본 문

이 교재는 고전 물리에서의 기본적인 내용과 현대 물리를 소개하고 있다. 이 교재는 여섯 개의 단원으로 구성되어 있다. 단원 1(1~14장)에서는 뉴턴 역학의 기본과 유체 물리를 다루고 있다. 단원 2(15~18장)에서는 진동, 역학적 파동과 음파를 다루고 있다. 단원 3(19~22장)에서는 열과 열역학을 다루고 있으며, 단원 4(23~34장)에서는 전기와 자기를 다룬다. 단원 5(35~38장)에서는 빛과 광학을 다루고, 단원 6(39~43장)에서는 상대론과 현대 물리를 다룬다.

목 적

이 교재에는 세 가지 주요한 목적이 내포되어 있다. 물리의 기본 개념과 원리를 명확하고 논리적으로 학생들에게 전달하고, 실제로 널리 알려진 응용을 통하여 개념과 원리의 이해를 강화하며, 효과적으로 잘 짜인 접근을 통하여 수월하게 문제 푸는 요령을 습득하도록 하였다. 이들 목적을 만족하기 위하여 구성이 잘 된 물리적인 논제와 문제 풀이 방법을 강조하였다. 동시에 공학, 화학, 의학 등에서 이용되는 물리의 예를 통해서 학생들에게 동기를 부여하고자 하였다.

9판에서의 변화

9판을 준비하면서 많은 변화와 개선이 있었다. 새로운 일면은 우리의 경험과 과학 교육에서의 새로운 경향을 기초로 하였다는 것이다. 또 다른 변화는 8판의 이용자들이 제안한 내용을 포함시킨 점이다. 다음의 열거한 내용이 9판에서의 주요 변화이다.

분석 모형을 통한 문제 접근

학생들은 물리 과목에서 수백 개의 문제를 접하게 되며, 비교적 적은 수의 기본 원리가 이들 문제의 기본을 형성한다. 어떤 새로운 문제를 접할 때, 물리학자는 이 문제에 적용 가능한 기본 원리를 확인하고 간단히 풀 수 있는 문제의 모형을 만든다. 예를 들어 많은 문제가 에너지의 보존, 뉴턴의 제2법칙, 또는 운동학 식을 내포하고 있다. 물리학자는 이들 원리와 이들의 응용을 광범위하게 공부하였기 때문에, 이런 지식을 새로운 문제를 풀 때 모형으로 적용할 수 있다. 학생들이 이와 동일한 과정을 따라하는 것이 이상적임에도 불구하고, 대부분의 학생은 기본적인 원리의 전체적인 팔레트에 익숙해지는 것이 쉽지 않다. 학생들은 기본 원리보다 상황을 인식하는 것이 더 쉽다.

단순화한 네 가지 모형

이 개정판에서 초점을 맞춘 분석 모형 접근은 대부분의 물리 문제에서 나타나는 표준적인 상황을 제시하고 있다. 이들 상황은 네 가지 단순화한 모형(입자, 계, 강체, 파동) 중 하나에 기초를 둔다. 일단 단순화한 모형을 알게 되면, 학생은 물체가 무엇을 하고 있는 중인지 또는 물체가 주위 환경과 어떻게 상호 작용을 하는지에 대하여 생각한다. 예를 들어 물체가 낙하하면 물체는 일정한 중력 가속도의 영향을 받는 입자로 인식한다. 학생은 등가속도 입자 모형이 이 상황을 설명한다는 것을 배웠다. 또한 이 모형에는 2장에서 제시한 관련된 운동학 식이 몇 개 있다. 그러므로 상황의 이해는 분석 모형으로 이어지고, 그러면 제한된 수의 식이 어떤 것인지 알게 된다. 이런 방법으로 분석 모형을 사용함으로써 학생들은 기본적인 원리를 깨닫게 된다. 학습량이 늘어날수록, 분석 모형에 대한 의존은 줄어들게 되며 곧바로 기본적인 원리를 적용하게 될 것이다.

