청소년을 위한 교양 물리학: 운동량

루미너리북스 교육출판 에디팅 팀 지음

루미너리북스 2025년 06월 12일 출간

작품소개

책소개

운동량은 물체의 질량과 속도를 곱한 물리량으로, 뉴턴이 발견한 운동법칙의 핵심을 이룬다. 이 책은 17세기 과학혁명 시대 데카르트와 뉴턴이 정립한 운동량 개념부터 시작하여, 야구공과 탁구공의 운동량 차이, 권투 펀치의 위력, 자동차 에어백의 생명 구조 원리까지 일상 속 운동량 현상들을 탐구한다. 충격량의 개념을 통해 짧은 시간 동안 작용하는 큰 힘의 효과를 분석하고, 달걀을 깨뜨리지 않고 받는 방법이나 테니스 라켓으로 공을 치는 순간의 물리학적 원리를 명확하게 설명한다. 뉴턴의 프린키피아에서 제시된 운동량 개념이 현대 물리학의 토대가 되기까지의 역사적 발전 과정을 추적하며, 독자들에게 운동량의 벡터적 성질과 측정 방법을 구체적으로 제시한다.

운동량 보존법칙은 우주에서 가장 기본적인 물리 법칙 중 하나로, 고립계에서 운동량의 총합이 항상 일정하게 유지된다. 당구공들의 직선 충돌에서부터 뉴턴의 요람 실험기구, 총알이 나무토막에 박히는 현상, 기차 연결 과정까지 다양한 충돌 상황에서 이 법칙이 어떻게 적용되는지 보여준다. 자동차 교통사고 수사에서 활용되는 이차원 충돌 분석, 소행성들의 우주 충돌과 궤도 변화 예측, 로켓 발사에서 연료 분사와 추진력의 관계까지 운동량 보존의 실제 응용 사례들을 제시한다. 각운동량의 등장과 함께 피겨 스케이터의 회전 속도 조절, 지구의 자전과 공전, 자전거 바퀴의 자이로스코프 효과 등을 통해 회전 운동에서의 운동량 보존을 탐구하며, 관성모멘트와 회전 에너지의 개념까지 확장하여 설명한다.

20세기 들어 아인슈타인의 특수상대성이론은 운동량 개념에 혁명적 변화를 가져왔다. 빛의 속도에 가까운 물체의 운동량 계산 방법, 입자가속기에서 관찰되는 상대론적 효과들, GPS 위성에서 실제로 적용되는 상대론적 보정까지 현대 기술에서 상대론적 운동량의 중요성을 보여준다. 질량이 없는 광자가 가지는 운동량의 신비로운 성질을 통해 태양광 압력으로 추진되는 태양돛 우주선의 원리와 혜성 꼬리 형성 메커니즘을 설명한다. 드브로이의 물질파 개념에서 하이젠베르크의 불확정성 원리까지, 양자역학에서 운동량이 어떻게 재정의되는지 탐구하며, 전자현미경에서 활용되는 전자의 파동성과 원자 궤도에서 전자의 양자화된 각운동량까지 현대 물리학의 핵심 개념들을 다룬다.

운동량의 응용 범위는 유체역학에서 전자기학, 천체역학에서 나노기술까지 무한히 확장된다. 강물의 흐름에서 나타나는 운동량 전달 현상, 제트기 엔진에서 공기 흐름의 운동량 변화 활용, 태풍과 허리케인에서 공기의 거대한 각운동량까지 유체 속 운동량을 탐구한다. 맥스웰이 발견한 전자기장의 운동량 밀도, 안테나에서 전파 방사 시 생기는 반작용, 자기부상열차의 전자기 운동량 원리까지 전자기학적 응용을 다룬다. 러더포드의 알파 입자 산란 실험에서 컴프턴 산란까지 입자물리학의 발전사를 추적하고, 태양계 행성들의 궤도 운동, 조석 현상에서의 지구-달 각운동량 교환, 은하 회전의 거대한 구조까지 천체역학적 관점을 제시한다. 입자가속기에서의 고에너지 충돌 실험, 레이저 유도 핵융합, 나노기술에서의 분자 수준 운동량 제어, 미래 우주여행을 위한 추진 시스템까지 운동량 개념의 현재와 미래를 조망한다.

목차

1. 운동량이란 무엇인가
2. 뉴턴의 운동법칙과 운동량
3. 충격량과 운동량의 변화
4. 운동량 보존법칙의 발견
5. 일차원 충돌과 운동량
6. 이차원 충돌의 신비
7. 폭발과 운동량 보존
8. 로켓의 추진 원리
9. 변하는 질량과 운동량
10. 중심계와 실험실계
11. 각운동량의 등장
12. 각운동량 보존법칙
13. 관성모멘트의 세계
14. 회전 에너지와 운동량
15. 강체의 회전 운동
16. 중심력과 각운동량
17. 상대론적 운동량
18. 광자와 운동량
19. 파동과 운동량
20. 양자역학에서의 운동량
21. 유체에서의 운동량
22. 전자기장과 운동량
23. 산란과 운동량 전달
24. 천체역학과 운동량
25. 운동량의 현대적 응용

작가정보

저자(글) 루미너리북스 교육출판 에디팅 팀

루미너리북스 교육 출판 에디팅 팀은 전문 교육 콘텐츠 기획자와 편집자들로 구성되어, 학생들의 눈높이에 맞춘 양질의 교육 도서를 제작하는 데 전념하고 있다. 각 분야별 전문가들과의 긴밀한 협업을 통해 정확하고 이해하기 쉬운 교육 콘텐츠를 개발하며, 특히 고등학생을 위한 대학 과목 선행학습 시리즈와 같은 혁신적인 교육 도서를 기획하고 있다.