한눈에 사로잡는 물리: 고전역학 시공간(빛나는 지단쌤 임대환의)(대반전을 위한 17세의 교과서)

고등학교 물리 수업이 난항을 거듭 중이다. 교과서는 더 이상 기본적인 개념을 가르치고 배우는 교재가 아니다. 초등학교부터 중학교에 이르기까지 학교 수업과 병행하여 사교육을 꾸준히 받은 학생들만 내용을 이해하게끔 짜인 까닭이다. 교과서를 기본서로 두고 다른 책들을 참고하여 깊이 있는 공부를 하려고 마음먹지 않는 한 교과서 한 권으로 학교 수업을 진행하기엔 어려움이 따른다. 개념들이 개별적으로 제시되는데다가 연결 고리들이 미약하여 어느 한 분야를 제대로 이해하지 못하면 수업을 진행하기 어려운 실정이다. 뿐만 아니다. 통합과 통섭을 강조하는 학계의 분위기가 강단에 선 교사들에게는 지고 가기 버거운 십자가가 되어버렸다. 더구나 2013년 수능 과학탐구의 물리 영역에서는 '양자물리'가 출제되는데 정작 학교 현장은 수업시간 부족으로 불가피하게 주입식 교육을 해야 할 판이다(2013. 4월 29일자 H신문). 『빛나는 지단쌤 임대환의 한눈에 사로잡는 물리』는 이처럼 답답함과 안타까움으로 가득한 학교 현장의 문제를 해결하는 데 도움을 주기 위해 쓴 책이다. 저자는 "학생들이 교과서에 나오는 개념들을 이해하기 어려운 것은 '실종된 맥락' 때문이다"고 말한다. 개념과 개념 사이를 짚어주는 맥락을 충분히 이해한다면 과학 공부 역시 재미있고 흥미진진하게 할 수 있다는 것이 저자의 신념이다. 따라서 저자는 교과서에 등장하는 여러 가지 물리 개념들이 탄생하는 원동력으로 작용한 구구절절한 사연들을 하나씩 들추어낸다. 그러면서 물리학의 역사라고 할 수 있는 맥락을 짚어준다. 조금 더 정확하게 말하면 '물리학자들의 역사'를 말이다. 저자 임대환 선생은 현재 파주 문산고등학교 교사로서 인천 과학사랑 교사모임, 고양시 과학사랑 교사모임에서 '즐거운 배움, 행복한 나눔'을 몸소 실천하려고 노력 중인 베테랑 물리 교사다. 그의 열정에 고무된 학생들은 수능 성적 올리기에 전혀 도움이 되지 않는 '물리II'를 선택함으로써 저자에게 감동을 선물하기도 했다. 『빛나는 지단쌤 임대환의 한눈에 사로잡는 물리』는 '물리의 쓰임새를 찾아 어렵고 딱딱한 과목이라는 편견을 조금이나마 해소하려고' 노력하는 대한민국 최고 물리 교사의 열정과 사랑이 담긴 책인 동시에 교사와 학생들의 주고받음이 고스란히 담긴 멋진 물리 교과서이다. 물리를 처음 접하는 학생들은 물론 과학 논술을 준비하는 학생들, 그리고 서술ㆍ논술형 평가에 대비하는 학생들, 뿐만 아니라 중학교에서 물리 단원을 가르치지만 물리학을 전공하지 않은 선생님들, 그리고 물리에 관심이 있는 일반인들에게도 강력히 추천한다.



물리 공부가 달라졌어요!

