조셉 윤(윤 에듀케이션 대표)

SAT 과목별 시험에서 마지막으로 물리를 살펴보면 SAT II 물리 시험은 학교의 물리수업을 약간 응용한 수준이고 AP 물리(Physics) B는 일반적인 물리의 문제를 광범위하게 다루는 시험이며 AP Physics C는 역학이나 전자가학 등 보다 깊이 있는 공부를 필요로 하는 시험이다.

그런데 이 SAT이든 AP이던 물리시험의 약 3분의1은 수학에 기본 이론을 두고 있다. 달리 말해 3분의1이 수학 문제라는 뜻이다. SAT II 물리 시험은 과학과목의 중심과목이라 할 수 있다. 또한 물리는 수학과 과학의 중간역할을 하기도 한다.
그렇다면 물리는 무엇인가? 한마디로 정의하면 ‘물질과 에너지를 다루는 과학’이다. 물리는 아르키메데스를 위시한 수많은 과학자가 기원전부터 물리적인 현상의 규명과 발전을 위해 부단히 노력해 왔으며 그것을 수식으로 총집대성하고 정리한 사람이 만유인력의 법칙을 발견한 아이작 뉴튼이다.

물리 시험의 거의 모든 문제는 이 만유인력의 법칙으로 움직인다. 만유인력의 법칙을 쉽게 풀이하면 어떤 물질의 힘은 그 물질의 질량의 곱에 가속도의 값으로 표시할 수 있다는 것으로 이미 물리 공부의 3분의2가 여기서 끝이다. 이외 질량불변의 법칙, 운동량 불변의 법칙, 그리고 에너지 불변의 법칙까지 더해진다. 이러한 불변의 법칙을 쉽게 풀이하면 물질의 반응 전의 상태와 후의 상태가 같다는 사실이다.
물리 시험 문제를 쉽게 푸는 방법은 System을 간단하게 놓는 방법이 가장 좋다. 공식이나 계산이 복잡하고 어려우면 시간이 많이 걸리고 틀릴 수가 있다. 이 세 가지 불변의 법칙은 수없이 많은 실험을 통해 입증됐다.

뉴튼도 처음에는 수학을 했고 이 수학을 기본으로 물리적인 현상을 도입해 만유인력의 법칙인 모든 물질이 서로 끌어당기는 작용을 한다는 인류역사의 획기적인 발견을 하기에 이른다.

수많은 학생들이 물리가 어렵다고 한다. 그런데 이 힘의 관계를 잘 정의하면 쉽게 문제를 풀 수 있고 특히 가속도, 속도, 더 나아가서는 거리의 개념까지 있다면 더욱 쉬워진다. 가속도는 항성마다 다르다. 지구는 9.8, 달은 지구의 5분의1 등이다. 이 말은 어떤 사람이 지구에서 20Kg의 물건을 들 수 있다면 달에서는 100Kg의 물건을 들 수 있다는 이론이다. 가속도를 적분하면 속도가 되고 또 속도를 적분하면 거리가 된다. 즉 질량에 가속도를 곱하면 힘이 되고 또한 질량에 속도를 곱하면 운동량이 되고 따라서 이것을 기본으로 모든 물리의 문제가 풀린다.

주로 11학년부터 물리 학습이 시작되는데 그렇다면 왜 이 어렵다고 하는 물리를 해야 하는지 의문을 제시할 수 있다. 물리를 하는 이유는 한마디로 에너지를 얻기 위함이다. 우리가 살아가는데 에너지는 필수 불가결의 조건이다. 에너지가 없이는 우리 인류가 단 하루도 존재할 수 없다. 심지어는 우리가 먹는 음식물, 사먹는 인스턴트식품에는 칼로리가 표시돼 있고 섭취하면 에너지로 전환된다. 우리가 승강기를 타지 않고 걸어서 층계를 오른다면 에너지, 즉, 칼로리가 몸에 쌓이지 않아서 에너지 균형이 생긴다. 이러한 모든 현상은 바로 화학, 생물, 그리고 의학까지 연결될 수 있는 개념들이다.

그럼 물리의 범위는 어느 정도일까? 생각보다는 아주 범위가 좁다. 전 분야의 물리 공식은 약 120개 정도에 국한돼 있고 크게 두 가지로 나눌 수가 있다. 우선 첫 번째는 Mechanics 즉 역학이고 두 번째는 Electro-Magnetics 즉 전자기학을 꼽을 수 있다. 궁극적으로 이 두 가지의 목표는 에너지를 얻기 위함이다.

첫 번째 역학의 문제는 물질의 거리, 속도, 가속도의 문제다. 속도, 가속도에 질량을 곱하여 힘을 얻고 이 힘에 거리를 곱해 에너지를 얻고 이 에너지를 시간으로 나눠 동력을 얻는다. 어떤 물질이 원주상에서 속도, 가속도를 갖고 운동할 때의 현상, 떨림 현상이 있을 때 삼각함수로 표시하는 문제도 주로 역학에서 다뤄진다. 두 번째에서 다뤄지는 전자기학은 첫 번째에 비해 직접 우리가 눈으로 볼 수 없어서 어렵게 느껴지지만 문제를 푸는 방법이 첫 번째와 똑같이 에너지를 구하는 과정이기 때문에 조금도 염려할 필요가 없다.

여기에서는 기본적으로 모든 물질은 Charge 즉, 자성을 띤다는 사실인데 여기서 부터가 전자기학의 시작이고 이 자성의 흐름이 시간에 따라서 이뤄지는 것이 전류이고 여기서 저항의 개념을 도입하면 Voltage, 두 가지의 개념에 시간당 이뤄지는 현상이 Watt 즉 동력이다. 여기에서 자기의 개념이 추가되는데 자기는 전기와는 90도 다르게 작용한다는 것이다.

풀이과정은 두 가지 큰 범위가 거의 똑같다. 추가적으로 열역학과 핵에너지는 화학과도 겹치는 부분인데 쉽게 풀이하면 이는 열이 에너지로 변이되는 과정이다. 수학문제를 풀다보면 갑자기 튀어나오는 문제가 많은데 물리에서 나온 문제가 상당히 많아서 물리적 현상을 잘 파악하면 잘 풀 수 있고 오래 기억할 수도 있다. 또한 역으로 물리를 잘하려면 기본적으로 베타, 삼각함수, 단위의 계산을 잘할 수 있어야 한다. 좌변과 우변의 답을 맞히는데 있어서 단위의 체크도 크게 도움이 된다. 기본적으로 좌, 우변이 단위가 같아야 된다는 이야기다. 문제를 풀다가도 이 풀이 과정이 틀렸는지 맞았는지 모를 때가 있는데 이때 단위를 점검하면 크게 도움이 된다. ▲문의: 646-379-3991