대학물리학Ⅰ,Ⅱ  
지은이 YOUNG AND FREEDMAN대표역자 김용은  
 
 
2009년 03월 02일 출간
1344쪽 | A4
ISBN 9788992592994
정가 37,000원
   
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학생들에게

어떻게 공부하면 물리학에서 A+를 받을 수 있는가?
Mark Hollabaugh Normandale Community College

물리학은 거대한 것과 미소한 것, 새로운 것과 오래된 것을 총 망라하여 다루고 있다. 원자로부터 은하계에 이르기까지, 전기회로에서 항공역학에 이르기까지, 물리학의 대상은 우리 주변의 곳곳에 산재해 있다. 여러분들이 광범위한 분야를 다루고 있는 물리학을 공부하게 된 것은, 아마도 대학에서 자연과학이나 공학을 전공하려고 하는 학생들에게 미적분학에 기초를 둔 기초물리학을 교육과정의 필수 과목으로 지정하였기 때문일 것이다. 여러분을 가르치는 교수님들은, 여러분들이 물리학을 공부하고 나서 그 경험을 다양하게 즐길 수 있기를 바라고 있다. 교수님들은 매력 있는 물리학 과목을 공부하려는 여러분을 돕는 것을 매우 즐겁게 생각하고 있다. 그것이 바로 교수님들이 이 책을 교재로 선택한 이유 중의 하나이다. 뿐만 아니라 Young과 Freedman이 나에게 서론 부분을 쓰도록 한 이유 중의 하나이기도 하다. 여러분들이 물리학을 성공적으로 이수하기를 바란다!
대학물리학의 서두에 이 글을 쓰는 목적은 여러분들의 공부에 도움을 줄 수 있는 아이디어를 제공하기 위해서이다. 특별하게 조언하는 바는 교재로 공부하는 보편적인 학습 습관과 요령을 간단히 알려주고 그를 사용하는 방법을 알려주는 것이다. 물리학을 이수하기 위하여 어떠한 준비를 해야 하는가?
만일 고등학교에서 물리를 배웠다면, 이미 여러분은 물리 용어에 익숙해 있기 때문에 물리를 배우지 않은 학생들보다도 더 빨리 물리 개념을 익힐 수 있을 것이다. 영어를 제2외국어로 하고 있다면, 여러분이 처음 대하는 새로운 용어를 정리하여 용어집을 만들고, 물리학에서 그 용어가 어떻게 쓰이는지 확실하게 이해하도록 노력하여라. 마찬가지로, 만일 수학을 계속 공부하지 않았다면, 물리학으로 수학적인 개념을 더 빨리 익히도록 노력하여라. 여러분의 수학 실력이 충분하다고 하더라도, 일반물리학을 공부하는 학생들을 위하여 Arnold D. Pickar가 쓴 ‘일반물리학을 위한 기초수학’과 같은 책을 준비해 두는 것이 좋다. 이 책은 수학적인 기교와 연습은 물론 물리학(미적분학에 기초한 것)을 공부하는 데 도움이 될 것이다. 교수님들은 여러분의 공부를 도와주기 위하여 실제로 필요한 수학을 복습할 수 있는 배려를 해주실 것이다.

배우기 위한 공부를 하여야 한다.

다양한 학습방법 중에서 각자가 좋아하는 공부 방법이 있다. 여러분에게 적합한 공부 방법이 어떤 것인가를 이해하는 것은 여러분이 일반물리학 과목을 이수할 때에 부닥칠 수 있는 어려움을 극복하는 데 도움이 되고, 어려움이 있는 물리 개념이 어떤 것인가를 파악하는 데도 도움이 된다. 틀림없이 여러분은, 가장 어렵게 생각되는 개념을 이해하기 위하여 많은 시간을 할애하려고 할 것이다. 만일 여러분이 듣고 공부하는 청각형이라면 강의에 집중하는 것이 매우 중요하다. 그러나 설명하면서 공부하는 강의형이라면 다른 학생들과 함께 공부하는 것이 유익하다. 문제를 푸는 것이 여러분에게 어렵다면 문제를 푸는 방법을 익히는 데 더 많은 시간을 할애하여야 한다. 또한, 좋은 공부 습관을 개발하고 이해하는 것이 중요하다. 여러분을 위하여 여러분이 할 수 있는 가장 중요한 것은 정신을 집중할 수 있는 환경에서 규칙적으로 계획된 공부하는 시간을 정해두는 것이다.

다음 질문에 대하여 스스로 대답을 해보아라.

· 대수, 기하, 삼각함수와 관련된 기초적인 수학 개념들을 활용할 수 있는가?(만일 그렇지 않다면 교수님께 도움을 청하고 복습하는 계획을 세우고 공부하여라).
· 이와 비슷한 과정으로, 어떠한 활동이 나를 어렵게 만드는가?(이것을 해결하려거든 더 많은 시간을 할애하여라). 나에게 어떤 것이 가장 쉬웠었는가?(이것을 제일 먼저 하여라: 이렇게 하면 자신감을 얻을 수 있다.)
· 강의를 듣기 전에 책을 읽을 때와 듣고난 후에 책을 읽었을 때, 어느 경우 이해가 더 잘 되는가?(강의시간에 배울 부분을 요약해 두면 더욱 효과적으로 배울 수 있다. 강의를 듣고 나서 숙독하도록 하여라).
· 물리공부를 하는 데 충분한 시간을 할애하였는가?(강의를 한 시간 들었다면 그 부분을 공부하기 위하여 평균적으로 2.5시간을 투자하여야 한다. 만일 일주일에 강의가 5시간이라면 1주일에 10시간 내지 15시간은 물리를 공부하는 데 할애하여야 함을 의미한다.)
· 매일 같이 물리를 공부하고 있는가?(물리 공부하는 시간을 특정한 날에 집중시키지 말고 일주일 내내 골고루 배분하도록 하여라). 하루 중 물리를 공부하기에 가장 적합한 시간은 언제인가?(하루 중에 그 시간을 정해 두고 공부하여라.)
· 주의력을 집중할 수 있는 조용한 장소에서 공부하고 있는가?(산만한 분위기는 중요한 요점을 놓치는 원인이 되며, 일상적인 방법을 잃어버릴 수도 있다.)

