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일반물리학(HALLIDAY) 문제풀이Ⅱ
김희수 교수
단국대학교 대학원 응용물리학과 석사과정
단국대학교 대학원 응용물리학과 박사졸업
단국대학교 대학원 응용물리학과 석사과정
단국대학교 대학원 응용물리학과 박사졸업
단국대학교
현) 유니와이즈 전임교수
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총 23개 챕터, 34강으로 구성되어 있습니다.
| 제목 | 강의시간 | 상세내용 |
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| 21장. Coulomb의 법칙 | ||
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[1강] Coulomb의 법칙
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22
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Coulomb의 법칙 문제풀이
• 쿨롱의 법칙: 다중 전하 시스템의 알짜 정전기력 벡터 합성 및 평형 조건 분석 • 전하 재분배 및 역학적 평형: 도체 접촉 시 전하 보존 원리 적용과 전기력/중력/장력 통합 평형 분석 • 정전기력 문제 해결 전략: 미분법을 활용한 힘의 최대/최소 지점 탐색 및 대칭성 기반 알짜 힘 계산 |
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| 22장. 전기장 | ||
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[2강] 전기장 (1)
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전기장 문제풀이: 점전하 및 연속 전하 분포
• 전기장 기본 개념: 쿨롱 법칙 및 중첩 원리로 점전하와 연속 전하 분포의 알짜 전기장 계산 • 전기장 벡터 분석: 대칭성을 활용한 점전하, 쌍극자, 원호 등 전하 분포의 전기장 벡터 합산 절차 • 전기장 특성 지점: 원형 고리 전기장의 0점, 최대점(미분) 및 상쇄 조건 도출 |
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[3강] 전기장 (2)
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전기장 응용 문제풀이: 선전하, 원형 고리, 점전하
• 선전하 분포 전기장: 반원, 직선 막대의 선전하밀도 기반 공식 유도 및 대칭성을 활용한 벡터 합산 원리 • 원형 고리 전기장 응용: 고리 중심축 상 전기장 공식 활용 및 다중 고리 시스템의 전기장 0 조건 분석 • 전하 분포별 전기장 비교: 선전하-점전하 근사 조건과 전하 부호에 따른 전기장 방향 판단 |
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[4강] 전기장 (3)
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48:
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전기장 문제풀이: 대전된 막대, 원판, 전하 운동 및 쌍극자 분석
• 대전된 물체 전기장 계산: 선전하·면전하 막대 및 원판의 전기장 적분 계산, 대칭성 및 중첩 원리 활용 • 전기장 내 대전 입자 운동 분석: 힘의 평형, 등가속도 및 포물선 운동, 일-에너지 정리 적용 • 전기 쌍극자 모멘트 및 위치 에너지: 균일 전기장 내 쌍극자 모멘트 정의와 위치 에너지 변화 계산 |
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| 23장. Gauss의 법칙 | ||
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[5강] Gauss의 법칙
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일반물리학 문제풀이 (HALLIDAY) - Gauss의 법칙
* Gauss의 법칙: 대칭성을 활용, 다양한 전하 분포의 전기장 및 전기선속 계산 핵심 원리 * 가우스면 설정: 갇힌 전하량($Q_{enc}$) 파악 및 도체/부도체 내부 전기장 0 특성 적용 * 전기장 중첩 원리: 복합 전하 분포(예: 구멍 뚫린 평면) 및 다중 도체 계의 전기장 분석 |
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| 24장. 전기퍼텐셜 | ||
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[6강] 전기퍼텐셜 (1)
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전기 퍼텐셜 문제풀이: 전위차, 대전체 전위 계산
* 전위차 정의 및 계산: 전기장이 한 일($\Delta V = -W/Q_0$)과 전기장 경로 적분($V_B - V_A = -\int_A^B \vec{E} \cdot d\vec{s}$)을 통한 전위 변화 분석. * 연속 전하 분포 전위: 선전하, 면전하(원판, 원호), 구형 도체 등 미소 전하 적분($V=\int k \frac{dq}{r}$) 및 대칭성 적용 계산. * 복합 시스템 전위 계산: 중첩 원리, 등전위선, 가우스 법칙, 적분 테이블 활용을 통한 전하 시스템 전위 결정. |
