과학/기술/공학
대학물리학
핵심요해

대학물리학

지은이 : 노상률
출간일 : 2018-10-12
판매가 : 10,000원
포멧 : ePub
판매서점

책소개

기존의 대학물리 교재는 모두 원서를 번역한 것이고 분량은 수 천 페이지나 된다. 깨알같이 빽빽하게 쓰여진 책을 다 읽어볼 학생들은 아마도 잘 없을 것이다. 그리고 그 내용도 한국학생들의 정서나 사고와 잘 맞지 않은 것들도 많이 있다. 참고서적으로 사용하기에는 적절하겠지만, 이런 교재로 예습을 하는 것도 쉽지가 않고 시험공부하기에도 용이치 않다. 교재의 내용을 모두 강의할 수도 없다. 더구나 부정확한 번역도 많아 요점이 무엇인지 조차 파악하기가 쉽지가 않다. 그래서 학생들은 물리가 어려워지고 성적도 잘 안 나오고 공부하기 싫은 과목 기피과목으로 손꼽게 되는 주된 원인이다. 이러한 사정은 국내 여러 유수대학들의 학생들을 접해보았지만 별반 다르지 않다. 대학물리는 모든 물리량을 정의로부터 시작한다. 하다못해 속도나 전기장의 정확한 정의를 모르고서 어찌 과학을 한다고 할 수 있겠는가? 이런 물리에 대한 부정적인 현상은 한국과학계가 당면한 심각한 문제이다. 이 책은 이런 문제의 심각성을 절감하고 많은 의미 깊은 물리적 개념들을 학생들에게 집중적으로 이해시키려는 목적으로부터 시작되었다.

그래서 교재를 잘 요약한 슬라이드 강의록으로 강의를 하면 처음에는 학생들이 좋아하지만 점점 집중력이 떨어진다. 슬라이드는 연구세미나 같은데서 프레젠테이션으로 많이 쓰이지만 대량으로 다양한 내용을 장기간에 걸쳐 다루는 강의에는 부적합한 점이 많다. 참고로, 세미나에서도 프레즌테이션이 20분을 넘으면 청중들의 집중력이 크게 떨어진다는 CERN에서의 연구결과가 있다. 더구나 슬라이드 강의록에는 설명이 별로 없다. 그래서 강의를 잘 듣고 개념필기를 충실하게 해놓지 않으면 강의를 듣고 돌아서면 미묘한 물리적 개념들을 잊어버린다. 강의록에는 수많은 정보가 압축되어있는데, 설명도 별로 없으니 집중력이 떨어지고 학생들은 개념에 취약할 수밖에 없다. 결과적으로 시험공부를 할 때도 별 도움이 되지 않는다. 이런 것들이 종합적으로 작용하여 학생들이 “물리는 어렵다” “하기 싫다”고 하는 것이다. 그러나 물리는 과학을 하는 사람이면 누구나 넘어야 할 산으로서 어느 대학에서나 필수적으로 부과를 하고 있다. 필자는 반평생을 외국생활을 하면서 입자물리학 연구에 전념을 했는데, 이제 한국에 영구 귀국하여 은퇴를 앞두고 어떻게 하면 한국학생들에게 과학의 기본이라 할 수 있는 대학물리와 현대과학의 기본이라 할 수 있는 현대물리학을 잘 이해를 시킬 수 있을까 많은 고심을 하였었다. 그래서 학생들이 너무 분량이 많아 부담이 되지 않으면서 자체적으로 모든 설명이 있어서 대학물리의 주요내용을 모두 섭렵할 수 있는 방법의 필요성을 절감하였다. 이를 위해서는 결국 기존의 대학물리 교재에 대한 전적인 의존을 탈피하는 수밖에 없고 대학물리의 새로운 패러다임이 창출되어야 한다는 결론을 얻었다. 그리고 책이 너무 두껍고 무겁지 않고 언제 어디서나 손쉽게 볼 수 있으면 더욱 좋겠다는 생각으로 이 책을 펴내게 되었다.

