일반물리 및 실험

김중복(한국교원대), 유준희(서울대)

평가 영역 및 평가 내용 요소를 개발하기 위한 과정으로 사범대학 물리교육학부(학과) 또는 과학교육학부(학과)에서 주로 사용되는 교재는 Halliday, Resnick 및 Walker의 일반물리이었다. 이 교재를 근거로 일반물리에서 다루는 내용 요소들을 조사하였다. <표 1>은 책에서 다루고 있는 내용 요소를 분석한 자료이다. 평가 요소는 <표 2>에 제시하였다.

<표 1> ‘일반물리 및 실험’ 분야의 내용 요소

영역		내용 요소
역학	직선 운동	위치와 변위
		속도와 가속도
		가속도 운동
		그래프를 이용한 운동 해석
	2,3차원 운동	포물체 운동
		등속 원운동
		일차원 상대 운동
		이차원 상대 운동
	힘과 운동	뉴턴의 운동 1법칙
		힘
		질량
		뉴턴의 운동 2법칙
		뉴턴의 운동 3법칙
		마찰력
	운동에너지와 일	운동 에너지
		일
		여러 가지 힘이 한 일
		일률
	에너지 보존	퍼텐셜 에너지
		보존력
		역학적 에너지 보존
		에너지 보존
	질량 중심과 선운동량	질량 중심
		입자계에 대한 뉴턴의 제2법칙
		선운동량
		충격량
		선운동량의 보존
		충돌(탄성, 비탄성)
		질량이 변하는 계
	회전	등각가속도 운동
		회전 운동 에너지
		토크(돌림힘)
		회전에 관한 운동 법칙
		일과 회전 운동 에너지
	굴림 운동과 각운동량	굴림 운동
		각운동량
		입자계의 각운동량
		강체의 각운동량
		각운동량 보존
	평형과 탄성	평형
		무게 중심
		탄성
	중력	중력과 중첩 원리
		지표면 근처의 중력
		지구 내부에서 중력
		중력 퍼텐셜 에너지
		행성과 위성:Keppler 법칙
전자기학	전하	전하
		도체와 절연체
		쿨롱의 법칙
		전하의 양자화와 보존
	전기장	전기장과 전기력선
		점전하가 만드는 전기장
		전기 쌍극자가 만드는 전기장
		선전하가 만드는 전기장
		면전하가 만드는 전기장
		전기장 안의 점전하와 쌍극자
	가우스 법칙	가우스 법칙
		고립된 도체
		가우스 법칙의 적용
	전기퍼텐셜	등퍼텐셜 면
		전기장에서 퍼텐셜 구하기
		점전하가 만드는 퍼텐셜
		전기 쌍극자가 만드는 퍼텐셜
		전기 퍼텐셜 에너지
		대전 도체의 퍼텐셜
	전기 용량	전기 용량 계산하기
		축전기의 직병렬 연결
		유전체를 넣은 축전기
	전류와 저항	전류와 전류 밀도
		저항과 비저항
		옴의 법칙
		전기 회로의 일률
		반도체와 초전도체
	회로	기전력 장치
		일, 에너지, 기전력
		단일 고리 회로
		퍼텐셜 차
		다중고리 회로
		전류계와 전압계
		RC 회로
	자기장	자기장
		홀 효과
		원운동하는 대전 입자
		사이클로트론과 싱크로트론
		전류가 흐르는 도선에 작용하는 자기력
		전류 고리에 작용하는 토크
		자기 쌍극자 모멘트
	전류가 만드는 자기장	전류가 만드는 자기장 구하기
		두 평행 전류에 작용하는 힘 구하기
		암페어 법칙
		솔레노이드와 토로이드
