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IGCSE Physics · ⁨IGCSE 물리학⁩

Tips · ⁨팁⁩

IGCSE Physics (0625) has six topics: motion, forces and energy; thermal physics; waves; electricity and magnetism; nuclear physics; space physics.

Check your tier first. Papers exist for six components, and which you sit depends on whether you are entered for Core or Extended. Extended-only content is a large part of the syllabus and is wasted revision if you are on Core.

The commonest lost marks are the cheapest to fix: missing units, the wrong number of significant figures, and answers that give a number without the formula that produced it. Definitions are marked against exact wording — learn them as written, not as remembered.

  • 1

    Motion, forces and energy · ⁨운동, 힘 및 에너지⁩

    Watch lesson · ⁨수업 보기⁩
    1.1

    Measurement 测量

    Syllabus
    English
    Core Supplement
    1 Describe the use of rulers and measuring cylinders to find a length or a volume
    2 Describe how to measure a variety of time intervals using clocks and digital timers
    3 Determine an average value for a small distance and for a short interval of time by measuring multiples (including the period of oscillation of a pendulum)
    4 Understand that a scalar quantity has magnitude (size) only and that a vector quantity has magnitude and direction
    5 Know that the following quantities are scalars: distance, speed, time, mass, energy and temperature
    6 Know that the following quantities are vectors: force, weight, velocity, acceleration, momentum, electric field strength and gravitational field strength
    7 Determine, by calculation or graphically, the resultant of two vectors at right angles, limited to forces or velocities only
    한국어
    핵심 보충
    1 자와 계량통을 사용하여 길이나 부피를 구하는 방법을 설명하기
    2 시계와 디지털 타이머를 사용하여 다양한 시간 간격을 측정하는 방법을 설명하기
    3 여러 번 측정(진자의 진동 주기 포함)하여 짧은 거리 및 짧은 시간 간격에 대한 평균 값을 구하기
    4 스칼라 양은 크기(크기)만 가지고 있고 벡터 양은 크기와 방향을 가진다는 것을 이해한다.
    5 다음 양들이 스칼라임을 안다: 거리, 속도, 시간, 질량, 에너지 및 온도.
    6 다음 물리량이 벡터임을 알 것: 힘, 무게, 속도, 가속도, 운동량, 전기장 세기, 중력장 세기
    7 계산이나 그래프를 통해 직각을 이루는 두 벡터의 합성 벡터를 결정하며, 힘 또는 속도에 국한한다.

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    Resolving a vector into components

    Length and volume

    Use a ruler 直尺 to measure length. Read the scale with your eye straight in front of the mark to avoid a reading error.

    Lowering an irregular solid into a measuring cylinder; the rise in water level is its volume
    The water an irregular solid pushes up gives its volume
    Reading a measuring cylinder at the bottom of the meniscus, eye level with the mark
    Read a measuring cylinder at the bottom of the meniscus, with your eye level

    Use a measuring cylinder 量筒 to measure the volume of a liquid. Read the scale at the bottom of the curved surface (the meniscus 弯月面), with your eye level with it.

    Measuring time

    Use a stopwatch 秒表 or a digital timer 数字计时器 to measure a time interval. A clock is fine for long times (minutes or hours). A stopwatch is started and stopped by hand, so each reading has a reaction time 反应时间 error of about 0.2 s. To make this error matter less, time a long interval, or time many repeats and divide (see below).

    Measuring small amounts

    A single small length or a short time is hard to measure well. The trick is to measure many and divide 测多个再相除:

    • To find the thickness of one page, measure 100 pages and divide by 100.
    • To find the time for one swing of a pendulum 摆, measure the time for 20 swings and divide by 20. One full swing is called the period 周期.

    This makes the uncertainty 不确定度 (the size of the error) much smaller.

    Scalars and vectors

    A scalar quantity 标量 has size (magnitude 大小) only. A vector quantity 矢量 has size and direction.

    • Scalars: distance, speed, time, mass 质量, energy 能量, temperature 温度.
    • Vectors: force 力, weight 重力, velocity 速度, acceleration 加速度, momentum 动量, electric field strength 电场强度, gravitational field strength 重力场强度.