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[7강] 전기퍼텐셜 (2)
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46:
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전기퍼텐셜 문제풀이
• 전기 퍼텐셜 기본 원리: 전기장($\mathbf{E} = -\nabla V$)과의 관계를 통해 점전하계 구성, 전하 이동에 필요한 일 및 퍼텐셜 에너지 변화를 분석하는 핵심 개념. • 전기력의 보존성 및 도체 특성: 전기력은 보존력이므로 역학적 에너지 보존이 성립하며, 도체 내 전하 분포와 전위 평형을 이용한 시스템 전하 재분배를 이해. • 구형 도체 시스템 분석: 동심 도체 구껍질 등 구형 도체에서 가우스 법칙을 적용, 전기장·퍼텐셜·면전하밀도를 계산하고 공간별 변화 양상을 시각화하여 이해. |
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| 25장. 전기용량 | ||
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[8강] 전기용량 (1)
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전기용량: 다양한 축전기 문제풀이 및 분석
• 전기용량 개념: 평행판 축전기($C = \frac{\epsilon_0 A}{d}$) 및 구형 도체구($C = 4\pi\epsilon_0 r$)의 용량, 전하량, 전위차 계산 원리. • 축전기 회로 분석: 직병렬 연결의 등가용량 계산, 전하 재분배 및 전압 분배 원리 이해. • 축전기 에너지 및 특성: 전지 분리 시 전하 보존, 극판 간격 변화 효과, 에너지 손실 및 외부 일 계산. |
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[9강] 전기용량 (2)
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전기용량 문제풀이 (2): 직렬-병렬, 유전체 축전기
* **축전기 회로 분석**: 직렬-병렬 연결에서 전기용량, 전하량, 퍼텐셜차, 저장 에너지 관계 및 계산 원리. * **유전체 축전기**: 유전 상수를 활용한 전기용량 계산 및 유전 강도를 이용한 파전압(파괴 포텐셜) 결정. * **복합 축전기 배열**: 평행판, 원통형 축전기의 유전체 배열을 직렬-병렬 등가 회로로 변환하여 합성 용량 도출. |
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[10강] 전기용량 (3)
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일반물리학 축전기 문제풀이
• 축전기 특성 분석: 유전체 및 도체판 삽입/제거 시 전기 용량, 전기장, 전하, 에너지 변화 원리. • Q/V 일정 조건: 배터리 연결 상태에 따른 전하량, 전압 일정 조건 활용 에너지 및 외부 일 계산. • 유도 전하 및 등가 용량: 유전체 유도 전하 밀도와 중간 도체판 직렬 축전기의 등가 용량 산출. |
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| 26장. 전류와 저항 | ||
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[11강] 전류와 저항 (1)
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전류와 저항 문제풀이: 도선의 특성 및 전압
* 도선 저항 및 전류 계산: 도선 변형에 따른 저항 변화 원리 및 전류 밀도 함수를 활용한 전류 계산법 학습 * 옴의 법칙 및 저항 온도 의존성: 옴의 법칙을 활용한 전압·전류 계산, 저항 온도 의존성 공식으로 온도 변화 분석 * 전도 전자 유동 속력 및 비균일 저항: 전류 연속성 원리로 유동 속력 계산, 미소 저항 적분 통한 원뿔형 도선 저항 도출 |
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[12강] 전류와 저항 (2)
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45:
11
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전류와 저항 문제풀이
• 전류 및 저항 기본 원리: 옴의 법칙, 비저항 개념을 활용하여 원통형 저항체, 구리 도선, 히터의 전류, 저항, 전기장 계산. • 복합 회로 및 에너지 변환: 번개 낙뢰 시 인체 통과 전류, 직렬 연결 도선의 전위차 및 에너지 소모율, 백열전구의 전력 변화 분석. • 위치 의존 저항체 해석: 미소 저항 적분법을 통해 저항이 변하는 막대의 총 저항 및 특정 전력 달성을 위한 길이 결정. |
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| 27장. 회로이론 | ||