		전류고리와 자기 쌍극자
	유도와 유도 용량	패러데이 유도 법칙
		렌츠의 법칙
		유도와 에너지 전달
		유도 전기장
		자체 유도
		RL 회로
		자기장에 저장된 에너지
		상호 유도
	전자기 진동과 교류	LC 진동
		RLC 회로의 감쇠 진동
		교류
		강제 진동
		교류 회로의 전력
	맥스웰 방정식과 자성	유도 자기장
		변위 전류
		맥스웰 방정식
		자석
		자성 물질
		반자성
		상자성
		강자성
	전자기파	진행파
		에너지 수송과 포인팅 벡터
		복사압
		편광
		반사와 굴절
		내부 전반사
		반사에 의한 편광
파동과 광학	진동	단순 조화 운동
		단순 조화 운동의 에너지
		진자
		단순 조화 운동과 등속 원운동
		감쇠 단순 조화 운동
		강제 진동과 공명
	파동	파동의 종류
		가로 파동과 세로 파동
		진행파
		파동의 속력, 진동수, 파장
		파동 방정식
		파동의 간섭
		정상파
		정상파와 공명
		음파
		맥놀이
		도플러 효과
		초음속, 충격파
	기하광학	거울(평면, 구면)에 의한 상
		구면에서 굴절
		얇은 렌즈
		광학기기
	간섭	영(young)의 간섭 실험
		박막의 간섭
		마이켈슨(Michelson) 간섭계
		결맞음(coherence)
	회절(에돌이)	단일 슬릿
		원형 구멍
		이중 슬릿
		회절격자
		분산과 분해능
유체와 열물리	유체	밀도와 압력
		정지해 있는 유체
		압력의 측정
		파스칼(Pascal)의 원리
		아르키메데스 원리
		이상 유체의 운동
		연속 방정식
		베르누이 방정식
	열역학 제1법칙	온도
		열역학 0법칙
		열팽창
		온도와 열
		열과 일
		열역학 제1법칙
		열전달
	기체 운동론	아보가드로 수
		이상 기체
		병진 운동 에너지와 평균 자유 거리
		분자의 속력 분포
		이상 기체의 몰비열
		자유도와 몰비열
		이상 기체의 단열 팽창
	열역학 제2법칙	비가역 과정과 엔트로피
		엔트로피의 변화
		열역학 제2법칙
		일상 생활에서 엔트로피
		실제 기관의 열 효율
현대물리	상대론	상대론의 가설
		사건의 측정
		동시성의 상대성
		시간의 상대성
		길이의 상대성
		로렌츠 변환
		속도의 상대성
		빛의 도플러 효과
	광자와 물질파	광자
		광전 효과
		광자의 운동량
		확률파인 빛
		전자와 물질파
		슈뢰딩거 방정식
		불확정성 원리
	물질파와 양자상태	줄파동과 물질파
		갇힌 전자의 에너지
		갇힌 전자의 파동함수
		수소 원자의 보어 모형
		슈뢰딩거 방정식과 수소 원자
	원자	전자의 스핀
		각운동량과 자기 쌍극자 모멘트
		자기 공명
		배타 원리
		주기율표의 구성
		레이저의 원리
	고체의 전기 전도	고체의 전기적 특성
		결정 고체의 에너지 준위
		절연체
		금속
		반도체
		도핑된 반도체
		pn 접합과 정류
		발광 다이오드(LED)
		트랜지스터
	핵물리	방사선 붕괴
		방사능 연대측정
		핵의 모형
		핵분열
		원자로
		핵융합