    To add two vectors at right angles (90°), draw them as two sides of a rectangle. The resultant 合矢量 is the diagonal. Find its size with Pythagoras and its direction with trigonometry.

    $$R = \sqrt{a^2 + b^2}$$
    Two perpendicular vectors drawn as the sides of a rectangle, with the resultant as the diagonal
    Two vectors at right angles add to a resultant $R$, the diagonal of the rectangle
    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Scalars & vectors · ⁨스칼라 & 벡터⁩

    resultant = a + b · ⁨합력 = a + b⁩

    Add two vectors tip-to-tail to find the resultant. · ⁨두 벡터를 끝-끝(tip-to-tail)으로 이어하여 합성 벡터를 구하세요.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    ruler/ˈruːlə/ 통치자, 군주
    measuring cylinder/ˈmeʒərɪŋ ˈsɪlɪndə/ 계량 실린더(measuring cylinder)
    meniscus/ˈmenɪskəs/ 弯月面
    stopwatch/ˈstɒpwɒtʃ/ 스톱워치
    digital timer/ˈdɪdʒɪtl ˈtaɪmə/ 디지털 타이머
    reaction time/rɪˈækʃn taɪm/ 반응 시간
    measure many and divide/ˈmeʒə ˈmeni ænd dɪˈvaɪd/ banyak & divide(了许多 나누기) 기법
    pendulum/ˈpendjʊləm/ 진자
    period/ˈpɪərɪəd/ 주기
    uncertainty/ʌnˈsɜːtənti/ 불확실성
    scalar quantity/ˈskeɪlə ˈkwɒntɪti/ 스칼라량
    magnitude/ˈmæɡnɪtjuːd/ 크기
    vector quantity/ˈvektə ˈkwɒntɪti/ 벡터량
    mass/mæs/ 질량
    energy/ˈenədʒi/ 에너지
    temperature/ˈtemprɪtʃə/ 온도
    force/fɔːs/ 힘
    weight/weɪt/ 무게
    velocity/vəˈlɒsɪti/ 속도
    acceleration/əkˌseləˈreɪʃn/ 가속도
    momentum/məʊˈmentəm/ 운동량
    electric field strength/ɪˈlektrɪk fiːld streŋθ/ 전기장 강도
    gravitational field strength/ˌɡrævɪˈteɪʃənl fiːld streŋθ/ 중력장 세기(gravitational field strength)
    resultant/rɪˈzʌltənt/ 합성
    1.2

