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일반물리학(SERWAY)Ⅱ
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 12개 챕터, 37강으로 구성되어 있습니다.
| 제목 | 강의시간 | 상세내용 |
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| 19장. 전기력과 전기장 | ||
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[1강] 전기력과 전기장 (1)
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53:
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전기력과 전기장 기본 개념 및 쿨롱의 법칙
• 전하 개념: 양(+)·음(-) 두 종류의 전기적 성질 정의, 대전·총전하량 보존 원리 및 도체·절연체·유도전하·분극 현상 이해 • 쿨롱의 법칙: 두 대전 입자 간 전기력의 크기를 전하량과 거리에 따라 정량화하고, 정전기 상수 $k_e$와 벡터 합을 이용한 힘의 계산 • 전기장 개념: 전하 주변에 전기력이 작용하는 공간을 정의하고, 전기력 전달 매개체로서의 특성 파악 |
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[2강] 전기력과 전기장 (2)
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43:
27
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전기장 정의, 점전하 및 연속 전하분포 전기장 계산
• 전기장 개념: 시험전하에 작용하는 힘으로 정의되는 공간적 벡터장이며, 중첩 원리로 합산. • 점전하 전기장: 쿨롱 법칙 기반으로 계산하며, 여러 점전하의 경우 벡터 합산으로 총 전기장 도출. • 연속 전하분포 전기장: 전하밀도(선, 면, 부피)를 이용한 미소전하 설정과 벡터 적분으로 특정 대전체의 전기장 분석. |
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[3강] 전기력과 전기장 (3)
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전기력과 전기장 (3): 전기선속과 가우스의 법칙
* **전기력선 및 대전입자 운동**: 전기장의 방향과 세기를 시각화하고, 균일 전기장 내 대전입자의 등가속도 운동 원리 분석. * **전기선속 개념**: 면을 통과하는 전기장의 흐름을 정량화하며, 전기장 벡터와 면적 벡터의 내적을 통해 계산. * **가우스의 법칙과 활용**: 폐곡면 내부 전하와 알짜 전기선속의 관계를 통해 대칭적 전하 분포의 전기장을 효율적으로 계산. |
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[4강] 전기력과 전기장 (4)
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45:
42
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전기력과 전기장: 가우스 법칙 및 도체 특성
* 가우스 법칙: 대칭 전하 분포의 전기장 계산 원리로, 부도체 구, 무한 도선, 평면의 전기장 유도 및 분석. * 정전기적 평형 도체: 내부 전기장 0, 과잉 전하의 표면 분포, 표면 전기장의 수직성 및 뾰족한 곳 전하 집중 특성 정의. * 전기력 및 전기장 기초: 쿨롱 법칙, 전기장 정의, 중첩 원리, 부피·표면·선 전하 밀도 등 핵심 전기학 개념 요약. |
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| 20장. 전위와 전기용량 | ||
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[5강] 전위와 전기용량 (1)
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47:
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전위와 전기용량 (1)
• 전위는 전하의 전기적 위치에너지를 전하량으로 나눈 스칼라량이며, 무한대 기준 점전하 전위 $V=kq/r$로 정의. • 복수 점전하 계의 전위는 각 전하 전위의 대수적 합이며, 계의 위치에너지는 각 전하 쌍 상호작용 에너지 합산으로 계산. • 전기장은 전위의 공간적 변화율을 나타내는 벡터량이며, 원자/핵물리 에너지 단위로 전자볼트(eV)를 활용. |
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[6강] 전위와 전기용량 (2)
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03:
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전위와 전기용량 (2) - 균일 전기장, 등전위면, 전위로부터 전기장 계산, 연속 전하분포
• 균일 전기장 내 전위차: 전하의 위치에너지 변화와 역학적 에너지 보존 원리 이해 • 등전위면: 전위가 동일한 지점들의 집합이자, 전기력선에 항상 수직인 특성 분석 • 전위로부터 전기장 계산: 미분 관계를 활용한 전기장 도출 및 연속 전하분포의 전위 적분 방법 학습 |