친구들과 함께 공부하여라.

과학자나 기술자들은 다른 사람들과 함께 일하기보다는 다른 사람으로부터 독립하여 일하려고 한다. 그러나 여러분들은 친구들과 함께 공부를 한다면 물리에 더 흥미를 느끼고 많은 것을 배울 수 있을 것이다. 여러분이 가까이 지내는 친구나, 기숙사에 살고 있는 친구들과 비공식적으로 학습동아리를 만들거나, e-mail로 쉽게 접촉하여 의견을 나눌 수 있는 다른 친구를 활용하여라. 여러분의 학습동아리 친구들은 시험을 준비하기 위하여 복습을 할 때 매우 훌륭한 자원이 된다.

강의시간에는 반드시 출석하고 노트를 만들어라.

대학교육과정에서 중요한 부분은 강의시간이다. 물리학 강의시간에 교수들이 물리학의 원리에 관한 시범실험이나 컴퓨터시뮬레이션, 또는 비디오 시연 등을 해주기 때문에 강의시간은 특히 중요하다. 이들 모두는 여러분이 물리학의 기초 원리를 이해하는 데 도움을 주는 학습활동이다. 결석을 하지 않도록 노력하여라. 어떤 이유로든 결석을 했다면 친구에게 물어보거나 학습동아리 친구의 노트를 빌려서 결석한 시간에 어떠한 내용을 강의하였는지 확인해 보아라.
수업시간에는 요점만 필기해두었다가 나중에 그와 관련된 내용을 자세히 적어 넣어라. 한 마디 한 마디를 모두 노트하는 것은 매우 어렵기 때문에 주요개념만 적도록 하여라. 교수님들이 강의시간에 교재의 그림을 활용하기도 할 것이다. 나중에 교재에서 그 그림을 보충해 넣을 수 있도록 여백을 남겨두어라. 수업이 끝나고 난 후에 노트를 다시 편집하여라. 어떤 것이든 더 공부하는 데 필요한 것이라면 생략했던 것이나 주의할 것 등에서 차이가 있는 것은 보충을 하여라. 보충한 부분에 해당하는 교재의 페이지와 방정식 번호, 절번호 등을 명기해 두어라.
질문은 수업시간에 확실하게 물어보도록 하여라. 그렇게 하지 않았으면 교수연구실 상담시간을 활용하여라. 무언의 질문은 질문을 하지 않는 것과 같음을 기억해 두어라. 물리교육조교제도를 활용하거나, 여러분의 어려움을 해소해 줄 동료의 도움을 받아보아라.

시험을 통하여 배워라.

시험을 보는 일은 스트레스를 받기 마련이다. 그렇지만 만일 여러분이 충분히 준비하고 충분히 휴식을 취했다고 느끼면 스트레스는 줄어들 것이다. 시험 준비는 연속적인 과정이며 지난 시험이 끝나고부터 시작되는 것이다.

강의하시는 교수님께

머리말

이 교재는 반세기 이상 물리교육을 이끌어오면서 물리학 교육내용을 쇄신시키는 데 크게 기여를 하였다. Francis W. Sears 교수와 Mark W. Zemansky 교수가 1949년에 초판을 발행하였을 때 이 책은 물리학의 기초 원리와 그 원리를 응용하는 방법을 강조하면서 미적분학에 기초를 둔 교재들 중에서 혁신적인 것이었다.
전 세계적으로 수백만 명의 학생뿐만 아니라 교육자 세대와 함께한 ‘대학물리학(University Physics)’은 교육학적인 접근방법에 이점이 있음은 물론, 지속적으로 보강해 올 수 있었던 것은 이 책이 여러 가지 면에서 혁신적이었다는 증거이다.
12판을 준비하면서, 문제풀이 요령을 알려주고 문제를 풀이하는 훈련을 더욱 중요하게 취급하였으며, 교육학적 연구결과에서 얻은 가장 좋은 아이디어를 수용하고, 선구자적으로 시청각교육법과 개념학습법을 채택하였으며, 체계적으로 새로운 문제들을 보강하였다. 이러한 방법은 세계 여러 대학에서 널리 사용하고 있으며, 교육학적으로도 증명이 된 바 있는 온라인 과제 부여와 개인 교수법을 보강함으로써 대학물리학 교재의 질적 수준을 더욱 높이고 보강하였다.

