고등학교 [그린북 신간] 개념, 용어, 이론을 쉽게 정리한 ＜기초 물리 사전＞

[그린북]

개념, 용어, 이론을 쉽게 정리한

기초 물리 사전

오가와 신지로 지음 | 오시연 옮김 | 정광훈 감수

무선 | 376페이지 | 148X210mm | 청소년, 일반

정가 22,000원 | 2023년 5월 22일 발행 | 도서출판 그린북

국내도서>과학>기초과학/교양과학

국내도서>청소년>청소년 수학/과학

ISBN 978-89-5588-437-1 43420

중력부터 방사능까지, 한 권으로 꽉 잡는 물리의 기초

청소년, 과학 분야 스테디셀러, 그린북 과학 사전 시리즈 신간

오늘날 자연과학의 근간이 되는 물리의 필수 지식을 한 권으로 알차게 담아낸 교양 과학서가 출간되었다. 그린북 ‘과학 사전’ 시리즈의 일곱 번째 책 《개념, 용어, 이론을 쉽게 정리한 기초 물리 사전》이다. 수많은 독자의 호응을 얻으며 청소년, 과학 베스트셀러로 자리매김한 과학 사전 시리즈의 장점 그대로, 유용한 과학 지식을 체계적으로 전한다. 이 책의 집필 목적인 ‘물리학을 배워서 실제 현상에서 어떤 법칙을 배우는 것’은 단순한 과학 공부를 넘어 세상을 새로운 시각으로 바라보고 참신한 아이디어를 얻는 원천이 된다. 물리 교과서에 등장하는 개념 말고도 흥미로운 법칙과 이론들이 가득해 과학적 호기심과 궁금증을 말끔히 해소시켜 준다. 차례차례 소개되는 내용들이 꼬리에 꼬리를 물고 이어지는 구성도 흥미를 더욱 북돋는다.

이 책은 색다른 질문을 던지는 것으로 시작한다. 하늘을 나는 데 필요한 풍선의 개수, 지구를 한 바퀴 돌게 야구공을 던지는 법처럼 엉뚱한 질문부터 슈크림이 부풀어 오르는 이유나 책상에서 굴러가는 연필을 잡는 법까지 한번쯤 궁금했을 법한 사소한 생각도 물리 현상으로 알차게 풀어낸다. 물리의 기본을 다지려는 중·고등학생부터 물리의 즐거움을 다시 한번 느끼고픈 성인 독자까지 재미있게 읽을 수 있다. 또한 교사라면 수업 내용과 연계하기에도 좋다. 교과서의 참고 도서로도, 교양 과학책으로도 손색없는 물리 교양서 《기초 물리 사전》으로 즐거운 물리 공부를 시작해 보자.

물체의 힘과 운동부터 핵융합과 방사능까지, 물리 기초 상식을 한 권에!

1장 ‘여러 가지 힘과 운동’에서는 중력, 수직항력, 마찰력, 부력 등 물체에 작용하는 여러 힘을 살펴본다. 벡터와 모멘트, 힘의 합성·분해·성분, 알짜힘 등 물리 학습에 앞서 알아 두어야 할 기본 개념을 익힐 수 있다. 또한 작용 반작용 법칙, 아르키메데스의 원리와 같이 친숙한 용어를 고무줄을 늘일 때와 풍선으로 하늘을 나는 방법 등 재미있는 예를 통해 배울 수 있다.

2장 ‘물체의 운동’에서는 등속 직선 운동, 등가속도 운동, 포물선 운동 등 물체의 움직임을 설명하는 운동들을 알아본다. 예컨대 거북이와 토끼의 경주에서는 두 동물의 속도를 속도-시간 그래프로 구성하여 이동 거리를 계산하고, 속도-시간 그래프와 위치-시간 그래프의 기울기를 통해 속도와 가속도를 찾아내 결국 거북이가 토끼를 따라잡는 거리를 알 수 있다. 이는 곧 등속 직선 운동에 관한 설명으로 이어진다.

3장 ‘열과 에너지’에서는 물체의 운동을 더욱 깊이 탐구하면서 두 자동차의 충돌, 롤러코스터의 가속, 지상 39km에서의 다이빙 등 범위를 크게 넓혀 본다. 또한 이 책에서 ‘과학 세계의 화폐’라고 부른 에너지를 기준으로 다양한 운동을 살펴보고, 이를 열전도, 대류, 복사 등 열의 움직임으로도 들여다본다. 커피가 덜 식는 방법, 에어컨의 냉방 원리 등 일상의 궁금증도 해결할 수 있다.

