물리1 개념정리

19학번 서울대 수리과학부 김소연

목차

♥ 기억해둘 만한 점♥

Ⅰ. 시공간과 우주

Ⅱ. 물질과 전자기장

Ⅲ. 정보와 통신

Ⅳ. 에너지

♥기억해둘 만한 점

작년 한해동안 물리1을 공부하고 또 올해 일반물리를 들으면서 최대한 다르게 바라보려 고민하고 교수님들이 이런 문제들을 내시는 데에 어떤 물리적인 의미, 본질적인 부분이 숨어있을까를 고민해보았다.

적어도 내가 얻은 결론은 이렇다. 물리학의 핵심적인 아이디어는( 아직까지 내가 생각하기엔) 다음과 같은 4가지가 있다.

전체 계로 보는 관점

대칭성

두 상황, 혹은 여러 가지 상황의 차이를 고려하는 관점(변화량의 관점)

비율을 고려해 상황을 간단하게 바라보는 것

첫 번째인 ‘전체 계로 보는 관점’이란 다음과 같은 것들을 의미한다. 역학 파트에서 작용과 반작용을 고려하지 않고 뭉텅이로 묶어서 바라보는 것, 돌림힘에서 여러 가지 물체들을 전부 합쳐 하나의 평형축/무게중심을 생각하는 것, 부력문제에서 전체 계로 볼때의 저울/그릇이 받는 힘이 어떤 힘들의 합력인지를 역추적하는 것, 일반물리에서는 대부분의 에너지보존(변화량도 같이 고려하지만), 점입자에서의 뉴턴의 법칙과 운동량 보존의 법칙이 작용반작용을 고려하여 임의의 물체에 대해서도 일반화될 수 있는지, 마찬가지로 돌림힘의 평형(회전에 대해서도 평형)인걸 증명할때에도 전체 계의 입장에서 작용과 반작용의 법칙을 이용하는것등이 있다

두 번째인 대칭성은 일반적으로 느끼는 선대칭/점대칭과는 조금은 다른 이야기이다.

대칭성이란 불변량을 의미하는데 어떠한 축/ 혹은 임의의 축에 대해 어떤 특성이 항상 보존됨을 의미한다. 예를들어, 선대칭이라면 선대칭 축에 대해 대칭인 두 점의 차이가 보존되는 것을 의미한다. 물리적인 느낌으로는 하나의 상황에서 변하지 않는 부분에 대한 것이거나 또는 두가지 상황을 엮는 열쇠이다. 예를들어, 가역과정이라는 사실을 이용해 우리는 열기관의 역과정이 냉장고이며 열기관의 열효율을 이용해 냉장고의 열효율을 알아낼 수 있다. 또한 어떤 물체가 H만큼의 높이를 올라갔다가 내려왔다면 그 물체의 올라가는 구간과 내려가는 구간의 평균속도가 동일하다는 점, 두 상태에서 한 일이 같다는 점, 두 상황을 서로 엮어보면 두 상황은 어떠한 축에 대칭이라는 점, 단열과정과 단열압축과정이 서로 역과정이란 점, 전자기장 자기장 크기 계산문제에서의 대칭성 등이 있다.

세 번째로, 변화량은 여러 상황에서의 차이만을 고려하는 방향의 생각이다.

직관적으로 변화량을 쓸 때는 우선 그림이 두 개 나와 있거나 상황이 변할 때 먼저 고려해보며 이때 변하지 않는것★이 무엇인지를 파악하고 변화하는 것만을 관찰해야 한다. 1709 부력문제에서도 이러한 관점을 적용해볼 수 있다. 마지막으로 비율을 고려하는 건 꽤 오래된 방법인데, 당장의 f=ma만 하더라도 정확한 식이라기 보다는 f와 a가 서로 비례하며 이때의 비례상수를 대충 m이라고 ‘정의’했다는 의미이다.(일반물리실험 레포트쓸 때 이렇게 안쓰면 까인다...)여하튼 여러 가지 상황의 힘이던 에너지던을 직접 구하기보다 대충 f/2f이렇게 비율이 나오는 경우를 말하는데 역학적에너지 보존 쪽이나 부력과 관련해서 짱 많이 나온다. 역학에서 대표적인 방법은 에너지 변화량을 가지고 알짜힘/중력/중력을 제외한 힘의 합력의 비율을 알아내는 작년 9월 19번 문제가 있다. 부력문제라면 뭉텅이로 보자.

어쨌든 올해 수능에서 어떤 아이디어가 핵심적인 역할을 할지는 모르지만 이들을 일 순위로 항상 적용하는 연습을 하고 각 개념마다 생각해볼 만한 포인트를 활용한다면 뛰어난 계산실력 없이도 만점을 받을 수 있을 것이다!!

Ⅰ. 시공간과 우주

(1) 시공간의 측정과 표준

①시공간의 표준

-시간 측정의 표준(1sec): 세슘 원자에서 방출되는 빛이 9192631770번 진동하는 주기

-공간 측정의 표준(1m): 빛이 진공에서 1/299792458초 동안 진행하는 거리

-변화양상:        태양시->역표시(1년 길이)->원자시(1초)

지구 둘레길이->합금 길이->빛의 이동거리(1m)

표준의 표준을 시간이라고 한다.

②시간 측정 방법

*앙부일구: 해시계.

-영침: 그림자를 만들며 북극성을 향한다(지구자전축과 평행)

-세로선(시각선):시각을 나타내며 그림자는 서->동으로 이동한다

-가로선(절기선): 총 13개이며 하지선과 동지선을 제외한 다른 절기선들은 각각 2개의 절기   에 사용된다. 예를 들어 춘분선과 추분선은 같은 절기선이다.

하루 중 그림자의 길이는 일정하며 하루동안 하나의 가로선을 따라 이동한다

동지, 하지의 절기선 간격이 가장 좁다.

③위치표시 좌표계

*경도와 위도

-경선: 북극과 남극을 지나는 대원

-본초자오선: 기준경선(영국 그리니치 천문대)

-경도: 본초자오선으로부터 떨어져있는 각도

-위선:적도와 평행하게 이은 선

-적도:기준위선

-위도:적도로부터 북에서 남으로 떨어진 각도

cf) 경도가 같은 두 지점의 태양의 남중시각은 같다

모든 경선은 길이가 같다

서경 180도인 경선=동경 180도인 경선

하루동안 위도가 같은 두 지점에서 북극성의 고도는 같다.

*표준 시간대

지구를 적도반지름과 같은 반지름을 갖는 원기둥에 담고

지구 중심의 광원을 가정하여 지구의 모든 점 들을 일대일대응 시키자.

이 과정을 거쳐 만들어진 게 세계지도이며 지도상에서 태양의 이동 방향은

동에서 서이다.

<표준시간>

-전 지구를 경도 15도 구간씩 24개의 표준시간대로 나눔

-같은 표준시간대에선 태양의 남중시각이 동일하다 가정한다(정오시간=태양시동일)

-동쪽으로 이동해 표준시간대가 바뀔 때 표준시간이 1시간씩 더해진다

-날짜변경선을 넘을 때 표준시간이 빼진다. 날짜변경선 중심으로 동쪽이 더 빠르다

<태양시>

-그 지역에서 태양의 남중시각

-경도 차이가 나면 달라진다

④GPS (global positioning system)

위성은 발생시각과 발생위치에 대한 정보를(마이크로파를 발사), 수신기는 도착시간에 대한 정보를 받아 거리를 계산한다. 이때 위성과 수신기는 서로 동기화되어있고 특수상대론적 관점에선 운동하는 위성의 시간이 더 느리고 일반상대론적 관점에선 중력이 약한 위성의 시간이 더 빠르지만 중력의 효과가 운동효과보다 크므로 gps의 시간이 더 빠르게 간다.

특수상대론적 시간보정도 필요해 최소 4개 이상의 인공위성의 정보가 필요하다(원자시)

전세계에는 총 24개의 인공위성이 4개씩 6개의 궤도를 12시간 주기로 공전.

(2)운동의 표현과 운동의 법칙★★★

*v-t graph+평균속도와 등가속도 운동공식+힘관계*을 떠올리는게 키포인트

다만, 실이 끊어지는 등 상황이 변화되는 유형이라면 F=MA에서의 변화량을 관찰하자

1. 시간-속도 그래프의 방향성

①가속도-시간 그래프 등 특이한 그래프가 나오면 무조건 바꿔 그리자(초속도 헷갈림)

②가속도가 바뀌는 상황

③초기속도가 0이 아닐 때

④운동방향과 가속도 방향이 서로 반대일 때(운동방향은 문제에서의 화살표 방향)

⑤0에서 0으로 가는 경우: 변하지 않는 것을 파악하고 그래프의 대칭성, 닮음,

넓이관계(그래프 면적=변위)를 이용해!!

⑥ 추상적인 문제(16수능 참고)

2. 평균속도이용(등가속도 운동에서)

T,S 에 대한 정보가 있음 1순위로 가자!(같다 몇배다 정도의 관계일 때 등에서 비율설정)

3. 상대속도이용

①같은 가속도를 갖는 상황이라면 상대속도를 고려해보자

②서로 마주보는 상황: 상대가속도 등을 이용해! (두 물체의 이동거리 합이 나온 경우 등)

③가속도의 정의: a= [eqn: DELTAv over t]를 쓴다!!

등가속도 운동공식: Δv=aΔt

s=v*t (v는 평균속도)

Δ[eqn: v^{ 2}]=2as

CF) 두 물체를 연결하는 줄의 길이가 일정하다면(줄의 길이와 관련하여 운동방정식을 세우면) 두 물체의 가속도는 항상 같다.

④운동의 법칙 (용어를 똑바로 읽어라! 구하는게 변화량인지 아닌지 보고 초기값살펴)

뉴턴의 법칙: 특히 작용 반작용은 열역학, 유체역학, 돌림힘에서 전부 기본이된다

충격량과 운동량: I=FΔT=MΔV 속도 변화 찾는거 까지가 얘의 역할!

