물리의 완성: 파동편(반양장)

'物理'에서 '물리'로….

이제 누구나 쉽게 물리를 이해할 때가 왔다!

'물리 알레르기를 고치고 싶은 사람'과 '

물리를 싫어하는 성인'이라도 이해할 수 있다!

그중 물리의 양대 산맥 파동을 만나보자.



아직도 '물리'를 어렵다고 생각하는 사람이 있나요?

저자는 중학생에서 고등학생까지 여학생들에게 물리를 가르치면서 물리라는 말만 나와도 '난 못해'라고 지레 포기하는 학생들을 많이 보게 된다. 그런데 사실 물리는 간단하면서도 우리 생활에서 흔히 볼 수 있는 재미있는 학문이므로 흥미를 갖게만 한다면 얼마든지 좋은 성적뿐만 아니라 물리에 대한 재미를 가질 수 있을 것이라고 생각했다. 그래서 다양한 방법으로 학생들을 가르치며 얻게 된 경험을 토대로 '물리 알레르기를 고치고 싶은 사람'과 '물리를 싫어하는 성인'이라도 이해할 수 있도록 물리의 완성 파동편을 쓰게 되었다.

물리의 양대 산맥 중 하나인 파동이 어려운 이유는 형체가 정확하지 않은 파동이 움직인다는 데 있다. 파동은 머릿속으로 움직임을 '상상'하는 것이 역학보다 더 중요하다. '파동'이라는 말을 들으면 어떤 이미지가 떠오르는가? 대부분의 사람들은 바다의 파도를 떠올릴 것이다. 하지만 파동의 성질을 가진 현상은 우리 주변에 얼마든지 숨어 있다.

예를 들어 구급차가 지나갈 때 소리가 커지거나 작아지는 일들을 경험해 봤을 것이다. 또 비눗물에 색깔을 넣지 않았는데도 공중에 날리면 비눗방울은 반짝반짝 무지개 색깔로 빛난다. 이것은 소리나 빛이 '파동의 성질'을 갖고 있기 때문이다. 우리는 저도 모르는 사이에 이런 파동을 이용해서 생활하고 있다. 예를 들어 휴대전화는 전자파라는 파동을 이용하는 것이고, 돋보기는 파동의 성질을 이용해서 빛을 모으는 것이며, 지진의 발생을 알리는 지진 속보는 종파와 횡파라는 파동의 두 가지 특징을 이용한 것이다.

이처럼 우리의 생활과 밀접하게 연관된 파동이지만, 막상 공부하다 보면 많은 학생들이 그 난해함에 머리를 쥐어 싸매게 된다. 제법 물리에 흥미를 느꼈던 학생들 중에서도 이 파동 때문에 고민하는 경우를 많이 보았다.

파동이 어려운 이유는 파동의 애매한 형태가 시간의 경과에 따라 움직이는데다 sin과 cos 등의 삼각함수까지 등장하기 때문이다. 그래서 이 책에는 그런 파동을 상상할 수 있도록 실제 수업에서 사용 중인 재미있는 일러스트와 그림, 도표를 많이 넣어 설명하고 있다. 주변에서 흔히 볼 수 있는 예들을 통해 설명한 만큼 파동에 빠져 허우적대는 학생과 어른들에게 좋은 길잡이가 되어줄 것이다.