4장 ‘반복되는 현상’에서는 등속 원운동, 단진동과 같이 물체의 반복된 움직임을 알아본다. 일정한 속도로 회전하는 운동을 일컫는 등속 원운동을 알아 두면 인공위성이 추락하지 않고 지구 주위를 도는 속도와 관람차의 높이에 따른 속도 변화를 계산해 볼 수 있다. 또한 파동의 중첩과 간섭을 통해 이어폰의 노이즈 캔슬링 기능도 이해할 수 있다.

5장 ‘파동의 특성’에서는 파동의 기본 구조를 파악하고 파동의 종류인 종파와 횡파, 그리고 소리와 빛의 원리를 배워 본다. 도플러 효과, 하위헌스의 원리, 콤프턴 효과, 영의 간섭 실험, 아인슈타인의 광양자설 등 수많은 과학자가 발견한 개념들을 소개하며 구급차의 사이렌 소리가 위치마다 다르게 들리는 이유, 고양이의 울음소리로 방 안 어디에 숨어 있는지 찾아내는 법, 물속 물고기를 제대로 잡는 방법 등 다채로운 질문을 던진다.

6장 ‘전기와 자기’에서는 정전기력, 전기장, 전기회로, 정전기유도, 로런츠 힘 등 전기 및 자기에 관한 여러 개념을 차근차근 알아본다. IC 카드가 입력되는 원리, 전기가 각 가정에 전해지는 방식과 전기요금 계산 방법 등 전기 상식을 배우는 기회가 될 것이다.

마지막으로, 7장 ‘원자핵의 구조’에서는 핵분열이나 핵융합으로 잃은 질량만큼 에너지가 방출되는 ‘질량에너지 등가 원리’를 살펴보고 무시무시한 수소폭탄과 핵무기의 원리, 그리고 방사선의 위험성을 짚어 본다.

물리학으로 현상을 이해하면 미래가 보인다

최근 스페이스X의 대형 우주선 발사는 왜 실패했을까? 세상의 수많은 일을 물리로 알아보면 더욱 재미있다. 물리는 우리 주변을 이루는 가장 기초적인 과학이자 힘, 운동, 에너지와 같이 숨어 있는 현상부터 빛, 소리, 전기와 같이 생활에서 경험하는 것까지 많은 분야를 아우른다. ‘물리학을 배워 세상을 바꾸자’고 강조한 일론 머스크의 말처럼, 물리는 미래의 모든 분야에서 혁신의 토대를 제공하고 있다.

이 책은 깊이 있는 물리 공부를 원하는 독자를 위해 운동방정식, 상태방정식, 기체상수 등으로 원리를 설명하고 끝부분에는 ‘문자식을 사용한 관계식’ 코너로 다시 한번 정리한다. 또한 주요 개념을 여러 목차를 통해 점차 확장하는 방식으로 설명함으로써 복습하듯 익힐 수 있다. 장 말미에 마련한 ‘물리의 창’ 코너에서는 앞서 다룬 내용을 저자가 겪은 일화로 흥미롭게 소개한다.

중·고등학생부터 대학생까지 다양한 사람을 대상으로 물리를 가르쳐 온 저자는 독자들이 물리에 대한 관심을 이어 나가면서 꾸준히 배울 수 있도록 많은 노력을 기울였다. 가령 슈크림이 부풀어 오르는 이유를 설명할 때 등장한 보일-샤를의 법칙은 곧이어 등장하는 열역학 제1법칙을 이해하는 바탕이 된다. 이처럼 이 책을 통해 학생이라면 교과서 밖의 내용으로 생각의 폭을 넓히고, 어른이라면 학교에서 배운 물리학을 깊이 탐구해 볼 수 있다. 고도의 과학 발전으로 물리학의 중요성이 더욱 커지는 요즘, ‘개념, 용어, 이론을 쉽게 정리한’ 《기초 물리 사전》은 물리를 제대로 이해하고 응용하는 데 도움을 줄 것이다.

•••추천사

톡톡 튀는 질문에 숨어 있는 물리 현상을 쉽고 즐겁게 탐구해 보자

우리 주변에는 평소 깊이 있게 인식하지 못하지만 다양한 물리 현상이 존재하고 있다. 이 책은 우리가 꼭 알아야 할 물리 기초 지식을 물리 교과서와 연관시켜 풍성하게 소개한다. 중력부터 파동, 전기, 원자핵까지 익숙한 내용을 일반적인 관점에서 자세히 짚어 주기도 하고, 새로운 관점에서 신선하게 풀어내기도 한다. 또한 수식을 통해 여러 가지 법칙과 공식을 정확히 알려 주고자 노력한 점도 인상적이다. 덕분에 물리학을 배우는 학생부터 물리학에 관심 있는 일반인까지 즐겁게 정독할 수 있다. 특히 교사 입장에서는 수업 시간에 교과 내용과 연계하여 실생활의 경험을 과학적으로 설명하기에 좋은 재미있고 흥미로운 사례가 많다. 이 책을 통해 생활 속에서 경험하는 물리 현상을 이해하고, 이에 대한 궁금증을 해결할 수 있을 것이다. _정광훈(물리학자, 국립과천과학관 연구관)

•••차례

지은이의 말

제1장 여러 가지 힘과 운동

1-1 가마를 멘 사람 중 누가 더 힘들까?

