[작성중] 2019년 3월호 뉴턴: 중·고등학교 물리

평소에도 물리를 굉장히 흥미롭게 보았던지라 3월호 뉴턴을 정말 재미있게 읽었어요. 원래는 뉴턴을 매월 포스팅해야하지만 시험기간이 겹치고 도무지 시간이 안나 이 떄까지 질질 끌은듯...ㅠㅠ 재미있게 읽었던 것들부터 포스팅하려구요! 이번엔 물리다보니 느낌점보다는 뉴턴에서 다시 한 번 상기했던 내용 위주로 정리했어요! 내용 자체가 긴지라 천천히 정리하겠습니다.

본 포스팅은 

2019년 3월호 뉴턴-중·고등학교 물리, 완자 물리학1, 하이탑 물리학1 을 

바탕으로 작성되었습니다.

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I. 힘과 운동

 

1. 힘, 속도, 가속도

힘: 물체의 속도를 변화시키는 것

속력: 물체의 빠르기를 나타내는 물리량. (이동거리/걸린시간)

속도: 물체의 운동 방향과 빠르기를 함께 나타내는 물리량. (변위/걸린시간)

가속도: 물체의 속도가 시간에 따라 변하는 정도 (속도변화량/걸린시간)

※변위: 최단 이동거리 (직선)

2. 뉴턴의 운동법칙

운동의 제1법칙(=관성의 법칙): 물체에 작용하는 알짜힘이 0이면 정지해 있는 물체는 계속 정지해 있고, 운동 중인 물체는 등속 직선 운동을 계속한다.

관성이란? 물체가 원래의 운동 상태를 유지하려는 성질. (∝ 질량)

例) 아무것도 없는 우주 공간에서 공간을 날아가던 우주선의 연료가 떨어지더라도 우주선은 똑바로 계속 나아갈 것이다. 

관성의 법칙은 이탈리아의 과학자 갈릴레오 갈릴레오와 프랑스의 철학자 르네 데카르트에 의해 같은 시기에 제창되었음. 다만, 우리의 일상생활 속에서는 마찰력과 공기 저항 등의 영향으로 운동 제1법칙을 흔히 관찰 할 수 없음.

운동의 제2법칙(=가속도의 법칙): 물체의 가속도 a는 물체에 작용한 알짜힘 F에 비례하고, 물체의 질량 m에 반비례한다.

운동 방정식

F=m*a 

 진공 속에서는 쇠공과 깃털이 동시에 떨어진다!

공기 속에서는 깃털이 공기저항을 받아 천천히 낙하하지만, 진공 속에서는 동시에 떨어진다. 가벼운 깃털에 걸리는 중력은 작고, 무거운 쇠공에 걸리는 중력은 크기 때문에 진공 속에서도 무거운 쇠공이 먼저 낙하할 것처럼 생각하기 쉽지만, 그렇지 않다. 가벼운 깃털은 질량이 작기 때문에 가속되기 쉽다. 무거운 쇠공은 질량이 크기 때문에 가속되기 어렵다. 즉 중력의 대소효과가 질량의 대소효과로 인해 해소되기 때문에 결국엔 같은 가속도로 낙하하는 것.

F=m↓*a↑         =        F=m↑*a↓

운동 제3법칙(=작용 반작용 법칙): 한 물체가 다른 물체에 힘을 가하면 힘을 받은 물체도 힘을 가한 물체에 크기가 같고 방향이 반대인 힘을 동시에 가한다.

만류인력의 법칙

떨어져 있어도 성립된다.

例) 스카이다이빙을 하는 사람이 지구로 잡아당겨질 때, 지구도 스카이다이빙을 하는 사람의 '중력'에 잡아당겨지며, 매우 미미하지만 사람을 향해 '떨어진다'. 그 크기가 너무나 작으므로 인식되지 않을 뿐이다.

3. 보존의 법칙

운동량 보존의 법칙: 두 물체가 충돌할 때 두 물체 사이의 상호 작용 외의 외려이 작용하지 않는 경우 충돌 전과 충돌 후 운동량의 총합은 항상 같다.

운동량이란? 운동하는 물체의 운동 효과를 나타내는 양.

운동량=질량x속도, p=mv

에너지 보존의 법칙: 마찰이나 공기 저항을 받지 않으면 물체의 퍼텐셜 에너지와 운동 에너지의 합인 역학적 에너지는 일정하게 보존된다. 현실에서는 에너지의변환이 일어나 역학적 에너지가 보존되지는 않지만 에너지의 총량은 변하지 않는다.

운동에너지

위치에너지

U=mgh (질량x중력가속도x높이)

4. 마찰력과 공기 저항

마찰력: 접촉한 물체 사이에 작용하는, 운동을 방해하는 방향으로 가해지는 힘.

공기 저항: 물체의 운동을 방해하는 힘. 물체가 공기를 밀어낼 때 공기로부터 반대 방향의 힘을 받는 것.

마찰력에 의해 감소한 운동에너지는 주료 열에너지로 바뀜. (마찰열)

마찰력 (는 마찰 게수, N는 수직 항력)

만약 마찰력이 없다면?

 2002년에 노벨 물리학상을 받은 일본의 고시바 마사토시 박사는 대학원생 시절에, 자신이 강의를 했던 중학교와 고등학교에서 '만약' 마찰력이 없다면 어떻게 될까?' 라는 문제를 냈다고 한다. 이 문제에서 상정된 정답은 '백지'였다. 마찰력이 없으면 연필이 종이 위에서 미끄러져 글씨를 쓸 수 없기 때문이다. 그러나 마찰력이 없다면 애당초 연필을 쥐기도 어려울 것이다. 의자에 앉아 있을 수도 없다. 마찰력은 우리의 세계를 안 보이는 곳에서 지탱하는 힘이다.

II. 기체와 열 

1. 기체의 압력 (기압)

기체 분자가 벽과 충돌한 순간, 벽에는 힘이 가해진다. 기체 분자 1개의 충돌에 의한 힘은 매우 작지만, 끊임없이 대량의 기체 분자가 충돌하기 때문에 모두 합하면 무시할 수 없을 만큼 큰 힘이 된다. 

대기압: 대기의 압력

→해수면 부근의 대기압 크기는 약 1013hPa(1기압) 인데, 이것은 1m² 의 지면에 무려 10톤이나 되는 추가 올라가 있는 것과 같은 압력이다.

 2. 기체의 온도

온도: 원자와 분자 운동이 격렬한 정도. 

물질의 열에너지: 그 물질을 만드는 원자와 분자의 운동 에너지를 합계한 것.

온도의 상한?

→절대 영도: -273.15℃ = 0K

→플랑크 온도: 1.4×10³² = 빅뱅이 시작되었을 때의 온도.

III.파동 

IV. 전기와 자기 

VI. 원자와 빛