일반물리학
1. 개요
대학교 1학년 물리학 과정을 통칭해 부르는 용어. 학교에 따라 '일반물리', 혹은 '대학물리' 등으로 과목이 개설된다. 자연과학과 공학의 토대가 되는 학문으로 역학, 전자기학, 광학, 상대성이론 등 물리학 전반의 다양한 분야의 내용들을 넓고 얕게 배운다. 보통은 대학교 1학년 동안 2학기에 걸쳐서, 즉 통년으로 수강한다. 그러나 일부 학과는 단학기 강좌로 배우거나[1] 과학 교양 과목들 중에 선택지[2]를 줘서 물리학을 4년 내내 공부하지 않고 졸업하는 경우도 있다. 1학기에는 역학[3]이, 2학기에는 전자기학[4] 및 상대성 이론과 기초적인 현대물리학[5]이 주를 이룬다.
내용은 물리Ⅰ, 물리Ⅱ 과정에서 배우는 내용의 연장선 상에 있다. 고등학교에서 배우는 물리와 가장 두드러지는 차이를 꼽자면 수학적 접근의 깊이라고 할 수 있다. '''뉴턴이 물리학을 구축하기 위해 만든 게 미적분이며''', 물리와 미적분은 밀접하게 연관되어 있다.[6] 심지어 단진동을 제대로 설명하자면 미적분에 대한 이해와 더불어 미분방정식의 풀이법이 동반되어야 한다. 이건 일반물리에서도 깊게 들어가지는 않으며 주로 해가 이런 형태로 나온다는 점만 써놓은 경우도 있다.
미적분학과 마찬가지로, 이공계열로 들어온 1학년들은 필수과목인 경우가 많다. 단, 미적분학은 모든 전공자가 다 들어야 하는 반면, 일반물리는 생명과학 쪽에서는 안 들어도 되는 경우가 보통이다. 물론 생명과학과 쪽에서도 필수적으로 일반물리를 수강하도록 규정하는 곳도 있다. 공과대학의 경우, 산업공학이나 도시공학 등 물리학이 별로 중요하지 않다고 기초 과학 과목들 중 선택지를 주거나 물리학을 필수로 지정하더라도 단학기 강좌를 듣는 경우도 있지만 대부분은 일반물리학을 반드시 수강한다.
거의 모든 학교에서 일반물리학실험과 동시에 수강하도록 되어 있다. 별개의 과목으로 분리되어 있는지, 아니면 일반물리학 및 실험이라고 한 과목으로 묶여 있는지는 대학교마다 다 다르다. 일반적으로 한 과목으로 묶인 경우 4학점으로 배정되고 쪼개져 있다면 이론은 3학점, 실험은 1학점으로 배정되는 게 보통이다.
후술하겠지만, 교과서에 따라서 배우는 내용의 수준에 미세한 편차가 있다. 하지만 일반화학에 비하면 훨씬 덜한데, 물리학이 정립되어 가면서 가장 효율적인 학습구조가 정형화되었기 때문이다.
과학고 학생들의 경우 고급물리학을 이수하는데 일반물리학과 거의 비슷하다. 일반고 과정에선 아예 쓰지 않았던 미적분들도 튀어나온다. 물론 AP과정으로 일반물리학을 미리 이수하는 경우도 있다.
영재학교에서는 거의 대부분 일반물리학이 아예 공식적으로 교육과정에 들어가 있다. KAIST 부설 한국과학영재학교에서는 일반물리학 1, 일반물리학 2, 일반물리학 실험1, 일반물리학 실험2, 현대 물리학 개론 까지 있다. 모든 영재학교에 일반물리학, 일반물리학실험이 공식적으로 들어가있다.
2. 출제되는 시험
- PEET
- [7]
- 물리인증제 고급 (1,2급)
- 7급 공개경쟁채용시험 - 일반기계직, 전기직, 토목직, 건축직, 방송통신직
3. 내용
3.1. 배우는 내용
기본적으로 배우게 되는 내용에는 다음과 같은 것들이 있다.
