이런 물리라면 포기하지 않을 텐데(지식이 터진다! 포텐 시리즈)

기호와 공식에 가려진 물리의 본질이 보인다!
꽉 막힌 공부머리를 시원하게 뚫어주는 물리학 수업

물리학은 중고등학생에게는 물론, 대학에서도 가장 어렵고 딱딱한 과목으로 악명이 높다. 그러나 물리학은 사실 그 어떤 학문보다도 단순하고 뻔한 학문이다. 물리학의 본질인 물리 언어와, 이를 표현하는 약간의 도구만 익히면 모든 물리 개념을 쉽게 익히고 자유자재로 활용할 수 있다. 뭔가 복잡해 보이는 것들을 일일이 외우거나 대입하지 않더라도 우주를 관통하는 수많은 물리 법칙들을 이해할 수 있는 것이다.
오랫동안 암기 위주의 주입식 학교 교육은 거센 비판을 받아왔다. 영어나 수학은 시대의 변화에 맞춰 조금씩 변화와 발전의 기미가 보이는 반면, 물리만은 여전히 공식을 암기하고 대입해 문제를 풀어내는 것이 당연한 과목처럼 여겨지고 있다. 그러나 뉴턴과 아인슈타인, 슈뢰딩거도 과연 물리학을 이렇게 공부했을까? 그들은 분명 물리를 이런 식으로 공부하지 않았을 것이다.
아무리 외워도 이해되지 않는 복잡한 내용을 억지로 머리에 욱여넣는 대신, 어렵고 번거로운 공식들 속에 숨은 물리학의 본질에 곧바로 다가가보자. 흥미진진한 사례와 문제로 고급 수학 개념과 그래프 없이 물리의 핵심 개념을 사칙연산으로만 쉽게 풀어준다. 친절하게 설명한 물리의 본질을 천천히 소화하다 보면, 처음 보는 물리 개념을 만나도 당황하지 않고 멋지게 응용할 수 있는 진정한 물리 고수로 거듭날 것이다.

논리를 무기로 어려운 물리학 개념을 쉽게 분석한다!
시공간과 차원을 넘나드는 복잡한 문제도 간단히 해결!

학교에서 물리를 배웠던 사람이라면 많은 도르래와 복잡하게 엉킨 줄이 등장하거나, 실로 연결된 여러 상자들을 끌거나, 특정 각도로 던진 공의 포물선 운동을 분석하는 등 그림에서부터 숨이 턱 막히는 물리 문제들을 본 적이 있을 것이다. 그러나 이 역시 결국에는 가장 단순한 개념들을 모아놓은 것에 지나지 않으므로 차근차근 실뭉치를 풀다 보면 간단하게 해결할 수 있다.
이 중 도르래 문제를 해결하는 데 필요한 핵심 개념은 '일은 물체에 들이는 힘과 물체가 움직이는 거리에 비례한다.(W=Fs)'라는 간단한 식이 전부다. 세상의 모든 일은 힘을 더 들이는 대신 물체가 움직이는 거리를 짧게 하거나, 힘을 덜 들이고 물체가 움직이는 거리를 길게 하거나 둘 중 하나에 속한다. 물체를 끌어올리는 도르래 역시 줄을 이용해 물체가 움직이는 거리를 길게 하면서 들이는 힘을 길어진 거리만큼만 줄이는 도구일 뿐이다. 이 핵심 개념만 잊지 않으면 도르래 문제는 초등학교 수준의 사칙연산 문제가 된다. 예를 들어 물체에 줄이 6개 연결되어 있다면, 내가 물체 무게의 6분의 1만 잡아당겨도 물체를 들어 올릴 수 있는 것이다. 도르래 구조가 아무리 복잡하더라도 줄이 천장에 몇 개 연결되어 있는지만 파악하면, 그다음부터는 줄 개수로 나누기만 하면 내가 당기는 힘의 크기를 구할 수 있다.
사실 물체의 모든 운동은 뉴턴의 3가지 운동 법칙 안에서 이루어진다. 세 가지 법칙만 제대로 이해하면 우주에 존재하는 모든 움직임을 설명할 수 있다는 뜻이다. 단, 문제에서는 이처럼 뻔한 물리학 내용을 의도적으로 복잡하게 조작한다. 그러나 그 실체 역시 가장 단순한 것에서부터 출발한다는 사실만 알고 있다면, 어떤 물리 문제를 만나도 쉽게 해결할 수 있다.

