수십 년 동안 물리학을 가르쳐온 기간 동안, 대수학을 기반으로 물리학 책은 길이, 복잡성, 그리고 가격은 점점 더

커졌다. 다른 전공이나 직업을 위한 필수 과목으로 물리학을 수강하는 학생들 중 상당수가 다른 물리학 수업을 듣

지 않을 정도로 교재가 부담스러울 수 있는 지경에 이르렀다. 하지만 대수학 기반 강좌를 수강하는 학생들 중에는

물리학이 일상에서 보는 것을 어떻게 설명하는지, 다른 학문과 어떻게 연결되는지, 물리학의 새로운 아이디어가 얼

마나 흥미로운지 배우고 싶어 하는 학생들도 많이 보았다.

간결하고 집중된 책

이 책에서 가장 먼저 눈에 띄는 것은 대부분의 수학적 풀이 기반 교재에 비해 간결하다는 점이다. 더 짧고 집중된

책이 오늘날 학생들의 학습 요구를 더 잘 충족하는 동시에 물리학의 숙달로 더 효과적으로 안내할 수 있다고 믿

는다. 깊이를 잃지 않으면서도 간결하고 매력적인 언어를사용한다. 간결함이 학생들의 학습을 희생시킬 필요는 없

다! 처음부터 이 책의 분량을 줄이는 대신 간결하고 집중되도록 책을 설계하였다. 학생들은 잘 짜여진 설명, 교육,

예술 프로그램 및 예제를 통해 책을 덜 부담스럽고 쉽게사용할 수 있다.

연결된 접근 방식

책의 분량을 줄이면서 학생들의 이해를 돕고 물리학은 단지 사실과 공식의 나열일 뿐이라는 선입견을 없애기 위해

연결성을 강조하였다.

아이디어 연결: 주제와 서술의 구성은 아이디어 간의 연결을 강조한다. 가능한 경우, 서술은 직접 만든 예제나 다

음 절을 가리킨다. 제작된 예제를 설명하는 데 사용된 이전 자료로 연결될 뿐만 아니라 다음 절에서 설명하는 아이

디어를 소개함으로써 앞으로 나아가는 다리 역할을 할 수 있다. 이러한 다리는 양방향으로 작동하며, 책은 항상 앞

뒤를 넘나들어 물리학 전반에 존재하는 풍부한 연결 과정을 활용한다.

물리학과 현실 세계 연결: 이 책은 단순히 물리학에 관한 사실을 서술하고 예시로 뒷받침하는 대신, 실제 현상을 관

찰하여 핵심 개념을 발전시킨다. 접근 방식은 학생들이 물리학이 무엇인지, 우리 삶과 어떻게 관련되어 있는지를 이

해하도록 돕는다. 또한, 많은 예제와 응용 프로그램을 통해 학생들이 물리학의 아이디어를 현실 세계와 연관시켜

탐구할 수 있도록 돕는다. 일상생활(집 난방, 비행의 물리학, DVD, 하이브리드 자동차 등), 바이오의학(심박동

기, 혈류, 세포막, 의료영상), 과학과 기술의 최첨단 연구(초전도성, 나노기술, 울트라커패시터) 등 학생들의 관심

을 끌 수 있는 현상과 연결하여 물리학을 응용할 수 있다.이러한 응용 프로그램은 물리학의 특정 주제를 시연하는

데 사용될 수 있으며, 새로운 물리학 주제를 학습하는 과정에서 나타날 수도 있다. 그리고 한 가지가 다른 일로 이

어진다. 그 결과 기억해야 할 사실의 백과사전이 아니라 하나의 매끄러운 전체로 간주되는 물리학의 연속적인 이

야기가 만들어진다.

단어와 수학 연결: 같은 방법으로 물리학의 아이디어와 수학적 표현 사이의 연관성을 강조한다. 방정식은 물리에 대

한 문장이지 마법의 공식이 아니다. 대수 기반 물리학에서는 기본을 강조하는 것이 중요하지만, 이 과목을 처음 접

하는 사람들에게 문제를 흐리게 하는 무수한 세부 사항을 강조해서는 안 된다. 핵심을 더 명확하게 전달하기 위해

열거된 방정식의 수를 줄였다.

학생이 학습하는 방법 연결: 개념 예제와 장 끝의 연습문제는 학생들이 본문에서 전개된 질적 아이디어를 탐색하

고 숙달할 수 있도록 고안되었다. 일부 개념 예제는 그 앞이나 뒤에 나오는 수치적 예제와 연결되어 질적 추론 능

력과 양적 추론 능력을 연결해 준다. 예제의 후속 연습(‘연결하기’)은 학생들이 더 깊이 탐구하도록 유도하며, ‘확인’

(각 절의 끝에 있는 짧은 개념 확인 질문)은 학생이 다음 단계로 넘어가기 전에 핵심 개념을 파악하도록 도와준다.