- 측정과 단위계
- 고전역학 - 속도와 가속도, 뉴턴의 운동 법칙, 일과 에너지 보존, 질량중심과 선운동량, 회전운동, 만유인력, 유체역학, 단순 조화 진동
- 열역학 - 열과 온도, 기체 분자 운동론, 열역학 제1법칙과 열역학 과정, 열역학 제2법칙과 열기관의 효율 및 엔트로피
- 파동 - 역학적 파동의 성질과 진동
- 전자기학 - 전기장과 가우스 법칙, 직류 회로, 자기장과 앙페르 법칙, 전자기 유도, 교류 회로, 맥스웰 방정식
- 광학 - 기하광학, 파동광학, 회절
- 현대물리학 - 특수 상대성 이론, 양자 역학 등이 맛보기 수준으로 나온다.[8]
3.2. 교재
'''서웨이(Serway)'''와 '''할리데이(Halliday)''' 책이 주로 쓰인다. 미국 물리학과 석사과정으로 유학가려는 학생은 GRE Physics가 강력히 요구되는데 어려운 부분이 있다면 할리데이를 적극 참고하자. 왜냐하면 GRE 문제 중 개념적 이해가 힘들거나 어떻게 푸는지 모르는 문제들은 연습을 많이 해야하는데 할리데이에 GRE에서 나오는 유형과 비슷한 게 무진장 많다! 다만, 솔루션에서 풀어놓은 문제들과 답이 특정 문제들에 국한하여 있으므로 재밌는 문제를 풀었는데 답이 없다면... 그래도 많은 문제들을 풀면 개념적 이해가 잘 되므로 할리데이를 잘 볼 것. 판매량은 할리데이가 서웨이를 앞서나, 전반적인 텍스트의 질은 서웨이가 더 높다는 평이 우세하다. 먼저 할리데이의 경우 실생활과 연관지어 물리 개념의 이해를 돕겠답시고 곳곳에 현실적인 예시들을 산발적으로 집어넣어 오히려 전체적인 흐름을 파악하기 힘들다는 의견도 있으며, 특히 10판에 들어서부터는 연습문제의 난이도 표기를 몽땅 제거해놓았기 때문에 학습자가 자신의 수준에 맞는 문제들을 추려서 효율적으로 공부하는 것이 더욱 힘들어졌다. 반면 서웨이는 개념 설명의 측면에서는 정석적이고 무난하다고 할 수 있으며 연습문제들 역시 세 난이도로 명확하게 나뉘어져 공부가 용이하다. 특히 추가 문제 (additional problems) 파트에 좋은 문제들이 많이 포진해있기 때문에 풀어볼만 하다. 다만 서웨이의 단점으로는 어떤 문제 바로 다음 문제가 그저 전 문제의 숫자들을 문자로 바꾼 것에 지나지 않은 동일한 문제인 경우가 존재하므로 이에 유의하며 풀어야 한다. 숫자로 나타나있는 문제보다는 문자로만 표현된 문제를 푸는 것을 권장한다.
다른 책으로는 '''Young''', '''Benson'''[10], '''Tipler''', '''Bauer'''[11]등이 있는데, 일반화학 교재와 다른 특징은, 많아봐야 20장 정도인 일반화학 교재와 비교했을 때, 일반물리 책은 기본이 30, 많으면 40장까지 나간다. 아마 더 넓은 범위를 커버해야 해서인 듯. 그래도 부족하다는 의견이 다수... 지만 그래봤자 공대는 대개 광학과 현대물리학은 그냥 패스하고 역학과 전자기학만 하는 경우가 많아서 학생들 입장에선 그냥 책 무게만 늘리는 짜증나는 파트로 인식되기 마련이며 수업에 사용될 부분만 제본하여 무게를 줄이는 학생도 많다.
'''파인만의 물리학 강의'''도 가끔씩 쓰인다. 이는 파인만이 칼텍에서 강의한 내용을 책으로 엮은 것인데, 책의 난이도가 상당하다보니[12][13] 주교재로 쓰기보단 일반물리를 공부하다가 모르는 부분이 있으면 찾아보는 식으로 쓴다.
수학없는 물리라는 책도 있는데, 사실, 이 책은 물리를 처음 접하는 사람들을 위한 책이므로 다른 일반물리책과 같은 선에 놓기는 어렵다. 책 자체에 복잡한 수식이 거의 나오지 않고, 그림이나 글로써 기초적인 개념만 설명한다. 물리학의 특성상 수학없이는 전개가 힘드므로 물리학의 간단한 부분만 배울 수밖에 없다. 고등학교를 졸업하고 일반물리를 배우기 이전에 예비순환하기 위한 용도로는 괜찮다.
