물리

던진 공에서 전동기까지 일곱 과정

눈에 보이는 움직임에서 시작해 전동기 속 전류와 자기장으로 끝나는 순서입니다. 예제와 숫자 대부분은 OpenStax College Physics 2e에서, 물리 상수는 NIST에서, 우주에 관한 값 몇 가지는 NASA에서 가져왔습니다. 계산은 모두 끝까지 보여 줍니다. 1,200 kg 자동차를 3 m/s²로 가속하려면 알짜힘 3,600 N이 필요하고, 12.0 V 배터리에서 2.50 A가 흐르는 전조등의 저항은 4.80 Ω이라는 식입니다. 단원 끝에는 정리와 해설이 붙은 문제가 있습니다.

운동, 힘, 에너지는 순서대로

운동부터 시작합니다. 위치와 속력, 가속도, 운동 그래프, 자유 낙하, 포물선 운동, 공기 저항까지 일곱 단원입니다. 운동 과정이 남긴 「왜 공이 느려질까」 같은 질문은 힘에서 뉴턴의 세 법칙, 마찰, 무게, 진자로 답합니다. 그다음 에너지에서 일, 운동 에너지와 위치 에너지, 에너지 보존, 일률을 더 깊이 다룹니다.

나머지 네 과정은 순서를 바꿔도 됩니다. 파동과 소리는 파장과 진동수, 소리, 간섭, 현과 관의 정상파, 전자기파 스펙트럼을 다룹니다. 빛은 그림자와 거울, 굴절, 렌즈와 눈, 색, 그리고 빛의 속력을 재려던 오랜 노력을 봅니다. 전기는 전하와 옴의 법칙에서 직렬·병렬 회로, 전기 요금, 안전까지 가고, 자기는 자극과 자기력선에서 지구 자기장, 전자석, 전동기와 발전기까지 갑니다.

직접 계산해 볼 수 있게 되는 것

시속 100 km로 달리는 차의 운동 에너지가 시속 50 km일 때의 네 배인 이유를 설명할 수 있습니다. 20 m/s, 45°로 던진 공이 2.9초 동안 날아 약 41 m 앞에 떨어진다는 것도 계산합니다. 70 kg인 사람의 무게가 지구에서 약 687 N, 달에서 약 113 N인데 질량은 그대로라는 것, 길이 99.4 cm 진자가 한 번 왕복하는 데 2초가 걸린다는 것도 식으로 확인합니다. 번개가 치고 3초 뒤에 천둥이 들리면 약 1 km 떨어진 곳이라는 것, 60 W 전구를 1,000시간 켜 두면 60 kWh를 쓴다는 것도 셈할 수 있습니다.

공식대로 움직이는 실험실 네 가지

운동 실험실에서는 지구, 달, 화성에서 공을 쏘아 지나간 길을 남겨 두고 비교하며, 진자를 흔들어 초시계처럼 주기를 잽니다. 에너지 실험실의 롤러코스터는 위치 에너지, 운동 에너지, 열을 막대로 보여 주고, 자기 과정에서는 자석 둘레의 자기력선과 감은 수와 전류를 바꿀 수 있는 코일을 그립니다. 회로 실험실에서는 스위치를 닫고 빈자리에 전구를 끌어다 놓습니다. 1 A 퓨즈에 전구 세 개로 1.5 A가 흐르면 퓨즈가 끊어지는 것도 볼 수 있습니다. 파동 실험실은 줄, 용수철, 관 속의 소리, 물결통을 그리고, 스넬의 법칙으로 물과 유리와 렌즈를 지나는 빛의 경로를 그립니다.

상식과 다른 물리

그럴듯해 보이는 생각에서 출발하는 단원이 여럿입니다. 공기가 없으면 무거운 물체가 더 빨리 떨어지지 않습니다. 1971년 달에서 떨어뜨린 망치와 깃털이 함께 바닥에 닿았습니다. 줄을 더 빨리 흔든다고 파동이 더 빨리 가지는 않고, 속력은 줄이 정합니다. 가속도가 음수라고 해서 늘 느려지는 것도 아닙니다. 벽돌을 눕혀 놓든 세워 놓든 마찰은 거의 같습니다. 가방을 들고 가만히 서 있으면 팔이 아파도 물리에서 말하는 일은 0입니다. 북극 가까이에 있는 자극은 자석으로 따지면 S극이고, 키의 절반 길이인 거울이면 어디에 서든 온몸이 비칩니다.