새롭게 바뀐 부분

· 문제풀이 학생들에게 환영을 받고 있는 4단계 풀이 기법(확인-정리-실행-점검)은 교육학자들의 연구결과에 기반을 둔 것이며, 문제풀이 요령을 제시하고 나서 주어진 보기문제의 풀이에 4단계 풀이 기법에 따라 풀이를 제공하였다. 교수용 풀이집과 학생용 풀이집의 문제에도 이 기법을 적용하였다.
보기문제들은 눈에 띄게 표시하지 않으면 학생들에게 고도로 분석한 그림으로 설명하였을 때 학생들은 그냥 지나쳐버리는 경향이 있다는 연구결과가 보고된 바 있다. 이에 따라 각 단계를 분명하게 구분하여 학생들이 각 단계별로 집중할 수 있도록 검은 바탕에 흰 글씨로 강조하여 표기해 놓았다.
· 실전으로 배운 지식 지식을 능률적이며 체계적으로 습득하는 과정으로 각 장의 시작부분에 있는 학습목표와 그 장에서 배운 개념을 용어와 수식과 그림으로 요약해 놓은 요약 부분이 있다. 각 절의 끝에 있는 이해도 평가 부분은 개념을 묻는 선다형 문제이며 학생들이 그 절에서 배운 개념을 곧바로 점검해 볼 수 있도록 하기 위한 것이다.
· 그림에 나타낸 교육학적인 효과 연구에서 검증된 “주해의 기법(학생들이 그림을 해석할 수 있도록 하기 위하여 그림의 해설에 집중하는 칠판식 강의기법)”을 사용하고, 합리적인 방법으로 색깔을 사용하여 강조하는 부분을 나타내었다(역학부분의 삽화에서, 학생들이 집중해야 하는 부분은 진한 색깔로 나타내고 나머지 부분은 학생들이 시선을 빼앗기지 않도록 하기 위하여 옅은 색깔로 표시한 것이 그 예이다).
· 각 장의 문제 보강 12판은 가장 광범위한 역역에서 잘 검증된 명성이 있는 문제를 제공하기 위해 노력을 기울였다. 여기에 있는 문제들은 전국 학생들의 성취도에 근거를 두고 체계적으로 강화시킨 것들이다. 이러한 분석으로, 새로이 800여 문제를 보충하여 총 3700여 문제를 수록하였다.
· 온라인 개인교습 11판에서 시작한, “온라인 개인교습(Mastering Physics)”에서는 교육학적으로 증명되고 첨단교육기술로 받아들여지고 있는 세계 어디서나 접근할 수 있는 온라인 과제물과 개인교습법이 있다. 12판을 위하여 온라인 개인교습에서는 새롭고 풍부하게 보완하고 기술적으로도 보완한 내용을 담고 있다. 모든 장 끝의 문제와 1200개 이상의 자기진단문제가 추가로 수록되어 있다. 온라인 개인교습에서는 문제풀이 요령과 관련된 특별한 문제와 각 장의 이해도 평가문제를 풀기 위한 실마리도 제공해 주고 있다. 해답의 유형은 수준별, 순서별, 그래프그리기, 벡터 그림, 광선추적뿐만 아니라 대수적인 답, 수치적인 답, 선다형 답 등이 포함되어 있다.