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[13강] 회로이론 (1)
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03
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회로이론 문제풀이 (1) - HALLIDAY
• 키르히호프 법칙: 전압 및 전류 규칙을 활용하여 회로 내 미지 전류, 퍼텐셜 차이를 계산하는 기본 원리 • 전력 계산 및 최대 전력 전달: 저항의 에너지 소모율($P=I^2R$), 전지 일률($P=IV$) 계산 및 최대 전력 공급 조건($R=r$) 유도 • 복잡 회로 분석: 다중 루프 회로 연립방정식 풀이를 통한 전류 방향 및 미지 기전력 극성 해석 |
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[14강] 회로이론 (2)
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일반물리학 회로이론 문제풀이 핵심 요약
• 키르히호프 법칙: 복잡 직류 회로의 전류, 전압 분석 및 접지 회로 퍼텐셜 계산 절차. • 특수 회로 해석: 휘트스톤 브릿지 평형 조건에 따른 미지 저항 유도와 복잡 저항 배열의 등가저항 결정. • RC 회로 특성: 시간 상수 기반 충전/방전 거동, t=0(단락) 및 t=∞(개방) 상태에서의 전류 및 저장 에너지 분석. |
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| 28장. 자기장 | ||
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[15강] 자기장 (1)
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49:
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자기장 문제풀이: 대전 입자의 운동과 자기력
• 로렌츠 힘: 자기장 내 대전 입자의 운동을 로렌츠 힘 공식 $F_B = q(\vec{v} \times \vec{B})$ 및 벡터 외적 계산으로 분석. • 홀 효과: 자기력에 의한 전하 분리와 전기장 형성 원리로, 유도 전압(홀 전압) 및 반도체 캐리어 밀도 측정에 응용. • 대전 입자 궤도 운동: 자기장 내 원운동(주기/속력 무관성) 및 나선 궤도 운동 분석, 전기력-자기력 평형을 통한 직선 운동 조건 이해. |
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[16강] 자기장 (2)
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자기장 문제풀이: 질량분석기, 사이클로트론 및 자기력/돌림힘
* 자기장 내 전하 운동: 질량 분석기 및 사이클로트론에서 이온 궤도, 속력, 진동수, 운동에너지 계산 원리 학습 * 도선 및 전류 고리 자기력/돌림힘: $F = I(L \times B)$와 $\tau = \mu \times B$ 공식 적용 및 벡터 연산을 통한 힘과 돌림힘 분석 * 자기 쌍극자 모멘트($\mu = NIA$): 복합 고리 모멘트, 자기 퍼텐셜 에너지($U = -\mu \cdot B$) 및 경사면 평형 조건 응용 |
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| 29장. 전류가 만드는 자기장 | ||
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[17강] 전류가 만드는 자기장 (1)
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46:
37
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전류가 만드는 자기장 문제 풀이 (1)
* 전류 자기장 기초: 비오-사바르 법칙을 활용한 직선 및 원호 도선의 자기장 크기와 방향 결정 원리 * 자기장 합성 및 특수성: 다중 전류 도선 자기장의 벡터적 중첩과 직선 도선 연장선상 자기장 소멸 현상 이해 * 자기장 내 자기력: 움직이는 전하에 작용하는 자기력($\vec{F} = q(\vec{v} \times \vec{B})$)의 크기 및 방향 산출 방법 |
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[18강] 전류가 만드는 자기장 (2)
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55:
53
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일반물리학 연습문제: 전류가 만드는 자기장 (2)
• 전류가 만드는 자기장: 앙페르 법칙을 활용하여 직선, 원통, 솔레노이드, 토로이드, 원형 고리의 자기장 계산 • 앙페르 법칙 적용: 닫힌 경로 내 포함된 전류($I_{enc}$)의 부호 결정 및 자기장 크기 분석 원리 • 자기력, 자기쌍극자 모멘트, 돌림힘: 전류와 자기장 간 상호작용의 크기 및 벡터 방향 계산과 합성 |
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| 30장. 유도와 유도용량 | ||
