파동과 소리
파동이 무엇인지에서 시작해 파장과 진동수와 속력의 관계, 소리가 전해지는 방식, 파동이 서로 더해지는 모습, 줄과 관이 정해진 음을 내는 까닭, 전자기파 스펙트럼까지 다룹니다. 파동 실험실은 수업에 나오는 식 그대로 줄과 용수철, 관 속의 소리, 물결통, 정상파를 그려 보여 줍니다.
이 과정에 대하여
파동은 물질을 실어 나르지 않고 에너지를 전달합니다. 밧줄에서는 한 부분이 위아래로 움직이는 동안 파동은 오른쪽으로 가며, 움직임이 진행 방향과 직각입니다. 용수철에서는 고리들이 진행 방향을 따라 움직이며 뭉쳐 압축 부분을 만듭니다. 과정은 이 그림에서 출발해 파장, 진동수, 속력으로 나아가며, 셋은 v = fλ로 맞물립니다. 파동 실험실에서 길이 6m 밧줄에 파동을 실었을 때 f를 두 배로 하면 속력을 그대로 두려면 파장이 절반이 되어야 합니다.
여섯 단원은 파동이란 무엇인가, 파장·진동수·속력, 소리, 간섭과 회절, 정상파와 악기, 전자기파 스펙트럼입니다. 소리는 액체와 고체에서 공기보다 빠른데, 압축하기가 훨씬 어렵기 때문입니다. 절벽 앞에서 손뼉을 치고 2.0초 뒤에 메아리가 들렸고 소리가 343 m/s라면 절벽까지의 거리를 구할 수 있습니다. 노이즈 캔슬링 헤드폰은 들어오는 소음을 듣고, 마루와 골을 뒤집은 파동을 재생합니다. OpenStax 27.3은 1801년 영의 이중 슬릿 실험이 빛의 파동성을 받아들이게 했다고 적고 있습니다. 실험실에서는 밧줄, 용수철, 관 속의 소리, 물결 수조, 정상파를 수업에서 쓴 식 그대로 그립니다.
마지막 단원은 스펙트럼에 숫자를 붙입니다. 전자레인지는 2.45GHz로 작동하므로 파장이 약 12cm이고, 633nm의 붉은 레이저 빛은 그보다 약 190 000배 짧습니다. 진동수가 높을수록 광자 하나의 에너지는 크지만 투과 정도는 물질과 파장에 따라 달라집니다. X선은 연조직을 통과할 수 있고 피부에 흡수된 자외선은 피부를 해칠 수 있습니다.
시작하기 전에
이 강좌는 대부분 속력 = 진동수 × 파장이라는 관계 하나로 돌아옵니다. 일차방정식에서 하듯 간단한 식을 바꿔 쓸 수 있다면 준비는 끝났습니다. 마지막 단원은 전파와 빛을 10의 거듭제곱으로 다루니 과학적 표기법을 한 번 훑어 두면 좋습니다.
마치고 나면
그림에서 진폭, 주기, 파동의 속력을 읽고, 번개가 친 뒤 천둥까지 걸린 시간으로 거리를 어림하며, 우주에서 소리쳐도 들리지 않는 이유를 설명할 수 있습니다. 마루와 골이 만나면 어떻게 되는지 예측하고, 100 MHz FM 전파의 파장을 계산하며, 관과 줄이 정해진 음으로 울리는 까닭도 말할 수 있습니다.
- 1파동이란 무엇일까요바닷가에서 먼 곳의 갈매기는 물결이 지날 때마다 오르내리지만 물결을 따라 떠내려가지는 않습니다.
- 2파장, 진동수, 속력10 m 간격의 바다 물결이 5초마다 갈매기를 한 번씩 들어 올린다면 그 물결은 초속 2 m로 나아갑니다.
- 3소리20 °C 공기에서 소리는 1초에 약 343 m를 가므로 번개가 친 지 3초 뒤에 천둥이 들리면 번개는 약 1 km 떨어진 곳에 친 것입니다.
- 4간섭과 회절소음 제거 헤드폰은 소음과 정반대인 소리를 하나 더 만들고, 두 소리가 더해져 거의 조용해집니다.
- 5정상파와 악기한쪽 끝이 막힌 길이 67.2 cm 관은 22 °C인 날 128 Hz 음을 냅니다. 가운데 도 아래 도(130.8 Hz)보다 조금 낮은 음입니다.
- 6전자기파 스펙트럼전자레인지는 2.45 GHz로 작동하므로 그 파장은 약 12 cm입니다. 633 nm인 빨간 레이저 빛은 그보다 약 19만 배 짧습니다.
이 과정의 출처 (11)
- OpenStax College Physics 2e (openstax.org/books/college-physics-2e): 16.9 Waves (disturbance that propagates, gull example λ 10.0 m, T 5.00 s, v = 2.00 m/s, transverse and longitudinal, amplitude independent of speed)
- 16.10 Superposition and Interference (constructive, destructive, standing waves, f1 = v/2L, beats fB = |f1 − f2|, 256 Hz fork with 2 beats -> 254 or 258 Hz)
- 17.2 Speed of Sound (Table 17.1: air 331 m/s at 0 °C, helium 965, fresh water 1480, sea water 1540, steel 5960, vulcanized rubber 54; v = 331 m/s × √(T/273 K); 343 m/s at 20 °C; audible range 20 to 20 000 Hz; P-waves 4 to 7 km/s, S-waves 2 to 5 km/s; Oldham and Lehmann)
- 17.3 Sound Intensity (I0 = 10⁻¹² W/m², Table 17.2, factor 10 = 10 dB, factor 2 = 3 dB, 85 dB for 8 h footnote, bel named for Bell)
- 17.5 Sound Interference and Resonance (noise-cancelling headphones 30 dB or more, closed tube λ = 4L and f_n = n v/4L with n odd, open tube f_n = n v/2L, 128 Hz tube at 22 °C = 0.672 m, ninth harmonic 1.15 kHz, trumpet vs clarinet overtones)
- 24.1 (Maxwell; Hertz from 1887)
- 24.3 The Electromagnetic Spectrum (c = fλ, Table 24.1, three rules of thumb, AM 540 to 1600 kHz, FM 88 to 108 MHz, microwave oven 2.45 GHz, visible 400 to 750 nm, UV 400 to about 10 nm, UV-A 320 to 400, UV-B 290 to 320, UV-C 220 to 290 nm, 99% of surface UV is UV-A, X-rays below 0.01 nm)
- 27.3 Young's Double Slit (1801, d sin θ = mλ, 0.0100 mm and 633 nm example)
- NASA science.nasa.gov/ems (Introduction, Visible Light: 380 to 700 nm; atmospheric windows)
- NIST, c = 299 792 458 m/s exact (nist.gov/si-redefinition/meter)
- ISO 16:1975 (A = 440 Hz, iso.org/standard/3601.html).
확인한 날: 2026-10-17