    Motion 运动

    Syllabus
    English
    Core Supplement
    1 Define speed as distance travelled per unit time; recall and use the equation
    $$v = \frac{s}{t}$$
    2 Define velocity as speed in a given direction
    3 Recall and use the equation
    $$\text{average speed} = \frac{\text{total distance travelled}}{\text{total time taken}}$$
    9 Define acceleration as change in velocity per unit time; recall and use the equation
    $$a = \frac{\Delta v}{\Delta t}$$
    4 Sketch, plot and interpret distance–time and speed–time graphs
    5 Determine, qualitatively, from given data or the shape of a distance–time graph or speed–time graph when an object is: (a) at rest (b) moving with constant speed (c) accelerating (d) decelerating 10 Determine from given data or the shape of a speed–time graph when an object is moving with: (a) constant acceleration (b) changing acceleration
    6 Calculate speed from the gradient of a straight-line section of a distance–time graph 11 Calculate acceleration from the gradient of a speed–time graph
    7 Calculate the area under a speed–time graph to determine the distance travelled for motion with constant speed or constant acceleration
    12 Know that a deceleration is a negative acceleration and use this in calculations
    8 State that the acceleration of free fall $g$ for an object near to the surface of the Earth is approximately constant and is approximately $9.8\text{ m/s}^2$ 13 Describe the motion of objects falling in a uniform gravitational field with and without air/ liquid resistance, including reference to terminal velocity
    한국어
    핵심 보충
    1 속력을 단위 시간당 이동 거리로 정의하고, 식
    $$v = \frac{s}{t}$$
    을 기억하여 사용할 것
    2 속도를 특정 방향의 속력으로 정의
    3 식
    $$\text{average speed} = \frac{\text{total distance travelled}}{\text{total time taken}}$$
    을 기억하고 사용할 것
    9 가속도를 단위 시간당 속도 변화량으로 정의하고, 식
    $$a = \frac{\Delta v}{\Delta t}$$
    을 기억하여 사용할 것
    4 거리-시간 그래프와 속력-시간 그래프를 그리거나 그려서 해석할 것
    5 주어진 데이터나 거리-시간 그래프, 속력-시간 그래프의 형태를 바탕으로 물체가 다음 상태일 때를 질적으로 판단할 것: (a) 정지 상태 (b) 일정 속력으로 이동 중 (c) 가속 중 (d) 감속 중 10 주어진 데이터나 속력-시간 그래프의 형태를 바탕으로 물체가 다음 상태로 이동할 때를 판단할 것: (a) 일정 가속도 (b) 변하는 가속도
    6 거리-시간 그래프의 직선 부분의 기울기에서 속력을 계산 11 속력-시간 그래프의 기울기에서 가속도를 계산
    7 속력-시간 그래프 하단 면적을 계산하여 일정 속력 또는 일정 가속도로 이동했을 때 이동 거리를 구
    12 감속은 음수 가속도임을 알고, 이를 계산에 사용할 것
    8 지상 근처에서의 자유 낙하 가속도 $g$이 대략 일정하며 그 값은 약 $9.8\text{ m/s}^2$임을 알 것 13 공기/액체 저항 유무에 관계없이 균일 중력장 내에서 낙하하는 물체의 운동을 한계 속도에 대한 언급과 함께 서술

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    Speed and velocity

    Speed 速率 is the distance travelled per unit time.

    $$v = \frac{s}{t}$$

    Velocity is speed in a stated direction. So velocity is a vector but speed is a scalar.

    $$\text{average speed} = \frac{\text{total distance}}{\text{total time}}$$

    Acceleration

    Acceleration is the change in velocity per unit time.

    $$a = \frac{\Delta v}{\Delta t}$$

    Here $\Delta v$ means "the change in velocity". A deceleration 减速 (slowing down) is a negative acceleration.

    Worked example. A car speeds up from $8\ \text{m/s}$ to $20\ \text{m/s}$ in $4.0\ \text{s}$. Find its acceleration.

    $$a = \frac{\Delta v}{\Delta t} = \frac{20 - 8}{4.0} = 3.0\ \text{m/s}^2$$

    Motion graphs

    A distance–time graph 距离-时间图 shows how far an object has gone:

    • A flat (horizontal) line means the object is at rest 静止.
    • A straight slope means constant speed. The gradient 斜率 (steepness) is the speed.
    • A curve that gets steeper means the object is speeding up.
    Three distance–time lines: a flat line, a straight slope, and a curve that gets steeper
    The shape of a distance–time line: flat is at rest, a straight slope is constant speed, a rising curve is speeding up

    A speed–time graph 速度-时间图 shows how fast an object is going:

    • A flat line means constant speed.
    • A straight slope means constant acceleration. The gradient is the acceleration.
    • The area under the line 线下面积 is the distance travelled.
    A velocity–time graph with a sloping line whose gradient is the acceleration and whose shaded area is the distance
    On a velocity–time graph the gradient is the acceleration and the area under the line is the distance travelled

    Falling objects

    Near the Earth the gravitational field is uniform 均匀 (the same strength everywhere), so all objects speed up as they fall at the same rate. This is the acceleration of free fall 自由落体加速度, $g \approx 9.8\ \text{m/s}^2$.

    When an object falls through air, air resistance 空气阻力 (a drag force) acts upward. As it speeds up, air resistance grows. When air resistance equals the weight, the resultant force is zero and the object stops speeding up. It then falls at a steady terminal velocity 收尾速度.