다년간 대학에서 대학물리를 슬라이드로 강의를 하면서 슬라이드 강의의 단점을 보완하기 위하여 다양한 방안을 강구를 하다가 강의내용을 머릿속으로 정리를 하여 핵심적인 강의를 하기 시작하였다. 이 방법은 주요내용을 집중적으로 학생들에게 이해를 시킴으로서 아주 효과적인 방법이라 생각되었다. 그런데 이 방법도 수업을 들으면서 개념필기를 잘 해놓지 않으면 강의할 때의 말을 모두 칠판에 쓸 수는 없기 때문에 칠판에 쓴 내용은 필기를 해놓더라도 그 내용들이 나중에 시험공부를 할 때 잘 이해가 안되는 것들이 많이 있게 마련이다. 그러나, 학생들은 개념필기를 잘 하지 않는다. 학기 초에 개념필기의 중요성을 많이 강조를 하고 필기검사를 하여 수업참여도에 크게 반영할 것이라고 공고를 해도 실제 필기검사를 해보면 개념필기를 잘한 학생은 거의 없었다. 그저 슬라이드나 교재에 있는 식을 그대로 적어놓았을 뿐 설명은 거의 없었다. 이 대학물리요해는 필자가 다년간 강의를 하면서 매년 역동적으로 변하는 학생들의 성향을 면밀하게 분석하여 매년 매 수업마다 새롭게 강의할 내용을 머릿속으로 정리를 하여 가장 바람직한 강의를 하려고 노력하였는데, 그런 강의 중 다양한 설명을 한 말과 칠판에 판서한 내용을 실제 책으로 펴낸 것이다. 수업이 끝나고 나면 더 이상 강의에서 언급된 미묘한 주요개념들을 들을 기회가 없어진다. “필기한 것이 모두 이해한 것이 아니다!!” 그러나 이 책의 내용은, 각종 대학물리 교재에 공통적으로 기술되어있고 각종 문제풀이에도 꼭 필요한, 실제 칠판에 판서한 핵심적인 식과 개념들은 물론 그런 내용을 설명하는 말들이 모두 기술되어 있어서 자체젹으로 완전하여 대학물리를 한 눈에 개관할 수 있고 작은 분량으로도 대학물리의 모든 내용을 원리적으로 이해할 수 있는 든든한 기반이 될 수 있다. 학생들이 물리가 어렵다고 하는 또 다른 중요한 요인은 수학을 물리에 활용하는 능력이 부족하기 때문이다. 그래서 과학에는 필수적인 미분 적분을 포함한 모든 수학적인 기본개념도 정의로부터 시작해서 설명이 되어있어서 수학이 약한 학생들도 어렵지 않게 이해할 수 있다. 따라서 이 대학물리요해는 슬라이드 강의록 같이 단순한 요약이 아니라, 대학물리의 핵심적이고 중요한 모든 내용을 집중적으로 해설한 것으로서 초⦁중⦁고 때부터 단편적으로 배운 물리를 포함한 과학의 기본이 되는 모든 물리적인 내용이 학문적인 체계로 집약된 것이다.

그리고 이 책에 풍부하게 수록된 예제문제들은 여러 교재들에 흔히 나오는 문제들로서 이 책의 내용들을 학생들 자신의 것으로 만드는데 유용한 문제들을 명쾌하게 풀이한 것이다. 예제문제풀이는 순전히 이 책에 나와 있는 물리량들의 정의와 법칙 그리고 규칙 등에 입각한 가장 간단한 수식을 사용하여 자세한 과정이 약간씩 생략되어있음에도 문제풀이가 이 책의 반을 차지 할 만큼 주요한 내용이다. 이 예제문제들을 책의 내용을 읽고 잘 이해를 한다면 어떤 유형의 문제들도 스스로 풀 수 있을 것이다. 그리고 중간 중간에는 필자가 실제 시험에서 출제를 했던 십 여회나 되는 실전문제들을 수록해놓았다. 이 문제들을 스스로 풀어보면 자신의 문제풀이 능력을 크게 높일 수 있을 것이다. 그런 취지에서 실전문제의 풀이와 답은 대학물리1에 해당되는 제1부의 말미와 대학물리2에 해당되는 제2부와 제3부의 맨 끝부분에 첨부해 두었다. 또한 곳곳에 수록되어 있는 발전문제(֎)들은 풀이도 없고 답도 없으나 이 책의 내용을 더욱 보강하고 물리적 개념들의 이해를 극대화하는 수준 높은 문제들로서 과제로 제출하면 좋은 문제들이다.