바로 써먹을 수 있는 물리학 표현과 기술을 쉽게 익힌다!
알고 보면 세상 쉽고 단순한 물리학 법칙과 원리

고대 그리스에서 21세기인 현재까지, 수많은 물리학자들이 자연 현상을 분석하며 알아낸 단 하나의 사실은 '처음부터 복잡한 일은 없다.'라는 것이다. 복잡함이란 곧 단순함의 집합일 뿐이다. 사람들은 고르기아스의 매듭을 단칼에 잘라낸 알렉산더 대왕처럼 복잡하게 엉킨 개념들을 단번에 풀어내는 묘안을 알고 싶어 한다. 그러나 그런 묘안이 존재할 수 없는 이유는, 복잡한 개념 역시 가장 단순한 여러 개념을 모아 정리한 것에 불과하기 때문이다. 물리학은 천재들만 할 수 있는 분야라는 인식이 있다. 머리가 엄청나게 비상하거나 획기적인 아이디어를 가지고 있어야 도전할 수 있다는 말도 들리곤 한다. 그러나 오히려 물리 문제들은 가장 쉬운 방법을 여러 번 단순 반복하는 과정이 전부다. 즉 물리학은 그 어느 분야보다도 누구에게나 활짝 열려 있는 과목인 것이다.
물리학의 표현 역시 마찬가지다. 물리 기호들을 얼핏 보면 아는 사람들끼리만 이해할 수 있도록 어렵게 꼬아서 심술을 부린 것처럼 보인다. 그러나 막상 그 뜻을 알고 보면 일반적인 말과 글보다 훨씬 직관적이며 이해하기 쉽다. α, β, μ, ∑, ?, ∞, cos, sin, tan 등 외계어 같은 기호들은 물리를 공부하려는 사람들의 앞길을 막아서는 험상궂은 문지기가 아니다. 오히려 더욱 편하고 빠르게 물리의 본질에 다가설 수 있도록 만들어주는 물리학의 언어다. 마치 한글이나 영어를 공부하는 것처럼, 이 물리 언어들을 단 10분 만에 모두 배워 자유자재로 활용할 수 있다면 누구나 거짓말이라며 고개를 저을 것이다. 그러나 물리학의 언어와 표현은 여러분이 생각하는 것만큼 결코 어렵지 않다.
길고 어려운 수식으로 복잡하게 쓰인 물리학 법칙과 이론 역시 누구나 새롭게 자신만의 공식을 만들어낼 수 있을 만큼 간단하다. 알고 보면 '이렇게 쉬운데, 그동안 왜 애를 먹었을까?'라고 생각할 정도로 허무할 것이다. 고급 단계의 수학과 그래프를 사용하지 않는 초등학교 수준의 수학만으로도 물리학의 핵심 법칙과 이론들을 모두 이해하고 설명할 수 있다.

들어가며

1장 물리학자의 생각 속으로
말과 글보다 쉬운 물리학의 표현_양, 숫자, 물리량
숫자를 줄이는 물리학의 기술_단위
기원전의 물리학은 어땠을까?_에라토스테네스의 지구 둘레 구하기 ①
기원전의 물리학 아이디어 살펴보기_에라토스테네스의 지구 둘레 구하기 ②
누구에게나 활짝 열린 물리학_물리 공식 직접 만들기
공식 만들기 원리_속력, 거리, 시간
이론 만들기 원리_사고 실험
물리학 이론의 논리적 진화_아리스토텔레스에서 갈릴레이로

2장 물리학의 성격과 도구
물리학의 세 가지 성격_변화, 결과, 분석
분석에 사용되는 편리한 도구 ①_평균
분석에 사용되는 편리한 도구 ②_삼각함수
[쉬어가기] 물리를 잘하려면 수학을 잘해야 한다?