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[7강] 전위와 전기용량 (3)
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대전 도체 전위 및 다양한 축전기 전기용량 계산
* 대전 도체 전위: 전하 분포, 표면 및 내부 동일 전위, 내부 전기장 0 특성 분석. * 축전기 및 전기용량: 전기 에너지 저장 소자 정의, 단위 전압당 전하량인 전기용량 $C=Q/\Delta V$의 개념과 계산 원리. * 축전기 용량 계산: 가우스 법칙과 전위차 적분을 통해 평행판, 원통형, 구형 축전기의 전기용량 공식을 유도하고 관련 요소를 파악. |
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[8강] 전위와 전기용량 (4)
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09:
09
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축전기 연결, 에너지 저장, 유전체 효과
• 축전기 연결 방식: 병렬 시 등가용량 단순 합산, 직렬 시 역수의 합 역산으로 등가 전기용량 산출 원리. • 축전기 에너지 저장: $U = \frac{1}{2} C (\Delta V)^2$로 저장량 정의, 전기장에 저장되는 에너지밀도 $u = \frac{1}{2} \epsilon_0 E^2$ 공식 이해. • 유전체 효과: 유전체 삽입 시 전기용량 $\kappa$배 증가, 유도 전기장 형성으로 내부 전기장 약화 및 최대 작동 전압 향상 원리. |
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| 21장. 전류와 직류회로 | ||
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[9강] 전류와 직류회로 (1)
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01:
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전류, 저항, 전기전도모형의 핵심 이해
• 전류 개념: 전하의 흐름 정의, 유동속력 및 전류밀도 계산과 물질 내 전하 이동 특성 분석 • 저항 및 옴의 법칙: 전류 흐름 방해 특성, 비저항·전도도 정의와 온도 의존성, 옴성/비옴성 물질 구분 • 초전도체 및 전기전도모형: 임계 온도 이하 저항 0 특성과 드루이드 모형을 통한 비저항의 전기장 독립성 설명 |
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[10강] 전류와 직류회로 (2)
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전류와 직류회로: 에너지, 전력, 기전력, 저항 연결
* **전력 개념:** 전하의 에너지 변환률로 $P=I\Delta V=I^2R=\frac{(\Delta V)^2}{R}$ 공식과 kWh 단위 사용. * **기전력($\mathcal{E}$):** 단위 전하당 공급 에너지 개념과 내부 저항($r$) 고려한 단자 전압($\Delta V=\mathcal{E}-Ir$) 특성 이해. * **저항기 연결:** 직렬 연결은 전류 일정, 등가 저항 합산($R_{eq}=\sum R_i$); 병렬 연결은 전압 일정, 등가 저항 역수 합($\frac{1}{R_{eq}}=\sum \frac{1}{R_i}$) 계산. |
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[11강] 전류와 직류회로 (3)
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04:
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전류와 직류회로 (3) - 키르히호프 법칙과 RC 회로
* 키르히호프 법칙: 전하 보존의 분기점 법칙과 에너지 보존의 고리 법칙으로 복잡한 직류 회로를 해석. * RC 회로 충전/방전: 저항-축전기 직렬 회로에서 미분방정식을 통해 지수 함수적 전하·전류 변화를 분석. * 시간 상수 ($\tau=RC$): RC 회로의 고유 특성으로, 충전 및 방전 속도를 결정하는 핵심 요소. |
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| 22장. 자기력과 자기장 | ||
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[12강] 자기력과 자기장 (1)
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07:
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자기력과 자기장 (1) - 개념 및 대전입자 운동 응용
• 자기장과 자기력: 운동 전하 생성 자기장 및 $q\vec{v} \times \vec{B}$로 정의되는 자기력의 방향과 크기 결정. • 자기장 내 대전입자 운동: 자기장에 수직 시 원운동, 비스듬히 입사 시 나선 운동 궤적 및 물리량 분석. • 대전입자 운동 응용: 속도 선택기, 질량 분석기, 사이클로트론, 싱크로트론의 입자 가속 및 분석 원리. |
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[13강] 자기력과 자기장 (2)