끝으로, 대학성적은 평생을 따라다닌다!! 이제 더 이상 대학물리로 고민하지 않아도 된다. 한주일 강의분량을 예습하는데 이 책으로는 10분이면 된다!! 이 책과 더불어 좋은 성적을 얻고 무엇보다도 많은 물리적 개념들을 잘 이해를 하여 전공공부에도 크게 도움이 되어 활기찬 대학생활을 보내기를 바란다.

목차

내용

제1부 역학
제1장 물리량과 벡터(5p∼9p)
핵심주제1 물리량; 핵심주제2 기초물리량과 기초단위; 핵심주제3 벡터와 연산
제2장 물체의 운동(10p∼17p)
핵심주제4 일차원운동; 핵심주제5 2∼3차원운동; 핵심주제6 상대속도; 핵심주제7 원운동
제3장 뉴우턴역학(19p∼25p)
핵심주제8 뉴우턴의 법칙; 핵심주제9 마찰력
제4장 일과 에너지(26p∼31p)
핵심주제10 일-에너지 정리; 핵심주제11 에너지보존법칙
제5장 운동량과 물체계(32p∼35p)
핵심주제12 운동량보존법칙; 핵심주제13 질량중심
제6장 회전운동(36p∼43p)
핵심주제14 회전운동과 관성모우먼트; 핵심주제15 토오크;
핵심주제16 각운동량보존법칙; 핵심주제17 물체의 평형과 변형
제7장 중력(44p∼45p)
핵심주제18 중력과 중력퍼텐셜에너지
제8장 유체의 운동(46p∼48p)
핵심주제19 유체의 운동
제9장 진동운동(49p∼51p)
핵심주제20 물체의 단순조화진동
제10장 파동운동(52p∼59p)
핵심주제21 파동운동과 파동함수; 핵심주제22 파동에너지와 파동의 세기;
핵심주제23 파동의 중첩과 간섭; 핵심주제24 정상파와 관현악기;
핵심주제25 소리준위; 핵심주제26 도플러효과

제2부 전자기력
제11장 전하와 전기력(64p∼66p)
핵심주제27 전하의 특성; 핵심주제28 쿨롱의 법칙
제12장 전기장과 가우스법칙(67p∼72p)
핵심주제29 전기장과 전기장선; 핵심주제30 전기다발과 가우스법칙
제13장 전기퍼텐셜에너지와 전기퍼텐셜(73p∼75p)
핵심주제31 전기퍼텐셜
제14장 축전기의 전기용량과 에너지(76p∼79p)
핵심주제32 전기용량
제15장 전류와 저항(80p∼84p)
핵심주제33 전류와 전류밀도; 핵심주제34 저항과 전도도
제16장 직류회로(85p∼88p)
핵심주제35 회로와 키르히호프법칙; 핵심주제36 RC회로
제17장 자기력과 자기장(89p∼93p)
핵심주제37 로렌츠힘과 비오사바르법칙; 핵심주제38 앙페르법칙과 솔레노이드자기장
제18장 전자기유도와 유도용량(94p∼99p)
핵심주제39 패러데이 법칙; 핵심주제40 자체유도와 상호유도; 핵심주제41 RL회로
제19장 교류회로(100p∼103p)
핵심주제42 교류회로의 전류; 핵심주제43 변압기
제20장 전자기파와 빛(104p∼105p)
핵심주제44 맥스웰방정식과 빛의 간섭