(알짜힘과 시간이 등장할 때 고려해보자) *참고로 충격량은 벡터

일과 에너지 정리: 물체에 작용하는 알짜힘이 한 일은 물체의 운동에너지 변화량과 같다

*부호로 에너지의 증/감을 따지거나 하나힘을 F라 두고 에너지/힘의 상대량을 계산

→중력아닌 힘의 합력*이동거리= 역학적에너지 변화량

알짜힘의 합력*이동거리=운동에너지의 변화량

중력*이동거리=중력퍼텐셜에너지 변화량

에너지 보존 법칙

외력이 한일=그 계의 전체 역학적 에너지의 변화량

<변하는 것과 변하지 않는 것을 구분하는 게 문제풀이의 첫 시작이다>

*힘의 평형과 관련하여: 힘의 평형은 한 물체에 대한(작용점이 1개)평형이고 작용반작용은 서로 다른 물체에 대한 개념이다. 작용 반작용과 관련하여 헷갈리게 나올 경우 다음과 같은 두 가지 사실을 꼭 기억해 적용하자.

①작용반작용 관계의 힘은 무조건 같다.(실제로는 아닌데 수능 시험에선 같다)

②중력과 전자기력을 제외한다면 물체에 가해지는 힘은 물체와 직접 닿아있는 물체들이 가하는 힘들의 합력이다.

(3) 시공간의 새로운 이해

1. 케플러 법칙 유형 분류

①운동속도비교: 거리 가까울수록 동일하다면 곡률클수록 크다(대칭성이용할수도)

②가속도 VS 속도 VS 만유인력: 가속도는 M과 무관, 만유인력은 도는 얘 질량 고려!!!

③면각속도일정의 법칙: 행성과 태양을 연결하는 선은 같은 시간동안 같은 면적을 지난다.

이때 면적속도는 각운동량보존에 의해 일정하며 동일궤도라면 원일 때 만 두 물체를 잇는 선이 초점을 지난다. 대칭성을 쓸 수도 있다.

④조화의 법칙: 행성의 공전주기의 제곱은 타원궤도의 긴 반지름의 세제곱에 비례한다.

[eqn: T ^{2} PROPTO {R ^{ 3} } over {M}] (같은 행성인지 아닌 지를 판단한 후 그려라!)

⑤역학적에너지는 일정하며 초점으로부터 거리멀수록 위치E가 크다

중력이론(뉴턴)

뉴턴의 운동법칙이 나온후에야 비로소 케플러법칙이 증명될 수 있었기 때문에 항상 같이 엮인다. 인공위성은 무중력상태이다

중력이론(일반상대론): 관성력=중력(등가원리)

-가속좌표계에서 느끼는 관성력은 중력과 동등하다.

-가속계 내부와 외부의 입장 모두로 관찰할수 있어야 한다.

-시공간이 중력에 의해 휘어질 수 있다(다만 빛의 속력은 변하지 않는다)

<관련현상> ①중력렌즈현상: 빛이 큰 질량의 천체 주위를 진행하면서 진행경로가 휘는현상

EX) 에딩턴의 개기 일식 관측/ 퀘이사 관측(순서는 관측 대상-중력큰놈-나)

②수성의 세차운동: 태양을 초점으로 하는 수성의 타원궤도 장축이 회전

세차운동주기>공전주기

③중력에 의한 시간지연: 중력이 클수록 시간은 느리게 간다(=적색편이관측)

④블랙홀: 중력이 너무 커서 빛조차 빠져나오지 않는 천체

사건의 지평선: 중력의 크기가 너무 커서 시간이 멈춘 블랙홀의 어떤 경계

⑤중력파: 질량이 큰 천체가 진동할 때 천체의 주변 시공간 왜곡이 여러 방향                으로 전파되는 현상이며 빛의 속력으로 전파된다

특수상대성원리

(1) 상대성원리의 탄생 배경

마이컬슨 몰리 실험:

모든 탄성파에는 파동을 전달하는 물질이 있다. 전자기파도 그에 해당하는 매질이 있을것이라고 가정하였는데 이를 에테르라고 한다. 지구가 공전하는 동안 빛을 에테르의 흐름방향과 나란하게 쏘았다가 되돌아오는 시간의 차이가 있는지 검출한다. 만일 에테르가 존재한다면 두 경우 시간의 차이가 발생한다. 그러나 실제 실험결과는 빛의 속력 차이를 발견할 수 없었다. 즉, 실험결과 에테르가 없다는 사실을 알게 되었다.

(2)상대론의 가정

①상대성원리: 모든 물리법칙은 어떠한 관성계에서 관찰해도 똑같은 형태로 표현된다.

②광속불변의 원리: 광원이나 관찰자의 상태에 관계없이 진공상태에서의 빛의 속도는 c로 일정하다.

(3)특수 상대성이론에 의한 현상

물리적 현상의 발생을 사건이라고 하며 사건을 측정한다는 것은 그 사건이 발생한 좌표와 시간을 측정한다는 것이다. 즉, 어떠한 사건을 관측한다는 것은 내 관성기준계의 관점에서 사건을 바라본다는 것이며 그 사건에 대해 내 관성계에서 좌표값을 매겨 측정할 수 있음을 뜻한다. 이때 관찰자는 자신이 정지해있다고 생각하기 때문에 관찰자에 따라 보는 모습이 달라지며 또한 시간팽창에 의해 각 물체가 가리키는 시각(그 물체의 관성좌표계에서 흘러갔다고 느끼는 시간)을 다르게 측정하게 된다.

예를 들어, A에 대해 0.5c의 속력으로 오른쪽으로 움직이고 있는 우주선 B에 대해 A가 보기에는 B가 오른쪽으로 운동하며 B의 시간이 느리게 흘러가나 B가 보기에는 A가 왼쪽으로 0.5c의 속도로 움직이며 A의 시간이 느리게 흘러간다고 관측한다.

①동시성의 상대성

어떤 관성계에서 볼 때 서로 다른 두 지점에서 동시에 일어난 두 사건은 다른 좌표계에서 보면 동시가 아닐 수 있다.

그러나 같은 장소(같은 x좌표)에서 동시에 일어난 두 사건은 좌표계와 관계없이 동시에 발생하는 것으로 관측된다. 왜냐하면 사건을 관측할 때 사용되는 발생좌표와 시간이 완전히 동일하기 때문에 임의의 관성계에 대하여 이 두 사건은 완전히 동일하게 관측된다.

그렇지만 관찰자가 달라진다해도 인과관계는 보존된다. (사건 발생유무 자체는 변하지 x)

두 사건을 서로 동시라고 보는 관찰자의 진행 반대방향이 먼저 발생한다

예를들어, A가 B를 지나는 순간 A의 시계가 1시를 B의 시계가 2시를 가리키고 있었다면 이를 어떤 관성 좌표계에서 보던 A와 B가 만날 때 A 시계가 가리키는 시간이 1시, B 시계가 가리키는 시간이 2시였다고 관측한다는 것이다. 이에 반해, 다른 물체들에 붙어있는 시계가 가리키는 값을 본 결과는 시간팽창에 의해 관찰자에 따라 달라지게 된다.

② 시간팽창

고유시간: 두 사건이 같은 장소에서 발생하는 관찰자의 입장에서 측정한 시간

시간팽창: 두 사건이 다른 장소에서 일어난다고 측정하는 관찰자가 측정한 시간

운동하는 관성계의 시간을 정지한 관성계에서 측정하면 운동하는 관성계의 시간은 정지한 관성계의 시간보다 느리게 간다. 이때 고유시간은 두 사건 A, B가 일어나는 데 걸리는 시간을 측정한 값이며 이는 원자시계를 이용하여 잰다. 두 사건이 일어나는 장소(C)에 대해 움직이는 물체(D)가 볼 때 C의 시간은 느리게 흘러가므로 C의 시간 1초가 지나는데 자기 관성계(D)에서 흐른 시간이 더 길고 때문에 고유시간은 시간팽창보다 항상 더 짧다.

③길이수축

고유길이:두 점이 정지해있다고 생각하는 사람이 측정한 길이

길이수축은 운동방향과 나란한 방향의 길이에서만 일어나며 운동방향과 수직인 방향의 길이는 수축되지 않는다. 다만, 조심해야 할 점은 자취(빛이란 말이 들어간 거리:빛이 이동한 거리 등등)와 실제거리는 구분해야 한다는 점이다.

④질량 에너지 동등성

관성좌표계에 대해 정지해있는 물체의 질량을 정지질량, 운동하는 물체의 질량을 상대론적 질량이라고 하고 물체의 속력이 증가하면 상대론적 질량도 증가한다.

질량과 에너지는 상호전환될 수 있다. 정지질량이 [eqn: m_{ 0}]인 물체가 정지해있을 때 [eqn: E=m _{0} c ^{2}]의 에너지를 가지며 이것을 정지에너지라고 한다.

♥상대론 정리♡

상대론은 누가 본것이냐(관성계)에 따라 관측하는 모습이 완전히 달라진다.

고유시간을 파악하기 위해서라도 문제에서 묻는 관측자가 본 모습 정도는 그리자

2. 광속불변의 원리를 이용하자.

3. 동시성의 상대성에 의해 서로 같은 장소에서 일어난 두 사건은 관측자와 무관하게 동일한 모습으로 관측된다.

5. 우주론

고대 이집트는 신화우주론이었고 고대 그리스는 기하학적 우주론이었고 중세시대에는 인간중심 우주론이 등장하였고 근대시대에는 지동설이 나왔다.

-현대 우주론

①프리드만 우주 모형: 우주의 모든 지점이 동일한 밀도를 가지며 모든 방향으로 동일하다 가정하고 아인슈타인 방정식을 풀었을 때의 결과. 방정식의 해는 세 종류가 나온다.

②빅뱅우주론: 우주 팽창이 시작되는 순간에는 우주의 모든 질량과 에너지가 한 점에 모여있다가 급격히 폭팔하여 팽창하였다는 이론.

빅뱅후 약 38만년까진 빛이 플라스마 상태 입자들과 상호작용하며 입자들 사이에 갇혀있다3000K정도로 식었을 때 원자핵과 전자가 결합해 안정한 원자가 만들어졌다. 이 빛이 우주배경복사이며 우주의 모든방향에서 검출되나 위치에 따라 불균일하다.(우주구성물질 밀도차이)

③급팽창우주론: 구스가 제안, 빅뱅 이후 매우 짧은 시간동안 엄청난 크기로 팽창하였다는 이론. 급팽창이후는 표준빅뱅모델대로 계속되었다.

④가속팽창우주론: 최근 관측결과에 의하면 우리 우주는 급팽창이후 중력에 의해 팽창속력이 점점 줄었다가 어느 순간을 지나면서 척력이 작용하는 암흑에너지에 의해 다시 팽창속력이 증가하고 있다.