학생들은 처음에 명확한 목표를 설정하고, 전체적으로 새로운 아이디어를 강화하며, 마무리하는 전략적 요약을

통해 구조화된 학습 경로의 이점을 누릴 수 있다. 이러한 보조 장치를 통해 학생들은 탄탄한 이해의 토대를 구축할

수 있다. 따라서 ‘학습 목표’, ‘새로운 개념 검토’ 주의사항 및 요약으로 한 장을 알차게 구성한다.

학생들이 교재를 사용하는 방법에 대해 연결: 읽기 능력이 약하거나 시간이 부족해서 책을 사용하는 것이 번거롭다

고 느끼는 학생들이 많다. 쉽게 읽는 학생들도 설명이 명료하고 간결한 것을 선호하며, 핵심 정보를 쉽게 찾을 수

있기를 기대한다. 따라서 목표는 명확하고 간결하며 집중력 있는 책과 쉽게 찾을 수 있는 참고 자료, 팁, 예제를 제

공하는 것이다. 다루기 쉬운 크기의 책이므로 책을 펴는 것이 덜 부담되고 수업에 들고 다니기에도 편리하다.

책의 언어적 설명을 보완하기 위해 그림에 상당한 정보를 직접 설명하였다. 따라서 학생들은 글과 그림을 병행

하여 상호 보완적인 방법으로 자료를 이해할 수 있다. 글이 더 많은 것을 알려 주지만 종종 삽화가 특히 기억에 남

고 정보를 기억하는 열쇠 역할을 할 것이다. 또한, 글의 내용이 더 어려운 학생은 그림을 보고 도움을 받을 수 있다.