조례------------



물리를 못하는 두 부류의 타입 12

주변에서 볼 수 있는 파동 13

이 책의 특징 14





1교시------------



파동을 나타내는 방법과 다섯 가지 성질 17



들어가며 18

파동이란 무엇인가? 18

파동을 나타내는 2개의 그래프( 그래프? 그래프) 22

파동을 나타내는 기호 24

진동수란? 25

가장 중요한 파동의 공식 27

두 종류의 파동 29

종파를 횡파로 나타내자 34

종파의 1·2·3 36

파동의 다섯 가지 성질 39

파동의 성질①원형파 40

파동의 성질②반사 44

파동의 성질③굴절 48

파동의 성질④간섭 50

파동의 성질⑤반사+간섭=정상파 52

정리 57

종파와 정상파 59

1교시 정리 64





2교시------------



악기의 구조 현과 기주의 진동 67



들어가며 68

파동의 정체 69

소리의 속도 70

소리의 고저 71

소리의 크기 72

현의 진동과 정상파 73

현에 전해지는 파동의 파장 75

현에 전해지는 파동의 속도 75

f와 L은 반비례 77

f와 L은 비례 77

f와 는 반비례 78

진동 패턴과 진동수 78

기주의 진동 82

개관 82

개관의 진동 패턴과 소리의 고저 84

폐관 87

폐관의 진동 패턴과 소리의 고저 89

개구단 보정 91

현과 기주 92

2교시 정리 101





3교시------------



구급차 소리의 비밀 도플러 효과 103



들어가며 104

수면파가 퍼지는 방식 105

소리가 퍼지는 방법 106

음원이 움직이면 어떻게 될까? 108

도플러 효과가 일어나는 이유 109

도플러 효과를 식으로 나타내자 111

음원이 정지해 있는 경우의 음파의 파장 112

A음원이 다가오는 경우 113

B음원이 멀어지는 경우 115

도플러 효과는 관측자가 움직여도 일어난다 117

C관측자가 음원으로 다가가는 경우 118

D관측자가 음원에서 멀어지는 경우 120

구급차와 관측자가 모두 움직이는 경우 123

음원과 관측자가 서로 다가가는 경우 123

음원과 관측자가 서로 멀어지는 경우 125

도플러 효과 19782·3 127

도플러 효과의 응용 편 132

벽이 있는 경우 132

맥놀이 136

경사에서 음원이 다가오는 경우 138

바람이 부는 경우 140

도플러 효과 ① 142

도플러 효과 ② 146

3교시 정리 150





4교시------------



반짝반짝 빛나는 빛의 간섭 151



들어가며 152

빛의 기초 지식 152

빛도 느려진다!? 굴절률은 감소율 154

빛의 반사 156

빛의 굴절 158

굴절 공식 160

빛은 입자인가? 파동인가? 161

2차원의 간섭 163

빛은 파동의 성질을 갖고 있다 167

등산으로 알 수 있는 보강간섭 공식 168

은 왜 보강간섭하는가? 169

는 왜 보강간섭하는가? 171

는 왜 보강간섭하는가? 172

등산경로와 보강간섭의 조건식 173

보강간섭의 조건과 정수 의 관계 175

등산으로 이해하는 상쇄간섭의 공식 176

는 왜 상쇄간섭하는가? 177

는 왜 상쇄간섭하는가? 178

등산경로와 상쇄간섭의 조건 179

상쇄간섭의 조건과 정수 의 관계 180

영의 실험 181

영의 실험과 경로차 182

경로차의 이용 방법 186

다섯 가지 경로차 189

회절격자 191

회절격자의 경로차 192

박막간섭 194

박막의 경로차 195

광로차 198

빛의 자유단 반사와 고정단 반사 200

이미지로 익히는 자유와 고정 203

박막간섭 205

박막간섭의 조건식이 나타내는 것 209

간섭 조건식을 만드는 방법 1?2?3 209

쐐기형 간섭 210

뉴턴 링 214

[응용] 뉴턴 링을 밑에서 관측하면 조건은 어떻게 될까? 220

회절격자 222

영의 실험 225

쐐기형 간섭 230

4교시 정리 237





보충수업------------



0부터 시작하는 파동 식 만드는 방법 239



들어가며 240

사인·코사인이란? 240

사인·코사인과 파동의 관계 242

각도와 라디안 246

파동의 네 가지 유형 247

그래프와 파수 247

그래프와 각속도 249

움직이는 파동 식을 만드는 방법 251

파동 식의 의미 258

파동 식의 1·2·3 259

파동 식의 변형 263

'2의 식' 유도 264

'2의 식'의 사용 방법 265

파동 식 267

보충수업 정리 273





종례 274



숙제· 종합문제· 부록 277



숙제·종합문제 278

숙제·해답편 284

부록①전반사 294

부록②=의 수수께끼 295

부록③반사파의 파동 식 296

부록④파동 분야의 공식 304

부록⑤물리의 완성 1·2·3 306



후기 310

감사의 말씀 311

찾아보기 312

참고도서 315

켄 쿠와코 저자 켄 쿠와코는 1981년생. 도쿄가쿠게이대학교 졸업, 츠쿠바대학원 수료. 첫 근무지인 여고에서 "몰라요!" 합창에 고민에 고민을 거듭하는 나날을 보냈다. 그리고 교사 측에 원인이 있다는 것을 깨닫고 iPod를 이용한 영상교재 3스텝 해법 등의 교육법을 개발, 수업에 도입했다. 그 결과 새롭게 태어난 유니크한 수업은 학생들에게 자신감을 심어 주었다. 또 물리 교육 환경을 새롭게 디자인할 목적으로 교외학습을 기획하고 있으며, 학생과 만드는 그림책 제작 등에도 힘쓰고 있다. 현재 중·고교 물리교사로 재직 중이다. 저서로는《물리의 완성 STEP 1·2·3-역학편》이 있으며 Kuwako-Lab.com을 운영 중이다.