-팽창하는 우주

*허블법칙: V=HR

*헷갈리면 안되는 점은, 허블상수값은 일정하지 않다는 것이다. 시간이 지날수록 작아진다.

-기본입자와 상호작용

기본상호작용: 자연계에 존재하는 기본적인 힘

표준모형: 물질의 최소단위와 상호작용을 입자모형으로 정리한 이론

분리순서	중력(최소) > 강력 > 전자기력 = 약력(모든 기본입자가 해)
작용범위	무한대 작음 무한대 제일 작음
매개입자	중력자 글루온 광자 W+/W-/Z보손(질량이 있어)
작용입자	ALL 쿼크,핵자 전하띈 물체 베타붕괴에 관여(이때 전하는 보존)

기본입자(*질량은 다 있는데 전하량이 다른거야*)
쿼크		렙톤
+2/3e	-1/3e	-e	0
위	아래	전자	중성미자(최소 질량)
맵시	야릇	뮤온
꼭대기	바닥	타우

CF) 쿼크는 네 가지 상호작용을 모두 한다.

중력의 크기가 가장 작다.

전자와 중성미자는 질량수가 0이다

Ⅱ. 물질과 전자기장

(1)전자기장

* 전기장과 관련된 건지 자기장과 관련된 건지 범주 판단이 중요하다!!

분류	전기장(=전하에 의한/자기장 변화)	자기장(정지한 자기장/변하는 전기장)
관련된 힘	쿨롱(거리 제곱에 반비례)	앙페르(거리에 반비례)
관련 물질	도체 :정전기유도 (금속박,판 구분) 유전체:접촉 시에만 대전 되고 접촉 후 그대로 붙어있다 (유전분극되며 표면과의 거리체크)	강자성체:외부자기장과 자기화 방향= 상자성체:외부자기장과 자기화 방향= 반자성체:자석 댔을 때만 생겼다 사라짐
방향결정	(+)전하가 받는 전기력	나침반의 N극이 가리키는 방향 *지구자기장도 고려하자* 자기력선 그리자(동그라미로)
	같은 부호면 안쪽, 다른 부호면 전하량/전류 세기 작은 쪽에서 전기장/자기장이 0이 되는 지점이 생긴다 (이거 표시해주자)

다만 전기력선은 유체 흐름선과는 달라서 전기력선이 자취는 아니다.(대부분 다르다)

*범주 판단:
①if 정전하에 의한 전기장/자기장이 변화되는 상황:

도체이거나 유전체이며 이때 분극이 어떻게 일어나며 대전 후 물체의 움직임으로 둘을 구분

또한 헷갈리지 않도록 전기장의 방향을 고려하여 +/-를 써주자

대전된 강유전체라면 대전체에 의해 밀려날수도 있다

②if 자석/앙페르 법칙에 의한 정지한 자기장/변하는 전기장:

관련된 물질은 강자성체, 상자성체, 반자성체. 그치만 이 셋 중에서 자기장을 그대로 유지하는 건 강자성체밖에 없다는 사실을 이용해 강자성체를 찾자. 이때 반자성체는 자기장이 생겼을때에만 자기화되므로(반대로) 이 성질을 이용하여 반자성체를 찾는다.

*검전기 관련 유형 정리

대전된 검전기, 대전된 물체

①서로 같은 전하로 대전되어 있을 때: 접근시킬수록 금속박은 더 벌어진다

②서로 다른 전하로 대전되어 있을 때: 접근시킬수록 금속박은 오므라든다.

※대전체의 전하량이 검전기보다 크다면 대전체를 접근시킬수록 금속박은 오므라들다 다시 벌어진다(금속박과 대전체는 서로 같은 전하로 대전)

접지 상황

땅이 엄청나게 많은 전하들을 가지고 있는 도체라고 생각하고 정전기유도를 적용

<전자기장문제 핵심정리!>

①기본은 0이되는 점 찾기! 찾고 표시한후에 영향력이 누가 센지보자★

②대칭성(도선이 3개 이상이라면 필수)★★(대학교 전자기의 핵심!)

③변화량:도선의 전류세기던 방향이던 위치던 변화하는 상황★★

*전자기 유도 문제

①자기장은 3차원 영역의 장이다. 그러니 자기장을 구로 생각하고 변화를 관찰하자.

②작용하는 힘들과 상황의 변화를 보고 렌츠의 법칙을 적용.

③(처음-나중)이 유도자기장이 된다. 도선의 면적을 고려하자!!

④자속이 최대일 때, 물체의 운동방향이 변할 때 전류는 0이고 전류방향이 변한다

⑤누가 변하는지 확인하자. (이때 자기장이 일정한 한 영역에서의 변화라면 도선의 속력과관계없이 자기선속은 일정하다. 즉 유도전류는 없다)

⑥나오는 자기장은 반시계, 들어가는 자기장은 시계임을 기억하자.

*전자기 유도와 발전기

-전자기유도(회로 내부의 자속변화) -> 유도기전력-> R이 작을 때: i=0->B(O)

Φ=B*S                         [eqn: V=-N {DELTA varphi } over {DELTA t}]  R이 클 때:  I없어서 B도 없다

-시간에 따른 유도 전류는 중심에서 자속이 최대이고 I=0이고 I방향이 변한다

-pn 다이오드(정류작용)이 있는지 R/꼬마전구가 있는지 냉철하게 보자!!

기타 개념

*도체와 절연체(유전체)

도체:비저항이 작아 전류가 잘 흐르는 물질

-도체 내부에서 전기장은 0이다

-도체가 대전되면 전하는 표면에만 분포한다(도체의 핵심)

-도체에는 자유전자가 많다

-서로 연결된 도체는 한 덩어리로 취급하고 정전기유도를 적용

절연체: 비저항이 커 전류가 잘 흐르지 못하는 물질

-절연체의 전자들은 대부분 원자에 구속되어 있으며 자유전자가 거의 없다

-절연체에 열 또는 강한 전기장을 가하거나 불순물을 첨가하면 전류를

흐르게 할 수 있다

*접지: 감전, 정전기에 의한 화재나 고장 등을 방지할 목적으로 전자기기를 지면과 도선으로 연결하는 것

-마찰전기에 의해 대전된 구름은 지면에 정전기 유도현상을 일으키는데 구름에 대전된 전하  량이 충분히 많아 구름의 전하와 지면 사이의 전기력이 충분히 커지면 공기층을 통하여 전류 가 흐르는데 이를 번개라 한다.

-주유관을 통해 기름이 흐를 때 마찰전기에 의하여 대전될수 있어 주유관을 접지해 사용함

*방전: 대전된 물체나 어떤 계에서 전하를 잃고 전기적으로 중성화되거나 기체 등의 절연체가 강한 전기장으로 인해 절연성을 상실하고 전류가 흐르는 현상

*솔레노이드 내부의 자기장은 균일하다.

*물질의 자성

-원인: 전자의 궤도 운동과 스핀

대부분의 물질에 대해 전자의 궤도 운동에 의한 자기적효과는 0이거나 매우작다.

많은 전자를 갖는 원자에서 전자들은 대개 반대스핀을 갖는것과 쌍을 이루며 자기적효과가 상쇄된다. 모두 쌍을 이루어 자기장이 완전히 상쇄되면 반자성 그렇지않으면 상자성, 강자성이 나타난다. EX) 강자성은 (철,니켈,코발트) 상자성은 (산소, 종이, 마그네슘, 알루미늄)

반자성은 (금, 물,수소, 유리,구리)

(2)에너지 준위

-기체의 에너지 준위

<스펙트럼>: 햇빛이나 백열전구의 빛이 프리즘을 통과했을 때 프리즘에 나타나는 색의 띠

*연속스펙트럼: 연속적( 흰띠, 고온의 물체)

*흡수스펙트럼: 연속스펙트럼 나타내는 빛을 저온기체에 지나게 하면 기체가 특정파장빛 흡수해 검은띠가 나타난다.( 흰 바탕에 검은 띠)

*선스펙트럼: 기체에 높은 전압을 걸면 밝은색들이 띄엄 띄엄있는 선이 나타남.(검정 바탕)

*고체의 스펙트럼: LCD같은 물질은 선 스펙트럼보다 파장의 영역이 더 넓은 형태

★기체의 에너지 준위

기체의 에너지 준위는 원자의 종류에 따라 에너지 준위의 분포가 다르므로 원자 고유의 특성임을 알 수 있다. 또한, 기체의 에너지 준위 문제에서는 에너지 준위 표를 꼭! 그려서 풀어야 한다.

*참고: 에너지 준위에는 바닥/들뜬 상태가 있고 n=7이상에서 n=2로 갈때는 자외선 방출

기체 원자모형은 양자화 모형. 이러한 여러 원자들이 모이게 되면 각자 에너지 준위가 다르므로(파울리 배타원리) 고체를 구성하는 원자의 에너지 준위는 영향을 주는 원자의 수만큼 미세하게 변해 연속적으로 볼 수 있는 에너지 띠를 이룬다.

(허용된 띠/띠틈 BY 양자화): 전자가 존재할 수 있는 영역을 모두 포함한 띠가 허용된 띠

그런데 온도가 0K가 되면 원자내부의 전자들은 허용된 띠의 에너지가 낮은 상태에서 시작해 점점 에너지가 높은 상태로 채워져나가는데 (원자의 결합이 pi bond, cigma bond라서)이때 원자의 가장 바깥쪽에 있는 전자가 차지하는 에너지띠를 원자가띠라고 한다. 즉, 전자가 있을수 있는 최대 에너지 상태는 0K에서는 원자가띠이다. 이때 원자가띠의 전자가 에너지를 흡수하게 되면 이동할 수 있는 허용된띠를 전도띠라고 한다.

이처럼 온도가 0K인 상태일때는 전자들의 배치가 정해져있어 이동이 어렵지만 고체에 전기에너지나 열에너지가 공급되면 원자가띠에 있는 전자들이 더 높은 에너지준위로 이동하게 되며 이때 고체의 에너지띠 구조에 따라 전자가 고체 내부를 이동할수 있는 성질이 다르게 나타난다.

바로 이 성질이 자유전자와 양공이다!! 이 에너지띠 구조는 3가지 CASE가 있고

도체, 반도체, 절연체가 바로 그것이다.

이때 반도체는 에너지공급여부에 따라 도체가 될수도, 절연체가 될수도 있어 일종의 센서 역할을 한다. 이제 반도체에 대해 알아보자(도체랑 절연체는 전자기장때 했으니깐)

(참고로, 전도띠에서 원자가띠로 전이할때는 띠틈만큼의 에너지를 방출한다.