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[19강] 유도와 유도용량 (1)
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51:
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일반물리학(HALLIDAY) 문제풀이 88강. 유도와 유도용량 (1)
* 전자기 유도 원리: 페러데이 법칙 기반 자기 다발 변화에 따른 유도 기전력 및 렌츠 법칙을 통한 유도 전류 방향 결정. * 자기 다발 계산: 불균일 자기장, 변화하는 면적 상황에서 적분($\int \vec{B} \cdot d\vec{A}$)을 활용한 자기 다발 계산 절차 확립. * 운동 유도 기전력: 자기장 내 도체 운동으로 $E=BLv$ 기전력, $F_B=ILB$ 자기력 발생 원리 및 종단 속력 분석. |
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[20강] 유도와 유도용량 (2)
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52:
56
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유도와 유도 용량 문제풀이 (2)
* 유도 기전력 및 자기력: 비균일 자기장 내 패러데이 법칙, 렌츠의 법칙 적용으로 유도 기전력, 유도 전기장, 자체 유도 용량 산출. * RL 회로 분석: 스위치 동작 시 과도 응답, 시간 함수 전류, 저항 및 유도기 에너지 변화율 및 보존 법칙을 통한 전력 관계 이해. * 자기장 에너지 및 상호 유도: 솔레노이드 자기장 에너지 밀도, 총 에너지 계산 및 코일 형태에 무관한 상호 유도 용량 유도 및 특성 분석. |
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| 31장. 전자기적 진동과 교류 | ||
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[21강] 전자기적 진동과 교류 (1)
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54:
26
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전자기적 진동과 교류 (1) 문제풀이
• LC 진동회로: 전기-자기 에너지의 주기적 상호 전환 및 보존 원리, 주기·진동수·최대 전하·전류·에너지 계산 • RLC 회로: 임피던스, 위상 상수, 전류 진폭 결정 및 위상자 분석, 주파수별 리액턴스 변화에 따른 회로 영향 • 전자기 진동 분석: 특정 순간 전하·전류 값으로 전체 에너지 및 위상각 결정, 용수철 진동과의 에너지 교환 유사성 이해 |
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[22강] 전자기적 진동과 교류 (2)
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53:
45
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일반물리학(HALLIDAY) 문제풀이: 전자기적 진동과 교류 (2)
• RLC 직렬 회로 분석: 임피던스, RMS 값, 위상차 기반 전류·전압·전력 계산 및 공명 조건 이해. • 전자기 소자 특성: 축전기·유도기 에너지 저장, 저항 전력 소모 원리 및 순간 전력 개념 적용. • 전력 전달 시스템: 변압기 전압·전류 변환 원리, 송전선 전력 손실 메커니즘($P_d \propto V_t^{-2}$) 파악. |
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| 32장. Maxwell방정식, 물질의 자성 | ||
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[23강] Maxwell 방정식, 물질의 자성
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50:
37
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일반물리학(HALLIDAY) 문제풀이: Maxwell 방정식, 물질의 자성
* Maxwell 방정식: 자기장에 대한 Gauss 법칙 및 Ampere-Maxwell 법칙을 활용한 자기 현상 분석 원리 확립 * 변위 전류($I_d$): 전기장 또는 전압의 시간 변화율에 비례하여 유도 자기장을 생성하는 핵심 개념 및 계산 절차 이해 * 유도 자기장($\vec{B}$): 변위 전류에 의한 자기장 계산 시 탐색 경로와 전기장 변화 면적을 고려한 분석 및 RC 회로 적용 능력 함양 |
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| 33장. 전자기파 | ||
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[24강] 빛의 성질
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52:
02
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빛의 성질 문제 풀이: 전자기파, 편광, 굴절, 전반사