    A falling object with weight and air resistance arrows, shown just after release and at terminal velocity
    At first the weight is bigger than the air resistance, so the object speeds up; at terminal velocity the two are equal and the speed is steady
    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Velocity–time graph · ⁨속도-시간 그래프⁩

    Change u and a. The gradient is the acceleration; the area under the line is the distance travelled. · ⁨u와 a를 변경하세요. 기울기는 가속도이며, 선 아래 면적은 이동 거리입니다.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    motion/ˈməʊʃn/ 운동 motion
    speed/spiːd/ 속력
    deceleration/dɪˌseləˈreɪʃn/ 감속도
    distance–time graph/ˈdɪstəns taɪm ɡræf/ 거리-시간 그래프
    at rest/æt rest/ 정지 상태임
    gradient/ˈɡreɪdɪənt/ 기울기
    speed–time graph/spiːd taɪm ɡræf/ 속도-시간 그래프
    area under the line/ˈeərɪə ˈʌndə ðə laɪn/ 그래프 하단 면적
    uniform/ˈjuːnɪfɔːm/ 균일한(uniform)
    acceleration of free fall/əkˌseləˈreɪʃn ɒv friː fɔːl/ 자유 낙하 가속도
    air resistance/eə rɪˈzɪstəns/ 공기 저항입니다
    terminal velocity/ˈtɜːmɪnl vəˈlɒsɪti/ 한계 속도
    1.3

    Mass and weight

    Syllabus
    English
    Core Supplement
    1 State that mass is a measure of the quantity of matter in an object at rest relative to the observer
    2 State that weight is a gravitational force on an object that has mass 5 Describe, and use the concept of, weight as the effect of a gravitational field on a mass
    3 Define gravitational field strength as force per unit mass; recall and use the equation
    $$g = \frac{W}{m}$$
    and know that this is equivalent to the acceleration of free fall
    4 Know that weights (and masses) may be compared using a balance
    한국어
    핵심 보충
    1 질량이 관찰자에 대해 정지한 물체에 포함된 물질의 양을 나타내는 척도임을 말
    2 무게가 질량을 가진 물체에 작용하는 중력임을 말 5 중력장이 질량에 미치는 영향으로서 무게의 개념을 서술하고 사용할 것
    3 중력장 세기를 단위 질량당 힘으로 정의하고, 식
    $$g = \frac{W}{m}$$
    을 기억하여 사용할 것이며 이것이 자유 낙하 가속도와 등가임을 알 것
    4 무게(또는 질량)는 저울을 사용하여 비교할 수 있음을 알 것

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    Mass is the amount of matter 物质 in an object. It is measured in kilograms (kg) and does not change when you move the object.

    Weight is the force of gravity on a mass. It is measured in newtons (N). Weight can change: it is smaller on the Moon because the Moon's gravity is weaker.

    Gravitational field strength is the force per unit mass:

    $$g = \frac{W}{m}$$

    This $g$ has the same value as the acceleration of free fall ($\approx 9.8\ \text{N/kg}$). You can compare masses with a balance 天平.

    A laboratory balance measures mass; weight is the gravitational force on that mass
    A laboratory balance measures mass; weight is the gravitational force on that mass
    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Weight and mass · ⁨무게와 질량⁩

    W = mg

    Weight is proportional to mass — the gradient is the gravitational field strength g (about 10 N/kg on Earth). · ⁨무게는 질량에 비례합니다 — 기울기는 중력장 강도 g(지구에서는 약 10 N/kg)입니다.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    matter/ˈmætə/ 물질
    balance/ˈbæləns/ 균형(balance)
    1.4

    Density 密度

    Syllabus
    English
    Core Supplement
    1 Define density as mass per unit volume; recall and use the equation
    $$\rho = \frac{m}{V}$$
    2 Describe how to determine the density of a liquid, of a regularly shaped solid and of an irregularly shaped solid which sinks in a liquid (volume by displacement), including appropriate calculations
    3 Determine whether an object floats based on density data 4 Determine whether one liquid will float on another liquid based on density data given that the liquids do not mix
    한국어
    핵심 보충
    1 밀도를 단위 부피당 질량으로 정의하고, 식
    $$\rho = \frac{m}{V}$$
    을 기억하여 사용할 것
    2 액체의 밀도, 규칙적인 모양을 한 고체의 밀도, 그리고 액체 속에 가라앉는 불규칙한 모양의 고체(배수법으로 부피 측정)의 밀도를 구하는 방법을 서술하고, 적절한 계산을 포함할 것
    3 밀도 데이터를 기반으로 물체가 뜨는지 판정 4 액체가 섞이지 않는다는 조건 하에 주어진 밀도 데이터를 바탕으로 하나의 액체가 다른 액체 위에 뜨는지 판정