그치만 올라갈 때는 띠틈보다 큰 에너지를 받아야 올라갈 수 있다.)

(3)반도체

-ORIGINAL TYPE: 순수반도체

아까 전에 한 반도체. 원자가 전자가 일정한 영역에 있으면서 이웃한 원자를 결합하는 역할을 한다. 순도가 매우높다(불순물이 있긴있다...매우 적을뿐)

-CHANGE: 순수반도체 WITH 도핑

P형 반도체와 N형 반도체 모두 순수한 반도체에 불순물을 첨가하는 과정을 거쳤는데 이를 도핑이라고 한다. 이 불순물은 원자가전자가 3개이거나 5개이다. 예를들어 N형 반도체의 경우 원자가전자가 기존의 순수반도체에 비해 하나가 더 늘었으므로 (파울리배타원리에 의해)   이 전자하나가 있을수 있는 에너지 준위가 하나 더 생기며 이는 기존의 순수반도체의 원자가띠와 전도띠 사이에 존재하게 된다. 따라서 띠틈의 크기가 기존보다 줄어든 효과를 내게 되어 물질의 전기전도성은 더 좋아진다.

온도를 높이던 빛을 쬐어주던(빛에너지흡수) 전압을 높이던 불순물을 첨가하면 반도체의 전기저항은 감소한다.

*헷갈리지 말아야 할 점이, 얘네 다 양공이니 자유전자이니 하는것들이 있지만 기본적으로 안정한 원자들을 이어붙인거지 전하를 때려넣은게 아니라서 중성인 상태이다. 그리고 P형도 자유전자가 있을수도 있는데 상대적으로 양공이 더 많은거다.

-활용1. 다이오드(광다이오드와 발광다이오드를 구분하자)

N형 반도체는 기본적으로 전하의 수가 많기 때문에 P형보다 에너지 준위(전위)가 높다. 때문에 N형에서 P형으로 고유전기장이 형성되어있다.

이러한 P,N형 반도체를 이어붙인걸 다이오드라고 하는데 순방향으로 연결하게 되면 이러한 고유전기장을 극복할수 있지만 역방향으로 연결하게 되면 극복하지 못해 전류가 흐르지 못한다.

(수특에서 설명):

순방향: P 형, N형 반도체를 각각 전원의 (+)/(-)극에 연결하게 되면 P-N접합면에 양공과 전자가 공존하는 영역이 생기며 전도띠의 전자가 아래쪽 양공을 채우게 되어 다이오드 양끝에서 양공과 전자를 계속 공급할수 있게 되어 전류가 지속적으로 흐른다.

역방향:양공과 전자가 접합면에서 멀어지게 되어 접합면에서 양공과 전자의 전이가 일어날 수 없어 전류가 흐르지 않는다.

이러한 성질 때문에 다이오드는 정류작용을 한다.

특별히, 전류가 흐를 때 빛을 방출하는 다이오드를 발광다이오드(LED)라고 하는데 띠틈에 해당하는 만큼의 에너지가 빛으로 방출된다. 이때 빛의 파장/에너지 등은 오로지 띠틈에 의해서만 결정되므로 LED를 제작하는 반도체의 재질에 따라 달라질 수 있다.(f/I와는 무관)

같은 PN접합 다이오드여도 다이오드를 전지에 연결한 것과 다이오드에 빛을 비춘 건 완전히 다른데 이때의 정류작용은 걸어준 전압 때문에 전류가 흐르지만 다이오드에 빛을 비추게 되면 아까 전의 고유전기장에 의해 스스로 전압을 만들어내게 된다. 전기장은 N에서 P로 걸리므로 내부에서는 N에서 P, 외부에서는 P에서 N으로 전류가 흐르게 된다.

이러한 다이오드의 예가 태양전지이다. 그냥 LED 다이오드에 빛 비춰도 전기가 생긴다.

-활용2. 트랜지스터

PN접합에 P형이나 N형 반도체를 추가하여 만든걸 트랜지스터라고 한다.

트랜지스터는 매우 작게 만들 수 있고 소비전력이 작고 열도 거의 나지않아 거의 모든 전자기구에 사용되고 있다. 가장 중요한 특징은 증폭작용과 스위치 작용이다.

증폭작용: 전하량 보존에 의해 이미터의 전류는 베이스의 전류와 컬렉터의 전류합과 같다. 이는 pnp형 뿐만이 아니라 npn형에서도 마찬가지로 성립되며 이때의 합은 방향을 고려한 벡터합이다. pnp형의 경우 “이미터의 전류=베이스의 전류+컬렉터”의 전류로 컬렉터의 전류는 아무리 커져도 이미터의 전류값보다 클 수 없다. 이미터와 베이스 사이에 전류가 흐를 때 이미터와 베이스 사이에서 이동하는 전하의 대부분이 매우 얇은 베이스를 관통하여 컬렉터쪽으로 이동하며 역방향 전압이 클수록 컬렉터의 전류값은 커지게 된다. 즉, 컬렉터 전류와 이미터 전류사이의 비율은 이때의 역방향 전압값에 의해 결정된다. 이미터와 베이스 사이의 전압을 변화시킬 때 이에 따라 컬렉터 전류의 값이 앞에서의 비율만큼 변화하게 되는대, 이를 증폭작용이라고 한다.

스위치 작용: 베이스의 전류가 정해진 값 이상이거나 이하일 때 컬렉터쪽의 전류가 흐르지 않거나 흐르게 할 수 있는 스위치 역할을 하게 되는데 이러한 특성은 신호가 1과 0으로만 구성된 디지털 회로를 구성하는 데 이용된다. (입력전압이 스위치 역할을 한다)

(4)신소재

* 초전도체: 임계온도이하에서 전기저항이 0이 되는 초전도 현상을 나타내는 물질

임계온도이상에서는 도체처럼 행동하게 된다.

-마이스너효과: 초전도체 내부의 자기장이 0이 되는 현상.(고전물리학으로 설명불가)

-초전도현상: 임계온도 이하에서 전기저항이 0이 되는 현상

* 유전체:유전분극이 나타나는 절연체

-유전율:유전체에 전기장을 걸어주었을 때 유전분극이 발생하는 정도

-강유전체: 외부전기장이 없어도 유전분극을 유지하는 유전체

이용: 반도체메모리(IC칩), USB메모리, 플래시메모리, REM

* 액정: 액체의 유동적 성질과 결정의 성질을 한번에 가지고 있는 극성분자.

층에 평행한 방향으로 분자들이 흐를 수 있고 층 사이의 일정한 간격이 결정과 같다.

-LCD: 액정표시장치(LED/RGB필터+액정+전지+편광판)

평상시에는 유전분극에 의해 액정 분자는 이웃한 분자와 비슷해지려 하므로 기판 사이에서 연속적으로 비틀어지며 배열된다. 때문에 편광판을 통과한 빛은 액정 분자들의 방향을 따라 편광방향이 비틀어지면서 진행한다.

-전압을 가해서 액정의 방향을 바꿀 수 있다

-연속적인 변화가 가능하며 전지의 전압이 클수록 통과하는 빛의 차단효과가 좋다

*참고) 금속 산화물 배리스터: 부품이나 회로에 갑작스런 전압이 증가했을 때 이를 보호하는 용도로 사용하는 신소재

서미스터: 부품이나 회로에 갑작스런 열이 누적될 때 이를 보호하는 용도로 사용하는 신소재.

Ⅲ. 정보와 통신

(1) 파동의 성질

-반사:반사의 법칙

-굴절:파동이 진행하다가 다른 매질을 만났을 때 두 매질에서의 파동의 속력 차이 때문에 파동의 진행방향이 꺾이는 현상

-간섭: 보강간섭과 상쇄간섭이 있고 이 중에서 진행방향이 서로 반대인 두 파동의 경우 일어나는 간섭이 정상파이다.

-회절: 틈의 간격이 작고 파장이 길수록 회절이 잘 일어난다. (속도 변화 없고 에너지보존)

-공명: 외부에서 들어온 파동의 진동수가 물체의 고유진동수와 같을 때 진폭이 커지는 현상

(2)정상파

*정상파 만들기:

①두 파동의 위상이 동일하다면: 두 파동이 만나는 지점은 배

두 파동의 위상이 반대라면: 두 파동이 만나는 지점은 마디

②배와 이웃한 마디는 λ/4떨어져있다

③만들어지는 파동의 파장은 정상파의 파장과 같다.

★악기에서의 정상파

관악기인지 현악기인지 구분->관악기라면 둘다 열린 관인지 하나는 닫힌 관인지

반드시 그려서 풀자

줄이 있는 현악기라면:①진동수는 파원에서 결정되므로 항상같다

②소리의 속력은 매질의 영향만 받는다

소리의 세기가 커지는 경우

①공명이 일어날 때(진동수를 다르게 하는 경우)

②배인곳에서 소리의 세기가 크다(<->마디에서 소리의 세기가 갑자기 작아진다)

(3) 파동종류 1. 소리

소리는 기체의 한 부분에서의 압력변화가 주위로 전달되는 파동이다.

소리의 인식: 고막의 진동-진동이 증폭됨-달팽이관에서 전기신호로 변환-청신경-대뇌

초음파: 진동수가 20KHZ이상인 소리. (진동수작을수록 시료 깊게 뚫고 들어간다)

초음파세척기는 초음파의 진동에너지를 이용하며 다른 기구들은 초음파의 반사를 이용

화음과 소음: 높이가 다른 두 소리가 만났을 때 조화롭게 들리는 소리/불쾌한소리

화성악관련

음정: 두 소리의 높낮이 간의 간격

옥타브: 소리의 진동수가 서로 1:2인 음정관계 지수함수!(1증가시 진동수 2“배”증가)

평균율: 옥타브를 12개 반음으로 나누면 평균율

음계: 어떤 기준음을 으뜸음으로 시작하여 한 옥타브안에 음을 차례로 늘어놓은 것

단, 국제표준음계는 440hz를 표준진동수로 한다

마이크와 스피커

소리신호->전기신호->트랜지스터->스피커(자기력 방향,진동방향 바뀜)->소리

1. 마이크: 소리를 전기신호로 바꾸는 장치

종류: 다이나믹 마이크, 압전마이크, 콘덴서마이크

①다이나믹 마이크: 전자기유도(교류전류)이용. 진동판+코일+영구자석

②압전마이크: 압전물질의 수축, 팽창에 따라 교류전류 흐른다(전자기유도 X)

③콘덴서 마이크: 축전기용량변화에 따라 교류전류흐른다. (전자기유도X)

;전자의 이동방향이 바뀌므로 마이크에서의 출력전류방향이 수시로 변화(자체전원o)

2. 스피커: 전기신호를 소리로 바꾸는 장치

다이나믹 마이크와 기본구조가 동일하므로 같은 역할을 할 수 있다.

