Microsoft PowerPoint - 1학기 01주.ppt [호환 모드]

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주봉 뇌
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1 1 장. 물리학과측정 (Physics and Measurement) 1.1 길이, 질량그리고시간의표준 1.2 차원분석 1.3 단위의환산 1.4 어림과크기의정도계산 1.5 유효숫자 1

2 - Science = "To Know" in Latin - 물리학 ( 物理學, PHYSICS) : 자연의현상을관찰, 탐지하여정리 물질 (or 입자들 ) 간의상호작용 ( 력, 에너지 ) 를연구 법칙과이론 - 물리량 : 물리적인개념을수와관련시켜놓은양 - 현상 : 관측 ( 觀測, Observation) 수동적 "Interaction" 법칙 : 반복적으로일어나는양상 자연현상의상호관계 - 상상, 정의와가설 : 관측된사실을설명하기위한창조 능동적 - 이론 (Theory) 모형 (Model) ㆍ이론 : 현상을보다기초적인자연의과정과상호관계로설명 cf) 모든이론은불확실한시도 cf) Model : 간단하다, 연구대상과구조적유사성을갖는다. Theory : Model 보다폭이넓고자세하다. cf) 원리 ( 原理 ) : 자연의원리 서술적정치의원리 규정적

3 물리학은실험적인관측과정량적인측정에기초 물리학에서는자연현상을지배하는기본법칙을이용하여미래의실험결과들을예측하는이론을개발, 수학이라는언어 제한된조건또는제한없이성립되는이론이있음 - Newton 운동법칙 - Einstein 의 ( 특수 ) 상대성이론 고전물리학은고전역학 (Newton 역학 ), 열역학, 광학, 전자기학등에서 1900 년이전에밝혀진이론, 개념, 법칙, 실험을포함 현대물리학은 19 세기말에시작 : 고전물리학으로설명할수없는현상들 - 상대성이론 - 양자역학 * 물리법칙은물리량들의수학적관계로표현 3

4 Quarks Six varieties up, down, charmed, strange, top, bottom Fractional electric charges +⅔ of a proton up, charmed, top -⅓ of a proton 4 down, strange, bottom

Physcis ( 현대물리학 ) : - 20C 초원자현상의발견 cf) 1895 년 Roentgen : X-ray 발견 1896 년 Becquerel : Nuclear Raido Activity 1905 년

5 Classical and Modern Physcis o Classical Physcis ( 고전물리학 ) : - Galileo Galilei (1564 ~ 1642) : " 그래도지구는둥글다 " - Isaac Newton (1642 ~ 1727) : 1 학기 - 19C 후반 : 빛의전자기이론 : 2 학기 년대까지의뉴튼역학, 열역학, 전자기이론등 - 일상생활에서물리적환경에대처하기위한기초개념 o Modern Physcis ( 현대물리학 ) : - 20C 초원자현상의발견 cf) 1895 년 Roentgen : X-ray 발견 1896 년 Becquerel : Nuclear Raido Activity 1905 년 Albert Einstein : Special Relativity, 빛의광전효과 (PhotoElectric Effect) 양자 (Quanta, Quantum) 역학시작 - 4 가지기본힘 : 강력, 약력, 전자기력, 중력

6 역학 ( 力學, Mechanics) o 정역학 (Statics) o 동역학 : - Kinematics : 물체가어떻게 (how) 운동하는지를기술 - Dynamics : 물체가왜 (why) 관측되는모양으로운동하는지를설명 Aristoteles.vs. Galileo o 아리스토텔레스 (Aristoteles, B.C. 384 í 322) - 수평면상에서물체를한번밀면점차느려지다가정지한다. - 즉, 물체의가장자연스러운상태는정지상태이며영원히움직일수는없다. - 돌과깃털을동시에떨어뜨리면돌이먼저떨어진다. ( 깃털의원리 ) cf) Aristoteles 의논리는자연의원리를서술한과학적이론이라기보다는규정적인 ( 정치적 ) 원리에가깝다. - 이러한 Aristoteles 의원리와중세기독교의종교적원리로인하여과학의암흑기

7 o Galileo Galilei (1564 í 1642) : " 그래도지구는둥글다 " 낙체운동 : 거리 (d) 시간 2 (t 2 ) 마찰력의발견 - 현대과학의아버지 : model 화, 수학화, 실험에대한예측 ( 이론화 ) 년대초저항을받지않는이상적인운동을연구 - 수평면상에서마찰을없앤다면그물체는한없이운동을계속한다. Newton 의제 1 법칙 - 돌과펼친종이를떨어뜨릴경우에는돌이먼저떨어지지만 돌과뭉친종이를떨어뜨릴경우에는둘다같이떨어진다. 같은 " 가속도 " 를가진다. cf) 우주비행사 David Scott 는달에서망치와매의깃털을동시에떨어뜨려표면에동시에도달함을실험 cf) 떨어뜨린돌이말뚝을박는다 ' 힘 ' 의개념 한편높은곳에서떨어뜨린돌이말뚝을더깊이박는다 'Energy' 의개념