대학물리학의 중요한 특징

학생을 위한 안내 물리학을 배우는 많은 학생들은 단순히 교재를 어떻게 활용하는지 알지 못하기 때문에 어려움을 느끼고 있다. 이 서문에 선행하는 “어떻게 공부하면 물리학에서 A+를 받을 수 있는가?”라고 이름붙인 절은 이 책의 모든 특징에 관한 ‘사용자 안내서’이다. Normandale Community College의 Mark Hollabaugh 교수가 집필한 이 절은 공부에 도움이 되는 힌트가 많이 수록되어 있다. 여러 학생들 모두에게 이 절을 읽어 보기를 권한다.
장의 구성 각 장 머리 부분에는 발제를 실어 그 장에서 공부할 내용에 관한 축약된 질문이 있다. 그리고 그 장에서 배우게 될 중요한 내용을 ‘학습목표에 요약하였으며, 이전에 공부한 내용과 이 장에서 공부할 내용을 연계시켜주는 서문이 있다. 발제의 해답은 본문 중에서 물음표 아이콘()이 있는 곳을 살펴보면 된다.
대부분의 절은 개념을 묻는 질문이거나 양적인 답을 요하는 질문을 한 “이해도 평가 문제”로 끝을 맺는다. 각 장의 마지막 절은 그 장에서 가장 중요한 원리를 시각적으로 나타낸 “그림이 곁들여진 요약”과 함께 주요용어와 각 장의 발제문제의 해답과 이해도 평가 문제의 답을 정리해 두었다.
문제와 연습문제 각 장의 끝에는 학생들이 개념 이해의 폭을 넓히고 경험할 수 있는 설명문제가 있다. 그에 덧붙여 교재의 특별 부분에서 중요하게 다룬 단일 개념에 관련된 문제인 연습문제가 있다. 심사숙고하여야 하는 단계가 하나 또는 두 개가 포함된 풀이문제와 실력이 있는 학생들에게 매력이 있는 연구문제가 있다. 천체물리학, 생명과학, 항공역학 등과 같은 다양한 분야에 응용할 수 있는 문제도 포함시켰다. 대부분의 문제들에는 학생들이 얻은 결과를 설명하고 논의하여야 하는 개념 부분이 많이 포함되어 있다. 이번 판에 새로이 보충된 설명문제, 연습문제, 풀이문제, 연구문제들은 Wayne Anderson(Sacramento City College), Laird Kramer(Florida International University)와 Charlie Hibbard가 기획하고 작성하였다.
문제풀이 요령과 보기문제 교재 전반에 걸쳐 필요한 곳에 ‘문제풀이 요령’이란 글상자에는 특별한 유형의 문제를 풀기 위한 4단계 접근법(ISEE, 확인-정리-실행-점검)을 학생들에게 설명해 놓았다. 이들은 “개념은 이해하겠는데, 문제를 풀 수 없다”고 느끼는 학생들에게 필요한 것을 설명해 주고 있다.
문제풀이 요령 글상자 다음에는 그 요령에 따라 문제풀이를 설명한 보기문제 한 두 개가 풀이되어 있다. 각 장에는 문제풀이 요령 없이 풀이된 보기문제도 포함되어 있다. 이러한 보기문제들 중에서 정량적으로 다룬 문제는 모두 문제풀이 요령처럼 ISEE(확인, 정리, 실행, 점검) 단계별 접근법을 적용하였다. 보기문제 각 문제풀이 요령 뒤에는 한 개 이상의 보기를 풀이하여 두었다. 보기의 수가 11판에는 195개이었으나 이번 판에서는 총 486개로 늘렸다. 많은 것들은 학생 자신들의 경험과 관계되는 일상생활 환경에서 발췌하였다.
보기를 풀이한 부분에서 필요한 경우에는 언제나 사용할 일반적인 원리들을 설명하고, 그들을 선택하게 된 이유를 우선 논의하였다. 다음과 같은 모형 설정을 강조하였다. 보기에는 복잡한 상황을 어떻게 시작하고, 가정이 필요할 때 어떻게 간단히 하며, 적절한 물리법칙을 어떻게 적용하고, 마지막 결과를 어떻게 검토해 보는가 하는 방법을 학생들에게 알려주는 모형에 비중을 두고 강조하였다. 납득이 가는가? 기대하였던 것인가? 여러분은 그것을 어떻게 점검할 수 있는가?
“주의” 설명 지난 20여 년의 물리교육 연구는 일반적으로 물리를 공부하기 시작하는 학생들을 개념적으로 괴롭히는 여러 개념적인 함정이 드러나 있다. 이들은 운동을 위해서는 힘이 필요하다는 생각, 회로가 돌아갈 때 전류가 “소모된다”는 생각, 그리고 질량에 가속도를 곱하면 그것이 바로 힘이라는 생각 등이 포함되어 있다. ‘주의’ 부분에는 이러한 것들이나 다른 함정에 대하여 학생들에게 경고한다. 어떤 상황이 실제로 틀렸다는 데 대하여 생각하는 방법이 왜 틀렸는지를 설명하였다(114, 155, 550쪽 참조).
기호와 단위 학생들은 가끔 어떤 양이 벡터이고 어떤 양이 벡터가 아닌지 추적하는 것을 어렵게 생각한다. 이 책에서는 ?와 같이 위에 캐럿을 붙여 단위벡터를 나타낸 것처럼, ?와 같이 볼드-이탤릭체 기호 위에 화살표를 그려서 벡터량을 표기하였다. 벡터 방정식에서 수식이 벡터연산인지 스칼라 연산인지를 확실히 구별하기 위하여 ?, ?, ?, ?와 같이 볼드체 기호를 사용하였다.
SI 단위를 주로 사용하였다(필요한 곳에는 영국 공학단위로의 변환도 포함되어 있다). 열을 포함하여 여러 형태의 에너지 단위는 줄(joule)로 나타내었다.
다양성 이 책은 다양한 수업 일정에 맞출 수 있도록 구성하였다. 3학기에 강의할 자료도 충분히 있다. 대부분의 강사들은 1년 과정으로는 책이 너무 방대하다고 말하겠지만, 누구나가 교재에서 특정 장이나 절을 생략하여 1년 과정으로 다양하게 계획할 수 있도록 체제를 만들었다. 예를 들면, 연계성을 잃지 않으면서 상대론, 유체역학, 음향학, 전자기파, 광학기구 등 다른 여러 곳의 일부 또는 전부를 생략할 수 있다.

강의용 및 학생용 보충 자료

이 책에 수록된 사진과 삽화 그리고 표는 물론 강의 자료까지 CD-ROM이나 트랜스페어런시 필름, pdf 파일 등으로 제작되어 공급하였으며, 4단계 풀이기법으로 풀이한 문제풀이집과 2000개가 넘는 객관식 문제은행 책자와 CD-ROM도 제작되어 있다. 뿐만 아니라 온라인상에서 개인지도를 받을 수 있도록 개발한 MasteringPhysicsTM(www.masteringphysics.com)는 세계에서 가장 선구자적인 것이며, 교육적으로 효과가 크다는 것이 인정되어 세계적으로 널리 이용되고 있다.
Randall D. Knight(California Polytechnic State University, San Luis Obispo)가 쓴 훌륭한 물리교육 요령(ISBN 0-8053-8702-1)은 물리교육의 질을 향상시키는 방법에 관한 창의적인 아이디어를 담고 있다. 이것은 강의초보자나 숙련된 강사 모두에게 매우 값진 참고자료이다.

독자 여러분의 지적은 언제나 환영한다!

우리는 이번 개정판에서 교수님이나 학생들이 찾아낸 오류나 부족한 내용과 관련한 조언은 언제나 환영하는 바이다. 우리는 이 책이 물리학을 배우고 가르치는 데 도움을 주고, 좋은 책을 쓰기 위하여 많은 시간과 노력을 기울여 왔다. 다음의 개정판을 위하여, 어떤 부분이 보강할 필요가 있는지를 독자 여러분이 알려주는 것은 우리에게 큰 도움이 될 것이다. 여러분의 뜻을 자유롭게 E-mail이나 우편으로 연락해 주고 지적해 주는 것은 언제나 환영하며 감사하는 바이다.

