물리Ⅰ(7차)
1. 개요
7차 교육과정의 고등학교 과학 물리Ⅰ을 설명하는 문서이다.
2. 교과 내용
- 힘과 에너지
- 속도와 가속도
- 운동의 법칙
- 운동량과 충격량
- 일과 에너지
- 전기와 자기
- 전류와 전기 저항
- 전류의 자기 작용
- 파동과 입자
- 파동의 발생과 진행
- 파동의 반사와 굴절
- 파동의 간섭과 회절
- 빛과 물질의 이중성
참고로 말하자면, 미리 경고하는데 '''벡터의 분해는 물리1 교육과정에 없다.''' 물리1에서 벡터를 언급하는 곳은 힘의 합성과, 일과 에너지 단원에서 W=Fscosθ의 형태로 언급되어 있는 곳 '''두 군데'''이다. 평가원에서 바로 받을 수 있는 교육과정 해설서의 과학 과목 해설서 65쪽에, ''''물리Ⅱ'에서 벡터 개념을 도입하여'''란 문장이 바로 명기되어 있다.
가끔씩 빗면에 물체 올려놓고 수직항력이 mgcosθ니 물체를 운동시키는 힘이 mgsinθ니 하는 얘기는 전부 교육과정 외로 전부 '''물리2에서 처음 나오는 것들이다'''. 설사 저런 문제가 물리1에서 나온다고 해도 수직항력이나 물체를 이동시키는 힘의 크기는 '''직관적으로 알 수 있는 차원에서 상대적으로만 비교한다.'''
그리고 용수철의 직렬 병렬 역시 '''교육과정에 없다'''(해설서 67쪽). 이 쪽은 교육과정 해설서에 용수철 직병렬은 다루지 말라고 대놓고 명시되어 있으니 평가원에서 해설서를 받아서 확인해볼 것. 또 도르래나 지레 등 도구를 사용하는 문제 역시 교육과정에 없다.[1]
또 간혹 가다가 물리Ⅰ의 운동량 문제에서 반발 계수를 언급하는 정신나간 참고서가 있는데 이 역시 교육과정에 없다.(해설서 69쪽) 물리Ⅰ에서 물체의 충돌에 대해서 언급하는 것은 '완전 탄성 충돌에서는 두 물체의 운동 에너지가 보존된다.', '완전 비탄성 충돌에서는 충돌 후 두 물체가 융합한다.' 이 두 가지뿐.
전기장과 자기장이 상호작용하는 상황에서 도선이나 자석에 미치는 힘을 구하는 것 역시 교육과정에 없다. 평행 도선이 서로 주고받는 힘은 대놓고 물리2 교육과정(해설서 75쪽).
기전력 개념이나 심지어 '''전위차 개념도''' 물리1 교육과정에는 없다(해설서 73쪽) 아예 '전기장'이란 개념 자체가 물리2.
파동 단원에서는 소리가 다른 파동에 비해서 갖는 특수한 성질에 대한 내용[2]은 교육과정에 없으며, '''구면거울과 렌즈 역시 교육 과정에 없다.'''(해설서 77쪽) 그리고 밑에서 또 다시 서술하겠지만 파동의 에너지에 대한 식[3] 역시 교육 과정에 없다.
4종류의 과학탐구영역중 보통 학생들이 제일 어려워하며 과학탐구 1영역 중 제일 선택하는 학생이 적다.[4] 심지어 물리를 안하고 화1 생1 지학1을선택한후 생물2나 화학2를 선택하는 학생도 꽤 많다. 하지만 이런 풍조가 형성된 것은 학원 강사들이 '''교육과정을 무시한 채''' 제멋대로 심화 내용을 끌어다가 수업한 탓이 매우 크다. 바로 윗 문단에서 교육과정에 대해서 얘기한 것은 평가원 홈페이지에서 배부하는 교육과정 해설서를 보면 바로 알 수 있는 명백한 사실이며, 그 외에도 물리 교육과정 해설서를 공통적으로 꿰뚫고 있는 주제는 바로 '''정량적인 접근을 지양하라, 정성적으로만 다룬다'''[5]는 말이다. 실제로 수능 문제를 보면 기본 개념만 철저히 잡혀 있다면 눈으로도 풀 수 있는 문제가 절반 가량이다.[6]
각 단원별 난이도는 처음 개념을 배울 때는 역학≥전자기=파동 이라는 느낌이지만, 조금 더 공부해서 고난이도 문제들을 많이 접해보면 역학>>파동>전자기로 느낄 수 있다.
역학단원은 물리를 할줄 아는 학생과 모르는 학생의 차이가 가장 큰 단원으로 사실상 외워야 할 공식은 $$F=ma$$[7]랑 $$W=Fs$$ 둘 뿐이며, 뉴턴의 3대 법칙과 일과 에너지 법칙을 얼마나 제대로 이해하고 있는지가 승패를 결정한다. 사실 앞에서 나온 두 공식이 각각 뉴턴의 3법칙과 일 - 에너지 법칙을 대변하며, '''그 외의 것은 알 필요도 없는 단원이 물리1의 역학 단원이다.'''