<표 2>  ‘일반물리 및 실험’ 분야의 평가 내용 요소

평가 영역			평가 내용 요소	출제비율
구분	기본 이수 과목 및 분야	평가영역		1차시험	2차시험
물리학	역학	직선 운동	위치와 변위	30	35
			속도와 가속도
			가속도 운동
			그래프를 이용한 운동 해석
		2,3차원 운동	포물체 운동
			등속 원운동
			일차원 상대 운동
			이차원 상대 운동
		힘과 운동	뉴턴의 운동 1법칙
			힘
			질량
			뉴턴의 운동 2법칙
			뉴턴의 운동 3법칙
			마찰력
		운동에너지와 일	운동 에너지
			일
			여러 가지 힘이 한 일
			일률
		에너지 보존	퍼텐셜 에너지
			보존력
			역학적 에너지 보존
			에너지 보존
		질량 중심과 선운동량	질량 중심
			입자계에 대한 뉴턴의 제2법칙
			선운동량
			충격량
			선운동량의 보존
			충돌(탄성, 비탄성)
			질량이 변하는 계
		회전	등각가속도 운동
			회전 운동 에너지
			토크(돌림힘)
			회전에 관한 운동 법칙
			일과 회전 운동 에너지
		굴림 운동과 각운동량	굴림 운동
			각운동량
			입자계의 각운동량
			강체의 각운동량
			각운동량 보존
		평형과 탄성	평형
			무게 중심
			탄성
		중력	중력과 중첩 원리
			지표면 근처의 중력
			지구 내부에서 중력
			중력 퍼텐셜 에너지
			행성과 위성:Keppler 법칙
	전자기학	전하	전하	30	35
			도체와 절연체
			쿨롱의 법칙
			전하의 양자화와 보존
		전기장	전기장과 전기력선
			점전하가 만드는 전기장
			전기 쌍극자가 만드는 전기장
			선전하가 만드는 전기장
			면전하가 만드는 전기장
			전기장 안의 점전하와 쌍극자
		가우스 법칙	가우스 법칙
			고립된 도체
			가우스 법칙의 적용
		전기퍼텐셜	등퍼텐셜 면
			전기장에서 퍼텐셜 구하기
			점전하가 만드는 퍼텐셜
			전기 쌍극자가 만드는 퍼텐셜
			전기 퍼텐셜 에너지
			대전 도체의 퍼텐셜
		전기 용량	전기 용량 계산하기
			축전기의 직병렬 연결
			유전체를 넣은 축전기
		전류와 저항	전류와 전류 밀도
			저항과 비저항
			옴의 법칙
			전기 회로의 일률
			반도체와 초전도체
		회로	기전력 장치
			일, 에너지, 기전력
			단일 고리 회로
			퍼텐셜 차
			다중고리 회로
			전류계와 전압계
			RC 회로
		자기장	자기장
			홀 효과
			원운동하는 대전 입자
			사이클로트론과 싱크로트론
			전류가 흐르는 도선에 작용하는 자기력
			전류 고리에 작용하는 토크
			자기 쌍극자 모멘트
		전류가 만드는 자기장	전류가 만드는 자기장 구하기
			두 평행 전류에 작용하는 힘 구하기
			암페어 법칙
			솔레노이드와 토로이드
			전류고리와 자기 쌍극자
		유도와 유도 용량	패러데이 유도 법칙
			렌츠의 법칙
			유도와 에너지 전달
			유도 전기장
			자체 유도
			RL 회로
			자기장에 저장된 에너지
			상호 유도
		전자기 진동과 교류	LC 진동
			RLC 회로의 감쇠 진동
			교류
			강제 진동
			교류 회로의 전력
		맥스웰 방정식과 자성	유도 자기장
			변위 전류
			맥스웰 방정식
			자석
			자성 물질
			반자성
			상자성
			강자성
		전자기파	진행파
			에너지 수송과 포인팅 벡터
			복사압
			편광
			반사와 굴절
			내부 전반사
			반사에 의한 편광
	파동과 광학	진동	단순 조화 운동	20	30
			단순 조화 운동의 에너지
			진자
			단순 조화 운동과 등속 원운동
			감쇠 단순 조화 운동
			강제 진동과 공명
		파동	파동의 종류
			가로 파동과 세로 파동
			진행파
			파동의 속력, 진동수, 파장
			파동 방정식
			파동의 간섭
			정상파
			정상파와 공명
			음파
			맥놀이
			도플러 효과
			초음속, 충격파
		기하광학	거울(평면, 구면)에 의한 상
			구면에서 굴절
			얇은 렌즈
			광학기기
		간섭	영(young)의 간섭 실험
			박막의 간섭
			마이켈슨(Michelson) 간섭계
			결맞음(coherence)
		회절(에돌이)	단일 슬릿
			원형 구멍
			이중 슬릿
			회절격자
			분산과 분해능
	유체와 열물리	유체	밀도와 압력	10
			정지해 있는 유체
			압력의 측정
			파스칼(Pascal)의 원리
			아르키메데스 원리
			이상 유체의 운동
			연속 방정식
			베르누이 방정식
		열역학 제1법칙	온도
			열역학 0법칙
			열팽창
			온도와 열
			열과 일
			열역학 제1법칙
			열전달
		기체 운동론	아보가드로 수
			이상 기체
			병진 운동 에너지와 평균 자유 거리
			분자의 속력 분포
			이상 기체의 몰비열
			자유도와 몰비열
			이상 기체의 단열 팽창
		열역학 제2법칙	비가역 과정과 엔트로피
			엔트로피의 변화
			열역학 제2법칙
			일상 생활에서 엔트로피
			실제 기관의 열 효율
	현대물리	상대론	상대론의 가설	10
			사건의 측정
			동시성의 상대성
			시간의 상대성
			길이의 상대성
			로렌츠 변환
			속도의 상대성
			빛의 도플러 효과
		광자와 물질파	광자
			광전 효과
			광자의 운동량
			확률파인 빛
			전자와 물질파
			슈뢰딩거 방정식
			불확정성 원리
		물질파와 양자상태	줄파동과 물질파
			갇힌 전자의 에너지
			갇힌 전자의 파동함수
			수소 원자의 보어 모형
			슈뢰딩거 방정식과 수소 원자
		원자	전자의 스핀
			각운동량과 자기 쌍극자 모멘트
			자기 공명
			배타 원리
			주기율표의 구성
			레이저의 원리
		고체의 전기 전도	고체의 전기적 특성
			결정 고체의 에너지 준위
			절연체
			금속
			반도체
			도핑된 반도체
			pn 접합과 정류
			발광 다이오드(LED)
			트랜지스터
		핵물리	방사선 붕괴
			방사능 연대측정
			핵의 모형
			핵분열
			원자로
			핵융합