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전류 도체 자기력, 전류 고리 토크 및 자기쌍극자 모멘트
* 전류 도체 자기력: 자기장 내 전류 도체에 작용하는 자기력 $\vec{F_B} = I\vec{L} \times \vec{B}$ 개념 및 계산 원리. * 전류 고리 토크: 균일 자기장 내 전류 고리가 받는 토크 $\vec{\tau} = N I \vec{A} \times \vec{B}$ 발생 메커니즘 분석. * 자기쌍극자 모멘트: 전류 고리의 자기쌍극자 모멘트 $\vec{\mu} = N I \vec{A}$ 정의와 자기장 내 위치 에너지 $U = -\vec{\mu} \cdot \vec{B}$ 관계. |
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[14강] 자기력과 자기장 (3)
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33:
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비오-사바르 법칙과 전류가 만드는 자기장
• 비오-사바르 법칙: 전류 요소가 만드는 미소 자기장의 크기 및 방향을 정의하며, 오른손 법칙으로 방향을 결정하는 기본 원리. • 도선별 자기장 계산: 무한 직선 도선, 원형 도선 중심 및 축상 자기장을 비오-사바르 법칙 적분과 대칭성 활용으로 계산하는 방법. • 자기장 분석 원리: 전류에 의한 자기장 방향을 오른손 법칙으로 파악하고, 벡터 합 및 대칭성을 적용하여 복합적인 자기장을 분석. |
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[15강] 자기력과 자기장 (4)
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08:
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자기력과 자기장 (4): 평행도선, 앙페르 법칙, 솔레노이드 및 토로이드 자기장
* 평행도선 자기력: 전류 흐름에 따른 도선 간 힘의 작용 원리 및 1 A 전류 정의 이해. * 앙페르 법칙: 대칭 전류 분포에서 자기장 계산을 위한 핵심 도구 및 적용 절차 분석. * 다양한 자기장 구조: 무한도선, 솔레노이드, 토로이드 내부/외부 자기장 특성과 수식적 표현 학습. |
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| 23장. 패러데이의 법칙, 유도계수 및 교류회로 | ||
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[16강] 패러데이의 법칙, 유도계수 및 교류회로 (1)
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05:
17
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패러데이의 법칙, 운동 기전력 및 교류 발전기
• 패러데이 유도법칙: 자기선속 변화를 통한 유도기전력 및 유도전류 발생 원리 정립 • 운동 기전력: 자기장 내 도체 운동으로 전하가 분리되어 기전력 발생, 역학적 에너지의 전기 에너지 전환 과정 • 교류 발전기: 회전 코일의 자기선속 변화를 이용해 교류 기전력 생성 및 전기 에너지 생산 |
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[17강] 패러데이의 법칙, 유도계수 및 교류회로 (2)
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일반물리학: 패러데이 법칙, 유도계수 및 교류회로(2)
• 패러데이 법칙: 변하는 자기 선속이 유도 기전력을 생성하는 원리 및 렌츠의 법칙을 통한 유도 전류 방향 결정. • 유도 전기장: 변하는 자기장이 유도하는 전기장으로, 전위 개념 부재 및 솔레노이드 내외부 크기 의존성 분석. • 유도계수: 코일의 자기 선속-전류 비례 상수 정의 및 전류 변화율에 비례하는 자체유도기전력 발생 원리. |
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[18강] 패러데이의 법칙, 유도계수 및 교류회로 (3)
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24
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RL회로와 자기장 에너지, 교류 전원 개론
• RL 회로 전류: 유도기 영향으로 지수함수적 변화(증가/감소) 및 시간상수($L/R$) 특성 규정. • 유도기 자기장 에너지: 에너지 저장($\frac{1}{2}LI^2$)과 에너지밀도($\frac{1}{2\mu_0}B^2$) 정의 및 전기장 에너지와 유사성 이해. • 교류 전원 특성: 전압의 사인 함수적 주기 변동, 전압 진폭 및 각주파수로 기본 개념 이해. |
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[19강] 패러데이의 법칙, 유도계수 및 교류회로 (4)
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01:
13
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RLC 회로와 리액턴스
* AC 회로 소자 위상 관계: 저항, 인덕터, 축전기별 전압-전류 위상차 및 특성 분석. * 리액턴스 개념: 유도 및 용량 리액턴스의 정의, 주파수 의존성, 전류 흐름 방해 역할 규명. * rms 값 활용: 교류 전력 소모 환산을 위한 실효값 정의 및 최대값과의 관계 이해. |