3장 뉴턴이 세운 물리학의 기둥: 운동 3법칙
숨은 힘의 정체를 찾아낸다_관성 법칙
움직임의 미래를 예측한다_가속도 법칙
뉴턴의 운동 법칙 중간 연습_등가속도 운동 공식 만들기
힘이 작동하는 방식을 밝혀낸다_작용-반작용 법칙
물리 고수로 향하는 첫걸음_뉴턴의 운동 3법칙 혼합 적용
[쉬어가기] 인간 아이작 뉴턴

4장 F=ma의 주인공, 힘의 여러 가지 모습
태어나서 죽을 때까지 받는 힘_중력
중력의 효과는 얼마나 될까?_중력가속도
중력과 꼭 닮은 또 다른 힘_전기력
수직으로 맞서는 힘_수직항력
수평으로 맞서는 힘_마찰력
팽팽한 줄에 걸리는 힘_장력
나 다시 돌아갈래_탄성력
[쉬어가기] '단, OOO은 무시한다.'라는 문구가 중요한 이유

5장 어려운 물리 쉽게 이해하기: 물리 문제 해결 실전
모든 물리 문제의 출발점_비례와 반비례 관계
비례와 반비례 관계의 확장 적용_원인과 결과의 구분
코끼리와 개미가 동시에 떨어진다면?_사고 실험의 증명
2차원 운동을 1차원으로_밀기와 끌기
새로운 문제 해결 아이디어_상대 속도 ①
전지적 작가 시점을 탈피하라_상대 속도 ②
[쉬어가기] 우려먹기가 심한 물리학과 양자 역학

6장 2차원 운동 분석하기
애매하게 던지면 어떻게 할래?_포물선 운동 ①
애매하게 던지면 이렇게 할래!_포물선 운동 ②
2차원 운동=1차원 운동+1차원 운동_수평 운동+수직 운동
던진 각도에 따라 분석하기_포물체 운동 경로 분석 ①
던진 속도에 따라 분석하기_포물체 운동 경로 분석 ②
높이 H인 곳에서 던진다면?_수평으로 던진 물체의 운동
[쉬어가기] 영원히 떨어지는 인공위성

7장 시간의 물리학
시간의 물리학_운동량과 충격량 ①
주고받는 충격량이 항상 똑같은 이유_운동량과 충격량 ②
시간 늘리기의 두 가지 이면_작은 충격력과 큰 충격력
운동량이 사라지지 않아_운동량 보존 법칙
[쉬어가기] 이미 일상에 깊게 파고든 물리

8장 공간의 물리학
공간의 물리학_일과 에너지
일의 원리와 도구 ①_지레와 빗면
일의 원리와 도구 ②_도르래
일과 운동의 관계는?_운동에너지
시간과 공간의 연결 고리_속도
특별한 힘에 일을 해서 저장한 에너지_퍼텐셜 에너지
지구와 물체 사이의 보이지 않는 용수철_중력 퍼텐셜 에너지
세상에 공짜는 없다_에너지 보존
[쉬어가기] 우리가 물리학을 공부해야 하는 이유(feat. 광고에 속지 마세요)

마치며
참고 문헌

이광조 오로지 물리학이라는 학문이 지닌 매력에 이끌려 물리학과에 진학했지만, 암기 위주의 획일적이고 권위적인 물리 교육에 회의감을 느꼈다. 물리의 본질은 무엇인지 스스로에게 끊임없이 질문하며, 그 본질에 보다 가까이 다가가고자 몰입하다 보니 어느새 나만의 방식으로 물리를 해석할 수 있게 되었다. 소개팅에 나간 물리학과 학생들이 상대방에게 "학교 다닐 때 물리를 가장 싫어했어요."라는 말을 듣지 않는 날이 올 때까지, 물리 교육의 변화를 위해 노력하리라 다짐한다. 지은 책으로는 《EBS 수능 개념 광쌤의 물리 플렉스》 《물리 개념 끝장내기》 《금성 교과서 물리 자습서》 《EBS 지식탐험 링크》(공저)가 있다.

· 제43회 과학의 날 교육감 표창
· 중부교육지원청 수업명인선발대회 수업명인 교육장 표창
· 전 서울특별시교육지원청 과학 수업동영상제작 우수 수업 연구 교사
· 전 강남·성동·서부·중부교육지원청 영재교육원 지도 강사
· 전 EBS 중학 과학 강사
· 현 천재교과서 밀크T 통합과학, 물리학 강사
· 현 EBSi 수능 과학탐구 물리학 강사
· 현 서울 대경중학교 교사