제3부 열역학
제21장 온도와 열(106p∼107p)
핵심주제45 열의 이동과 열역학0법칙; 핵심주제46 열팽창
제22장 기체법칙과 열역학 제1법칙(108p∼112p)
핵심주제47 이상기체법칙; 핵심주제48 열역학제1법칙; 핵심주제49 비열
제23장 열기관과 열역학 제2법칙(113p∼115p)
핵심주제50 열기관과 효율; 핵심주제51 열역학제2법칙; 핵심주제52 엔트로피

책리뷰

역학의 핵심은 뉴우턴의 법칙인데, 힘은 방향성이 있어서 까다로운 면이 있다. 그런데, 에너지는 방향성이 없이 크기만으로 결정되므로 비교적 편리한 경우가 많다. 뉴유턴의 법칙과 에너지보존법칙 두 가지 중요한 원리를 바탕으로 하고 운동량보존법칙과 각운동량보존법칙 같은 보존법칙을 정립하여 중력현상이나 기체 또는 액체 같은 유체의 문제에도 용이하게 응용을 할 수가 있다. 나아가 진동운동이나 파동운동도 원리적으로 기술할 수가 있다.
P.5

֎발전문제1-1 (a)현 위치로부터 자신의 집 1km 상공을 지나고 있는 헬리콥터의 위치를 벡터로 나타내어라. xyz 각 성분의 값은 직선거리로서 추정 값을 사용한다. (b)집으로 가는 도중에 경유지를 하나
만들어 두 번에 걸친 벡터의 각 성분들의 합이 (a)번 문제의 각 성분의 값과 같음을 보여라.
P. 8

실제로 속도가 커지면 질량도 증가한다는 것이 특수상대론의 결과이나 지금은 속도가 낮은 경우로 국한하여 dp/dt = F 는 근사적으로 성립한다. 따라서 이것이 좀더 정확한 뉴우턴의 제2법칙이라고 할 수 있다. 이것이 이 책의 표지에 F ≃ ma 라고 한 주된 이유이다.
P.32

이런 질량중심의 개념을 충족시킬 수 있는 질량중심의 위치에 대한 식은 어떻게 하면 얻을 수 있을까? 이 답을 얻는 방법은 대학물리교재 어디에도 온전하게 유도한 책이 없다. 여기서는 유추하는 방법으로 질량중심의 위치를 온전하게 유도해 보도록 하자.
P.34

전자기력은 이 책의 표지에 보인 중력, 약력 그리고 강력과 더불어 자연의 네 가지 기본력 중의 하나로서 오늘날 우리가 볼 수 있는 모든 물질과 물체를 형성하는 근원적인 힘이다. 자연적이건 인위적이건 모든 힘들은 궁극적으로 이 네가지 기본력들 중 하나로 귀착된다. 쿨롱이 처음으로 전기력을 발견하였고 로렌츠와 비오-사바르가 자기력을 발견하였다. 그러다가 패러데이와 맥스웰이 전자기유도를 발견하여 전기력과 자기력은 전하라는 한 가지 성질에 의해 발생하는 한 종류의 힘이라는 것을 알게 되어 오늘날 우리는 전자기력이라고 부른다. 결국 맥스웰이 네 개의 맥스웰방정식을 확립함으로서 전자기현상을 정립하게 되었다. 참고로, 전자기력은 20세기 중-후반에 양자전자학으로 확립되었다. 그런 반면에 중력은 역사는 가장 오래지만 뉴우턴의 만유인력법칙으로 중력현상이 발견된 이래 아인시타인의 일반상대론으로 중력현상이 정립이 되었으나 양자중력론이 아직 미흡하여 아직 확립이 되지못한 상태이다. 그러나 약력과 강력은 20세기 후반에 발견되어 정립과정이 없이 바로 상대론적 양자론으로 확립이 되었다. P.64