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[20강] 패러데이의 법칙, 유도계수 및 교류회로 (5)
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1:
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06
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직렬 RLC회로의 임피던스, 전력 및 공명
• 직렬 RLC회로 임피던스: 저항, 유도 및 용량 리액턴스의 벡터 합으로 교류회로의 합성 저항 역할 수행 • 교류 전력인자 및 평균 전력: 실효값과 위상각을 활용, 전력 효율 및 저항에서의 에너지 소모 원리 분석 • RLC 공명 현상: 유도 및 용량 리액턴스가 같아져 임피던스 최소화, 최대 전류 발생 및 공명 진동수 결정 |
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| 24장. 전자기파 | ||
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[21강] 전자기파 (1)
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46:
21
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전자기파 및 맥스웰 방정식, 헤르츠의 발견
• 맥스웰 변위전류: 전기다발 변화가 자기장을 유도하는 개념으로, 앙페르 법칙을 일반화하여 전자기 상호작용 설명 • 맥스웰 방정식: 전기에 대한 가우스, 자기에 대한 가우스, 패러데이, 앙페르-맥스웰 법칙으로 고전 전자기학 원리 통합 • 헤르츠 전자기파 발견: LC 회로 실험을 통해 전자기파 존재를 증명하고, 빛의 속력과 일치함을 입증 |
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[22강] 전자기파 (2)
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1:
05:
35
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전자기파의 기술, 에너지, 운동량 및 복사압
* 전자기파 개념: 맥스웰 방정식 기반, 전기장과 자기장의 상호 유도 및 진공 중 빛의 속도로 전파되는 파동 원리 이해. * 전자기파 에너지: 포인팅 벡터로 에너지 수송률($\vec{S}$) 정의, 파동 세기($I$)와 에너지 밀도($u$) 계산 및 관계 분석. * 전자기파 운동량/복사압: 흡수 에너지에 따른 선운동량 전달, 물체에 가하는 복사압 발생 원리 및 흡수·반사에 따른 계산. |
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[23강] 전자기파 (3)
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0:
35:
40
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전자기파 스펙트럼 및 빛의 편광
• 맥스웰 방정식: 전기장과 자기장 상호 유도로 전자기파가 발생·전파되는 원리를 기술하고, 그 스펙트럼과 속력을 정의 • 빛의 편광: 전기장 진동 방향이 특정하게 제한되는 현상으로, 편광판 구현 원리와 말뤼스 법칙으로 세기 변화 설명 • 전자기파 에너지 및 운동량: 포인팅 벡터, 파동 세기, 에너지 밀도, 복사압으로 에너지 전달과 운동량 특성을 정량화 |
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| 25장. 빛의 반사와 굴절 | ||
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[24강] 빛의 반사와 굴절 (1)
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53:
29
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빛의 반사와 굴절 개념 완성
• 빛의 이중성과 기하광학 모형: 파동·입자적 특성 및 광선 기반 빛 현상 분석 원리 학습 • 빛의 반사·굴절 법칙: 반사 법칙과 스넬의 법칙($n_1\sin\theta_1 = n_2\sin\theta_2$)으로 빛의 경로 변화 및 굴절률 관계 설명 • 매질 굴절률과 브루스터 각: 빛의 속력·파장 변화(진동수 불변)와 반사에 의한 완전 편광 조건 이해 |
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[25강] 빛의 반사와 굴절 (2)
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0:
42:
52
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빛의 반사와 굴절 (2): 분산, 호이겐스의 원리, Snell 법칙, 내부 전반사
* 빛의 분산: 파장에 따른 매질 내 속력 차이로 백색광이 스펙트럼으로 분리되는 굴절 현상. * 호이겐스의 원리: 파동의 전파를 2차 구면파의 접선으로 설명하며, 빛의 반사 및 굴절 현상을 파동 이론으로 증명하는 근간. * Snell의 법칙 및 내부 전반사: 매질 경계면에서의 빛 굴절($n_1\sin\theta_1 = n_2\sin\theta_2$) 관계와, 굴절률 높은 매질에서 낮은 매질로 진행 시 임계각 초과에 따른 전반사 원리. |
