【인민교육판】고등학교 물리 선택적 필수 제2권

📚 콘텐츠 요약

본 과정은 고등학교 물리 선택적 필수 교과서를 기반으로 하며, 전자기학의 심화 지식을 다룹니다. 안페르력, 로렌츠력, 전자기유도, 교류 전류 및 센서 등 핵심 물리 개념과 법칙을 포함합니다.

전자기의 비밀을 깊이 탐구하고, 고등학교 물리의 핵심 법칙을 마스터하세요.

저자: 인민교육출판사 교육과정교재연구소 물리교육과정교재연구개발센터

감사의 말씀: 국가교재위원회 전문위원회 심사 통과 (2019)

🎯 학습 목표

1. 왼손 법칙을 정확히 사용하여 안페르력과 로렌츠력의 방향을 판단할 수 있으며, 음전하가 받는 힘 방향의 특수성을 이해할 수 있다.
2. 로렌츠력의 크기 계산 공식을 숙지하고, 균일한 자기장 내에서 전하 입자가 원운동을 할 때의 반지름과 주기를 독자적으로 도출할 수 있다.
3. 질량분석기, 회전가속기, 속도선택기, 자기유체발전기 등의 작동 원리를 분석하고 설명할 수 있다.
4. 루엔츠 법칙과 파라데이 전자기유도 법칙의 내용을 정확히 서술하고, 오른손 법칙을 활용해 자기장선을 자르는 상황에서 전류 방향을 판단할 수 있다.
5. 다양한 물리 상황에서 유도 전압을 계산하기 위해 공식 E = n \frac{\Delta \Phi}{\Delta t} 와 E = Blv \sin \theta 를 유연하게 적용할 수 있다.
6. 에너지 변환 관점에서 자기유도, 난류전류, 전자기저항 등의 복잡한 전자기 현상을 분석하고 관련 실제 물리 문제를 해결할 수 있다.
7. 선형회로가 회전하면서 교류 전류가 생성되는 과정을 분석하고, 순간값 표현식을 능숙하게 작성하며 피크값과 유효값(RMS) 간의 변환을 수행할 수 있다.
8. 이상변압기의 기본 원리를 숙지하고, 전압과 권선 수의 비례 관계를 활용하여 회로 문제를 해결할 수 있다.
9. 장거리 송전의 전력 손실 메커니즘을 이해하고, 송전선상의 전압 손실과 전력 손실을 계산할 수 있으며, 고압송전의 경제성에 대해 설명할 수 있다.
10. LC 진동 회로에서 전하, 전류, 전기장 에너지, 자기장 에너지의 주기적 변화 과정을 묘사할 수 있다.

🔹 수업 1: 안페르력과 로렌츠력 — 자기장이 물질에 미치는 작용

개요: 본 수업은 자기장이 거시적인 전류가 흐르는 도선(안페르력)과 미시적인 운동하는 전하(로렌츠력)에 미치는 작용 법칙을 탐구한다. 왼손 법칙, 로렌츠력 공식, 그리고 균일한 자기장에서 발생하는 원운동을 통해 학생들은 질량분석기, 회전가속기 등 현대 과학 기기의 기본 물리 원리를 이해하고, 안페르력과 로렌츠력 사이의 미세한 연관성을 인식하게 된다.

학습 성과:

• 왼손 법칙을 정확히 사용하여 안페르력과 로렌츠력의 방향을 판단할 수 있으며, 음전하가 받는 힘 방향의 특수성을 이해할 수 있다.
• 로렌츠력의 크기 계산 공식을 숙지하고, 균일한 자기장 내에서 전하 입자가 원운동을 할 때의 반지름과 주기를 독자적으로 도출할 수 있다.
• 질량분석기, 회전가속기, 속도선택기, 자기유체발전기 등의 작동 원리를 분석하고 설명할 수 있다.

🔹 수업 2: 전자기유도 — 법칙, 본질 및 응용

개요: 본 교육 설계는 전자기유도의 핵심 법칙과 그 응용을 다룬다. 실험적 탐구를 통해 루엔츠 법칙과 파라데이 전자기유도 법칙의 본질을 밝혀내고, 운동 유도 전압과 감응 유도 전압의 미세한 메커니즘을 깊이 있게 해석한다. 또한 자감, 상감, 난류전류, 전자기저항 등의 현상을 통해 전자기유도가 현대 기술에서 에너지 변환과 실용적 응용에 어떻게 활용되는지를 보여준다.