정말 역학이 힘든 학생들은 $$W=Fs$$에서 $$\frac{1}{2} m v^2$$이랑 $$mgh$$를 유도해보자. 사실 위치E는 금방나와서 별 의미없고 운동E유도가 더 중요하다.
이 유도과정에서 $$\frac{1}{2} m v^2=mgh$$ 라는게 자연스럽게 익혀지고
어지간한 상황에서 어떤 방법으로 수식을 짜야될지 대충 그림이 나오게 된다.
뭐 당연한 이야기이다. 에너지는 힘과, 그 힘을 받고 그 힘의 방향으로 움직인 거리의 곱이니, 힘과 거리를 알고 있는 상황에서는 에너지를 써야 하고, 충격량 즉 운동량의 변화는 힘을 받고 있는 시간에 비례하니[8] 힘과 시간을 알고 있는 상황에서는 운동량을 써야 하는 것이다. 해 본 사람은 알겠지만 가속도, 질량과 시간을 갖고 에너지를 구하는 것이나 힘과 이동 거리를 갖고 운동량을 구하는 것은 정말로 아주 불편하다. 물리1의 역학이 어렵다는 사람은 이 부분이 개념이 제대로 안 되어 있는 것일 경우가 많다.
또, 물체의 운동을 언급하는 물체에서 그래프가 $$v-t$$ 이외의 형태로 나와 있다면, 일단 그래프를 $$v-t$$ 형태로 변환시키고 나서 문제를 보도록 하자. $$v-t$$ 그래프는 아래 면적이 그대로 이동 거리가 되고 그래프의 기울기가 그대로 가속도가 되기 때문에, 머리를 굴리지 않고 바로 눈으로 얻어낼 수 있는 정보가 제일 많은 그래프가 $$v-t$$ 그래프이다.
그리고 등가속도운동 공식은 물리Ⅱ에 가지 않은 이상은 제발 '''외우지 좀 말자'''. 그 공식을 외워서 푸는건 대단한 시간 낭비다. 미분과 적분을 배우면 자동으로 알게 되는 공식이면서, 물리I 정도에서는 공식으로 풀지 말고 그래프로 푸는게 오히려 더 간단하다. 하지만, 교과서, 교육과정에서는 등가속도운동 공식을 기본으로 한다. 대학 논술의 경우 대부분 '''교수들이 등가속도 운동 공식으로 설명해야 좋아한다.(...)''' 수시 준비를 한다면 등가속도 운동을 외워 쓸 줄은 알아두는 것이 좋다. 하지만 수능에서 이걸 쓰면 시간낭비.
혹시 이렇게 해서도 역학 단원이 어렵게 느껴지거든, 당신이 뉴턴의 3대 법칙을 제대로 이해하고 있는지부터 체크해 보도록 하자. 똑같은 1kg짜리 수레가 똑같이 알짜힘 0뉴턴을 받고도 하나는 1m/s로, 하나는 2m/s로 운동할 수 있다는 사실이 이상하게 느껴진다면 당신은 1,2법칙에 대한 개념부터 완전히 잘못 잡혀 있는 것이다. 또, 내가 물체에 힘을 작용'''하기 때문에''' 상대 물체가 나한테 반작용을 한다고 생각한다던지[9], 힘을 작용하는 그 물체 '''자신도''' 자신이 작용하는 힘에 의해 영향을 받는다고 생각한다면, 당신은 뉴턴 제3법칙에 대한 개념이 완전히 잘못된 것이다.[10]
전자기단원은 회로도를 보는 연습과 몇가지 중요한공식 (옴의 법칙이나 오른나사법칙) 등을 이해하고 적용하는 연습을하면 쉽게 풀리는 문제가 나온다. 심지어 이쪽 단원은 펜을 하나도 안 대고 푸는 경우들도 나온다.
전자기는 어려운 부분을 대부분 물리Ⅱ로 미뤘기 때문에 아주 쉽다.
하지만 요즘 추세로 볼때 3점짜리 복잡한 계산 문제가 나오는데 계산력이 부족한 학생은 이곳에서 5분씩 잡아먹기도 한다. 그러니 전기계산 부분은 기출문제를 풀어서 계산실력을 늘리는게 필수다
'난 전자기가 제일 어려워요!'라는 학생은....물리 공부방법을 조금 다시 생각해보자. 다만 처음 접할 때의 난이도는 높은 편이다.(화학Ⅰ의 탄소화합물과 비슷한 점이다.) 자기력에 익숙해지는 게 좀 시간이 걸리고 어렵지만 익숙해지면 방식이 뻔해서 이 단원은 우리에게 우리에게 훌륭한 점수 공급원이 된다. 물론 어느 과학탐구가 그러하듯이 전자기에서도 헬 난이도 문제가 나올 수 있다. 미치도록 어렵기보다는 '''실수를 유도'''해서 잘 틀리게 하는 방식.