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| 26장. 거울과 렌즈에 의한 상의 형성 | ||
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[26강] 거울과 렌즈에 의한 상의 형성 (1)
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51:
03
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거울에 의한 상의 형성 (1): 실상, 허상 및 거울방정식
• 실상과 허상 개념: 실제 광선 및 연장선 경로에 따른 상의 종류 분류와 평면거울의 허상 형성 원리. • 구면거울의 상 형성: 초점거리, 곡률반지름 개념 및 광선 작도법으로 물체 위치에 따른 실상/허상, 정립/도립, 확대/축소 상 분석. • 거울방정식($1/p + 1/q = 1/f$): 물체/상 거리, 초점거리 관계 및 부호 규약을 이용한 상의 위치, 크기, 종류 정량적 분석. |
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[27강] 거울과 렌즈에 의한 상의 형성 (2)
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1:
08:
12
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거울과 렌즈에 의한 상의 형성 (2)
• 굴절에 의한 상 형성: 스넬 법칙 및 근축광선 근사를 기반으로 구면 경계면, 얇은 렌즈의 상거리, 물체거리, 배율 관계식 및 부호 규칙 설명 • 렌즈제작자 공식: 렌즈 굴절률, 곡률 반지름으로 초점거리 결정 원리를 정의하고, 수렴/발산 렌즈 특성 및 작도법 분석 • 얇은 렌즈 영상 분석: 물체 위치별 상의 형성(실/허상, 정립/도립, 크기) 및 다중 렌즈 시스템의 최종 상 계산 절차 요약 |
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| 27장. 파동광학 | ||
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[28강] 파동광학 (1)
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0:
47:
21
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파동광학: Young의 이중슬릿 실험과 간섭 무늬 세기
• 파동의 회절/간섭: 파동이 좁은 틈을 지날 때 퍼지는 회절 현상과 겹쳐져 밝고 어두운 무늬를 형성하는 간섭 원리. • Young의 이중슬릿 실험: 빛의 경로차에 따른 위상차 기반 보강/상쇄 간섭 조건 및 무늬 위치, 간격 결정. • 간섭 무늬 세기 분포: 위상차($\phi$)와 전기장($E_P$)을 활용한 빛의 세기($I$) 수학적 유도 및 해석. |
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[29강] 파동광학 (2)
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1:
06:
01
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파동광학 (2) - 박막간섭, 회절, 분해능, 회절격자
• 박막간섭: 반사 시 위상 변화 및 광학적 경로차를 고려한 보강/상쇄 간섭 조건 분석 • 회절 현상 및 분해능: 빛의 휘어짐으로 발생하는 단일슬릿 무늬 폭 변화와 Rayleigh 기준의 점광원 분해 한계 정의 • 회절격자: 다수 슬릿의 빛 회절을 이용한 밝은 극대 조건으로 파장 결정 및 분광기 응용 |
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| 28장. 양자물리학 | ||
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[30강] 양자물리학 (1)
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0:
57:
16
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양자물리학 (1): 흑체복사와 광전효과
• 흑체복사: 고전 물리학의 자외선 파탄 문제와 플랑크의 에너지 양자화 및 복사 법칙. • 광전효과: 빛의 입자성(광자) 기반 아인슈타인 광전 효과 방정식, 일함수, 차단 파장 개념. • 양자물리학 기초: 흑체복사 및 광전효과로 정립된 에너지 양자화와 광자 개념. |
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[31강] 양자물리학 (2)
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1:
03:
55
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콤프턴 효과, 물질파, 불확정성 원리
* **콤프턴 효과**: 광자의 운동량과 물질과의 상호작용으로 인한 X선 파장 변화를 설명하는 양자 현상. * **물질파 및 양자입자 모형**: 드 브로이 가설에 따른 입자의 파동성(물질파)과 데이비슨-거머 실험 증명, 파동 묶음의 군속력을 통한 입자 속력 설명. * **하이젠베르크 불확정성 원리**: 입자의 위치-운동량, 에너지-시간 등 물리량 동시 측정의 근본적 한계를 제시하는 양자 역학의 핵심 원리. |