앙페르법칙을 사용한다(앙페르법칙, 전류의 자기작용, 자기력 모두 스피커에 해당)

<자주 헷갈리는 사항정리>

옥타브: 옥타브는 지수함수

소리 vs 빛: 소리는 고>액>기, 빛은 진공>기>액>고이다!!! (이번 EBS강조사항)

3. 마이크: 소리->전기

스피커: 전기->소리

파동종류 2. 빛

광전효과: 금속에 충분히 큰 진동수의 빛을 비출 때 금속에서 광전자가 방출되는 현상

핵심은 광자와 전자의 관계가 일대일대응이라는 점. ★[eqn: E_{ k}]는 가장 센 애 하나! I는 합집합★

광전효과 실험장치에서 (-)전극에 빛을 비췄을 경우에는 광전효과가 일어나는 정도에 따라 흐르는 전류(광전류)의 크기가 증가하나 만일 (+)전극에 빛을 비추는 경우라면 이때 광자의 운동에너지=전기력이 한 일(qV)이 되는 경우 흐르는 전류가 0이 되며 이때의 전압을 정지전압이라고 한다.

광센서: 빛에너지를 전기에너지로 변환하는 소자

①광다이오드(=태양전지): 빛을 전기신호로 변환해준다(반도체, 띠틈보다 큰 에너지의 빛)

②광전관: 금속에 빛을 비춰주면 광전류가 흐르는 것을 이용(금속전극, 일함수보다 큰 빛)

③CCD: 빛에너지를 전기에너지로 바꾸어주며 수백만 개의 집광 장치로 이루어져 있다

광센서가 평면적으로 결합된 형태이다

< 색의 인식과 영상장치>

①색의 인식

빛이 각막과 수정체를 통과하여 망막에 도달하면 망막에 있는 시각세포 중에서 원뿔세포가 반응하여 전기신호가 발생하고 이 전기신호가 대뇌로 전달되어 빛을 인식하게 된다

원뿔세포: 빛의 색깔에 반응하여 색을 구분. 적원뿔, 청원뿔, 녹원뿔세포가있다

막대세포: 빛의 밝기에 반응하여 명암을 구분. (약한 빛에 반응)

이때 세 종류의 원뿔세포가 반응하는 정도에 따라 서로다른 색으로 인식하며 원추세포의 흥분도가 서로 동일하기에 단색광과 혼합광을 구분할 수 없다.

②빛의 삼원색

R,G,B이며 빛을 합성할수록 반응하는 원뿔세포 수가 많아져 더 밝게 보인다. 세가지 색의 상대적 세기의 조합에 의해 다양한 색을 구분할 수 있다. 이 원리를 이용해 영상표현장치를 만들어 사용한다.

③영상표현장치

화소: 영상표현장치의 화면을 구성하는 최소단위. 세 가지 색의 상대적인 세기를 조절하여 다양한 색을 표현

종류:LCD를 이용한 전광판/ LED를 이용한 전광판

LCD: 두 편광판 사이에 액정을 넣고 전압의 세기를 변화시켜 액정셀을 빠져나오는 빛의 양을 조절해 영상을 만든다

LED: 발광다이오드를 이용해 영상을 만든다

★단색광과 프리즘( 이번 7월교육청)

사실 엄밀히는 시험 범위는 아니긴 한데 중딩(?) 포함하면 있긴 해서.

더 알아보기 1. 색은 어떻게 인식될까?

우리가 어떤 색을 인식한다는 것은 그 물체에서 반사된 빛이 우리 눈으로 들어온다는 것이다. 그렇다면 우리가 어떤 색을 인식하는 경우에는 어떤 것들이 있을까?

예를들어, 노란색을 생각해보자. 우리가 어떤 물체가 노란색이라고 생각하는 데엔 다음과 같은 세 가지 경우가 있다.

①R,G를 모두 반사하고 다른 빛은 모두 흡수하는 경우

②노란색 단색광만을 반사하고 다른 가시광선은 모두 흡수하는 경우

③빨강, 초록, 노랑 단색광을 반사하고 나머지는 모두 흡수하는 경우

마찬가지로, 백색광을 만드는 방법에는 R,G,B단색광을 모두 비추는 경우와 모든 가시광선 단색광을 비추는 경우가 있는데 이때 백열등에서는 후자의 방법으로 빛을 방출한다.

더 알아보기 2. <빛(광전효과)+ 색의 인식> 유형 분석

보통 비역학에서 난이도를 올린다면 순수한 광전효과만을 질문하기보다는 색의 인식과 함께 엮여서 나오는 경우가 있다. 이 경우 “더 알아보기1” 의 내용과 다음과 같은 사실들을 상기하자!

광전효과: 최대운동 E는 제일 센거 하나! 광전류는 흐르는 얘들 중에서의 합집합

색의 인식: TIMELINE 그리자!!! 그리고 더 알아보기 1을 상기해라

합성색은 분해해서 쓰자.

색필터는 원뿔세포의 반응정도와 유사하다(완벽히 배반사건이 아니라서 교집합 존재)

더 알아보기 3. n-p-n 트랜지스터

p-n-p형과 마찬가지로 이미터에 흐르는 전류=컬렉터전류+ 베이스전류이다. 다만 전류의 방향이 달라진다.P-N-P형에서는 이미터로 전류가 들어가는 반면, N-P-N형에서는 이미터로 전류가 나온다.

<광통신(전반사)>

①TIME LINE 그리기!!

법선그리기

굴절률 차이 클수록 임계각이 감소한다

②역과정 IS POSSIBLE

③빛의 색이 동일하다면 f는 동일하다로 파장을 판단하자!! (서로 다른 단색광이면 f가 다름)

-그렇지만, 이건 기출에서 한번도 이걸 갖고 장난친적없었고 굴절률로 속력만을 물어봤었다.

(4)통신의 종류

통신은 정보를 전달하는 것을 말한다. 파동을 이용해 정보를 전달하며 종류에는 다음과 같은 세 가지가 있다.

전자기파를 이용한 통신

전기신호를 이용한 통신

빛을 이용한 통신(광통신)

전자기파를 이용한 통신

①전자기파의 종류와 특징

---I-------------I------------------------I---------I------------I--------------I----------------I----->

라디오파    마이크로파          적외선   가시광선  자외선        X선          r선

-(LC회로)  (전자의 가속운동)     복사, 기체 방전       (전자가 금속에 충돌) r붕괴,쌍소멸

-티비      위성통신,전자레인지  광통신             수은등/살균   X선,공항검색 암치료

*이때 수은등에서 나오는건 자외선이고 수은등 내부에 발라져있는 형광물질을 때리면 가시광선이 방출된다

②전자기파의 특성

-전기장과 자기장이 시간에 따라 진동하면서 공간을 퍼져나가는 파동

-전자기파의 진행방향과 자기장의 진동방향, 전기장의 진동방향은 서로 수직이다.

③전자기파의 발생

-전하의 가속운동(고전압)

-LC전기진동(LC회로나 축전기있는 교류회로)

④전자기파의 송신과 수신

전자기파의 송신은 쌍극자안테나와 고리안테나가 한다

이때 방송통신의 과정은 다음과 같다.

음성신호-> 마이크 -> 증폭기->변조과정(AM/FM)->안테나(송신)->수신안테나->복조회로

전기신호+교류신호              교류신호수신

⑤RFID(전자기파 센서의 이용)

RFID는 Radio Frequency Identification의 약자이다. 전파(라디오파)를 이용하여 정보를 교환하는 근거리 무선통신방식이며 NFC라고도 불린다. 능동형(전지o)과 수동형이 있다

육상 기록 추정, 상품의 생상 이력 추적 등에 쓰인다.

전기신호를 이용한 통신

위에서의 방송통신과정에 전기신호가 이용되므로 이 전기신호를 조절하는 과정에서 회로에 대해 배우게 된다.

①직류전원에 연결된 축전기와 코일

-직류전원과 축전기:

충전이 끝나면 축전기의 전압=직류전원의 전압이 되며

(BY Q=CV) 이때 저항에 걸리는 전압은 0이다

즉, 직류전원일때에만 축전기는 완전충전된다!!

-직류전원과 코일:

코일은 축전기와는 다르게 전자기유도에 의한 렌츠법칙으로

회로에 흐르는 전류와 반대방향이 되게 유도기전력을 발생시킨다

스위치 ON: 갑자기 전류가 흐르므로 반대방향의 유도전류생성

어느정도 시간이 흐른후 : 이때 유도전류는 0이고 직류전원에 의해 흐르는 전류가 있다.     스위치 OFF: 전류흐름이 중단되어 같은 방향으로 유도 전류가 생겨 흐른다

②전기신호의 조절

-축전기만 있는회로

:축전기는 충전과 방전을 반복하면서 회로에는 교류가 흐르며 이때 전류의 흐름을 방해하는 정도를 축전기의 용량리액턴스라고 한다. 교류의 주파수가 커지면 축전기의 충전시간또한 줄어들기 때문에 용량리액턴스([eqn: X_{ C}])는 작아진다. [eqn: X _{C} = {1} over {2 pifC }]

-코일만 있는 회로

:코일은 도선을 여러번 감는 것으로 도선에 전류가 흐르고 있으면 코일 내부에 자기장이 생겨 자기에너지가 전달된다. 코일은 전자기유도(자체유도)에 의해 자속변화와 반대방향의 유도전류가 발생하므로 주파수가 커지면 시간당 자속변화량이 커져 전자기유도에 의해 유도전류가 커진다. 즉, 코일이 원래 회로의 전류의 흐름을 방해하는 정도가 커지게 되므로 코일의 유도리액턴스는 증가한다. [eqn: X _{L}=2 pifL]

-코일과 축전기가 같이있는 회로(RLC회로)

유도리액턴스와 용량리액턴스가 같아질 때 회로에 흐르는 전류가 최대가 되며 이때의 진동수는 [eqn: {1} over {2 pi sqrt {LC}}]이다. 이때 회로에서 공명이 일어나며 이를 고유주파수라고 한다. 특이한점은, 용량리액턴스와 유도리액턴스가 동일하기만 하다면 f와는 무관하게 회로에 흐르는 최대전류는 일정하다. 이 그래프는 대칭은 아니지만 위부분은 위로 볼록형태.