2006년 10월

Hugh D. Young
Department of Physics
Carnegie Mellon University
Pittsburgh, PA 15213
hdy@andrew.cmu.edu

Roger A. Freedman
Department of Physics
University of California, Santa Barbara
Santa Barbara, CA 93106-9530
airboy@physics.ucsb.edu
http://www.physics.ucsb.edu/~airboy/
 
저자 소개 -
지은이에 관하여

Hugh D. Young은 피츠버그의 카네기멜론대학 물리학과의 명예교수다. 그는 카네기 멜론 대학에서 학부와 대학원을 다녔으며, 고 Richard Cutkosky의 지도로 입자물리학을 전공하고 박사학위(Ph.D.)를 받았다. 그는 1956년에 카네기멜론대학에 교수로 부임하였으며, 2년 동안 버클리의 캘리포니아대학에서 방문교수로 재직하였다.
Young은 학부생들의 교육에 전념하였다. 그는 다양한 수준의 학부교재를 집필하였으며, 1973년에는 그때까지 평판이 좋았던 초급물리학 수준의 교재를 집필하였던 Francis Sears와 Mark Zemansky와 함께 일을 하게 되었다. 두 교수가 작고하고 Freedman 교수가 합류하기 전까지는 대학물리학 개정판의 집필을 전담하였다. 그는 스키와 등산, 하이킹을 열광적으로 즐겼으며, 여러 해 동안 그는 피츠버그의 성 바오로 성당에서 오르간 연주자로 봉사하였고, 그의 아내와 함께 피츠버그 지역에서 오르간 연주회도 여러 번 개최하였다. 그의 아내 앨리스는 여름에는 여러 곳으로 여행하는 것을 즐겼으며, 특히 유럽과 유타 남쪽의 그랜드캐니언을 여행하곤 하였다.

Roger A. Freedman은 산타바바라의 캘리포니아대학(UCSB)에서 물리학을 가르쳤다. Freedman은 San Diego와 Los Angeles의 캘리포니아 캠퍼스에서 학부를 다녔으며, 스탠포드대학에서 J. Dirk Walecka 교수의 지도로 핵물리학이론 연구로 박사학위를 받았다. 워싱턴대학에서 3년 동안 연구와 강의를 한 후에 1981년에 UCSB로 왔다. 그는 UCSB에서 물리학과와 창의적 연구학부에서 교육을 담당하였다. 창의적 연구학부는 재능이 뛰어나고 동기유발이 독특한 학생들이 입학하여 교육과정을 자기 설계로 이수하는 학부이다. 그는 핵물리학, 입자물리학, 레이저물리학분야의 연구로 논문을 발표하였으며, 최근에는 컴퓨터를 이용한 기초물리학과 천문학을 배우기 위한 프로그램 개발에 참여하고 있다. 강의가 없거나 컴퓨터에 빠져 있지 않을 때에 Freedman은 경비행기를 타거나 아내와 함께 자동차 여행을 즐긴다.

A. Lewis Ford는 Texas A&M의 물리학과 교수다. 그는 1968년에 라이스대학에서 학사학위를 받았으며, 1972년에 텍사스 어스틴에서 화학물리학으로 Ph.D.를 받았다. 하버드에서 1년간 박사과정 후, 연구원으로 근무하다 1973년에 Texas A&M의 물리학과 교수로 부임한 이후 지금까지 근무하고 있다. Texas A&M에서 일반물리학을 제외하고는 학부와 대학원에서 여러 과목을 강의하였다.