- 중력과 무게중심, 벡터의 평형과 모멘트의 평형

1-2 아이는 엄마를 도울 수 있을까?

- 방향이 다른 두 힘의 알짜힘, 힘의 합성·분해·성분

1-3 책장을 쓰러뜨리지 않고 옮길 수 있을까?

- 강체에 작용하는 힘의 평형, 수직항력, 마찰력

1-4 고무줄은 얼마나 늘이면 끊어질까?

- 탄성과 훅의 법칙, 작용 반작용 법칙

1-5 풍선으로 하늘을 날 수 있을까?

- 부력과 아르키메데스의 원리, 기체 또는 액체의 압력

1-6 어떤 힘이 작용하고 있을까?

제2장 물체의 운동

2-1 거북이는 토끼를 이길 수 있을까?

- 위치 변화량과 속도, 속도 변화량과 가속도, 등속 직선 운동

2-2 우주에서 수송선의 속도는 얼마일까?

- 상대속도, 등속 직선 운동, 등가속도 운동, 관성 좌표계

2-3 보트의 속도는 어느 정도일까?

- 벡터 합성과 분해, 속도와 속력

2-4 유지방 입자는 왜 움직일까?

- 브라운 운동, 가속도 법칙, 관성 법칙

2-5 굴러가는 연필을 어떻게 잡을 수 있을까?

- 뉴턴 운동 제3법칙, 운동방정식

2-6 가방은 왜 움직이기 시작했을까?

- 관성력, 관성, 관성 좌표계와 가속 좌표계

2-7 공 던지기 시합에서 이길 수 있을까?

- 낙하운동, 포물선 운동, 자유낙하, 중력가속도

2-8 무거운 물체가 더 빨리 떨어질까?

- 운동방정식의 응용, 공기 저항, 종단 속도

2-9 어느 상자가 더 쉽게 찌그러질까?

- 운동방정식의 응용, 작용 반작용 법칙

제3장 열과 에너지

3-1 빠른 공이 더 잘 날아갈까?

- 운동량, 충격량

3-2 추돌 전 속도를 추측할 수 있을까?

- 운동량 보존 법칙, 무게중심의 위치

3-3 차체가 딴딴하면 충돌 후 움직임도 달라질까?

- 일과 에너지, 운동에너지, 비탄성충돌과 탄성충돌, 에너지 손실, 반발계수

3-4 롤러코스터는 얼마나 가속할까?

- 퍼텐셜 에너지, 역학적 에너지 보존, 일과 일률

3-5 지상 39km에서 다이빙하면 어떤 일이 일어날까?

- 만유인력, 역학적 에너지 보존 법칙, 제2우주속도

3-6 커피를 식지 않게 하려면 어떻게 해야 할까?

- 열과 온도, 열에너지, 비열과 열용량, 열전도와 단열, 대류와 복사

3-7 슈크림은 왜 부풀어 오를까?

- 이상기체 상태방정식, 절대온도, 물질량, 표준상태

3-8 공기를 주입하면 타이어의 온도가 변할까?

- 열역학 제1법칙, 기체상수, 볼츠만상수, 단열압축, 내부에너지

3-9 에어컨은 어떻게 방을 시원하게 할까?

- 열펌프, 등온변화, 단열변화, 단열압축, 열기관의 열효율

•물리의 창_따뜻한 집의 비밀

제4장 반복되는 현상

4-1 지구를 한 바퀴 도는 직구를 던질 수 있을까?

- 등속 원운동의 속도·각속도·구심가속도·구심력·주기, 제1우주속도

4-2 인공위성에 중력이 있을까?

- 관성력, 원심력

4-3 관람차의 높이는 어떻게 변화할까?

- 단진동의 변위·속도·가속도·위상·각진동수

4-4 어떤 운동이 단순한 반복 운동일까?

- 진자의 주기, 복원력

4-5 소리는 어떻게 구별할까?

- 가청음, 맥놀이 현상, 파동의 중첩과 간섭

•물리의 창_갈릴레오의 손가락

제5장 파동의 특성

5-1 보이기 전에 들을 수 있을까?

- 파동의 전달 속도, 종파와 횡파, 파면과 파장, 파원과 매질, 자연광과 편광

5-2 원래 소리와 똑같이 들을 수 있을까?