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    Density is the mass per unit volume.

    $$\rho = \frac{m}{V}$$

    The symbol $\rho$ is the Greek letter "rho". The unit is $\text{kg/m}^3$ or $\text{g/cm}^3$.

    To find density: measure the mass with a balance, find the volume, then divide.

    • Regular solid 规则固体 (like a box): measure the sides and calculate the volume.
    • Irregular solid 不规则固体 (a strange shape): lower it into water in a measuring cylinder. The rise in water level is its volume. This is the displacement method 排水法.
    • Liquid: put an empty measuring cylinder on the balance and read its mass. Pour in the liquid, read the volume on the cylinder, and read the mass again. The mass of the liquid is the difference between the two mass readings.

    An object floats 漂浮 if its density is less than the density of the liquid. It sinks if its density is greater. In the same way, one liquid floats on top of another (if the two do not mix) when its density is lower: oil floats on water.

    Worked example. A stone of mass $54\ \text{g}$ is lowered into a measuring cylinder. The water level rises from $20\ \text{cm}^3$ to $40\ \text{cm}^3$. Find the density of the stone.

    The volume of the stone is the rise in water level, $40 - 20 = 20\ \text{cm}^3$, so

    $$\rho = \frac{m}{V} = \frac{54}{20} = 2.7\ \text{g/cm}^3$$
    An iceberg floats with most of its volume hidden: ice is slightly less dense than water
    An iceberg floats with most of its volume hidden: ice is slightly less dense than water
    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Floating and density · ⁨떠오르기 및 밀도⁩

    Change the object's density and the liquid: it floats if it's less dense, and the denser it is the more sits underwater. Iron sinks in water but floats on mercury. · ⁨물체의 밀도와 액체를 변경하면, 물체가 액체보다 밀도가 낮으면 떠 있으며, 밀도가 높을수록 물 속에 잠기는 부분이 더 많아집니다. 철은 물에 가라앉지만 수은 위에는 떠 있습니다.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    density/ˈdensɪti/ 밀도
    regular solid/ˈreɡjʊlə ˈsɒlɪd/ 정육면체(정정육면체)
    irregular solid/ɪˈreɡjʊlə ˈsɒlɪd/ 불규칙 입체
    displacement method/dɪˈspleɪsmənt ˈmeθəd/ 침수법
    floats/fləʊts/ 액체보다 밀도가 높음
    1.5

    Forces

    Syllabus
    English

    1.5.1 Effects of forces

    Core Supplement
    1 Know that forces may produce changes in the size and shape of an object 9 Define the spring constant as force per unit extension; recall and use the equation
    $$k = \frac{F}{x}$$
    2 Sketch, plot and interpret load–extension graphs for an elastic solid and describe the associated experimental procedures 10 Define and use the term ‘limit of proportionality’ for a load–extension graph and identify this point on the graph (an understanding of the elastic limit is not required)
    3 Determine the resultant of two or more forces acting along the same straight line 11 Recall and use the equation $F = ma$ and know that the force and the acceleration are in the same direction
    4 Know that an object either remains at rest or continues in a straight line at constant speed unless acted on by a resultant force
    5 State that a resultant force may change the velocity of an object by changing its direction of motion or its speed 12 Describe, qualitatively, motion in a circular path due to a force perpendicular to the motion as: (a) speed increases if force increases, with mass and radius constant (b) radius decreases if force increases, with mass and speed constant (c) an increased mass requires an increased force to keep speed and radius constant ($F = \frac{mv^2}{r}$ is not required)
    6 Describe solid friction as the force between two surfaces that may impede motion and produce heating
    7 Know that friction (drag) acts on an object moving through a liquid
    8 Know that friction (drag) acts on an object moving through a gas (e.g. air resistance)