 
옮긴이 소개 -
옮긴이의 글

대학 1학년의 교육과정에서 물리학을 교육하는 것은 첨단 과학기술 시대를 살아가는 데 필요한 지식을 갖추게 하거나, 수리과학, 물질과학, 생명과학, 우주과학 등의 자연과학 분야나 공학, 정보과학(IT), 생명공학(BT), 환경공학(ET) 등의 응용과학 분야를 전공하려는 학생들에게 필요한 기초지식을 갖추도록 하기 위해서이다.
이러한 목표를 달성하기 위하여 다양한 교재들이 나름대로 특색 있게 개발되어 사용되고 있다. 예를 들어, 생활과학의 일환으로 공부하는 학생들을 위하여 수학을 사용하지 ‘않은’ 교재들이 개발되어 있다. 또 자연과학이나 응용과학을 전공 분야로 택할 학생들을 위해 전공 기초로서 물리학의 기본개념과 원리를 익히고 그를 실제 상황에 응용할 수 있게 하도록 하는 교재들도 개발되어 있다. 이러한 목적으로 개발된 교재들은 내용이 방대하다. 이러한 교재들은 대수학이나 미적분학 수준의 수학을 사용하고 있다. 그 때문에 어떤 책은 수식에 치우치다 보니 설명이 부족하고, 또 다른 책은 설명에 치우치다 보니 분량이 너무 방대하고 산만하여 전체적인 내용을 전달받기 어렵게 되어 있다.
근래에 들어 많은 이공계 신입생들이 고등학교까지의 교육에서 기초적인 물리학은 물론 미적분학의 기초 개념을 공부할 기회도 갖지 못하고 이공계학과에 진학한다는 것이 알려졌다. 그 때문에 대학에서는 그들에게 물리학을 어떻게 교육할 것인가를 두고 고민하고 있다.
이러한 상황 변화는 시기만 다를 뿐 외국도 마찬가지이었다. 40여 년 전에 Francis Sears와 Mark Zeemansky가 집필한 University Physics는 시대의 변화에 맞추어 꾸준히 개편하여 왔다. 2008년에는 Hugh D, Young, Roger A. Freedman, A. Lewis Ford가 12번째 개정판을 출간하였다. 이 교재는 개념과 원리를 간결하게 설명하였으며, 실제 상황의 문제를 풀이하는 과정을 4단계, 곧 확인, 정리, 실행, 점검으로 나누어 학생들이 문제를 풀이하는 방법을 숙지할 수 있도록 한 것이 가장 중요한 특징이다. 또 강의하는 이들을 위하여 삽화에 설명을 곁들여 놓은 것 또한 학생들의 호기심을 유발하고 이해를 돕는 새로운 시도이기도 하다.
각 장의 첫머리에는 공부할 내용과 관련된 질문 하나와 그 장의 학습목표가 제시되어 있다. 본문에서 개념과 원리를 설명하고 나서 관련 문제를 풀이하는 요령을 제시하고 이 요령에 따라 4단계로 풀이해 놓은 보기 문제가 있다. 삽화에 설명을 곁들임으로써 마치 칠판에서 강의를 받고 있는 것처럼 느낄 수 있게 하였다. 그 외에도 이 책만이 가진 특징은 다양하다. 그것들은 지은이의 머리말에 잘 설명되어 있다.
이 책의 원서를 교재로 대학 초년생에게 주당 3시간씩 두 학기 동안 강의를 하면 현대물리학 바로 전장까지 충분히 강의할 수 있다. 실제로 국내의 몇몇 대학에서 이 교재의 원서로 강의하고 있다. 그러나 한국어판을 교재로 강의한다면 주당 세 시간 강의로 전체의 내용을 1년에 충분히 다룰 수 있다. 그리고 내용을 적절히 첨삭하면 주당 두 시간의 강의로도 전체의 내용을 다룰 수도 있을 것으로 생각된다.
이 책의 한국어판인 ‘대학물리학’은 전국 14개 대학교에서 40여 명의 교수가 번역에 참여하여 1년 여의 작업 끝에 출간하게 되었다. 이 책을 국내의 다양한 일반물리학 교육과정에 맞추어 교재로 활용할 수 있도록 전체 내용을 3권으로 분권하였다. 곧, I권에는 역학, 파동/음향학, 열역학이, II권에는 전자기학 및 광학이, 그리고 III권에는 현대물리학의 내용이 들어 있다. 각 권마다 부록을 붙여 책을 소지하고 다니면서 활용하기 쉽도록 하였다. 번역시 용어는 물리용어집(한국물리학회 발간)과 과학기술용어집(한국과학기술단체 총연합회 발간)의 것들을 대폭 수용하였다. 한 가지 아쉬운 점은 지면관계상 원서의 문제를 모두 번역하지 못한 것이다. 원서를 참고할 때 혼선을 피하기 위하여 번역한 문제의 끝에 원서의 문제번호를 병기하였다. 만일 더 많은 문제를 풀어보고 싶으면 원서를 참고하기 바란다. 만일 독자가 미적분학이 포함된 수식을 다루기 힘들다면 혼자서 공부할 수 있는 ‘노벨상 수상자가 쓴 속성 미적분학(청문각, 2009)’과 같은 책을 준비해 두고 공부하는 것이 도움이 된다. 모쪼록 이 교재가 이공계 학생들에게 전공의 기초실력을 다지는 데 도움이 되고, 더 나아가서 학생들 곁에서 늘 참고도서로의 역할도 할 수 있기를 기대한다. 또한, 물리학에 관심을 가진 인문 사회계 학생들에게도 많은 도움이 되기를 바란다.
끝으로 번역서를 출간한다는 것이 지루하고 귀찮은 일이지만, 다년간 물리학을 강의한 경험을 바탕으로 학생들의 눈높이에 맞는 책의 발간을 위해 번역원고를 주신 역자 교수님과 일관성이 있는 쉬운 책이 되도록 내용 검토를 해주신 교수님들께 감사하며, 번역을 기획하면서부터 발간하기까지 자료와 원고를 정리해준 안치현 군을 비롯한 충북대 물리학과 학생들에게도 감사한다. 그리고 좋은 책을 제작한 Young, Freedman, Lewis 교수의 헌신적인 노력에 경의를 표하며, 한국어판의 출간을 허락하여 준 Pearson사와 어려운 여건 속에서도 한글판을 출판하여 주신 청문각출판사의 김홍석 회장님과 관계자 여러분의 노고에 감사한다.

2009년 2월
옮긴이 대표 충북대학교 물리학과 김 용 은
yukim@cbnu.ac.kr
 
1 단위, 물리량, 벡터 1

1.1 물리학의 본질 2
1.2 물리 문제 풀기 3
1.3 표준과 단위 5
1.4 단위의 일관성과 변환 9
1.5 불확정성과 유효숫자 10
1.6 어림셈과 크기의 정도 14
1.7 벡터와 벡터의 덧셈 15
1.8 벡터의 성분 19
1.9 단위 벡터 25
1.10 벡터의 곱셈 27
■ 요약 33
■ 문제 35

2 직선 운동 39

2.1 변위와 시간, 평균 속도 40
2.2 순간 속도 43
2.3 평균 가속도와 순간 가속도 47
2.4 등가속도 운동 51
2.5 자유 낙하하는 물체 58
*2.6 적분에 의한 속도와 위치 60
■ 요약 64
■ 문제 65

3 2차원과 3차원에서의 운동 69

3.1 위치와 속도 벡터 70
3.2 가속도 벡터 73
3.3 포물체 운동 77
3.4 원주상의 운동 84
3.5 상대 속도 87
■ 요약 93
■ 문제 94

4 뉴턴의 운동 법칙 99

4.1 힘과 상호작용 100
4.2 뉴턴의 제1법칙 104
4.3 뉴턴의 제2법칙 109
4.4 질량과 무게 115
4.5 뉴턴의 제3법칙 118
4.6 자유 물체 설명도 122
■ 요약 164
■ 문제 165

5 뉴턴의 운동 법칙 응용하기 129

5.1 뉴턴의 제1법칙 이용하기: 평형 상태에 놓인 입자들 130
5.2 뉴턴의 제2법칙 이용하기: 입자의 동역학 136
5.3 마찰력 144
5.4 원운동의 동역학 154
*5.5 자연에 존재하는 기본힘 161
■ 요약 164
■ 문제 165