- 도플러 효과, 파동의 속도, 진동수, 파장

5-3 고양이는 어디에 숨어 있을까?

- 파동의 회절·산란·반사, 반사의 법칙과 허상, 하위헌스의 원리

5-4 물고기를 잘 잡으려면 어떻게 해야 할까?

- 굴절의 법칙, 전반사의 임계각과 굴절률, 빛의 분산

5-5 노안과 원시의 차이는 무엇일까?

- 볼록렌즈, 오목렌즈, 초점거리, 실상, 허상

5-6 귓구멍은 얼마나 깊을까?

- 정상파, 진행파, 고유 진동수, 공명, 자유단 반사·고정단 반사

5-7 빛이 파동이라는 증거는 무엇일까?

- 빛의 회절과 간섭, 영의 간섭 실험, 회절격자, 브래그 조건

5-8 빛이 약해지는 데는 한계가 있을까?

- 광양자설, 광전효과, 콤프턴 효과, 파동과 입자의 이중성, 플랑크상수, 전자의 파동성, 물질파

•물리의 창_그림에 나타난 과학적 기법

제6장 전기와 자기

6-1 번개는 떨어질까, 올라갈까?

- 정전기유도, 기본전하량, 정전기력과 전기장·전위, 가우스 법칙, 쿨롱 법칙

6-2 전지에는 무엇이 저장되어 있을까?

- 전기회로, 키르히호프의 법칙, 전압강하, 줄열, 소비 전력, 전기저항, 옴의 법칙, 자유전자 모형

6-3 터치스크린은 어떻게 작동할까?

- 축전기, 정전기유도, 정전기차폐, 유전체, 유전분극

6-4 나침반 없이 어떻게 방향을 알 수 있을까?

- 자기장, 지구자기, 자기선속밀도, 로런츠 힘, 홀 효과, 모터, 전류를 만드는 자기장, 투자율

6-5 IC 카드의 전원은 어디에 있을까?

- 전자기유도, 자기유도·상호유도, 렌츠 법칙, 패러데이 법칙, 유도기전력, 맴돌이 전류

6-6 전기요금은 어떻게 계산할까?

- 교류 발생과 주파수, 변압기, 교류회로의 성질, 전자기파 발생, 반도체, 다이오드

•물리의 창_카프리섬의 푸른 동굴

제7장 원자핵의 구조

7-1 원자를 처음 본 사람은 누구일까?

- 원자 구조, 동위원소, 에너지 준위, 방출 스펙트럼·흡수 스펙트럼, 고유 X선

7-2 원자핵에서 에너지를 얼마나 추출할 수 있을까?

- 질량 에너지 등가 원리, 질량결손, 핵분열, 핵융합, 결합에너지, 전자볼트

7-3 방사선으로부터 몸을 보호할 수 있을까?

- 방사성 동위원소, 방사능, 방사선, 반감기, 방사성 붕괴, 이온화 작용

•물리의 창_올바른 핵에너지 이용

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•••작가 소개

지은이 오가와 신지로

일본 와세다대학교 이공학부에서 고분자물리학을 전공하고 이학석사를 취득했다. 현재 와세다대학 고등학원에서 중·고등학생에게 물리를 가르치며, 저녁에는 이과 교원을 목표로 하는 대학생 대상으로 이과 수업에 관한 강의를 이어 오고 있다. 학창 시절 알 덴테로 삶은 파스타의 내부구조를 산란 X선을 이용해 연구했고, 최근에는 이탈리아에서 르네상스 시대의 회화 기법과 광학 관계를 연구했다. 이처럼 요리, 스포츠, 예술 분야의 물리 현상을 오랫동안 연구하며 물리 공부의 즐거움을 알리고 있다.

옮긴이 오시연

동국대학교 회계학과를 졸업했으며 일본 외국어전문학교 일한통역과를 수료했다. 번역 에이전시 엔터스코리아에서 출판기획 및 일본어 전문 번역가로 활동하고 있다. 옮긴 책으로는 《인체 구조 교과서》 《만화로 아주 쉽게 배우는 통계학》 《세상을 놀라게 한 미생물과 감염병 이야기》 《바이오 사이언스 2025》 《조용한 공포로 다가온 바이러스》 등이 있다.

감수 정광훈

물리학 박사로 국립과천과학관에서 연구관으로 재직 중이다. 부산대 물리학과를 졸업했고 동 대학에서 통계물리학 석사학위와 전산단백질·생물물리학 박사학위를 취득했다. 2007년 과학기술부에 입사했으며, 현재는 국립과천과학관에서 기초과학 분야 전시 및 프로그램 개발을 총괄하고 Sci-POP(과학원리 체험 콘텐츠)의 개발과 보급에 힘쓰고 있다.

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