*문제 풀이시에 회로에 흐르는 전류의 변화를 묻는다면 회로에 있는 저항에 걸리는 전압의 변화를 찾는게 팁! 그리고 혹시 그래프 문제가 나온다면 진동수변화에 따른 주기의 변화도 잊지말장.

<전기신호의 조절 정리!>: F커지면 축전기 리액감소 코일 리액증가

①직류전원인지 교류전원인지 찾아라! 직류면 축전기는 완전충전된다

②주인공 찾자!: 어디에 전류/전압계가 있는지. 2개이면 누구 묻는지 구분하자

광통신

-전기신호 통신과 함께 유선통신이다.

광섬유(유리)를 사용하며 적외선(디지털신호)를 주고받는다. 이때 전반사현상을 이용한다.

①광통신의 과정

아날로그 신호->디지털신호변환기->LED->광섬유->광센서->아날로그변환기->스피커

②전반사현상

-두 매질의 굴절률 차이가 클수록 임계각은 감소한다☆★

-코어의 굴절률은 클래딩보다 크다

-꼭 법선그려서 따지자!

-광섬유를 급격하게 구부리면 전반사현상이 일어나지 않는다

(5)정보의 저장

①자기적 성질을 이용한 정보저장매체 (용어 구분!! 기록 vs 재생)

<정보의 저장>: 앙페르

<정보의 재생>: 패러데이

EX) 하드 디스크(비휘발성)

②전기적 성질을 이용한 저장매체

-기록:축전기에 강유전체넣고 축전기 충전시 1/방전되면 0 같은 방식으로 정보를 기록

이때 강유전체를 넣으면 축전기의 저장용량도 커지고 안전하고 오랫동안 저장할수잇기때문

-재생:축전기의 충전/방전 여부에 따라 인접한 트랜지스터의 저항값이 달라지는 현상

EX)플래시메모리: 전원이 제거되어도 정보를 그대로 유지하는 비휘발성 기억장치. 하나의 셀에 포함된 전자의 수에 따라 달라지는 전기적 성질을 이용한다.(반도체의 성질이용)

DRAM은 축전기를 이용해 정보를 저장하는 휘발성 메모리

③빛을 이용한 저장매체( 용어 구분하자!!기록 vs 재생)

기록:강한 레이저빛을 쪼아 홈을 만든다

재생:빛의 반사율변화를 이용한다. 랜드와 피트의 경계에선 상쇄간섭(0)이 일어나 반사광세기 약하고 랜드와 랜드/피트와 피트에선 보강간섭(1)이 일어나 반사광의 세기가 강하다

EX) CD와 DVD. 이용하는 빛의 파장이 DVD에서 더 짧아 동일한 면적에 더 많은 정보를 기록할수 있다. 이때 홈의 두께는 파장의 1/4배이다.

Ⅵ. 에너지

(1)에너지의 발생

①여러가지 발전방식

장치	원리	종류
발전기	유도기전력(전자기유도)	고압증기:원자력, 화력,태양열,지열 기타:수력,풍력,조력
태양전지	광기전력(광전효과)	태양광발전:직류!
연료전지	화학적 기전력(연료산화)	연료전지

*태양열과 태양광 단어 구분 제대로 하자

풍력발전에서는 물 사용 안함(완전 무관)

②전기에너지의 발생

♥발전기 VS 전동기♡

발전기는 전자기유도를 이용하여 전기에너지를 만들어내지만 전동기는 자기력을 이용하여 전기에너지를 운동에너지로 전환시킨다. 이때 두 장치의 가장 큰 차이점은 정류자의 유뮤이다. 발전기에는 회전자가 있지만 전동기에는 정류자가 있다(교류전동기도 있는데 얜 정류자가 없다.)

발전기: 자기장 내에서 코일을 회전시키면 코일에 유도기전력이 발생하여 유도전류가 흐른다. 브러시와 짐전고리를 사용하여 외부회로에 방향과 세기가 주기적으로 바뀌는 전류를 얻는다. 코일의 회전속력이 클수록 유도기전력과 유도전류의 진동수가 증가한다.

(렌츠와 패러데이 법칙을 사용)

전동기: 전류의 자기작용을 이용하여 회전운동을 하는 장치.

자석 사이에 있는 코일에 전류가 흐를 때 자석과 코일 사이에 작용하는 자기력에 의해 코일이 회전하게 되며 코일과 면이 자기장에 수직이 되는 순간 정류자에 의하여 전류의 극이 바뀌므로 코일은 계속 한 방향으로 회전한다.

cf) 교류전동기

원리: 고정코일과 회전코일로 구성되어있으며 고정코일에 흐르는 전류에 의해 생긴 자기장의 변화에 의한 자기장과 고정코일의 자기장 사이에 작용하는 힘을 이용하여 회전하게 된다.

교류전동기는 정류자가 없으므로 수명이 길다

③전력과 변압기 관련 문제

송전과 변압기 문제에서 제일 먼저 해야 할 일은 송전전력이 일정한지 아닌지를 확인하는 것이다.

if 송전전력이 일정하다면: 발전소에서의 전력수송 등

①P=VI (V: 송전전압, P는 송전전력) & P=[eqn: I ^{ 2}R](손실전력)

②전력이 일정하다는 것(송전전력=손실전력+가정):가정 전력은 여집합으로 판단하자

③손실전력 고려해 변전소에서의 전력값을 새롭게 재설정한다.

if 송전전력이 변할 수 있다면(송전전압 일정한 경우): 변압기/가정에서의 전력사용변화

전자기 유도에 의해 구하는 것이 핵심!!! 코일1의 전력값과 코일2의 전력값은 서로 동일하다. 그렇지만 이 값이 일정하진 않으므로 하나의 값을 변화시킴에 따라 그 영향을 서로에게 준다. 전류의 정의와 전자기 유도를 이용하여 이 값을 구하자.

교류전원의 전압이 있는 곳에 저항이 있다면 I를 설정한후 P=VI=[eqn: SIGMAI ^{ 2}R]를 이용하자

★변압기 유도과정:

교류전원을 연결하면 변화하는 전기장 때문에 자속변화가 나타난다. 코일은 강자성체이므로 외부 자기장과 같은 방향으로 자화가 일어나게 되며 이 자속변화[eqn: {DELTA phi } over { DELTAt }]를 2차코일에 그대로 전해주게 된다. 렌츠 법칙에 의해 2차코일에는 이 자기장에 반대되는 유도전류가 유도된다.

전자기유도에 의해 2차코일에 유도되는 기전력은 [eqn: -N { DELTA phi } over {DELTA t}]이다. 이 관계식은 전력일정여부와 관계없이 성립한다.

cf)만일 코일이 반자성체라면: 2차코일에 유도되는 기전력의 크기는 감소하며 방향은 반대

만일 코일이 상자성체라면: 2차코일에 유도되는 기전력의 크기는 감소

*참고로, 전압의 단위는 J/C이고 전력의 단위는 V*A

④핵에너지와 방사선

핵자: 핵을 구성하는 입자(양성자, 중성자)

동위원소: 화학적 성질은 같지만 물리적 성질은 다르다

핵반응(질량수,전하량 보존)

-핵융합: 질량수 작은 원자핵이 융합해 질량수가 큰 원자핵으로 되는 현상(원자번호아냐!)

-핵분열: 질량수가 큰 원자핵이 크기 비슷한 두 개의 원자핵으로 쪼개지는 현상

EX) 우라늄 원자핵(235)에 저속의 중성자가 흡수되면서 크립톤(36,92)과 바륨(56,141)으로 쪼개지면서 고속의 중성자 3개가 방출되는 것.

베타 선이 질량이 더 작으니까 더 크게 휘어진다

핵변환: 불안정한 원자핵이 자발적으로 핵자의 조성을 바꾸면서 안정한 원자핵으로 변환되는 것. 이러한 원자핵을 갖고 있는 원소를 방사성 원소, 이 원소를 포함하는 물질을 방사성 물질, 방사선을 내는 성질을 방사능. (알파:He 베타:e 감마가 있다)

구분		단위	정의
방사능량		Bq(베크렐)	1초동안에 1개의 방사성 원소가 변환되는것
방사선량	조사선	C/kg	공기 1kg중에 1C의 이온을 만드는 r선 또는 X선
	흡수선	J/kg	물질 1kg당 1J의 방사선에너지흡수가 있을때
	등가선		방사선 종류나 에너지에 따른 신체에 미치는 영향
	유효선		신체 조직별 특성을 고려한 선량

자연방사선이 인공방사선보다 많다(82%/18%)

⑤원자로

원자력발전소에서 핵연료인 우라늄의 핵분열이 일어나는 곳으로 고속중성자의 속력을 늦춰 연쇄반응을 일으킨다.

	경수로(주로 가압경수로)	중수로	고속증식로
핵연료	저농축우라늄	천연우라늄(235+238)	플루토늄, 우라늄238
감속재	경수(열흡수해 증기발생기로)	중수([eqn: D_{ 2}O])	X
냉각재			액체 소듐
제어봉	중성자 흡수해 연쇄반응속도 조절 EX)붕소,카드뭄		X

흑연도 감속재로 쓰인다

경수로에서 경수는 중성자의 흡수율이 좋기 때문에 감속재로서의 기능은 떨어진다.

⑥여러가지 발전방식

신에너지: 연료전지, 수소에너지, 석탄액화 및 가스화

재생에너지: 태양열, 태양광, 풍력, 수력, 해양(조력/파력/조류), 지열, 폐기물, 바이오

-태양전지:셀->모듈->어레이

-연료전지:수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전기에너지 얻음

(-)극:[eqn: H_{ 2} rarrow2H ^{ +}+2e ^{ -}]  (수소이온은 전해질을 통해 이동)

(+)극:[eqn: 2H ^{ +}+2e ^{ -}+ { 1} over { 2}O _{ 2} rarrowH _{ 2}O+열]

에너지 전환효율높지만 수소의 저장과 수송의 어려움

-태양열(날씨 영향)

-풍력(바람 모양이나 날개 모양따라 효율달라짐)

-조력(조수 간만의 차 이용)  VS 조류(바닷물의 조류이용)

(2)힘의 이용

★돌림힘

기본 개념: 힘의 평형과 돌림힘의 평형이 모두 만족되면 돌림힘의 평형이 만족된다.