8 1.1 길이, 질량그리고시간의표준 (Standards of Length, Mass, and Time) S.I. Units (Systeme Internationale 국제단위계 ) - International System of Units - M.K.S. 단위계 : Meter, Kilogram, Second - 기본단위 (7 or 6 개의기본단위를사용 ) 국제단위 (SI 단위 ) : 미터단위계로표시되는단위시간 : 초 (s) 거리 : 미터 (m) 질량 : 킬로그램 (kg) 전류 : 암페어 (A) 광도 : 칸델라 (cd) 온도 : 켈빈 (K) 물질의양 : 몰 (mole) 표준단위의정의 1) 길이 (Length) m, cm [L] ( 차원. Dimension) - 북극에서적도까지의자오선길이의 1000 만분의 1 - 진공중에서빛이 1/299,792,458 초동안이동한거리를 1 미터로정의

9 2) 질량 (Mass) kg, g [M] -4 C 물 1l 의질량 - 프랑스국제도량형국에보관되어있는백금 - 이리듐합금의특별한봉의질량으로정의 3) 시간 (Time) sec [T] - 1 초 = 1m 길이의진자의반주기 ( 한끝에서다른끝까지의이동시간 ) - 세슘 (Cs) 원자의에너지준위가가장낮은두상태사이의마이크로파에의한흡수방출진동이 9,192,631,770 번일어나는시간을 1 초로정의

10 kg 국제표준원기 년섭씨 0 도의물 1cm 3 의질량을 1g 으로정의 년섭씨 4 도의물로바꿈 - 표준원기는프랑스파리근처의세브르 (Sèvres) 에있는국제도량형국에보관중, 백금 (Pt, 89.9%) + 이리듐 (Ir, 10.09%) 합금, 직경과높이약 39 mm 의원기둥모양 (1878 년제조 ) - 국제도량형국, 국제도량형위원회, 국제문서보관소책임자들이각각의열쇠를동시에꽂아야열수있는특수금고에보관, 1878 년제조된후지금까지 3 회금고밖으로 - 한국에는국제고유번호 72 번인복제품 ( 한국표준과학연구원 ), 국제도량형국에보내져정기적으로점검 - 최근, 이원기의무게가 50 마이크로그램줄어든것으로밝혀져새로운 kg 정의가필요, 2011 년 10 월 21 일제 24 차국제도량형총회에서 kg 에대한정의를바꾸기로결정 1. 독일, 일본, 이탈리아, 호주등 아보가드로수 ( ⅹ10 23 mol -1 ) 2. 미국, 프랑스, 스위스, 캐나다등 플랑크상수 ( ⅹ10-34 J s) 10

12 세슘원자시계

13 o 규모로보는우주 우주대규모구조 (10 25 m) 초은하단 (10 24 m) (10 억광년 ) (1 억광년 ) 은하단 (10 23 m) 은하 (10 21 m) 수많은별들 (10 18 m) (1000 만광년 ) (10 만광년 ) (100 광년 ) 태양계 (10 13 m) 지구와달 (10 9 m) 지구 (10 7 m) (8 광시 ) (1 광초 ) 한국 (10 6 m) 서울한강다리 (10 3 m) 개 (10 0 m) 꽃가루 (10-4 m) 박테리아 (10-5 m) 바이러스 (10-7 m) DNA 분자 (10-9 m) 원자 (10-10 m) 원자핵 (10-14 m) 양성자 (10-15 m) 쿼크 (10-18 m) 초끈길이 (10-35 m) ( 플랑크길이 ) * 우주알의크기 : m? ( 플랑크길이 )

16 o 10 의지수 : 크기접두사

17 1.2 차원분석 (Dimensional Analysis) Length [L] Mass [M] Time [T] 차원 : 어떤양의물리적성질을나타냄대수적인양으로취급할수있다. 물리적인양은같은차원일때만더하거나뺄수있다. 방정식에서양변의양은같은차원을가져야한다. 17

18 밀도 (Density) o 밀도 (Density) : ρ = 단위부피당질량 - 질량밀도 부피 m V m V dm dv - 단위 : (SI : kg /m 3, CGS : g/cm 3 (=10-3 kg /m 3 )) -1g = 물 1cm 3 (=1cc) 의질량 cf) 기체의밀도는액체나고체의약 1/1000 기체내에서의분자사이의거리는액체나고체내에서의거리보다약 10 배 ex) 밀도측정의응용 : - 축전지의충전상태 : 전해질인황산 (H2SO4) 의농도측정만으로충전상태확인 - 부동액 : 에틸렌글리콜의농도측정만으로부동액의어는점확인 cf) 오스뮴 (Os) : m(os) = 190u 이나, 금속상태에서는지구상에서가장밀도가크다