교재의 형태

강의를 하는 많은 교수님들은 “교재는 학생들이 주된 내용을 이해하고 공부하는 데 초점이 적절히 맞추어져 있고, 학생들이 쉽게 접근할 수 있도록 되어 있어야 한다”고 말한다. 이런 점을 고려하여, 학생과 교수 모두의 활용도를 높이기 위하여 다음에 열거한 교육학적인 요소를 교재에 포함시켰다.

part 1

역 학

Chapter 1 물리학과 측정 3

1.1 길이, 질량 그리고 시간의 표준 4

1.2 물질과 모형 세우기 8

1.3 차원 분석 9

1.4 단위의 환산 11

1.5 어림과 크기의 정도 계산 12

1.6 유효 숫자 13

Chapter 2 일차원에서의 운동 19

2.1 위치, 속도 그리고 속력 20

2.2 순간 속도와 속력 23

2.3 분석 모형: 등속 운동하는 입자 26

2.4 가속도 28

2.5 분석 모형: 등가속도 운동하는 입자 32

2.6 자유 낙하 물체 36

Chapter 3 벡 터 45

3.1 좌표계 45

3.2 벡터양과 스칼라양 47

3.3 벡터의 성질 48

3.4 벡터의 성분과 단위 벡터 52

Chapter 4 이차원에서의 운동 61

4.1 위치, 속도 그리고 가속도 벡터 61

4.2 이차원 등가속도 운동 64

4.3 포물체 운동 68

4.4 분석 모형: 등속 원운동하는 입자 73

4.5 접선 및 지름 가속도 76

4.6 상대 속도와 상대 가속도 78

Chapter 5 운동의 법칙 87

5.1 힘의 개념 87

5.2 뉴턴의 제1법칙과 관성틀 89

5.3 질 량 91

5.4 뉴턴의 제2법칙 92

5.5 중력과 무게 94

5.6 뉴턴의 제3법칙 95

5.7 뉴턴의 제2법칙을 이용한 분석 모형 97

5.8 마찰력 104

Chapter 6 원운동과 뉴턴 법칙의 응용 115

6.1 등속 원운동하는 입자 모형의 확장 115

6.2 비등속 원운동 119

6.3 가속틀에서의 운동 121

6.4 저항력을 받는 운동 124

Chapter 7 계의 에너지 135

7.1 계와 환경 136

7.2 일정한 힘이 한 일 137

7.3 두 벡터의 스칼라곱 139

7.4 변하는 힘이 한 일 142

7.5 운동 에너지와 일 - 운동 에너지 정리 147

7.6 계의 퍼텐셜 에너지 150

7.7 보존력과 비보존력 155

7.8 보존력과 퍼텐셜 에너지의 관계 158

7.9 에너지 도표와 계의 평형 159

Chapter 8 에너지의 보존 167

8.1 분석 모형: 비고립계 (에너지) 168

8.2 분석 모형: 고립계 (에너지) 171

8.3 운동 마찰이 포함되어 있는 상황 177

8.4 비보존력에 의한 역학적 에너지의 변화 183

8.5 일 률 186

Chapter 9 선운동량과 충돌 195

9.1 선운동량 196

9.2 분석 모형: 고립계 (운동량) 198

9.3 분석 모형: 비고립계 (운동량) 201

9.4 일차원 충돌 205

9.5 이차원 충돌 211

9.6 질량 중심 212

9.7 다입자계 216

9.8 변형 가능한 계 219

9.9 로켓의 추진 220

Chapter 10 고정축에 대한 강체의 회전 229

10.1 각위치, 각속도, 각가속도 230

10.2 분석 모형: 각가속도가 일정한 강체 232

10.3 회전 운동과 병진 운동의 물리량 234

10.4 돌림힘 237

10.5 분석 모형: 알짜 돌림힘을 받는 강체 239

10.6 관성 모멘트 계산 244

10.7 회전 운동 에너지 247

10.8 회전 운동에서의 에너지 고찰 249

10.9 강체의 굴림 운동 253

Chapter 11 각운동량 265

11.1 벡터곱과 돌림힘 265

11.2 분석 모형: 비고립계 (각운동량) 268

11.3 회전하는 강체의 각운동량 272