6 일과 운동 에너지 173

6.1 일 174
6.2 운동 에너지와 일-에너지 정리 180
6.3 변화하는 힘에 대한 일과 에너지 187
6.4 일률 193
■ 요약 196
■ 문제 197

7 위치 에너지와 에너지 보존 203

7.1 중력 위치 에너지 204
7.2 탄성 위치 에너지 215
7.3 보존력과 비보존력 222
7.4 힘과 위치 에너지 227
7.5 에너지 도표 230
■ 요약 233
■ 문제 234

8 운동량과 충격량, 충돌 241

8.1 운동량과 충격량 242
8.2 운동량 보존 248
8.3 운동량 보존과 충돌 253
8.4 탄성 충돌 259
8.5 질량 중심 263
*8.6 로켓 추진 268
■ 요약 272
■ 문제 274

9 강체의 회전 운동 279

9.1 각속도와 각가속도 280
9.2 일정한 각가속도로 회전 운동 285
9.3 선운동과 회전 운동과의 관계 288
9.4 회전 운동에서의 에너지 293
9.5 평행 축 정리 299
*9.6 관성 모멘트 계산 300
■ 요약 304
■ 문제 305

10 회전 동역학 309

10.1 돌림힘 309
10.2 강체에 작용하는 돌림힘과 각가속도 313
10.3 움직이는 축에 대한 강체의 회전 316
10.4 회전 운동에서 일과 일률 322
10.5 각운동량 325
10.6 각운동량 보존 법칙 328
10.7 자이로스코프와 세차 운동 331
■ 요약 335
■ 문제 337

11 평형과 탄성 343

11.1 평형 조건 344
11.2 무게 중심 345
11.3 강체의 평형 문제 풀이 348
11.4 변형력, 변형, 탄성률 353
11.5 탄성과 소성 359
■ 요약 362
■ 문제 364

12 중 력 369

12.1 뉴턴의 중력 법칙 370
12.2 무게 374
12.3 중력 위치 에너지 377
12.4 인공위성의 운동 380
12.5 케플러의 법칙과 행성의 운동 384
*12.6 구형의 질량 분포 388
*12.7 겉보기 무게와 지구의 회전 392
12.8 블랙홀 395
■ 요약 400
■ 문제 402

13 주기 운동 405

13.l 진동의 표현 406
13.2 단순 조화 운동 408
13.3 단순 조화 운동의 에너지 416
13.4 단순 조화 운동의 응용 421
13.5 단진자 426
13.6 물리 진자 428
13.7 감쇠 진동 431
13.8 강제 진동과 공명 433
■ 요약 436
■ 문제 438

14 유체 역학 443

14.1 밀도 444
14.2 유체의 압력 446
14.3 부력 452
14.4 유체의 흐름 455
14.5 베르누이 방정식 457
*14.6 점성과 난류 463
■ 요약 467
■ 문제 469

15 역학적 파동 475

15.1 역학적 파동의 형태 474
15.2 주기적인 파동 475
15.3 파동의 수학적 기술 478
15.4 횡파의 속력 485
15.5 파동 운동에서의 에너지 490
15.6 파동의 간섭, 경계조건, 중첩 494
15.7 줄 위의 정상파 496
15.8 줄의 정규 모드 501
■ 요약 507
■ 문제 509

16 소리와 듣기 513

16.1 음파 513
16.2 음파의 속력 519
16.3 소리세기 524
16.4 정상음파와 정규모드 529
16.5 공명과 소리 535
16.6 파동의 간섭 537
16.7 맥놀이 541
16.8 도플러 효과 542
*16.9 충격파 549
■ 요약 552
■ 문제 554

17 온도와 열 559

17.1 온도와 열평형 560
17.2 온도계와 온도 눈금 562
17.3 기체 온도계와 켈빈 눈금 563
17.4 열팽창 566
17.5 열량 572
17.6 열량 측정법과 상변화 576
17.7 열전달 방법 582
■ 요약 590
■ 문제 592

18 물질의 열적 성질 597

18.1 상태 방정식 598
18.2 물질의 분자적 성질 605
18.3 이상기체의 분자 운동 모형 608
18.4 열용량 615
*18.5 분자 속력 620
18.6 물질의 상 623
■ 요약 627
■ 문제 629

19 열역학 제1법칙 635

19.1 열역학 계 635
19.2 부피 변화 중 행한 일 637
19.3 열역학적 상태들 사이의 경로들 640
19.4 내부 에너지와 열역학 제1법칙 642
19.5 열역학적 과정의 종류 648
19.6 이상기체의 내부 에너지 650
19.7 이상기체의 열용량 651
19.8 이상기체의 단열 과정 655
■ 요약 660
■ 문제 662

20 열역학 제2법칙 665

20.1 열역학적 과정의 방향 666
20.2 열기관 667
20.3 내연 기관 671
20.4 냉장고 674
20.5 열역학 제2법칙 677
20.6 카르노 순환 과정 679
20.7 엔트로피 685
*20.8 엔트로피의 미시적 해석 692
■ 요약 696
■ 문제 698


■ 부 록

A 국제단위계 A-1
B 유용한 수학적 관계 A-3
C 그리스 문자 A-4
D 원소의 주기율표 A-5
E 단위변환 인자 A-6
F 상수 A-7

■ 해답 A-9

■ 찾아보기 I-1

21 전하와 전기장 703

21.1 전하 704
21.2 도체, 부도체, 그리고 유도전하 708
21.3 쿨롱의 법칙 712
21.4 전기장과 전기력 718
21.5 전기장 계산 725
21.6 전기력선 733
21.7 전기 쌍극자 735
■ 요약 741
■ 문제 743