이제까지 학생들은 토막 난 물리를 공부했다. 학교 시험과 수능 시험에서도 학생들이 '물리'를 얼마나 제대로 이해하고 있는지를 주요하게 다루지 않았다. 그저 토막토막 잘 정리된 물리 개념과 공식들을 사용해서 문제지 속에서만 존재하는 상황에 이것들을 잘 적용하면 공부를 잘하는 학생이라고 평가했을 뿐이다. 따라서 물리의 역사라든지 물리학적 발견에 대한 의의, 가치 평가 등도 제대로 이루어지지 않았다. 학교 수업 현장에서도 크게 다를 바 없다. 선생님들 역시 물리 개념의 바탕에 깔려 있는 흥미로운 이야기는 싹 걷어내고 토막 난 개념과 공식들만 강조하면서 학생들이 성적 올리기에 몰입했다. 그러다 보니 물리는 언제인가부터 '딱딱하고 어려운 과목'이 되어버렸다. 게다가 점수도 잘 나오지 않는 바람에 물리를 선택하는 아이들은 거의 외계인 취급을 당하는 실정이다. 하지만 요즈음 학교 공부를 둘러싼 환경들이 많이 바뀌면서 수능시험의 과탐 문제 잘 풀고 물리 올림피아드 문제 잘 푸는 것만이 물리 공부를 잘 하는 것으로 인식하던 시절도 종말을 고하고 있다. 2013년부터 서술형ㆍ논술형 평가가 큰 비중으로 학생부 교과 성적에 포함되기 시작했고, 학교 평가에서도 지필시험의 비중은 감소하고 수행평가와 서술형 논술형 평가의 비중이 증가하는 추세이다. 따라서 물리 공부 역시 개념을 달달 외우고 문제 푸는 데 집중하는 방식에서 벗어나게 되었다. 정리된 개념, 문자화ㆍ공식화된 개념 외우기보다는 그 사이에 감춰진 맥락을 찾고 배경과 역사를 이해하는 데 방점을 찍어야 한다는 목소리가 점점 높아지고 있는 실정이다.



사라진 맥락을 찾아라!!

저자는 이 책을 쓰게 된 심정과 『빛나는 지단쌤 임대환의 한눈에 사로잡는 물리』과 같은 스토리텔링형 물리교과서가 필요한 이유를 서문에서 다음과 같이 밝히고 있다.



"교과서에 등장하는 여러 가지 물리 개념들이 탄생하기까지 구구절절한 사연들이 얼마나 많았겠어요? 물리 교과서의 단원들 사이에 숨겨져 있는 맥락들을 들추어내기 시작하면 물리 교과서가 백과사전처럼 두꺼워지겠죠. 맥락은 물리학의 역사입니다. 조금 더 정확하게 말하면 물리학자들의 역사이지요. 교과서에 등장하는 물리 개념들이 탄생하게 된 과정을 물리학자들의 고민들로 이어주는 것이 물리학의 역사이고 맥락입니다. 그런데 교과서를 읽어보면 너무 딱딱하고 무미건조해요. 이 개념이 이 순간 왜 등장하는지, 물리학에서 얼마나 중요한 의미를 가지는지가 빈약한 이야기 구조 속에서 학생들에게 공감을 불러일으키지 못하는 거죠. 쌤은 더 이상 물리를 예전처럼 가르치면 안 된다고 생각해요. 선생님들은 학생들에게 닥쳐올 미래를 미리 예측해서 길을 알려줘야 해요. 시험 문제만 잘 풀면 되는 시절은 끝이 보여요. 물론 문제 풀이가 중요하지 않다는 것이 아닙니다. 문제 풀이에서 그치면 안 된다는 거예요. 이제는 물리 개념에 대한 탄탄한 이해를 넘어서 과학사적인 관점, 과학기술에 대한 이해, 사회와 과학기술의 관계 등을 폭 넓게 이해하고 이것들을 말과 글과 행동으로 능동적으로 표현할 수 있는 능력이 중요합니다."



논리적으로 또 단계적으로 가르치고 배워야 할 물리 개념들이 교과서에서는 각각 따로 놀고 있는 현실도 더 이상 묵과하기 어려웠다. 그래서 '교과서보다 자세하고 친절하게 설명해주는 물리책'이 학생들에게 필요하다고 생각했고, '문제집이나 참고서 안에 존재하는 물리가 아니라 우리 생활 속에서 만나는 물리'를 가르치고 배울 권리가 있다고 생각했고, 누구보다 친절하게 '교과서에서 사라져버린 물리의 맥락을 찾아 복원하고 이야기 읽듯 흥미롭게 공부할 수 있는 책'을 쓰기 위해 고군분투했다. 그리고 2년여에 걸친 집필과 동료 교사들, 학생들의 피드백을 거쳐 원고를 완성했다. 『빛나는 지단쌤 임대환의 한눈에 사로잡는 물리』는 이렇게 탄생했다.