11.4 분석 모형: 고립계 (각운동량) 275

11.5 자이로스코프와 팽이의 운동 278

Chapter 12 정적 평형과 탄성 287

12.1 분석 모형: 평형 상태의 강체 288

12.2 무게 중심 알아보기 289

12.3 정적 평형 상태에 있는 강체의 예 290

12.4 고체의 탄성 294

Chapter 13 만유인력 307

13.1 뉴턴의 만유인력 법칙 308

13.2 자유 낙하 가속도와 중력 310

13.3 분석 모형: 중력장 내의 입자 311

13.4 케플러의 법칙과 행성의 운동 313

13.5 중력 퍼텐셜 에너지 320

13.6 행성과 위성의 운동에서 에너지 관계 322

Chapter 14 유체 역학 333

14.1 압 력 334

14.2 깊이에 따른 압력의 변화 335

14.3 압력의 측정 339

14.4 부력과 아르키메데스의 원리 340

14.5 유체 동역학 343

14.6 베르누이 방정식 346

14.7 유체 동역학의 응용 350

part 2

진동과 역학적 파동

Chapter 15 진 동 359

15.1 용수철에 연결된 물체의 운동 360

15.2 분석 모형: 단조화 운동을 하는 입자 361

15.3 단조화 진동자의 에너지 367

15.4 단조화 운동과 등속 원운동의 비교 370

15.5 진 자 373

15.6 감쇠 진동 377

15.7 강제 진동 378

Chapter 16 파동의 운동 385

16.1 파동의 전파 386

16.2 분석 모형: 진행파 389

16.3 줄에서 파동의 속력 394

16.4 반사와 투과 396

16.5 줄에서 사인형 파동의 에너지 전달률 398

16.6 선형 파동 방정식 400

Chapter 17 음 파 407

17.1 음파에서의 압력 변화 408

17.2 음파의 속력 410

17.3 주기적인 음파의 세기 412

17.4 도플러 효과 417

Chapter 18 중첩과 정상파 429

18.1 분석 모형: 파동의 간섭 430

18.2 정상파 434

18.3 분석 모형: 경계 조건하의 파동 437

18.4 공 명 441

18.5 공기 관에서의 정상파 442

18.6 막대와 막에서의 정상파 446

18.7 맥놀이: 시간적 간섭 447

18.8 비사인형 파동 모양 449

part 3

열역학

Chapter 19 온 도 459

19.1 온도와 열역학 제0법칙 460

19.2 온도계와 섭씨 온도 눈금 461

19.3 등적 기체 온도계와 절대 온도 눈금 463

19.4 고체와 액체의 열팽창 465

19.5 이상 기체의 거시적 기술 470

Chapter 20 열역학 제1법칙 479

20.1 열과 내부 에너지 480

20.2 비열과 열량 측정법 483

20.3 숨은열 487

20.4 열역학 과정에서의 일과 열 491

20.5 열역학 제1법칙 494

20.6 열역학 제1법칙의 응용 495

20.7 열 과정에서 에너지 전달 메커니즘 498

Chapter 21 기체의 운동론 511

21.1 이상 기체의 분자 모형 512

21.2 이상 기체의 몰비열 517

21.3 에너지 등분배 521

21.4 이상 기체의 단열 과정 524

21.5 분자의 속력 분포 526

Chapter 22 열기관, 엔트로피 및 열역학 제2법칙 537

22.1 열기관과 열역학 제2법칙 538

22.2 열펌프와 냉동기 540

22.3 가역 및 비가역 과정 543

22.4 카르노 기관 544

22.5 가솔린 기관과 디젤 기관 549

22.6 엔트로피 552

22.7 열역학 계의 엔트로피 변화 555

22.8 엔트로피와 제2법칙 561

part 4

전기와 자기

Chapter 23 전기장 569

23.1 전하의 특성 570