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[32강] 양자물리학 (3)
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0:
42:
11
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상자 내 입자와 슈뢰딩거 방정식 (1)
* 확률 밀도 함수 및 파동 함수: 물질파의 확률적 특성을 정의하며 공간적 존재 확률을 나타냄. * 무한 우물 입자 모델: 경계 조건에 의한 파동 함수와 에너지 준위의 양자화 및 정상파 유도. * 양자화 에너지 및 영점 에너지: 고전 역학과 다른 이산적 에너지 준위와 바닥 상태 에너지의 물리적 의미. |
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[33강] 양자물리학 (4)
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0:
36:
12
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양자물리학: 슈뢰딩거 방정식, 무한/유한 우물, 장벽 터널링
* 슈뢰딩거 방정식: 물질파를 기술하여 입자의 확률밀도 및 에너지 준위 결정 원리 학습. * 양자 우물 입자: 무한/유한 우물 내 입자의 에너지 양자화 및 파동함수 특성 비교 분석. * 장벽 터널링: 입자가 퍼텐셜 장벽을 통과하는 양자역학 현상 이해 및 주사 터널링 현미경(STM) 원리 적용. |
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| 29장. 원자물리학 | ||
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[34강] 원자물리학 (1)
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1:
01:
54
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수소원자 모형과 양자역학적 해석 및 양자수
• Bohr 원자 모형: 궤도각운동량 양자화($L=n\hbar$) 기반 에너지 준위($E_n$) 산출 및 보어 반지름($a_0$)을 통한 수소 선스펙트럼 구조 분석 • 양자수와 파동함수: 슈뢰딩거 방정식에서 도출된 주양자수($n$)·궤도양자수($\ell$)·자기궤도양자수($m_\ell$) 정의 및 원자 내 전자 상태의 축퇴 구조 기술 • 확률밀도 및 선택 규칙: 지름 확률밀도($P(r)$)를 이용한 전자 공간 분포 분석 및 제만 효과와 양자 전이 선택 규칙($\Delta \ell, \Delta m_\ell$) 정립 |
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[35강] 원자물리학 (2)
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1:
05:
24
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원자물리학 2: 양자수, 배타원리, 스펙트럼
• 양자수: 주양자수, 궤도, 자기 궤도, 스핀 자기 양자수가 전자의 에너지, 각운동량, 공간적 배향 및 스핀 상태를 결정. • 파울리 배타원리: 네 양자수 세트의 고유성 명시로 원자 내 전자 배치 및 주기율표 구조를 형성. • 수소 스펙트럼과 X선: 전자 에너지 준위 전이에 따른 광자 방출(스펙트럼 계열), 제동 복사 및 내각 전자 전이로 X선 발생 원리 이해. |
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| 30장. 핵물리학 | ||
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[36강] 핵물리학 (1)
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0:
49:
44
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핵물리학 핵의 성질, 결합에너지, 방사능, 반감기
• 핵의 구성과 에너지: 양성자·중성자로 이루어진 핵의 질량수·동위원소 정의 및 질량 결손으로 발생하는 결합에너지 개념. • 핵력 및 안정성: 쿨롱 척력에 대항하는 핵력의 작용 원리와 핵 안정성 기준(Z>83) 제시. • 방사성 붕괴 과정: 불안정 핵의 자발적 붕괴 현상 및 붕괴 상수, 붕괴율, 반감기 공식과 계산 방법. |
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[37강] 핵물리학 (2)
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핵물리학 (2) - 방사능 붕괴와 핵반응
• 방사능 붕괴: 불안정한 핵이 알파, 베타, 감마 입자를 방출하며 핵종 변화 및 에너지 안정화를 이루는 원리 • 탄소 연대 측정법: 탄소-14 반감기를 활용하여 유기체의 사망 시점을 추정하는 원리와 붕괴식 적용 • 핵 반응: 핵분열(연쇄 반응, 원자로) 및 핵융합(경핵 결합, 태양 에너지)의 에너지 발생 메커니즘과 응용 |
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김희수 교수님
일반물리학(SERWAY)Ⅱ
