물리학은 세상이 움직이는 규칙을 수와 그림으로 밝히는 학문입니다.
거시세계의 힘과 에너지에서 미시세계의 빛과 물질까지 — 직접 조작하며 만나 봅니다.
물체가 왜, 어떻게 움직이는지를 힘과 에너지로 설명합니다. 평형에서 출발해 뉴턴의 운동 법칙, 운동량, 에너지 보존, 그리고 열까지 이어집니다.
물체가 정지 상태를 유지하려면 두 조건이 필요합니다. 알짜힘 = 0(움직이지 않음)과 알짜 돌림힘(토크) = 0(회전하지 않음). 이 둘이 평형의 조건입니다.
돌림힘(토크)은 힘 × 회전축까지의 거리입니다. 시소가 균형을 이루려면 양쪽의 돌림힘이 같아야 합니다 — 즉 무거운 사람은 가까이, 가벼운 사람은 멀리 앉아야 하죠(지레의 원리).
물체에 일정한 알짜힘이 작용하면 가속도도 일정합니다. 뉴턴 제2법칙 F = ma에 따라 같은 질량에서는 힘이 클수록, 같은 힘에서는 질량이 작을수록 가속도가 큽니다.
교과서의 역학 수레 동영상 분석 활동을 모형으로 구현했습니다. 힘·질량·처음 속도를 바꾸고 수레를 출발시키면, 시간-속도 그래프는 기울기가 일정한 직선으로, 시간-가속도 그래프는 수평선으로 나타납니다.
운동량 p = mv는 '운동의 양'입니다. 충돌하는 동안 두 수레가 서로 미는 힘은 크기가 같고 방향이 반대이므로, 외부 힘을 무시하면 충돌 전후 전체 운동량은 보존됩니다.
두 수레의 질량과 속도를 바꿔 비탄성 충돌시켜 보세요. 충돌 후 두 수레는 붙지 않고 서로 떨어져 움직이며, 충돌 전보다 운동 에너지의 일부가 소리·변형·내부 에너지로 전환됩니다. 충돌 전과 후의 전체 운동량은 그대로입니다.
정지한 공을 놓으면 중력이 일을 하여 중력에 의한 위치 에너지가 운동 에너지로 전환됩니다. 마찰과 공기 저항을 무시하면 두 에너지의 합인 역학적 에너지는 일정합니다.
교과서의 자유 낙하 상황입니다. 처음 높이와 공의 질량을 정한 뒤 놓아 보세요. 공이 내려오면서 위치 에너지는 감소하고 그만큼 운동 에너지는 증가하지만, 초록색 전체 막대는 변하지 않습니다.
마찰로 역학적 에너지가 줄어들 때 에너지가 사라지는 것은 아닙니다. 물체를 이루는 입자의 불규칙한 운동이 커져 내부 에너지로 전환됩니다. 이상 기체에서는 절대온도가 높을수록 분자의 평균 운동 에너지가 큽니다.
온도 슬라이더를 올려 보세요. 분자 모형이 더 빠르게 움직이고 벽과 더 자주 충돌합니다. 이 모형은 마찰로 따뜻해진 물체, 열전달, 상태 변화에서도 에너지의 총량은 보존된다는 생각으로 이어집니다.
열기관은 높은 온도의 열원에서 열을 받아 일부를 일로 바꾸고, 나머지를 낮은 온도의 열원으로 내보냅니다. 받은 열을 모두 일로 바꾸는 기관은 만들 수 없으므로 열효율은 언제나 100%보다 작습니다.
고온 열원과 저온 열원의 온도를 바꿔 보세요. 두 온도의 차이가 클수록 일을 얻을 가능성이 커지지만, 저온부로 버리는 열은 항상 남습니다. 애니메이션의 화살표 굵기가 에너지의 상대량을 나타냅니다.
보이지 않는 전하와 전류가 만드는 힘과 장(field)을 다룹니다. 전기장에서 회로, 축전기, 자기 작용, 그리고 전기와 자기가 하나로 이어지는 전자기 유도까지 나아갑니다.
전하는 주변 공간에 전기장을 만듭니다. 다른 전하가 그 안에 들어오면 힘을 받죠. 같은 부호는 밀어내고, 다른 부호는 끌어당깁니다(쿨롱 법칙). 전기장은 화살표(벡터)의 지도로 그릴 수 있습니다.
가운데 큰 전하의 부호를 바꾸고, 회색 시험 전하(+)를 드래그해 보세요. 화살표는 그 지점에서 +전하가 받는 힘의 방향입니다. 배경 화살표들이 전기장의 모습을 보여 줍니다.
전지는 전하를 밀어주는 전압(V)을, 도선의 저항(R)은 전하의 흐름을 방해합니다. 그 결과 흐르는 것이 전류(I)입니다. 이 셋의 관계가 옴의 법칙 V = IR이에요.
직렬과 병렬을 바꿔 보세요. 직렬은 저항이 커져 전류가 줄고, 병렬은 저항이 작아져 전류가 늡니다. 회로 속 움직이는 점이 전류의 흐름이에요(빠를수록 전류가 큼).
축전기(콘덴서)는 두 금속판에 전하를 저장하는 장치입니다. 전지를 연결하면 서서히 충전되고, 떼면 저장한 에너지를 방전합니다. 채워지는 속도는 저항 R과 용량 C가 정합니다.
충전·방전 버튼을 눌러 보세요. 판 사이에 전하가 쌓이고 전압이 곡선을 그리며 변합니다. 시간상수 τ = RC가 클수록 천천히 채워집니다(R·C 슬라이더로 조절).
