 가할 경우, 그것과 똑같은 크기의 힘이 B에서 A에게로도 작용한다. 물리학에서는 이러한 원리를 두고 ‘작용-반작용의 법칙’이라 부른다. 작용-반작용의 법칙은 뉴턴의 운동법칙 중 세 번째 법칙에 해당된다.
허풍선이 남작의 이야기는 누구나 한 번쯤 들어본 적이 있을 정도로 유명하다. 아직 읽지 않았다면 얼른 책을 구해서 읽어보기 바란다. 황당무계하게 느껴지는 부분도 없지 않지만, 어차피 소설이라는 점만 감안하고 읽으면 분명 시간 가는 줄 모르게 책 속으로 빠져들게 될 것이다.
책 속 주인공 뮌히하우젠 남작은 어느 날 말을 타고 가다가 늪에 빠진다. 그 상황에서 남작은 훌륭한 아이디어 하나를 짜냈다. 자신의 머리칼을 힘껏 잡아당겨서 말과 함께 늪에서 빠져나오겠다는 계획이었다.

물리를 알면 거짓말도 보인다!
그런데 과연 허풍선이 남작의 이야기가 현실적으로 가능할까? 아니면 제목만큼이나 허황된 허풍에 지나지 않을까? 지금부터는 허풍선이 남작의 말이 거짓말인지 아닌지 물리학적으로 따져보기로 하자.
이를 위해 우선 머릿속에 그림 한 개를 그려보자. 이때 늪에 빠진 남작과 남작의 말은 동그라미 하나로 표현하면 된다. 그 동그라미를 물리학에서는 ‘질점mass point’이라 부르는데, 질점이란 물체의 질량과 위치만을 표시해둔 점을 뜻한다. 다음으로 질점 위에 막대기 하나를 그린다. 이 막대기는 남작의 머리칼을 상징한다. 이제 늪에 빠진 남작이 말과 함께 늪에서 빠져나오기 위해 온힘을 다해 자신의 머리채를 위로 잡아당기는 장면을 상상해야 한다. 남작이 자신의 근력을 최대한 이용해 늪 밖으로 빠져나오려는 것이다. 참고로 남작의 근력은 용수철 모양으로 그려 두는 것이 좋을 듯하다.

후크의 법칙은 용수철을 이용했을 때 가장 잘 설명할 수 있는 법칙이다. 그 이유는 용수철이 증가된 힘의 양만큼만 늘어난다는 특성을 지니고 있기 때문이다. 즉 1N에서 2N으로 늘어나든 2N에서 3N으로 늘어나든 늘어나는 힘의 크기만 일정하다면 용수철이 늘어나는 길이도 동일하다. 힘의 크기를 측정하는 검력계dynamometer에 용수철을 활용하는 이유도 그 때문이다. 나아가 23쪽 그림 속 실험이 수많은 교재에 인용된 것 역시 그러한 이유 때문이다.
만약 용수철 대신 고무줄을 이용할 경우, 추가되는 힘의 크기는 같은데 늘어나는 길이에는 큰 차이가 발생한다. 즉 처음에는 신축량이 그다지 크지 않지만 추의 무게가 증가될수록 고무줄은 기하급수적으로 더 아래쪽으로 처지다가 급기야 끊어지고 마는 것이다. 그러니 만약 고무줄을 이용해 후크의 법칙을 실험하고 싶다면 고무줄이 끊어지기 직전에 미리 알아서 잘 대피하기 바란다!

재미있는 놀이나 신나는 대결쯤으로만 생각했던 물수제비 뜨기 뒤에도 수많은 물리학적 법칙들이 숨어 있다. 에너지 보존의 법칙, 각운동량 보존의 법칙, 반사의 법칙 등이 그것이다. 그중 가장 중요한 힘은 뭐니 뭐니 해도 각운동량이다. 각운동량이 바로 돌멩이가 계속 납작한 각도로 수면을 밀어낼 수 있게 해주는 힘, 즉 물속으로 가라앉지 않고 다시 공중으로 튀어 오르게 해주는 원동력이기 때문이다.

집 안에 온도계가 하나쯤 있으면 매우 편리하다. 굳이 일기예보를 확인하지 않고도 오늘 어떤 옷을 입을 것인지 쉽게 결정할 수 있기 때문이다. 예컨대 온도계가 32℃를 가리키면 반바지나 미니스커트를 선택할 것이고, 반대로 온도계 눈금이 0℃에 가 있다면 오리털 파카를 선택할 것이다. 그런데 만약 어떤 사람이 자기는 온도가 32°인데도 추워서 덜덜 떨고 있다고 말한다면 그 사람은 과연 정신 나간 사람일까, 어디가 아픈 사람일까?

천둥과 번개의 거리
천둥으로부터 번개가 얼마나 떨어져 있는지는 쉽게 계산할 수 있다. 이때, 광속을 이용해서 계산할 수도 있지만 광속은 단위가 너무 높기 때문에 음속을 이용하는 편이 훨씬 더 편리하다. 심지어 시계조차 필요하지 않고, 방법도 매우 간단하다. 소리가 10㎞를 달리는 데에 대략 30초가 필요하다는 말은 1초당 330~340m를 달린다는 뜻이다. 이에 따라 번개가 친 다음 천둥소리가 들리기까지 몇 초나 걸리는지 마음속으로 센 다음 그 숫자에 330이나 340을 곱하면 대략적인 거리를 알 수 있다. 예컨대 번개가 친 뒤 23초 만에 천둥이 쳤다면 천둥과 번개의 거리가 대략 760~780m라고 짐작할 수 있는 것이다.