23.2 유도에 의하여 대전된 물체 571

23.3 쿨롱의 법칙 573

23.4 분석 모형: 전기장 내의 입자 578

23.5 연속적인 전하 분포에 의한 전기장 582

23.6 전기력선 586

23.7 균일한 전기장 내에서 대전 입자의 운동 588

Chapter 24 가우스의 법칙 597

24.1 전기선속 597

24.2 가우스의 법칙 601

24.3 다양한 형태의 전하 분포에 대한

가우스 법칙의 적용 603

24.4 정전기적 평형 상태의 도체 607

Chapter 25 전 위 617

25.1 전위와 전위차 618

25.2 균일한 전기장에서의 전위차 620

25.3 점전하에 의한 전위와 위치 에너지 623

25.4 전위로부터 전기장의 계산 626

25.5 연속적인 전하 분포에 의한 전위 628

25.6 대전된 도체에 의한 전위 632

25.7 밀리컨의 기름 방울 실험 634

25.8 정전기학의 응용 636

Chapter 26 전기용량과 유전체 643

26.1 전기용량의 정의 644

26.2 전기용량의 계산 645

26.3 축전기의 연결 648

26.4 충전된 축전기에 저장된 에너지 652

26.5 유전체가 있는 축전기 656

26.6 전기장 내에서의 전기 쌍극자 660

26.7 유전체의 원자적 기술 663

Chapter 27 전류와 저항 673

27.1 전 류 674

27.2 저 항 677

27.3 전기 전도 모형 682

27.4 저항과 온도 685

27.5 초전도체 686

27.6 전 력 687

Chapter 28 직류 회로 695

28.1 기전력 695

28.2 저항기의 직렬 및 병렬 연결 698

28.3 키르히호프의 법칙 705

28.4 RC 회로 708

28.5 가정용 배선 및 전기 안전 714

Chapter 29 자기장 725

29.1 분석 모형: 자기장 내의 입자 726

29.2 균일한 자기장 내에서 대전 입자의 운동 731

29.3 자기장 내에서 대전 입자 운동의 응용 735

29.4 전류가 흐르는 도체에 작용하는 자기력 738

29.5 균일한 자기장 내에서 전류 고리가 받는 돌림힘 741

29.6 홀 효과 744

Chapter 30 자기장의 원천 753

30.1 비오-사바르 법칙 754

30.2 두 평행 도체 사이의 자기력 758

30.3 앙페르의 법칙 760

30.4 솔레노이드의 자기장 764

30.5 자기에서의 가우스 법칙 766

30.6 물질 내의 자성 768

Chapter 31 패러데이의 법칙 781

31.1 패러데이의 유도 법칙 782

31.2 운동 기전력 786

31.3 렌츠의 법칙 791

31.4 유도 기전력과 전기장 792

31.5 발전기와 전동기 794

31.6 맴돌이 전류 798

Chapter 32 유도 계수 809

32.1 자체 유도와 자체 유도 계수 810

32.2 RL 회로 812

32.3 자기장 내의 에너지 815

32.4 상호 유도 계수 818

32.5 LC 회로의 진동 819

32.6 RLC 회로 824

Chapter 33 교류 회로 831

33.1 교류 전원 831

33.2 교류 회로에서의 저항기 832

33.3 교류 회로에서의 인덕터 836

33.4 교류 회로에서의 축전기 838

33.5 RLC 직렬 회로 841

33.6 교류 회로에서의 전력 845

33.7 직렬 RLC 회로에서의 공명 847

33.8 변압기와 전력 전송 850

33.9 정류기와 여과기 852

Chapter 34 전자기파 861

34.1 변위 전류와 앙페르 법칙의 일반형 862

34.2 맥스웰 방정식과 헤르츠의 발견 864

34.3 평면 전자기파 867

34.4 전자기파가 운반하는 에너지 871

34.5 운동량과 복사압 873