평가문제

1) 선택형 문항 예시 1

기본이수과목 및 분야	역학		평가 영역		직선 운동
평가 내용 요소	속도와 가속도
평가 목표	등가속도와 등속도에 대한 이해 및 적용
행동 요소	적용	문항유형		정답형		난이도	하
문 항	그림은 A가 높이 h되는 건물 옥상에서 공을 가만히 놓는 동시에 이것을 본 B가 건물로부터 s만큼 떨어진 곳에서 출발하여 일정한 속력 v로 달려가서 공이 지면에 닿기 전에 받으면 B가 이기는 게임을 나타낸 것이다. 이 때, 공에 대한 공기의 저항은 없으며 중력 가속도를 g 라고 할 때, 이 게임에서 B 가 A에게 이기기 위한 v 조건을 구하여라. B 사람의 키는 무시한다. ① ② ③ ④ ⑤
정 답	③
정답과 오답에 대한 설명	등가속도와 등속도에 대한 이해
출제 근거	창작

1) 선택형 문항 예시 2

기본이수과목및분야

전자기학

평가 영역

회로

평가 내용 요소

RC 회로

평가 목표

축전기가 연결된 회로에서 축전기가 충전됨에 따라 회로에 흐르는 전류가 감소하는 원리를 이해

행동 요소

이해 및 적용

문항유형

정답형

난이도

중

문 항

오른쪽 회로는 전지, 전구, 스위치, 그리고 축전기로 구성되어 있다. 축전기는 처음에 충전되어 있지 않다. 스위치를 닫은 직후부터 오랜 시간이 흐른 후까지 전구에 나타나는 현상을 예상하여라. 맞는 답을 바르게 나타낸 것은?

5V

전구

a. 스위치를 닫은 직후

(1) 축전기 양단의 전위차는 얼마인가?

(2) 전구 양단의 전위차는 얼마인가?

b. 스위치를 닫고 오랜 시간이 흐른 후

(3) 축전기 양단의 전위차는 얼마인가?

(4) 전구 양단의 전위차는 얼마인가?

	(1)	(2)	(3)	(4)
①	0	5	5	0
②	5	5	0	5
③	0	0	5	5
④	5	5	0	0
⑤	0	5	0	5

정 답

①

정답과 오답에 대한 설명

축전기가 연결된 회로에서 축전기가 충전됨에 따라 회로에 흐르는 전류가 감소하는 원리를 이해한다.

출제 근거

Tutorial in Introductory Physics by L. Mcdermott

2) 선택형 문항 예시 1

기본이수과목 및 분야	광학		평가 영역		기하광학
평가 내용 요소	얇은 렌즈
평가 목표	상의 위치를 찾기 위한 광선 추적법에 대한 이해
행동 요소	이해	문항유형		정답형		난이도	하
문 항	그림과 같이 공기 중에 얇고 큰 볼록렌즈가 있다. 그리고 볼록렌즈 앞에는 물체가 광축위에 수직으로 놓여 있다. 물체 위의 점 A에서 광축에 평행하게 나온 광선은 볼록렌즈에서 굴절한 후 점 F(초점)를 지난다. 점 A에서 나온 또 다른 광선이 아래 그림과 같이 볼록렌즈 위의 점 B를 지난다면, 렌즈를 통과한 후 진행하는 방향은?
정 답	②
정답과 오답에 대한 설명	상의 위치를 알기 위하여 이미 알고 있는 광선을 추적하여 상의 위치를 결정한 후에 문제에서 제기된 광선도 굴절 후에는 상점을 지나간다는 개념을 사용함
출제 근거	창작

3) 서술형 문항 예시 1

기본이수과목및분야	일반물리		평가 영역		역학
평가 내용 요소	힘과 운동
평가 목표	힘과 관성 질량에 대한 이해
행동 요소	지식	문항유형		서술형		난이도	중
문 항	질량이 M1과 M2로 다른 두 물체를 같은 높이 H에서 자유 낙하시킬 때, 중력에 의한 두 물체에 작용하는 힘이 차이가 남에도 불구하고 지면에 도달하는 시간이 같음을 설명하여라. (1) 두 물체에 작용하는 힘을 구하시오.(중력가속도는 g임) (2) 각 물체에 운동 법칙을 적용하여 가속도를 구하시오. (3) 이상의 결과를 이용하여 같은 시간이 걸리는 이유를 설명하시오.
정 답	(1) F1=M1g, F2=M2g (2) M1a1=M1g -> a1 =g M2a2 = M2g -> a2 =g 로 두 물체는 같은 가속도 (3)힘의 크기가 다르지만 그것에 비례하여 관성 질량이 차이가 나기 때문에 결국은 가속도가 같다. 따라서 두 물체는 동시에 지면에 도달한다.
정답과 오답에 대한 설명
출제 근거	창작