֎발전문제2-1 그림 22-b와 같이 두 점전하가 아주 가까이에 있는데 이번에는 한쪽의 전하는 –q이나 다른 쪽 전하는 +2q이다. (a) 이 전하계 주위로 전기장선을 그려라. (b) 이 전하계의 전기 쌍극자모우먼트는 무엇인가? (c) 이 전하계로부터 임의의 점에서의 전기장은 어떻게 구하면(파악하면) 될지 설명하라.
P.68

이런 교류전원이 연결된 기본적인 단순교류회로는 저항과 축전기 그리고 유도기가 그림처럼 직렬로 연결된 직렬 RLC 교류회로이다. 이런 회로의 전류를 구하는 것이 우리의 주된 목적이다. 그러기 위해서는 지금까지 해온 것처럼 키르히호프의 고리규칙을 적용하여 미분방정식을 얻어서 미분방정식을 풀면 된다. 그러나 여기서는 좀 다른 방법, 위상자법, 으로 전류를 구함으로서 좀 더 물리적 개념에 접할 수 있는 기회를 가져보도록 한다. 전원의 형식이 주어지므로 전류의 형식은 전압의 형식과 같을 것이므로 쉽게 짐작할 수 있다. 즉 i = Imsin(ωt-φ) 로서 i 는 전류의 순간 값이고 전압과 마찬가지로 싸인 함수로 변하는데, 전류의 최대값 즉 진폭(Im)과 전압과는 위상차가 생길 수도 있으므로 위상상수 φ를 구하면 전류를 온전히 구하게 된다.
P.100

열역학은 전자기력의 연장으로 파악할 수 있다. 왜냐하면 열의 본질은 빛이고 빛은 전자기적 상호작용의 결과이기 때문이다. 빛은 보이는 것보다 보이지 않는 것이 더 많다! 열역학의 핵심은 여러 기체법칙과 이를 토대로 한 열역학법칙이다.
P.106

열역학 제2법칙은 뉴우턴의 법칙으로는 제3법칙에 해당되는 것으로 열역학 제1법칙을 보완하는 역할을 한다. 공급받은 열을 모두 일로 바꾼다고 기존의 에너지보존법칙을 위배하는 것은 아니지만 이런 일은 있을 수 없다는 것이다. 그 이유는 무엇일까? 그 이유는 공급받은 열의 일부가 계의 원자 또는 분자의 운동에너지로 바뀌기 때문이다. 이런 원자 또는 분자의 운동으로 변한 에너지를 모두 돌려받을 수는 없다. 냉장고와 관련하여 열역학 제2법칙을 표현하면, “낮은 온도에서 높은 온도로의 열의 이동은 있을 수 없다.” 이를 클라우지우스 법칙이라 한다. 이것도 에너지보존법칙을 위배하는 것은 아니지만 이런 일은 있을 수 없다는 것이다. 그러면 이 이유는 무엇일까? 그 이유는 높은 온도란 그런 물질을 구성하고 있는 분자 또는 원자의 활발한 운동을 말한다. 활발한 분자 또는 원자의 운동은 인근에 있는 덜 활발한 분자 또는 원자의 운동으로 전달이 되지만 덜 활발한 분자 또는 원자의 운동이 활발한 분자 또는 원자의 운동으로 전달이 될 수는 없다.
P.114

저자소개

저자: 노상률(魯相律)


프로필: .1989년∽1992년 미국 코넬대학 CLEO실험: 세계최초로
Bs입자 발견 [박사학위논문(실험입자물리학)]
.1993년∽2000년: CERN(유럽입자물리연구소) L3실험 및
일본 KEK BELLE실험 등에서 연구활동
.2001-2012년 CERN 연구과학자: LHC실험에서 힉스입자발견에
핵심적 역할
.2014-2018년 홍익대학교 교수