20 빛의속도 c 중력상수 G 프랑크상수 ħ f = -GmM/r 2 에서 G의차원계산 E = ħω, 여기서 ω 는각도 / 시간즉시간 -1 차원임

21 1.2 차원분석 (Dimensional Analysis) Length [L] Mass [M] Time [T] 차원해석 (Dimensional analysis) 에의해손쉽게이해할수있는좋은예 공기속에서매우빠른속도로움직이는물체에작용하는저항력은공기 의밀도 ρ, 물체의단면적 A, 속도 v 에의해결정된다고할경우, 저항력의식을구해보시오. 답 : 저항력은 ρav 2 의모양이어야한다고주장할수있다. 정확한답은 ½ DρAv 2 이지만, 위식만으로도매우훌륭한답이다. 여기서 D 는끌림계수로서차원이없는양이다.[6.4 절참조 ] 21

1.3 단위의환산 (Conversion of Units) 2.54cm 15.0in (15.0in)( ) 38. 1cm 1in ( 참고 ) 1 yard=36 inch = 3 ft = 0.

22 1.3 단위의환산 (Conversion of Units) 2.54cm 15.0in (15.0in)( ) 38. 1cm 1in ( 참고 ) 1 yard=36 inch = 3 ft = m 년영국왕의코끝에서부터쭉뻗은팔의손가락끝까지길이 1 feet =30.48 cm - 프랑스루이 14 세의발길이 1 mile = km 1 m = in = ft 1 in = 2.54 cm 1 pound (lb) = 16 ounce (oz) = g 22

23 1.3 단위의환산 CGS 단위계 vs MKS 단위계 m = 100 cm, kg = 1000 g, sec 많은물리학자들이여전히사용하고있음속도 : m/sec = 100cm/sec 힘 : Newton = 10 5 dyne f = ma = mx거리 /sec x100배에너지 : Joule = 10 7 erg E = 힘x거리 밀도 : kg/m 3 = 10-3 g/cm 3 비중은 1 g/cm 3 에대한비를말함 참고 : 1.2 절에언급한 Planck Unit 이가장 Fundamental Unit 임을유념하자!!! 23

24 1.4 어림과크기의정도계산 (Estimates and Order-of-Magnitude Calculations) 크기의정도를구하는방법 1. 1 과 10 사이의수에 10 의멱 ( 거듭제곱지수 ) 을곱한과학적표기법으로수를나타낸다. 예 ) 720 m = 7.2ⅹ10 2 m, m = 2.1ⅹ10-3 m 2. 곱하는수가 3.162(10 의제곱근 ) 보다작으면, 수의크기의정도는과학적표기법에서 10 의거듭제곱이된다. 만일곱하는수가 보다크면, 수의크기의정도는과학적표기법에서나타낸 10 의거듭제곱보다하나더크게된다. 10 x 에서 x 를반올림하여정수로나타내는표기법을말함. 예 ) m 10-2 m m 10-3 m 420m 10 3 m 24

25 1.4 어림과크기의정도계산 (Estimates and Order-of-Magnitude Calculations) 지구에있는모든물의양은지구무게의몇배나될까? 지구에있는공기의양을물의양과비교하면몇배나될까? 숙제 : 프랑크밀도 (Planck density) 를구해보시오. 25

26 한자리어림셈계산법 : 맨앞숫자끼리한자리계산을하고, 지수는따로계산하여, 합하면답이된다. => 주먹구구식 자연과학연구의출발점. 파인만씨농담도정말잘하시네요! 읽어볼것. 26

27 1.5 유효숫자 (Significant Figures) 측정값은실험적오차범위내에서만의미를갖는값이다. 측정에서유효숫자 (significant figures) 의개수는불확실한정도를표현하는데사용된다. 여러가지양을곱할때결과값의유효숫자수는곱하는양중가장작은유효숫자수와같다. 나눗셈의경우도마찬가지다. 숫자를더하거나뺄때, 결과값에서의소수점이하자릿수는계산과정에포함된숫자중소수점이하자릿수가가장작은것과같아야한다. 예 : X 3.46 = =

29 백만장자는 11 억 5 천 214 만원을가진부자를말한다 => No, No!! 10 억원을가진부자 화씨 1 천도에서 를섭씨로환산하면 섭씨 도에서 => No, No!! 섭씨 500 도에서 세계음악콩쿨에서한국인이작년 5 명우승했다면, 한국사람으로써 세계음악콩쿨에서우승할확률은 % 이다. => No, No!! % 또는 10-5 %, 또는 10-7 의확률 우리는일상생활에서대개유효숫자한자리를가지고산다. 예컨데, 3 살, 7 살, 20 대, 40 대, 80 대, 영하 7 도, 등록금 5 백만원, 남산 300m(265.2)

슬라이드 1

슬라이드 1 1. 서론 수리학의정의 수리학 (hydraulics) 또는수리공학 (hydraulic engineering) 은유체 (liquid) 특히물의역학을다루는분야로물의기본성질및물과물체간에작용하는힘뿐만아니라물과관련된구조물이나시스템의계획및설계를연구하는응용과학의한분야이다. 1 장강의내용 - 유체의정의 - 물의상태변화 - 차원및단위 - 점성 - 밀도, 단위중량및비중 - 표면장력및모세관현상