* 전자기파의 기본 특성: LC 진동자로 파장 및 진동수를 계산하고, 전기장, 자기장, 세기, 복사압 등의 운동학적, 동역학적 특성 이해. * 빛의 편광: 말루스의 법칙으로 편광판 통과 시 빛의 세기 변화를 분석하고, 다중 편광판을 활용한 편광 방향 제어 원리 학습. * 굴절 및 전반사 현상: 스넬의 법칙을 통해 다층 매질의 굴절각을 예측하고, 임계각 개념을 광섬유 및 물속 광원 등 실제 전반사 응용 사례에 적용. |
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| 34장. 영상 | ||
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[25강] 영상
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46:
41
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일반물리학: 거울 및 렌즈 영상 문제풀이
• 광학 시스템 영상 형성: 구면 거울, 렌즈, 굴절 구면을 이용한 물체-영상 관계 및 상의 특성(실상/허상, 정립/도립) 분석. • 거울 및 렌즈 방정식: 물체/영상 거리, 초점거리, 가로배율 계산 절차와 부호 규칙 적용을 통한 상의 위치/크기/형태 결정. • 렌즈 제작자 및 굴절 구면 공식: 렌즈 초점거리 산정, 곡률반지름 관계 설정, 굴절면을 통한 복합 영상 형성 원리 이해. |
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| 35장. 간섭 | ||
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[26강] 간섭
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0:
43:
56
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간섭 현상 문제풀이: 파동의 위상 및 경로차 분석
• 간섭 현상 기초: 파동 위상차, 경로차, 굴절률 변화를 통한 보강 및 상쇄간섭 조건 정의. • 간섭 실험 분석: Young의 이중슬릿, 얇은 막 간섭, 위상자 방법을 활용한 전자기파 합성 원리. • 응용 및 측정: 고정단/자유단 반사 위상 변화 및 마이켈슨 간섭계를 이용한 굴절률 측정. |
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| 36장. 회절 | ||
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[27강] 회절
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0:
32:
57
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회절, 단일슬릿, 이중슬릿, 레일리 기준, 브래그 법칙 문제풀이
* 회절 현상: 단일 슬릿 극소 조건, 세기 분포, 바비네의 원리를 통한 회절 무늬 및 슬릿 너비 계산 원리 이해. * 분해능 및 간섭: 레일리의 기준 분리각 적용으로 물체 식별 능력 평가, 이중 슬릿 포락선 간섭 무늬 분석. * 결정 구조 분석: 브래그 법칙을 활용한 격자면 간격, 단위세포 크기 산출 및 회절 각도 보정 절차 숙지. |
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| 37장. 상대론 | ||
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[28강] 상대론
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0:
37:
00
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일반물리학 특수 상대론 문제풀이
• 특수 상대론 핵심 원리: 시간 팽창, 길이 수축, 동시성의 상대성을 로렌츠 변환 공식으로 분석. • 상대론적 운동학 및 동역학: 상대론적 운동량, 운동 에너지, 질량-에너지 등가 원리를 통한 고속 입자 현상 계산. • 상대론적 관측 효과: 도플러 효과를 활용한 빛의 파장 변화, 적색 편이 및 상대 속력 측정 원리 적용. |
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| 38장. 광자와 물질파 | ||
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[29강] 광자와 물질파
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0:
58:
02
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일반물리학 문제풀이: 광자와 물질파
• 광자 입자성: 광자 방출률, 광전 효과(일함수, 멈춤 퍼텐셜), 컴프턴 산란(파장 이동) 원리 및 에너지, 파장 계산법. • 물질파 원리: 드브로이 파장(운동량-파장), 슈뢰딩거 방정식(파동함수), 하이젠베르크 불확정성 원리(위치-운동량 불확정도) 개념 및 활용. • 양자 터널링: 퍼텐셜 장벽 투과 확률과 입자 질량의 관계 및 현대 물리학적 응용 이해. |
