물리학실험
1. 개요
일반물리학 수준의 물리의 전반적인 분야에 대해 실험을 하는 과목으로, 거의 모든 대학교 이공계열 학과에 개설된 교양과목이다.[1] 대학교 마다 편차가 있고, 또 해당 과목을 담당하는 조교마다 또 다를 수 있지만 대개 물리학실험은 상당히 강도가 높다. 보고서에 요구되는 정교성과 완결성도 상당히 수준 높은 경우가 많아 보고서 하나를 완성하는데 한나절이라는 시간도 부족한 경우가 부지기수이다.
물리학실험에서 다루는 내용 그 자체는 이미 수백 년 전에 다 밝혀진 것들이라고 해도, 물리학실험 과목의 중요한 의의 중 하나는 '''실험 데이터를 분석하고 보고서를 체계적으로, academic하게 작성하는 능력을 기르는 것'''이다. 실제로 많은 경우 보고서 표절이 적발되면 해당 점수 0점이면 다행이고 F를 받더라도 전혀 이상하지 않은 경우가 많다. 뿐만 아니라 실험 데이터를 분석하고 오차 요인들을 생각해보면서 단순히 책에서만 배웠던 물리에서 벗어나 실제 연구 현장에서 fact를 어떻게 다루는 지에 대해 입문하는 중요한 과목이라고 할 수 있다.
2. 실험 일람
본 실험 일람은 2020년 기준 서울대학교에서 개설된 물리학실험 과목을 기준으로 서술한다. 단학기 강좌가 아닌 통년 강좌 기준이다.
2.1. 물리학실험 I
일반물리학의 전반부에 해당하는 뉴턴 역학, 진동, 파동에 대해 실험한다.
2.1.1. 뉴턴의 사과 및 포물선 운동
자유 낙하 운동에 대해 실험적으로 검증한다. 역학의 입문이라고 할 수 있는 F=ma를 중력의 관점에서 처음으로 실험적으로 규명해보는 것이며, 당연히 실제 실험 데이터는 공식에 대입하여 예측한 값과 많이 다를 수 있기 때문에 오차 요인을 생각해내는 능력도 중요하다. 예를 들어 촬영 카메라의 위치나 공기 저항 등을 오차 요인으로 들 수 있을 것이다.
2.1.2. 관성 모멘트 측정
원이나 사각판 등 다양한 형태의 모양에 대해 관성 모멘트를 측정하여 이론값과 합치하는 지 검증한다. 평행축 정리 등도 본 실험을 통해 검증되고 확인될 수 있다. 관성 모멘트 측정을 위해 추를 낙하시키고 원판의 회전 속도를 측정하는 방식으로 진행하는데, 도르래의 관성 모멘트는 무시하고 진행하기 때문에 이와 같은 것들이 오차 요인이 될 수 있다.
2.1.3. 시지프스의 고민
역학적 에너지의 보존에 관련된 실험이다. 구슬을 일종의 롤러코스터 모양의 트랙에서 운동하게끔 하고 원형 트랙의 꼭대기에서는 어떻게 운동하는가, 낙하하는 동안의 마찰에 의한 에너지 손실은 얼마나 되는가 등에 대해 탐구한다. 주의해야 할 것은 다루어야 할 엑셀 데이터가 '''끔찍하게 많다'''는 것이므로 엑셀을 평소에 잘 다루지 못했다면 조금 고될 수도 있다.
2.1.4. 당구의 역학
운동량 보존의 법칙에 관한 실험이다.
다만 표제와 같이 당구장에서 실제 실험을 하기는 상황이 녹록지 않은데,
- 당구장은 거의 저녁에 문을 열기에 저녁에 시간을 낼 수 없다면 실험이 어렵다.
- 당구장 입장료가 싼 편이 아니다. 보통 인당 몇만원 수준이다.
- 설령 들어왔다고 해도 실험 중에 느낄 수 있는 당구장 주인&손님의 따스한 눈길(...).
- '실험'으로서 가장 큰 문제로, 당구 실력이 크나큰 변인이 된다.
2.1.5. 자이로스코프
2.1.6. 용수철 흔들이의 운동
2.1.7. 에너지 모습
2.1.8. 파동
2.2. 물리학실험 II
일반물리학의 후반부에 해당하는 전자기학, 광학 등에 대해 실험한다. 대체로 물리학실험 I보다 실험 과정이 더 복잡하고 specific한 경향이 있다.
3. 측정 장비
물리학실험에서 아주 중요한 것 하나를 꼽자면 바로 측정 기구일 것이다. 예를 들어 서울대학교에서는 tracker라는 프로그램을 사용했는데, 미리 카메라로 운동하고 있는 물체(구슬 등)를 촬영한 후 이 프로그램이 구슬을 알아서 포착한 후 운동을 추적해 시간-위치 데이터 등을 생성해주는 프로그램이었다. 측정 기구의 종류는 대학교마다 무궁무진하다고 할 수 있는데, 어떤 곳에서는 약간 다른 방식인 Pasco 센서를 활용하였다. Pasco는 광도 센서, 압력 센서 등 아주 많은 종류의 센서를 포함하고 있어 각각의 실험마다 센서에서 적절한 데이터를 얻어올 수 있다. 그리고 센서에서 받은 데이터를 Pasco interface라는 컴퓨터 프로그램을 이용해 분석한다.
4. 기타
물리학실험도 담당교수에 따라 중간고사나 기말고사를 보는 경우도 있으나 일반물리학 이론강의를 잘 들었다면 별 문제없이 풀 수 있는 문제들이고 실험과목이기 때문에 비중이 낮으며 어느 교수든 보고서 평가를 가장 많이 반영한다.
[1] 교양과목이라고는 하지만 대개 물리학 혹은 일반물리학을 수강할 때 필수적으로 들어야 하는 경우가 대부분이다. 일반물리학은 일부 학과를 제외한 이공계열에서 대개 가장 필수적으로 수강되는 과목이라는 것을 고려했을 때 사실상 대다수의 이공계열 학생들은 물리학실험 과목을 반드시 이수해야 한다.