    1.5.2 Turning effect of forces

    Core Supplement
    1 Describe the moment of a force as a measure of its turning effect and give everyday examples
    2 Define the moment of a force as $\text{moment} = \text{force} \times \text{perpendicular distance from the pivot}$; recall and use this equation
    3 Apply the principle of moments to situations with one force each side of the pivot, including balancing of a beam 5 Apply the principle of moments to other situations, including those with more than one force each side of the pivot
    4 State that, when there is no resultant force and no resultant moment, an object is in equilibrium 6 Describe an experiment to demonstrate that there is no resultant moment on an object in equilibrium

    1.5.3 Centre of gravity

    Core Supplement
    1 State what is meant by centre of gravity
    2 Describe an experiment to determine the position of the centre of gravity of an irregularly shaped plane lamina
    3 Describe, qualitatively, the effect of the position of the centre of gravity on the stability of simple objects
    한국어

    1.5.1 힘의 효과

    핵심 보충
    1 힘이 물체의 크기와 모양을 변화시킬 수 있음을 알 것 9 스프링 상수를 단위 신도당 힘으로 정의하고, 식
    $$k = \frac{F}{x}$$
    을 기억하여 사용할 것
    2 탄성 고체의 하중-신도 그래프를 그리거나 그려서 해석하며, 관련 실험 절차를 서술 10 하중-신도 그래프에서 비례 한계(limit of proportionality)라는 용어를 정의하고 사용할 것이며, 이 지점을 그래프상에서 식별할 것 (탄성 한계에 대한 이해는 필수 아님)
    3 같은 직선상에 작용하는 두 개 이상의 힘의 합성을 구 11 식 $F = ma$을 기억하여 사용할 것이며, 힘과 가속도가 같은 방향임을 알 것
    4 합성력이 작용하지 않는 이상 물체는 정지해 있거나 일정 속력으로 직선을 따라 계속 움직인다는 것을 알 것
    5 합성력은 물체의 운동 방향이나 속력을 변화시켜 속도를 바꿀 수 있음을 말 12 운동에 수직인 힘에 의해 원운동을 하는 경우를 질적으로 서술: (a) 질량과 반지름이 일정할 때 힘이 증가하면 속력이 증가 (b) 질량과 속력이 일정할 때 힘이 증가하면 반지름이 감소 (c) 속력과 반지름이 일정하게 유지하려면 질량이 증가할 때 힘도 증가해야 함 ($F = \frac{mv^2}{r}$는 필요 없음)
    6 고정 마찰력을 두 표면 사이에서 운동에 저항作用하거나 열을 발생시키는 힘으로 서술
    7 마찰력(저항력)이 액체를 통과하는 물체에 작용함을 알 것
    8 마찰력(저항력)이 기체(예: 공기 저항)를 통과하는 물체에 작용함을 알 것

    1.5.2 힘의 회전 효과

    핵심 보충
    1 힘의 모멘트를 힘의 회전 효과의 척도로 서술하고 일상생활의 예시를 들 것
    2 힘의 모멘트를 $\text{moment} = \text{force} \times \text{perpendicular distance from the pivot}$로 정의하고, 이 식을 기억하여 사용할 것
    3 지지점 양쪽에 각각 하나의 힘만 작용하는 상황에 모멘트의 법칙을 적용할 것, 보의 평형 포함 5 지지점 양쪽에 여러 개의 힘이 작용하는 등 다른 상황에도 모멘트의 법칙을 적용할 것
    4 합성력이 없고 합성 모멘트도 없을 때 물체는 평형 상태에 있다고 명시한다. 6 평형 상태인 물체에 합성모멘트가 없음을 시연하는 실험을 서술한다.