34.6 안테나에서 발생하는 전자기파 875

34.7 전자기파의 스펙트럼 877

part 5

빛과 광학

Chapter 35 빛의 본질과 광선 광학의 원리 887

35.1 빛의 본질 887

35.2 빛의 속력 측정 888

35.3 광선 광학에서의 광선 근사 890

35.4 분석 모형: 반사파 891

35.5 분석 모형: 굴절파 894

35.6 하위헌스의 원리 900

35.7 분 산 902

35.8 내부 전반사 904

Chapter 36 상의 형성 913

36.1 평면 거울에 의한 상 914

36.2 구면 거울에 의한 상 915

36.3 굴절에 의한 상 923

36.4 얇은 렌즈에 의한 상 927

36.5 렌즈의 수차 936

36.6 사진기 937

36.7 눈 939

36.8 확대경 942

36.9 복합 현미경 944

36.10 망원경 945

Chapter 37 파동 광학 953

37.1 영의 이중 슬릿 실험 953

37.2 분석 모형: 파동의 간섭 956

37.3 이중 슬릿에 의한 간섭 무늬의 세기 분포 959

37.4 반사에 의한 위상 변화 962

37.5 박막에서의 간섭 963

37.6 마이컬슨 간섭계 967

Chapter 38 회절 무늬와 편광 975

38.1 회절 무늬의 소개 975

38.2 좁은 슬릿에 의한 회절 무늬 977

38.3 단일 슬릿과 원형 구멍의 분해능 981

38.4 회절 격자 985

38.5 결정에 의한 X선의 회절 990

38.6 빛의 편광 991

part 6

현대 물리학

Chapter 39 상대성 이론 1005

39.1 갈릴레이의 상대성 원리 1006

39.2 마이컬슨 - 몰리의 실험 1010

39.3 아인슈타인의 상대성 원리 1012

39.4 특수 상대성 이론의 결과 1014

39.5 로렌츠 변환식 1025

39.6 로렌츠 속도 변환식 1027

39.7 상대론적 선운동량 1030

39.8 상대론적 에너지 1032

39.9 일반 상대성 이론 1036

Chapter 40 양자 물리학 1045

40.1 흑체 복사와 플랑크의 가설 1046

40.2 광전 효과 1053

40.3 콤프턴 효과 1059

40.4 전자기파의 본질 1063

40.5 입자의 파동적 성질 1063

40.6 새 모형: 양자 입자 1067

40.7 이중 슬릿 실험 다시 보기 1070

40.8 불확정성 원리 1072

Chapter 41 양자 역학 1079

41.1 파동 함수 1079

41.2 분석 모형: 경계 조건하의 양자 입자 1084

41.3 슈뢰딩거 방정식 1089

41.4 유한한 높이의 우물에 갇힌 입자 1092

41.5 퍼텐셜 에너지 장벽의 터널링 1094

41.6 터널링의 응용 1096

41.7 단조화 진동자 1099

Chapter 42 원자 물리학 1107

42.1 기체의 원자 스펙트럼 1108

42.2 초창기 원자 모형 1111

42.3 보어의 수소 원자 모형 1112

42.4 수소 원자의 양자 모형 1118

42.5 수소에 대한 파동 함수 1121

42.6 양자수의 물리적 해석 1124

42.7 배타 원리와 주기율표 1131

42.8 원자 스펙트럼: 가시광선과 X선 1136

42.9 자발 전이와 유도 전이 1139

42.10 레이저 1141

Chapter 43 핵의 구조와 응용 1149

43.1 핵의 성질 1150

43.2 핵의 결합 에너지 1155

43.3 핵 모형 1157

43.4 방사능 1161

43.5 붕괴 과정 1165

43.6 자연 방사능 1176

43.7 핵반응 1177

43.8 핵자기 공명과 자기 공명 영상법 1178

43.9 방사선 손상 1180

43.10 방사선의 이용 1183