학습 성과:

• 루엔츠 법칙과 파라데이 전자기유도 법칙의 내용을 정확히 서술할 수 있으며, 오른손 법칙을 활용해 자기장선을 자르는 경우의 전류 방향을 판단할 수 있다.
• E = n \frac{\Delta \Phi}{\Delta t} 와 E = Blv \sin \theta 공식을 유연하게 활용하여 다양한 물리적 상황에서 유도 전압을 계산할 수 있다.
• 에너지 변환 관점에서 자감, 난류전류, 전자기저항 등의 복잡한 전자기 현상을 분석하고 관련 실제 물리 문제를 해결할 수 있다.

🔹 수업 3: 교류 전류 — 생성 원리, 변압 및 전력 전달

개요: 본 수업은 교류 전류의 생성부터 최종적인 장거리 송전까지 전 과정을 다룬다. 먼저 균일한 자기장 내에서 직사각형 선권이 회전하는 물리 모델을 통해 사인파형 교류 전류의 생성 원리와 수학적 설명(순간값, 피크값, 유효값)을 이해한다. 이후 전류에 대한 인덕턴스와 커패시턴스의 특별한 저항 작용을 탐구하고, 마지막으로 응용 단계에서 이상변압기의 변압 규칙과 고압송전을 통해 장거리 송전 시의 전력 손실을 줄이는 방법을 배운다.

학습 성과:

• 선권이 회전하면서 교류 전류가 생성되는 과정을 분석하고, 순간값 표현식을 능숙하게 작성하며 피크값과 유효값(RMS) 간의 변환을 수행할 수 있다.
• 이상변압기의 기본 원리를 숙지하고, 전압과 권선 수의 비례 관계를 활용하여 회로 문제를 해결할 수 있다.
• 장거리 송전의 전력 손실 메커니즘을 이해하고, 송전선상의 전압 손실과 전력 손실을 계산할 수 있으며, 고압송전의 경제성을 설명할 수 있다.

🔹 수업 4: 전자기 진동과 전자기파 — 맥스웰 이론과 물질성

개요: 본 수업은 전자기 현상이 거시적 회로에서 공간 전파로의 전환을 이해하도록 돕는다. 먼저 LC 회로가 전자기 진동을 생성하는 과정과 그 에너지 변환 법칙을 탐구하고, 이후 맥스웰 전자기장 이론의 두 가지 핵심 가정을 깊이 있게 해석한다. 궁극적으로 전자기파의 방출·수신 원리, 물질적 특성, 그리고 광범위한 스펙트럼을 밝힌다.

학습 성과:

• LC 진동 회로에서 전하, 전류, 전기장 에너지, 자기장 에너지의 주기적 변화 과정을 묘사할 수 있다.
• 전자기 진동 주기와 주파수 공식을 숙지하고, 관련 정량적 계산을 수행할 수 있다.
• 맥스웰 전자기장 이론의 핵심 내용을 이해하고, 전자기파의 물질성을 설명하며 전자기파 스펙트럼을 식별할 수 있다.

🔹 수업 5: 센서 — 핵심 구성 요소, 응용 원리 및 회로 설계

개요: 본 수업은 센서의 정의, 구성 및 응용 패턴에 대한 심층적인 탐구를 통해, 광민감, 열민감, 자기민감(홀 소자) 등의 핵심 민감 구성 요소의 작동 원리를 학습한다. 전기용량식, 전기유도식 변위 센서 및 전기밥솥 온도 제어 시스템을 분석함으로써, 비전기적 양이 전기적 신호로 어떻게 변환되는지 이해한다. 마지막으로 문/창문 도난 방지 경보 장치와 광조절 스위치의 회로 설계를 통해 실제 문제 해결을 위한 엔지니어링 사고력을 기른다.

학습 성과:

• 센서의 정의, 구성 구조(민감 요소와 변환 요소), 일반적인 응용 패턴을 정확히 설명할 수 있다.
• 광저항, 열저항, 홀 소자, 전기용량/전기유도식 센서가 물리적 양을 전기 신호로 변환하는 물리적 메커니즘을 숙지할 수 있다.
• 전기밥솥 온도 조절 원리를 분석하고, 실험 요구사항에 따라 단순한 자동 제어 회로(예: 도난 방지 경보기, 광조절 스위치)를 설계할 수 있다.