파동단원은 앞의 역학과 전자기를 배우느라 지친 학생들이 공부를 소홀히해 놓치는 경우가 많은데 조금만 공부해도 점수를 딸수있으므로 물리를 공부하는 학생 들은 여기서부터 공부하는것도 추천해볼만하다. 다만 조심할 게 있는데, 하이탑으로 공부하는 학생들은 '''제발 좀 렌즈 단원은 공부하지 말자.''' 수능에도 안 나오고 내신에도 안 나온다. 배울 때는 가장 까다롭다고 생각되지만, 정작 수능 문제는 가장 쉽게 나오는 부분이다.[11]
그리고 또 한 가지 조심할 게 있는데, 빛 단원 들어가서 파동의 에너지 식과 광량자의 에너지 식을 연립하는 짓은 하지 마라. 일단 '''파동의 에너지 식이 애초에 교육과정 외이기도 하지만''', 양자 역학을 조금이라도 아는 사람이라면 애초에 시도하지도 않는다. 양자 역학에서 얻어낸 기본적인 성질 중 하나가, "입자파는 파동으로 행동할 때는 입자의 성질은 절대로 나타내지 않으며, 입자로 행동할 때는 파동의 성질은 절대로 나타내지 않는다"는 내용의 상보성 원리이다.
즉, 그리고 전자가 날아가는 궤적은 꾸물텅대는 사인파가 아닌 직선이라는것. 애초에 '전자가 날아간다'라는 말을 쓰는 것은 전자를 입자로 보기로 한 것이고, 뉴턴역학의 뉴 자라도 아는 사람이면 외력을 받지 않는 입자는 절대로 사인파처럼 꾸물텅거릴 수 없다는 것은 눈을 감고도 맞출 것이다.
[1] 다만, 공통과학 물리에서는 언급된다.[2] 맥놀이라든가, 소리의 전파 속력은 온도에 영향을 받는다던가[3] 진동수, 진폭의 제곱에 비례한다는 식 말이다.[4] 주로 물리2를 보는 학생들이 선택률이 높다. 근데 그외에는 선택률이 낮다.[5] 그러니까, 공식 갖고 숫자놀이 노가다 때리는 과목으로 만들지 말라[6] 하지만 이 당시 물리1은 물리2보다 어렵고 화학2 다음이라는 말도 나올 만큼 물리1 문제의 난이도가 높았던 것은 사실이다. 게다가 어느 정도 계산량이 많은 문제도 있었고. 2009개정 교육과정에 화학1이 있다면 개정전에는 물리1이 그 역할을 했다고 보면 된다.[7] 단, 흔히 '$$F=ma$$'라고 알고 있고 교육과정에도 그렇게 되어 있지만 뉴턴이 만든 식은 $$F=\frac{dp}{dt}$$가 맞다.(p는 운동량) $$F=ma$$는 질량이 변하지 않을 때만 성립하는 식이고, 질량이 변하지 않을 때는 $$F=m\frac{dv}{dt}$$이고 $$\frac{dv}{dt}$$가 가속도 $$a$$임은 미적분Ⅱ 에서 배운다. $$F=ma$$ 공식은 후대에 오일러가 물리 교육을 쉽게 하기 위해 개발한 것.[8] 충격량 공식 $$I=Ft$$를 굳이 떠올릴 필요도 없이, 위의 F=mΔv/Δt(Δt가 작을때 $$F=m\frac{dv}{dt}$$) 공식에서 각각의 미소 시간 증분에 작용한 힘을 전부 다 더하면 어떤 물리량의 공식이 나오는지를 생각해 보면 된다. 사실 교학사 물리 교과서에는 이 문장이 친절하게 설명되어 있는데, '''애초에 이렇게 쓰라고 만든 개념이 충격량과 운동량이다'''. 서양 과학사를 볼 때, 정말로.[9] '내가 물체에 손을 댐으로써 물체가 원래 취하고 있던 운동(이 경우엔 그 자리에 가만히 정지해 있는 운동)을 방해했고, 그와 동시에 내 손과 물체에서 그것에 저항하는 크기와 방향으로 힘이 발생한다'라는 설명이 제대로 된 설명이다. '두 물체가 서로의 운동에 간섭한다'라는 말과 '두 물체가 상호작용한다', '두 물체가 힘을 주고받는다', '두 물체 사이에 힘이 작용한다'라는 말은 '''넷 다 모든 의미에서 동치'''.[10] 원칙적으로 힘은 작용의 '''대상에만''' 영향을 미치고, 힘을 작용한 주체에 대해서는 영향을 미치지 않는다. 일단 뉴턴의 3법칙을 뺀 2가지 법칙에서, 힘을 작용하는 주체에 대해 언급하는 문장이 있는지 잘 생각해 보자. 그러면, '내가 벽을 때렸는데 내 주먹이 아픈 건 어찌된 일이냐. 네 말대로 하면 내가 벽한테 힘을 줬으니까 그 힘을 준 주체인 내 주먹에는 아무 일도 일어나지 않아야 되는 거 아니냐'라는 반론이 제기될 것이고, 그것을 설명하기 위해 나온 법칙이 뉴턴의 제3 법칙[11] 어렵게 내면 역학은 가볍게 씹어버리는 난이도로 나와서 모든 이들을 절망에 빠뜨리기 때문에 쉽게 낼 수밖에 없다.