고등학교 과정에서는 평형 상태만을 다루므로 평형상태에서의 성질(무게중심 등), 평형이 깨지는 상황 등을 다루게 된다.

♥돌림힘의 중요 관점♡

역학에서의 공통사항이긴 한데, 미지수가 늘어나는 풀이는 옳지 않다. 아무생각없이 잡지말고 미지수가 구해진단 판단이 들때에만 미지수를 잡자. 미지수가 늘어나는 상황이라면 대칭성, 변화량 등의 풀이를 적극적으로 이용하라는 의미이다.

문제의 상황이 평형이 계속 유지되는 건지 평형이 깨지는 상황인지를 파악하자.

평형이 유지되는 상황이라면? 힘의 평형을 고려하자!

평형이 깨지는 상황이라면? 평형이 “언제” 꺠질지를 눈치채자!

상황이 변함에 따라 돌림힘이 어떻게 변해갈지를 상상해본다.

①그림이 두 개 등장하거나 상황이 변할 때(즉 상황 2개 이상)-> 변화량 가즈아!!

힘의 평형도 생각해보자.

변하는 것과 변하지 않는 것을 찾자(보존되는 걸 파악할 수 있어야 한다)

적당한 축에 대해 시계방향 돌림힘의 변화량=반시계방향 돌림힘의 변화량

②모르는 미지수가 여려개(3개이상): 미지수를 줄이거나(좋은 축 설정) 무시(대칭, 변화량)

③비율관계가 나오는 경우: 특이점 등으로 기준점 설정후 변화량 풀이

④극단적인 상황: 제한조건(힘의 최대/최소)을 찾자. 무게중심이 아니라면 토크평형식.

⑤계로 보는 경우: 작용반작용이 하나라면 계 아니야!(적어도 2개이상일 때 쓴다)

전체 평형점이 하나일 때 쓴다.

★조심하자: 축바퀴문제에서 반지름 때문에 걸리는 힘이 변한다!!!!이거 캐치하자ㅜㅜ★

☆유체역학

기본 개념:

유체란 흐를 수 있는 물체를 의미한다. 유체는 shear modulus가 0인데 이는 수평방향의 힘에 의한 이동은 없다는 것이다. 보통 액체와 기체가 있고 액체는 비압축성, 기체는 압축성(compressible)이라는 중요한 성질을 가지고 있다. 본래의 유체는 대단히 이상한 특징을 많이 가지고 있기에 그를 이해하기에 앞서 간단한 모델인 이상유체에 대해 다루게 된다. 유체는 점입자들의 집합이므로 모임으로서 갖게 되는 고유의 특징(viscosity)등이 있으나 이를 이상 유체에서는 무시하며 점입자에서의 여러 가지 운동법칙들이 그대로 성립된다는 것을 알 수 있다. 물론 우리는 지금 유체 중에서 액체에 대해 주로 배우는데 그 때문에 비압축성이란 성질이 매우 중요해진다.

유체의 운동을 이해하기 위해서는 먼저 압력의 개념에 대해 잘 알아야 한다.

압력은 단면적과 힘에 의해 다음과 같이 정의된다. [eqn: P= {{vec{F}}} over {{vec{A}}}]

조심할 점은, 압력은 스칼라이지 벡터가 아니라는 점이다. 비압축성 유체를 가정했기 때문에 밀도가 대부분의 경우 일정하므로 적어도 유체에서는 P=pgh가 된다.

따라서 유체 속의 어떤 물체는 물체의 아랫면과 윗면에 작용하는 유체에 의한 압력이 서로 달라 필연적으로 이러한 ‘압력 차에 의한 힘(ΔP*A)’을 받게 되는데, 이를 부력이라고 한다.

즉, 부력의 크기는 잠긴 부분의 부피에 해당하는 만큼의 유체의 무게이며 다시 말하자면 유체 속의 물체는 (부력을 받아) 잠긴 부분의 부피에 해당하는 유체의 무게만큼 가벼워진다.

이러한 압력은 유체가 모든 방향에서 힘을 가하기에 모든 방향에서 가해진다. 이러한 압력의 정의 자체는 fundamental하므로 정지유체라면 항상 성립된다. 그렇지만 물체가 움직일 경우 여러 가지 변수(밀도 등등)가 변하게 되어 다른 방법을 사용하게 된다. 기체라면 이상기체상태방정식을 이용해 적분을 해야하고 유체라면 베르누이의 원리를 적용하게 된다.

그렇기 때문에 1단원에서 점입자에 작용하는 힘과 평형, 운동의 법칙등을 이야기한 것과 마찬가지로 유체역학에서도 유체가 정지해 있을 때와 운동할 때의 상황으로 구분해 다루어보도록 하자.

1)유체가 정지해있을 때

유체가 정지해있을때의 상황은 곧 힘의 평형 상태이며 이는 다음과 같이 표현된다.

파스칼법칙: “밀폐된 용기에 담긴 비압축성유체에 가해진 압력변화는 유체의 모든 부분과 유체를 담은 용기의 벽까지 그 세기가 감소되지 않고 전달된다.”

결국, 이것도 액체에서의 비압축성 때문에 보장되는 것이지 기체면 PV=NRT로 다루어야한다.

이제 다음의 U자 관을 이용하여 이 말의 의미를 탐구해보자.

상황 1. 피스톤 위에 공을 올려놓았을 때

공을 올려 놓았을 때의 상황은 다음과 같은 두 가지 관점으로 해석할 수 있다.

<전체 계로 바라보자>

두 상황에 있어 두 피스톤+유체를 하나로 본다면 결국 mg만큼의 무게가 더 가해진 것이다.

따라서 mg/전체 단면적이 두 면의 압력의 차이가 된다.

<비압축성을 이용>

공을 올려놓으면 공의 무게 때문에 피스톤은 처음에 내려가는데 유체는 비압축성이므로

각각의 단면적을 [eqn: S _{1} ,`S _{2}]라 하면 [eqn: S _{1}h_1= S_2 h_2]가 된다. 결국 이 식을 적절히 변형하게 되면

m=[eqn: S_1 (h_1 +h_2 ) rho]=[eqn: rho(S_1 +S_2 )h_2]가 되어 같은 결론을 얻는다.

상황2. 공을 그냥 물 위에 올려놓았을 때

<계로 보자>

아까와 마찬가지로 전체 계의 관점에서 변화량은 mg이다. 그런데 바닥에 가해지는 압력은 수압이 유일하므로 두 수압은 서로 동일하게 된다(애초에 정지유체이므로 두 수압이 같을 수밖에 없기도 하고 파스칼법칙때문에라도 같아질 수 밖에 없다)

따라서 양측의 높이는 서로 같아지게 되며 공을 올려놓으면 양측의 유체가 모두 올라오게 된다.

<비압축성이용>

물체를 올려놓으면 물체는 V정도의 부피만큼 잠기게 되는데 이때 잠긴부피는 양측에서 늘어난 부피와 같다. 즉 V=[eqn: h(S_1 +S_2 )]이므로 이를 정리해 h를 얻을 수 있다.

상황3. 상황2를 좀더 확장

<게로 보자>

전체 계의 입장에서는 mg의 힘이 추가된 상황이며 이때 바닥이 받는 힘의 변화량은 곧 수압에 의한 히므이 변화량이 되는데 각 경우 바닥이 받는 수압은 모두 동일하다. 따라서

m=[eqn: rho(S_1 +S_2 +S_3 )DELTA h]

<비압축성이용>

공을 올려놓으면 h1이 있는 쪽은 내려가는데 비해 s2,s3는 모두 올라가게 된다(비압축성인데 추로 인한 높이차가 나야하므로) 이때 액체의 부피는 일정하므로 부피에 대한 관계식을 얻게 된다. 압력은 s2, s3에서 동일하므로 h2=h3이다. 따라서 s1h1=(s2+s3)h2

결국 정리하면 m=p(액체)(s1+s2+s3)h를 얻게 된다.

부력 문제도 이와 비슷한 관점에서 접근해볼 수 있다.

하나는, 더블카운팅처럼 두 가지 관점에서 분석하는 것(전체계의 관점과 수압과 수직항력등으로 해석하는 것)이고 다른 하나는 마찬가지로 비압축성을 이용하는 것이다.

물론 정의에 의해 잠긴부분의 부피에 해당하는 유체의 무게나 두 면의 압력변화량으로 구해낼수도 있다.

자 이제 이상유체가 운동하게 되면 정지한 유체와 비교하여 압력은 어떻게 변하게 될까?

유체가 운동할 때에도 마찬가지로 질량 보존의 법칙과 에너지 보존의 법칙이 성립하는데 우리가 주로 다루는(비압축성이라는 성질을 이용하기 위하여) 액체의 경우에는 이를 정리하여 다음과 같이 표현된다.

-연속방정식: Av=constant(밀도가 변한다면 밀도까지 곱한게 mass rate가 된다.

-베르누이의 법칙: P+ [eqn: {1} over {2} rho v ^{2}+ rhogy]=constant

*이때의 y는 적당히 잡은 기준선에 대한 높이이며 이 식이 곧 유체에서의 에너지보존법칙이다. 증명과정은 일과 에너지정리를 쓴다. 일과 에너지정리에 의헤 역학적에너지는 보존되므로 ΔW=Δ(압력차에 의한 E)+Δ(중력에 의한 E)=Δ운동에너지를 얻는다.

만약 이 원리를 묻는다면 같은 유선상의 두 점에 대해 베르누이법칙을 쓰면 된다.

여기에서 우리는 베르누이의 법칙과 정지한 유체에서의 압력을 이용하여 운동하는 유체에서의 압력 또한 구해낼 수 있다. 또한 이를 활용하여 양력, 마그누스 힘, 벤추리관 등을 설명한다. 사실은 마그누스 effect는 점성으로 설명하지만 물1에선 양력으로 설명한다(설명이 좀 아니어서 세부적으로는 깊게 나오진 못할것같다) 베르누이원리는 그냥 부력을 기체에다 적용한거라고 생각하면 편하다.