단원을 숙제와 연결: 한 장을 공부한 후 학생들은 단원과 연속성을 가지고 연습문제를 통해 단원에 제공된 내용을 추

론할 수 있어야 한다. 이 책은 전문가가 문제를 해결하는 방법을 지속적으로 보여 주고 모델링하며, 명확한 팁과 전

략을 제공하며, 연습의 기회를 제공함으로써 도움을 준다. 학생들이 문제 해결에 능숙해지는 것이 얼마나 중요한지

를 감안하여 이제 문제 해결 전략에 대해 자세히 설명한다

교수를 위한 서문 iii

학생을 위한 서문 vi

CHAPTER 1 물리학에서의 측정 1

1.1 거리, 시간, 질량 측정 1

1.2 단위 환산 6

1.3 기본 상수와 차원 분석 9

1.4 측정, 불확정도, 유효숫자 10

1장 요약 16

1장 연습문제 17

CHAPTER 2 일차원에서의 운동 19

2.1 위치와 변위 19

2.2 속도와 속력 22

2.3 가속도 27

2.4 등가속도 일차원 운동 30

2.5 자유 낙하 36

2장 요약 40

2장 연습문제 41

CHAPTER 3 이차원에서의 운동 45

3.1 삼각법 45

3.2 스칼라와 벡터 47

3.3 이차원에서의 속도와 가속도 52

3.4 포물체 운동 56

3.5 등속 원운동 61

3장 요약 65

3장 연습문제 66

CHAPTER 4 힘과 뉴턴의 운동 법칙 69

4.1 힘과 질량 69

4.2 뉴턴의 운동 법칙 72

4.3 뉴턴의 법칙 응용 79

4.4 마찰과 저항 84

4.5 뉴턴의 법칙과 등속 원운동 90

4장 요약 94

4장 연습문제 95

CHAPTER 5 일과 에너지 101

5.1 일정한 힘이 한 일 101

5.2 변하는 힘이 한 일 107

5.3 운동 에너지와 일-에너지 정리 110

5.4 위치 에너지 114

5.5 역학적 에너지 보존 118

5.6 일률 123

5장 요약 127

5장 연습문제 128

CHAPTER 6 운동량과 충돌 133

6.1 운동량 소개 133

6.2 운동량 보존 137

6.3 일차원 충돌과 폭발 141

6.4 이차원 충돌과 폭발 148

6.5 질량 중심 152

6장 요약 157

6장 연습문제 158

CHAPTER 7 진동 163

7.1 주기 운동 163

7.2 단조화 운동 165

7.3 단조화 운동에서의 에너지 169

7.4 SHM과 등속 원운동 175

7.5 단진자 176

7.6 감쇠 및 강제 진동 179

7장 요약 182

7장 연습문제 183

CHAPTER 8 회전 운동 187

8.1 회전 운동학 187

8.2 회전 운동에 대한 운동 방정식 192

8.3 회전 운동과 접선 운동 194

8.4 운동 에너지와 회전 관성 197

8.5 구르는 강체 200

8.6 회전 동역학 203

8.7 역학적 평형 207

8.8 각운동량 210

8.9 벡터량을 갖는 회전 운동 213

8장 요약 216

8장 연습문제 218

CHAPTER 9 중력 223

9.1 뉴턴의 중력 법칙 223

9.2 행성 운동과 케플러의 법칙 232

9.3 중력 위치 에너지 237

9.4 인공위성 239

9.5 중력 때문에 생기는 다른 현상 243

9장 요약 246

9장 연습문제 247

CHAPTER 10 고체와 유체 251

10.1 물질의 상태 251

10.2 고체와 탄성률 252

10.3 유체 압력 256

10.4 부력과 아르키메데스의 원리 261

10.5 유체 운동 263

10.6 표면 장력과 점성도 269

10장 요약 271

10장 연습문제 272

CHAPTER 11 파동과 소리 275

11.1 파동의 성질 275

11.2 간섭과 정상파 278

11.3 음파 283

11.4 악기와 조화 287

11.5 도플러 효과 290

11장 요약 295

11장 연습문제 296

CHAPTER 12 온도, 열팽창, 이상 기체 299

12.1 온도와 온도계 299

12.2 열팽창 302

12.3 이상 기체 307

12.4 기체의 운동론 312

12장 요약 318

12장 연습문제 319

CHAPTER 13 열 323

13.1 열과 열에너지 323

13.2 열용량과 비열 325

13.3 상전이 332

13.4 전도, 대류, 복사 338

13장 요약 344

13장 연습문제 345

CHAPTER 14 열역학 법칙 349

14.1 열역학 제1법칙 349

14.2 열역학 과정 352

14.3 열역학 제2법칙 358

14.4 열기관과 냉동기 361

14.5 엔트로피의 통계적 해석 368

14장 요약 373

14장 연습문제 374

CHAPTER 15 전하, 전기력, 전기장 377

15.1 전하 377

15.2 쿨롱의 법칙 382

15.3 여러 개의 전하에 대한 쿨롱의 법칙 385

15.4 전기장 387

15.5 전기장 내 대전 입자 397

15장 요약 402

15장 연습문제 403

CHAPTER 16 전기 에너지, 전위, 축전기 407

16.1 전기위치 에너지 407

16.2 전위 410

16.3 전위와 전기장 414

16.4 축전기 416

16.5 유전체 424

16장 요약 428

16장 연습문제 429

CHAPTER 17 전류, 저항, 전기회로 433

17.1 전류와 저항 433

17.2 전지: 실제와 이상 440

17.3 저항기의 연결 444

17.4 전기 에너지와 전력 449

17.5 RC 회로 453

17.6 반도체와 초전도체 456

17장 요약 459

17장 연습문제 460

CHAPTER 18 자기장과 자기력 463

18.1 자석, 자극, 쌍극자 463

18.2 움직이는 전하에 작용하는 자기력 465

18.3 자기력의 응용 469

18.4 도선에 작용하는 자기력 476

18.5 자기의 근원 481

18.6 자성 물질 484

18장 요약 487

18장 연습문제 488

CHAPTER 19 전자기 유도와 교류 493

19.1 유도와 패러데이의 법칙 493

19.2 운동 기전력 498

19.3 발전기와 변압기 501

19.4 유도 계수 504

19.5 AC 회로 510

19.6 RLC 회로와 공명 515

19장 요약 519

19장 연습문제 520

CHAPTER 20 전자기파와 특수 상대성 525

20.1 전자기파 525

20.2 전자기 스펙트럼 530

20.3 기본 속력 c 534

20.4 시간과 공간의 상대성 536

20.5 상대 속도와 도플러 효과 544

20.6 상대론적 운동량과 에너지 547

20장 요약 552

20장 연습문제 554

CHAPTER 21 기하 광학 557

21.1 반사와 평면 거울 557

21.2 구면 거울 560

21.3 굴절과 분산 565

21.4 얇은 렌즈 570

21.5 현미경과 망원경 576

21.6 눈과 시력 581

21장 요약 586

21장 연습문제 588

CHAPTER 22 파동 광학 591

22.1 간섭 591

22.2 이중 슬릿 간섭 597

22.3 회절 601

22.4 편광과 산란 607

22장 요약 612

22장 연습문제 613

CHAPTER 23 현대물리 617

23.1 양자화 617

23.2 흑체 복사와 플랑크 상수 620

23.3 광자 624

23.4 파동-입자 이중성 633

23장 요약 640

23장 연습문제 641

CHAPTER 24 원자물리 645

24.1 핵 원자 645

24.2 보어 원자 648

24.3 양자수와 원자 스펙트럼 658

24.4 다전자 원자와 주기율표 662

24.5 원자로부터 복사 667

24장 요약 673

24장 연습문제 675

CHAPTER 25 핵물리 679

25.1 핵 구조 679

25.2 강한 핵력과 핵의 안정성 683

25.3 방사능 688

25.4 방사능 및 반감기 693

25.5 핵분열 697

25.6 핵융합 702

25장 요약 707

25장 연습문제 709

CHAPTER 26 입자들의 우주 713

26.1 입자와 반입자 713

26.2 입자와 기본 힘 716

26.3 입자 분류 720

26.4 쿼크 725

26.5 입자 가속기 729

26.6 입자와 우주 732

26장 요약 738

26장 연습문제 740

부록 A 수학 A-1

부록 B 국제 단위계(SI) A-3

부록 C 환산 인자 A-5

부록 D 선택된 동위원소의 특성 A-8

부록 E 천체 물리학 자료 A-12

데이터 표 A-13

연습문제 정답 A-16

찾아보기 I-1