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| 39장. 물질파와 퍼텐셜우물 | ||
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[30강] 물질파와 퍼텐셜우물
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0:
44:
32
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물질파와 퍼텐셜 우물 문제 풀이
* **물질파와 퍼텐셜 우물:** 1차원 무한·유한 퍼텐셜 우물 내 전자의 에너지($E_n$), 우물 너비, 확률 밀도($\psi^2(x)$) 및 파동 함수 대칭성을 이용한 확률 계산 원리 * **수소 원자 모델:** 전자 에너지 준위($E_n$), 전이 에너지, 방출 광자(에너지·운동량·파장) 계산 및 이온화 에너지, 스펙트럼 계열 분석 * **양자역학 상수 활용:** $hc, mc^2$ 등 물리 상수 적용 및 eV-Joule, nm-m 단위 변환을 통한 문제 해결 역량 강화 |
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| 40장. 원자 | ||
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[31강] 원자
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0:
36:
31
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원자 양자수와 에너지 준위 문제풀이
• 원자 양자수: 주양자수 $n$, 궤도양자수 $l$, 궤도자기양자수 $m_l$, 스핀자기양자수 $m_s$의 개념 및 파울리 배타 원리에 따른 가능한 상태 수 결정 원리. • 양자화된 각운동량 및 자기 모멘트: 궤도 각운동량 $\vec{L}$과 궤도 자기 모멘트 $\vec{\mu}$의 크기 및 $z$축 성분 계산 원리, 양자화된 방향성 분석. • 에너지 준위 및 X선: 무한 퍼텐셜 우물 내 다전자계의 바닥/들뜬 상태 에너지 준위 계산, X선 발생 메커니즘 및 차단/특성 X선 파장 계산. |
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| 41장. 고체의 전기전도 | ||
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[32강] 고체의 전기전도
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0:
33:
11
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고체의 전기전도 문제풀이: 페르미 에너지와 점유 확률
• 페르미-디랙 분포 및 점유 확률: 금속 전도 전자 밀도와 반도체 내 전자 준위의 점유 확률 계산을 통해 고체 전기전도 원리 파악. • 반도체 밴드갭 및 도핑 영향: 밴드갭 에너지에 따른 전자 여기 파장 분석 및 도핑에 의한 페르미 준위 변화로 전기적 특성 조절. • PN 접합 전자-양공 생성: 고에너지 광자 유입 시 전자-양공 쌍 생성 원리 이해 및 광검출기로서의 응용 가능성 분석. |
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| 42장. 핵물리 | ||
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[33강] 핵물리
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0:
53:
43
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핵물리 문제풀이
* 핵반응 에너지 계산: 질량-에너지 등가원리 및 에너지 보존 법칙을 활용하여 최소 접근 거리, 탄성 충돌, 결합 에너지 등 핵자 상호작용 분석 * 방사성 붕괴 분석: 붕괴 상수, 반감기, 활성도를 기반으로 붕괴율, 잔류량, 연대 측정 등 핵종의 시간 경과 변화 정량화 * 방사선 피폭 평가: 흡수선량(Gy), 등가선량(Sv), 방사선 가중치(RBE)를 이용한 방사선 영향 및 생체 피폭량 계산 |
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| 43장. 핵에너지 | ||
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[34강] 핵에너지
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45:
07
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핵에너지 문제풀이
• 핵반응 Q값 계산: 질량 결손 원리를 통해 핵분열 및 핵융합 반응의 방출 에너지 산출 • 핵분열 과정 분석: 우라늄 붕괴율, 핵반응식 완성, 중성자 감속을 통한 원자로 연료 소모량 분석 • 핵융합 발전 계산: 양성자 최소 분리 거리 조건과 중수소 핵융합 반응 Q값으로 발전 출력 산출 |
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김희수 교수님
일반물리학(HALLIDAY) 문제풀이Ⅱ