스토리텔링으로 엮은 진짜 물리 교과서

학교 수업시간에 사용하는 교과서가 딱딱한 개념 위주이다 보니 학생들은 자꾸 참고서를 집어 들게 된다. 더구나 올해 치러지는 2014학년도 수능에는 '양자물리' 영역이 처음으로 출제된다. 학생들에게 생소한 영역이어서 아이들의 질문에 일일이 대답하다 보면 수업시간이 모자라기 일쑤다. 결국 교사들이 일방적으로 교과서 내용을 가르치는 강의식 혹은 주입식 수업을 할 수밖에 없고, 학교에서 배운 내용을 이해하지 못하는 대다수 아이들은 자연스레 사교육에 의존하게 될 것이다. 그렇다면 해결책은 기존의 교과서보다 친절하고 자세하게 물리를 공부할 수 있도록 지침서를 건네는 일밖에 없다. 『빛나는 지단쌤 임대환의 한눈에 사로잡는 물리(고전역학ㆍ시공간 편)』는 바로 그런 지침서이다. 이 책은 물리학의 역사를 중심으로 '역학, 상대론, 우주론, 전자기, 빛과 파동' 단원을 스토리텔링으로 엮은 것이다(1권에서는 고전역학과 시공간을 다룬다). 저자가 교과서 단원들 사이에 숨어 있던 맥락들을 들추어내다 보니 교과서에서 다루고 있는 내용을 다루지 못한 것들도 있고, 교과서에 나오지 않는 이야기들이 등장하기도 한다. 물리Ⅰ과 물리Ⅱ의 내용이 섞여 있기도 하다. 그러나 이 책이 물리 때문에 고민하는 학생들의 공부를 풍성하고 맛깔나게 해줄 거라는 데에는 의심의 여지가 없다. 게다가 물리라는 과학의 참모습을 보여주는 덤까지 제공한다.



교과서보다 2배 말랑하고 교양서보다 3배 깊이 있는 물리책을 만나다

이 책은 다양한 목적으로 읽힐 수 있다. 물리를 처음 접하는 학생들에게는 물리라는 과목을 숲을 조망하는 듯 넓은 시야로 공부할 수 있게 도와줄 수 있고, 과학 논술을 준비하는 학생들에게는 어려운 논술 시험을 준비하기에 앞서 개념의 틀을 잡아줄 수 있는 입문서가 될 수 있다. 뿐만 아니라 서술ㆍ논술형 평가에 대비하는 학생들에게는 좋은 글감이 될 수 있다. 또한 중학교에서 물리 단원을 가르치지만 물리학을 전공하지 않은 선생님들께는 물리학에 대한 입문서가 될 수 있을 것이다. 좀 더 욕심을 부려본다면 물리에 관심이 있는 일반인들에게도 친절한 물리 교양서가 될 수 있을 것이다. 그렇다고 해서 학생들에게 반드시 필요한 '지필시험 문제 풀이 능력'을 무시하지 않았다. 결과가 좋아야 과정도 신나는 법, 이 책은 시험에 대비할 수 있는 노하우도 최대한 녹여냈다. 고등학교 공부를 처음 시작하는 17세 학생들에게 『빛나는 지단쌤 임대환의 한눈에 사로잡는 물리(고전역학ㆍ시공간 편)』는 '현실적으로 좋은 점수를 받기 어려운 과목 물리'라는 그릇된 마인드를 바꿔주는 동시에 물질세계의 모든 것을 설명하기 위한 학문인 물리학의 세계, 그리고 풍성하고 탐스러운 과학의 세계를 열어줄 멋진 안내서가 될 것이다.