물질 속 전자들이 만드는 작은 자석의 효과가 모여 자성이 나타납니다. 강자성체는 자기 구역이 같은 방향으로 크게 정렬되고, 상자성체는 약하게 같은 방향으로, 반자성체는 약하게 반대 방향으로 반응합니다.
재료 종류를 고르고 외부 자기장을 바꿔 보세요. 작은 화살표는 물질 내부의 자기 모멘트입니다. 강자성체에서는 여러 모멘트가 한꺼번에 정렬된 자기 구역을 이루어 반응이 특히 큽니다.
전류가 흐르는 도선 주위에는 자기장이 생깁니다(외르스테드의 발견). 자기장은 도선을 둥글게 감싸는 모양이고, 방향은 오른손 법칙으로 정합니다 — 엄지가 전류, 감아쥔 네 손가락이 자기장.
전류의 세기와 방향을 바꿔 보세요. 도선을 감싸는 원형 자기장의 방향과 촘촘함이 달라집니다. 나침반(회색 바늘)을 드래그하면 그 위치의 자기장 방향을 가리켜요.
앞 단원의 거꾸로입니다. 코일 근처에서 자석을 움직이면(자기장이 변하면) 전류가 유도됩니다(패러데이 법칙). 핵심은 변화 — 자석이 멈춰 있으면 아무 일도 없어요.
자석을 좌우로 드래그해 코일에 넣었다 뺐다 해 보세요. 빠르게 움직일수록 검류계 바늘이 크게 흔들립니다. 자석의 극을 뒤집으면 같은 방향으로 움직여도 유도 전류의 방향이 반대가 되는 것도 확인해 보세요(렌츠의 법칙).
빛의 파동성에서 시작해 굴절과 렌즈를 지나, 빛과 물질이 입자이자 파동인 미시세계로 들어갑니다. 원자의 에너지 준위, 반도체, 그리고 시공간을 뒤흔든 특수 상대성까지.
두 틈을 지난 빛이 만나면, 마루와 마루가 겹쳐 밝아지고(보강), 마루와 골이 만나 어두워집니다(상쇄). 그 결과 스크린에 밝고 어두운 줄무늬가 생기죠 — 입자라면 불가능한, 파동만의 현상입니다.
빛의 파장(색)과 슬릿 간격을 바꿔 보세요. 파장이 길수록(빨강), 슬릿이 좁을수록 무늬 간격이 넓어집니다. 아래 검은 관찰 화면에서 실제 스크린에 나타나는 밝고 어두운 간섭무늬를 확인할 수 있습니다.
빛은 다른 물질로 들어갈 때 꺾입니다(굴절). 볼록렌즈는 이 굴절로 빛을 한 점(초점)에 모아 상을 만듭니다. 물체가 초점 밖이면 거꾸로 된 실상, 초점 안이면 똑바로 선 확대 허상(돋보기)이 생겨요.
물체 거리와 초점 거리를 바꿔 보세요. 세 개의 기준 광선(축평행→초점, 중심 직진, 초점→축평행)이 모이는 곳에 상이 맺힙니다.
금속에 빛을 쬐면 전자가 튀어나옵니다(광전효과). 그런데 아무리 밝아도 빛의 진동수가 낮으면 전자가 안 나와요. 빛이 파동이기만 하다면 설명이 안 됩니다 — 빛은 에너지 덩어리 광자(photon)이기도 한 것이죠(아인슈타인).
빛의 진동수(색)와 세기, 금속의 일함수를 바꿔 보세요. 진동수가 문턱값을 넘어야만 전자가 방출됩니다. 세기를 올리면 전자 개수만 늘 뿐, 전자의 에너지는 오직 진동수가 정합니다.
원자 속 전자는 아무 궤도나 도는 게 아니라, 정해진 에너지 계단에만 있을 수 있습니다(양자화). 높은 계단에서 낮은 계단으로 뛰어내릴 때 그 차이만큼의 에너지를 빛(광자)으로 내놓아요 — 그래서 원자마다 고유한 색의 빛을 냅니다.
수소 원자의 에너지 준위입니다. 전자를 높은 준위에서 낮은 준위로 떨어뜨려(전이 버튼) 방출되는 빛의 색과 파장을 확인해 보세요. 아래에 실제 스펙트럼 선으로 나타납니다.
수많은 원자가 모인 고체에서는 에너지 준위가 넓은 띠(band)가 됩니다. 전자가 꽉 찬 가전자띠와 자유로이 움직이는 전도띠 사이의 간격(띠틈)이 얼마나 큰가에 따라 도체·반도체·부도체가 갈립니다.
재료를 골라 보세요. 도체는 전자가 바로 전도띠로 흘러 전기가 잘 통합니다. 부도체는 틈이 너무 커서 못 넘죠. 반도체는 틈이 적당해, 온도를 올리거나 도핑하면 전자가 틈을 넘어 전기가 통합니다.
아인슈타인은 빛의 속력은 누가 보아도 항상 같다는 원리에서 출발했습니다. 그 결과 놀라운 결론이 나옵니다 — 빠르게 움직이는 물체의 시간은 느리게 흐른다(시간 팽창). 우리 일상에선 못 느끼지만, 빛에 가까운 속력에선 뚜렷합니다.
빛 시계입니다. 우주선과 함께 움직이는 관찰자에게 빛은 위아래로 왕복하지만, 지면의 관찰자에게는 우주선이 이동하는 동안 빛이 A→B→C의 더 긴 대각선 경로를 진행합니다. 빛의 속력은 항상 같으므로 이동 거리가 길어진 만큼 시간이 더 오래 걸립니다.