22 가우스의 법칙 747

22.1 전하와 전기선 다발 748
22.2 전기선 다발의 계산 751
22.3 가우스의 법칙 755
22.4 가우스의 법칙에 관한 응용 760
22.5 도체 위의 전하 766
■ 요약 772
■ 문제 773

23 전기 퍼텐셜(전위) 777

23.1 전기 퍼텐셜 에너지 778
23.2 전기 퍼텐셜 786
23.3 전기 퍼텐셜의 계산 794
23.4 등전위면 800
23.5 퍼텐셜 기울기 802
■ 요약 806
■ 문제 807

24 전기용량과 유전체 813

24.1 축전기와 전기용량 814
24.2 축전기의 직렬연결과 병렬연결 819
24.3 축전기의 에너지 저장과 전기장 에너지 822
24.4 유전체 828
*24.5 유도 전하에 대한 분자 모형 834
*24.6 유전체에서의 가우스의 법칙 836
■ 요약 838
■ 문제 840

25 전류·저항·기전력 843

25.1 전류 844
25.2 비저항 848
25.3 저항 851
25.4 기전력과 회로 854
25.5 전기 회로에서의 에너지와 전력 863
*25.6 금속 전도의 이론 868
■ 요약 872
■ 문제 874

26 직류회로 879

26.1 저항기의 직렬과 병렬연결 880
26.2 키르히호프의 법칙 883
26.3 전기적 측정 장치 892
26.4 RC 회로 898
26.5 배전 체계 902
■ 요약 909
■ 문제 910

27 자기장과 자기력 917

27.1 자기학 918
27.2 자기장 920
27.3 자기력선과 자기선속 925
27.4 자기장 내에서의 대전 입자의 운동 929
27.5 대전 입자 운동의 응용 933
27.6 전류가 흐르는 도체에 작용하는 자기력 936
27.7 전류 고리에 작용하는 힘과 돌림힘 941
*27.8 직류 전동기 948
*27.9 홀 효과 950
■ 요약 954
■ 문제 956

28 자기장의 근원 963

28.1 움직이는 전하의 자기장 964
28.2 전류소에 의한 자기장 967
28.3 곧은 전류가 흐르는 도체의 자기장 970
28.4 평행 도체 사이에 작용하는 힘 972
28.5 원형 전류 고리의 자기장 974
28.6 앙페르의 법칙 977
28.7 앙페르의 법칙의 응용 981
*28.8 자성 물질 985
■ 요약 992
■ 문제 994

29 전자기 유도 999

29.1 유도 실험 1000
29.2 패러데이의 법칙 1002
29.3 렌츠의 법칙 1012
29.4 운동 기전력 1015
29.5 유도 전기장 1018
*29.6 맴돌이 전류 1021
29.7 변위 전류와 맥스웰 방정식 1023
*29.8 초전도성 1028
■ 요약 1032
■ 문제 1033

30 인덕턴스 1039

30.1 상호 인덕턴스 1040
30.2 자체 인덕턴스와 인덕터 1043
30.3 자기장 에너지 1048
30.4 R-L 회로 1051
30.5 L-C 회로 1057
30.6 L-R-C 직렬 회로 1062
■ 요약 1065
■ 문제 1067

31 교 류 1071

31.1 위상자와 교류 1072
31.2 저항과 리액턴스 1075
31.3 L-R-C 직렬 회로 1082
31.4 교류 회로에서의 전력 1086
31.5 교류 전류 회로에서 공진 1091
31.6 변압기 1095
■ 요약 1099
■ 문제 1101

32 전자기파 1105

32.1 맥스웰 방정식과 전자기파 1106
32.2 평면 전자기파와 빛의 속력 1110
32.3 사인 꼴 전자기파 1116
32.4 전자기파의 에너지와 운동량 1122
32.5 정상 전자기파 1128
■ 요약 1132
■ 문제 1133

33 빛의 특성과 전파 1137

33.1 빛의 특성 1138
33.2 반사와 굴절 1140
33.3 내부 전반사 1146
*33.4 분산 1149
33.5 편광 1152
*33.6 빛의 산란 1161
33.7 호이겐스의 원리 1162
■ 요약 1166
■ 문제 1168

34 기하 광학 1173

34.1 평면에서의 반사와 굴절 1174
34.2 구면에서의 반사 1178
34.3 구면에서의 굴절 1188
34.4 얇은 렌즈 1193
34.5 카메라 1202
34.6 눈 1205
34.7 확대경 1210
34.8 현미경과 망원경 1211
■ 요약 1217
■ 문제 1220

35 간 섭 1223

35.1 간섭과 결맞음 파원 1224
35.2 두 개의 광원에서 발생된 빛의 간섭 1227
35.3 간섭 무늬의 강도 1231
35.4 얇은 막(박막)에서 간섭 1235
35.5 마이컬슨 간섭계 1242
■ 요약 1245
■ 문제 1246

36 회 절 1249

36.1 프레넬 회절과 프라운호퍼 회절 1250
36.2 단일 슬릿에서의 회절 1252
36.3 단일 슬릿 무늬의 빛의 세기 1256
36.4 다중 슬릿 1261
36.5 회절 격자 1264
36.6 x선 회절 1269
36.7 원형 구멍 틈새와 분해능 1273
*36.8 홀로그래피 1277
■ 요약 1281
■ 문제 1282

■ 부 록

A 국제단위계 A-1
B 유용한 수학적 관계 A-3
C 그리스 문자 A-4
D 원소의 주기율표 A-5
E 단위변환 요소 A-6
F 상수 A-7

■ 해답 A-9

■찾아보기 I-9