들어가는 말_ 물리의 바다에 빠져라!ㆍ4

프롤로그_야구장에서 만나는 물리!ㆍ14



제1강 운동의 기술 : 내가 본 것을 너도 보게 될 것이다ㆍ28

위치는 어떻게 설명하지?ㆍ31

운동은 위치가 변하는 상황이다ㆍ35

빠르기ㆍ39

속력과 속도, 어떻게 다르지?ㆍ41

그래프와 친해지자ㆍ45

기울기와 운동 방향│기울기와 빠르기

운동은 어떻게 측정할까?ㆍ53

평균 속력과 순간 속력ㆍ63

힘의 작용과 속도의 변화ㆍ66

가속도ㆍ68

그래프 해석 : 힘의 작용과 속도 변화ㆍ71

대표 문제ㆍ84

요약 노트ㆍ86



제2강 운동의 법칙 : How? & Why?ㆍ88

아리스토텔레스가 본 세계ㆍ91

갈릴레이의 사고실험ㆍ95

뉴턴의 운동 제1법칙 : 관성의 법칙ㆍ101

관성이란?│관성의 크기

뉴턴의 운동 제2법칙 : 힘과 가속도의 법칙ㆍ109

힘의 3요소│알짜힘(net force) 구하기 : 힘의 합성

힘의 방향│힘과 가속도의 법칙

뉴턴의 운동 제3법칙 : 작용·반작용의 법칙ㆍ127

상호작용(interaction)│추진력│힘의 평형과 작용·반작용

대표 문제ㆍ136

요약 노트ㆍ138



제3강 여러 가지 힘에 의한 운동ㆍ140

등속 직선 운동과 등가속도 직선 운동ㆍ143

등속 직선 운동│등속 직선 운동의 운동 방정식

등가속도 직선 운동│등가속도 직선 운동의 운동 방정식

중력에 의한 운동ㆍ160

만유인력의 법칙│지표면 부근에서의 중력의 크기

중력 가속도│중력에 의한 운동

빗면에서의 운동ㆍ178

빗면 위에 놓인 물체에 작용하는 힘│빗면에서의 운동

마찰력ㆍ183

정지 마찰력│최대 정지 마찰력│운동 마찰력

마찰력과 운동

탄성력ㆍ197

탄성력

계를 이룬 물체의 운동ㆍ207

대표 문제ㆍ214

요약 노트ㆍ218



제4강 운동량과 에너지ㆍ222

조금은 낯선 개념 : 운동량과 충격량ㆍ226

운동량│충격량│운동량 보존의 법칙

충돌과 충격량│힘과 힘이 작용한 시간

충격량과 힘-시간 그래프의 해석│운동량이라는 개념이 유용한 이유

에너지 : 일을 할 수 있는 능력ㆍ249

일과 에너지│운동 에너지│중력에 의한 퍼텐셜 에너지

탄성력에 의한 퍼텐셜 에너지 : 탄성 에너지│역학적 에너지의 보존

일과 도구

대표 문제ㆍ279

요약 노트ㆍ282



제5강 시공간에 대한 새로운 이해ㆍ284

세상에 이런 일이!!ㆍ288

빛의 속도는 유한한가, 무한한가?ㆍ295

천상의 물질 에테르는 존재하는가?ㆍ300

특수 상대성 이론의 기본 원리ㆍ309

천천히 흐르는 시간 : 시간 팽창ㆍ312

시간 팽창 공식ㆍ321

길이의 수축ㆍ330

질량과 에너지의 새로운 관계ㆍ336

아인슈타인과 평화ㆍ344

특수한 상황을 넘어 일반적 해법으로ㆍ347

브라헤와 케플러의 태양계 모형ㆍ348

만유인력의 법칙 : 뉴턴의 중력 이론ㆍ353

관성력ㆍ361

관성력과 중력ㆍ366

일반 상대성 이론의 두 가지 기본 원리ㆍ369

일반 상대성 이론과 중력ㆍ369

일반 상대성 이론으로 설명할 수 있는 현상들ㆍ373

대표 문제ㆍ380

요약 노트ㆍ384



제6강 대폭발 우주론과 물질의 기원ㆍ388

우주의 미래 : 아인슈타인과 프리드먼의 우주 모델ㆍ393

정상 상태 우주론과 대폭발 우주론의 경쟁ㆍ397

우주 팽창의 증거ㆍ399

허블의 법칙ㆍ407

팽창하는 우주ㆍ411

원자보다 작은 세계에서 우주의 기원을 찾다ㆍ414

원자핵 물리학ㆍ416

시간을 되돌려 대폭발의 순간으로 돌아가다ㆍ435

대폭발의 결정적 증거 : 우주 배경 복사ㆍ439

여러분의 고향은 어디인가요?ㆍ450

기본 입자, 기본 상호작용, 표준 모형ㆍ455

대표 문제ㆍ476

요약 노트ㆍ480

더 읽으면 좋은 책들ㆍ483

임대환 저자 임대환은 서울대학교 물리교육학과를 졸업하고 신도시 아파트 숲에 둘러싸인 도시 학교에서 12년 동안 물리를 가르쳤다. 현재는 복잡한 도시를 떠나 파주시 문산읍에 있는 문산고등학교에서 투박한 촌놈들과 3년째 사랑에 빠져 있다. 픽션과 논픽션을 위태롭게 넘나들면서 과학사와 일상사 속에서 어려운 물리 개념을 이야기로 풀어내는 재주가 있다. 책상을 어지럽히면서 무언가를 만들고 있을 때 가장 행복하고, 새로운 실험기구를 만들어서 동료 선생님들에게 소개할 때 가장 신이 난다. 인천 과학사랑 교사모임, 고양시 과학사랑 교사모임에서 '즐거운 배움, 행복한 나눔'을 몸소 실천하려고 노력 중이다.