<정리>

기본원리: 비압축성이용

상황의 분류:정지 VS 운동하는 유체

정지: 파스칼+부력 or U자관. 전체 계로 보거나 변화량, 수압의 정의이용

운동: 베르누이(에너지보존)+ 비압축성

★열역학

온도와 열의 개념

열역학 관련 기본 개념들

열역학 법칙(0,1,2,3)

열기관

열의 이동

기타

온도와 열의 개념

온도란 온도계로 측정하는 물리량을 말하며 이때 온도계란 열에 의하여 물리적 성질들이 바뀌는 물질이다. 온도계로 측정한다는 것은 물체와 온도계 사이의 열평형상태에서 잰 값이므로 우리는 이러한 정의로부터 열평형상태에서만 온도를 정의할 수 있다는 사실을 알 수 있다. 열이란 에너지의 일종으로 뜨거운 물체에서 차가운 물체로 흐르며 분자들의 분포와 관련있는 양이다. 즉, 온도는 물체의 차갑고 뜨거운 정도를 나타내는 양이며 분자들의 평균 운동에너지에 의존하는(비례하는)물리량이다. 물리 1에서는 대충 열은 물체의 온도나 상태를 변화시키는 원인이라고 부른다.

2. 열역학 관련 기본개념들

실제 열역학은 분자 사이의 인력 등 여려가지를 고려해야 해 상당히 복잡하기 때문에 우리는 그에 앞서(물1,2에서)이상기체 상황에 대한 비교적 간단한 모델링만을 다룬다. 그리고 이상기체 중에서도 병진운동만을 하는 매우매우 특별한 단원자기체만을 다룬다. 이 단원자기체는 충돌 전후에 운동에너지가 보존되는 탄성충돌을 하며 이 상황을 더 간단하게 하기 위해 분자를 부피를 무시한 질량을 가진 점입자와 같은 상황을 가정한다. 이상기체가 가지고 있는 역학적에너지를 내부에너지라고 하며 이는 절대온도에 비례한다(E=3/2kT).

이상기체에서는 PV=NRT가 성립하는데 이를 이상기체 상태방정식이라 하며 이상기체가 한일 W=Fs=PAs=PV=[eqn: int _{} ^{} {P dv}]로 정의된다. 이상기체상태방정식을 이용하기 쉬워 PV도상에서 이를 나타낸다. (나타내는게 편한경우가 짱많다!!) 사실은 일반물리에서는 random한 경우의 열역학과정에 대한 분석이 메인이지만 물1에서는 내부에너지공식도 안 나와있기 때문에 그냥 문제를 봤을 때 4가지 열역학과정(단열 압축, 단열팽창, 등압과정, 등적과정) 중 어디에 해당하는지만 찾으면 되고 실제로 문제에서도 그 4가지 상황만을 질문하게 된다.

3. 열역학법칙

①열역학 제 0법칙: 물체 A와 B가 열평형을 이루고 있고 물체 A와 C가 열평형을 이룬다면 물체 B와 C도 열평형을 이룬다. 이때 세 물체의 온도는 같다

②열역학 제 1법칙: 에너지 보존법칙.

[eqn: TRIANGLE U=Q-W]      실험적인 법칙이며 Q와 W와는 다르게 U는 과정에 의존하지 않는다는                      사실이 핵심이다. 벡터처럼 처음과 끝상태에만 의존하는 상태함수!!!

③열역학제2법칙: 엔트로피 증가의 법칙

고립계에서 생기는 비가역반응의 엔트로피는 항상 증가하지만 고립계의 가역반응의 엔트로피는 변하지 않는다. (왜냐면 얘도 상태함수거든!)

문제에서 “단열된 실린더”라는 조건을 주는 이유도 그 때문인데 열역학 제2법칙은 닫힌계와 열린계에선 적용할 수 없고 오로지 고립계(외부와 물질과 열의 이동이 없는 계)에만 해당된다. 따라서 만약 단열된 실린더가 아니라면 실린더 주위의 물체까지를 하나로 보고 열역학과정을 정의해야한다. 때문에 전도에 의한 열의 이동이라거나 압력변화등 추가로 따져야하는 것들이 늘어난다.

그러니까, 피스톤의 질량이 있다거나 외부 기체들이 존재한다거나 같은 상황이라면 고립계를 새로이 정의해야하고 당연히 original한 4가지 경우와 달라지게 될거야. 그러니까 1순위로 고립계가 정의되는지를 먼저 확인해!!!

4. 열기관

원래 열역학은 산업혁명 시기에 열기관을 연구하면서 발전했고 열기관의 효율또한 중요한 이슈이다.

열기관: 열에너지를 일로 바꾸는 장치이며 열역학과정을 거쳐 원래의 상태로 되돌아오는 과정을 통해 작동하면서 공급한 열에너지의 일부를 일로 전환한다.

이때 처음과 끝의 상태가 똑같으므로 가역과정이고 따라서 ΔU=0이다.

열기관의 효율은 [eqn: {열기관이 실제로 한 일의 양} over {내가 투자한 양}]으로 정의되므로 정리하면 [eqn: 1- {Q _{ 2} } over {Q _{1}}]가 된다.

이때 열기관의 최대 효율은(이상기체 상태방정식과 내부에너지에 관한 식을 이용해 식정리하면)[eqn: 1- {T _{ 2} } over {T _{ 1} }]이된다. 이를 증명하는 과정에서 열역학 2법칙을 이용하기 때문에 열역학 2법칙의 다른 말은 “열기관의 효율이 1이 될 수 없다”가 된다.

♥열역학 관련 핵심 포인트

1st. 피스톤의 단열여부, 외부 기체들의 존재여부등을 확인하자 (고립계만들자)

2st. 정석적인 문제인지 정량적인 문제인지 확인하자!!

정성적문제    -> PV도

정량적인 문제 ->① 계로 보기!: WITH 변화량, 대칭성, 상태함수개념

② W=P(외부)*[eqn: DELTA]V

PV=NRT, [eqn: TRIANGLE U=Q-W]

③ Q얘기 없음 단열과정인 것, T와는 무관하니 조심하자

④열기관 과정이랑 닮았음 PV도+상태함수!(Q,W는 경로함수)

⑤ 제일 먼저 어떤 과정인지 파악한다(단열팽창/ 압축, 등압, 등적)

5. 열의 이동

①비열과 열용량

비열: 물질 1kg의 온도를 1K 변화시키는데 필요한 열량

물질의 종류에 따라 다르며 물질 고유의 특성이다. Q=cmΔT

열용량: 물체의 온도를 1K 변화시키는 데 필요한 열량

②열의 이동

전도:물체의 한 부분에서 다른 부분으로 물체를 따라 열이 이동하는 현상

금속에서는 자유전자 때문에 열의 전도가 빠르다

대류: 액체나 기체와 같은 유체들의 분자이동에 의해 열이 전달되는 현상

온도변화에 따라 밀도가 변하는 액체나 기체가 이동하면서 열에너지가 전달된다

공기의 대류가 일어나면서 단열팽창에 의해 온도가 낮아져 수증기가 응결해 구름이 된다

자연대류는 온도에 따라 부피가 변하는 유체가 중력이 작용하는 공간 속에 있을 때 일어난다.

복사:물체에서 전자기파가 방출되어 에너지가 이동하는 현상.

③물질의 상태변화와 잠열

잠열: 물질의 상태가 변할 때 흡수하거나 방출하는 열

기상 현상의 근본적인 에너지원은 태양복사에너지이며 열대지방의 태양복사에너지에 의해 물이 기화되는 과정에서 기화 잠열이 수증기에 저장되며 수증기가 상승하여 응결할 때 방출되는 응결 잠열이 태풍의 에너지원이 된다.

끝!!

★물리 실수 분석, 헷갈리는 부분들 정리★

<전체적인 실수 분석>

그래프가 나온다면 축 두 개의 변수가 무엇을 의미하는지를 보자

조건을 끊어서 읽고(그림이 있으면 대응시키면서) 제시문이 길다면 번호를 매기자.

계산 시 유의점

쉬운 식(속력 식 같은)일 경우 공식 써두고 변수 값 찾기는 비례식으로

이항할 때, 더하기 할 때 조심하자

추상적인 문제의 대소비교는 숫자를 설정하자

이거 미지수 순서 제대로 썼나 확인하자.

베르누이에서 pgh: 10p라면 g와 구분해서 묶어주자

4. 변화되는 상황에서는 변화되는 값이 무엇인지를 살펴라!

5. 단위를 조심하자

6. (가), (나)/ A, B처럼 미지수가 2개이상이라면 묻는 얘에 0치면서 주어, 서술어에 주목하자

특히 미지수의 생김새가 비슷하다면 (ex) F,f) 둘의 이름을 하나는 다르게 해주자

7. 변화량 풀이에선 변하지 않는 걸 찾고 변화량을 관찰하자.

8. 그래프가 필요한 경우(열역학, V-T)에서는 그래프를 적극적으로 활용하자.

9. 미지수를 새로 도입할 때에는 신중하게 하자. 최대한 주어진 것만으로 이용하고 돌림힘과 부력문제 역시 마찬가지. 미지수가 구해진단 판단이 들 때 에만 도입하자.

10. 비역학에서 헷갈리는 용어에 주의하자

핵자 vs 쿼크

발광다이오드 vs 광다이오드(역할에 주목. 전압 연결인가 생성인가)

빛의 흡수와 방출 구분

~에너지 vs ~에너지의 변화량(초기값이 0인지 아닌지!!)

전류의 방향 vs 전자의 이동 방향

전도띠에서 원자가띠로 전이할 땐 띠틈만큼의 E방출, 올라갈 땐 이보다 큰 E흡수

빛의 삼원색은 분해하여주자(청록은 R+G, 노랑은 R+G)

11. 축바퀴 문제에서?

1st.. 반지름 비를 보고 힘의 비율을 먼저 찾아라

2st. 일의 원리를 적용하자. 이동거리, 속력 비는 서로 다르다.

12. 송전문제에서(P일정한 경우) 손실전력을 빼서 P=VI를 쓰자

13. 정전기유도 문제에서 면적이 다른 경우(쪼개는 경우) 정수로 쓰고 일반인 면적 곱하기

14. 위로 이동하는 문제에서 중력이 작용하는건 표시해주자. 까먹을 수 있다.

15. 반비례 관계인거 조심하자. 이것도 그냥 공식을 써두면 안 헷갈릴 수 있다.

16. 내분풀이에서 합칠 두 개의 힘은 반대 방향으로 합친다.

17. 최대운동에너지는 교집합! 딱 하나인 얘만 생각하는 것.