'''Matter & Interactions'''라는 책도 있다. 단원 배치가 Halliday, Young&Freedman 등과는 매우 다르며, 이는 1권 1장부터 상대론을 다룬다는 점에서 드러난다. 설명 방식 또한 이들과 다른 점이 여럿 있어 한국에서는 거의 쓰이지 않는다.
대학 교수진들이 직접 자체교재를 만드는 경우도 있다. 제목도 Halliday, Serway 등의 서적과 같이 대학물리학, 일반물리학의 이름을 달고 출판되는 경우가 잦으므로 해당 대학이나 교수진의 저서를 찾는 사람이 아니라면 제목에 유의.
[1] 보통 이런 경우는 역학 파트 절반, 전자기학 파트 절반 정도를 배운다.[2] 물리학 외에 화학, 생명과학, 기상학 등[3] 물리량의 단위, 1차원 직선 운동(자유 낙하 운동, 연직 상방 운동), 2차원 평면 운동(포물선 운동), 원운동(구심력), 중력, 마찰력, 탄성력(훅의 법칙), 일-운동 에너지 정리, 운동량 보존 법칙, 관성 모멘트, 토크, 각운동량 보존 법칙, 정역학(역학적 평형, 고체의 탄성), 만유인력과 탈출속도, 유체역학(부력, 파스칼 법칙, 베르누이 정리), 단진동, 파동, 열역학.[4] 전기장과 전위, 자기장, 회로 이론, RLC 회로, 맥스웰 방정식, 전자기파 등[5] 콤프턴 산란, 광전 효과 등[6] 대학 일반물리학 수준의 물리학을 고등수학 없이 설명한다는 컨셉으로 나오는 교과서도 있기는 하다. 직관적으로 이해하기 위한 난이도가 낮기는 하지만, 오히려 수학이 없어서 더 내용이 헷갈리고 복잡해지는 경우도 있다.[7] 2017학년도부터 MEET와 DEET의 자연과학II에서 물리학 부분은 없어졌다. 유기화학도 일반화학에 통합되었다시피 하여 사실상 MD는 생물과 화학만 공부하게 되었다고 해도 과언이 아니다.[8] 일반 상대성 이론의 경우 심도 있게 이해하려면 미분기하학을 숙지하고 있어야 하고, 양자역학의 경우는 슈뢰딩거 방정식 자체를 이해하기 위해 필요한 물리학과 수학들이 일반물리의 수준을 뛰어넘는다. 그래도 물리학도라면 일반물리학 수준의 현대물리학도 자세히 배워두는 편이 좋다. 덧붙여서 양자역학을 이해하기 위해서는 선형대수학의 내용이 필수적이다.[9] 보통 여기까지가 1학기 범위다. 두 권으로 분권되어 있으면 한 권 끝.[10] 절판된지 꽤 되었지만 2018년 1월부터 다시 출간되기 시작했다. 이전부터 수식을 이용한 깔끔한 개념설명, 양질의 고난도 문제들이 많이 수록되어 있어서 책의 수요가 꽤 있었던 책이었으나 어느 순간 절판되어 도서관에서만 모습을 볼 수 있었다. 절판시부터 재출간을 바라는 의견이 있었고, 근래에 들어서야 그 의견이 반영된 듯하다.[11] 원서 제목은 'University Physics with Modern Physics'이고, 번역판 제목은 '현대 대학물리학'이다. 제목에서 알 수 있듯이 다른 일반물리학 책에 비해서 현대물리학 부분의 내용이 자세하다. 슈뢰딩거 방정식 등을 연산자를 활용해 설명을 하고, 행렬까지 등장하는 등, 선형대수 지식이 다소 요구되는 편이다. 그리고 디랙 방정식까지 일부 다루고 수소 원자에 대한 슈뢰딩거 방정식의 해를 직접 구하기까지 한다. 쓰이는 곳은 많지 않으나, 한국과학영재학교에서 교재로 사용하고 있다.[12] 그의 회고에 따르면 당시 자기 수업을 듣던 학생들은 몇몇만 겨우 이해한 눈치였고 나머지는 모르겠다는 표정을 짓고 있었다고... 그러나 그 수업을 듣던 교수들은 파인만에게 찬사를 아끼지 않았다고 했다. [13] 일반적인 교과서 커리큘럼과 다르게 진행할 뿐만 아니라 학부 이상 수준까지 다루고 있다.