    1.5.3 무게 중심

    핵심 보충
    1 무게 중심의 의미를 말
    2 불규칙한 모양의 평면판의 무게 중심 위치를 구하는 실험을 서술
    3 무게 중심의 위치가 단순한 물체의 안정성에 미치는 영향을 질적으로 서술

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    The principle of moments
    Hooke's law & the elastic limit

    A force is a push or a pull. A force can change the shape 形状, the speed, or the direction of an object.

    Stretching (Hooke's law)

    When you hang a load on a spring, it stretches. The stretch is called the extension 伸长量.

    On a load–extension graph 载荷-伸长图 the line is straight at first: extension is proportional to load. The point where the line stops being straight is the limit of proportionality 比例极限.

    A load–extension graph: a straight line through the origin that curves away past a marked point
    Load is proportional to extension until the limit of proportionality, then the line curves

    The experiment. Hang the spring from a clamp and stand a ruler beside it. Read the position of the bottom of the spring with no load: this is the original length. Add loads one at a time (for example 1 N each) and record the new length each time. The extension is the new length minus the original length. Plot load on the y-axis against extension on the x-axis.

    The spring constant 弹簧常数 is the force per unit extension:

    $$k = \frac{F}{x}$$

    A large $k$ means a stiff spring.

    Resultant force and Newton's laws

    Add forces on a straight line to get the resultant force 合力 (forces one way are positive, the other way negative).

    • If the resultant force is zero, the object stays at rest or keeps moving in a straight line at constant speed. (Newton's first law.)
    • If the resultant force is not zero, the object accelerates in the direction of the force:
    $$F = ma$$
    A box on the ground with four labelled force arrows: normal force up, weight down, push right, friction left
    A free-body diagram shows every force on the box as a labelled arrow

    Worked example. A $1200\ \text{kg}$ car has a $3000\ \text{N}$ driving force and $600\ \text{N}$ of friction. Find its acceleration.

    First find the resultant force: $3000 - 600 = 2400\ \text{N}$. Then

    $$a = \frac{F}{m} = \frac{2400}{1200} = 2.0\ \text{m/s}^2$$

    Motion in a circle

    A resultant force at right angles to the motion does not change the speed. It changes the direction, so the object moves in a circle at a steady speed. This is circular motion 圆周运动. The force always points towards the centre of the circle: the pull of the string on a whirling ball, or the gravity of the Sun on a planet.

    For an object moving in a circle:

    • a bigger force is needed to keep the same mass moving at a higher speed in a circle of the same radius 半径;
    • a bigger force makes the same mass at the same speed move in a smaller circle (a smaller radius);
    • a bigger mass needs a bigger force to keep the same speed and the same radius.

    Friction

    Friction 摩擦力 is the force between two surfaces that touch. It tries to stop motion and makes things heat up. Drag (friction in a liquid or gas, like air resistance) also slows objects down.

    Moments — the turning effect

    The moment 力矩 of a force is its turning effect about a pivot 支点.

    $$\text{moment} = \text{force} \times \text{perpendicular distance from the pivot}$$

    The unit is the newton metre (N m).

    Principle of moments 力矩原理: when an object is balanced (in equilibrium 平衡),

    $$\text{total clockwise moment} = \text{total anticlockwise moment}$$

    An object is in equilibrium when there is no resultant force and no resultant moment.

    A beam balanced on a central pivot with a force and distance on each side
    The beam balances when the clockwise moment equals the anticlockwise moment

    Worked example. A $30\ \text{N}$ weight sits $0.20\ \text{m}$ to the left of a pivot. How far to the right must a $20\ \text{N}$ weight sit to balance the beam?

    Balanced, so anticlockwise moment $=$ clockwise moment:

    $$30 \times 0.20 = 20 \times d \quad\Rightarrow\quad d = \frac{6.0}{20} = 0.30\ \text{m}$$

    Checking the principle by experiment. Balance a metre rule at its centre on a pivot. Hang a known weight on each side and move them until the rule balances again. Measure each distance from the pivot. Force × distance on the left equals force × distance on the right, within the small errors of measurement, so there is no resultant moment on a balanced object.

    Centre of gravity

    The centre of gravity 重心 is the single point where all the weight of an object seems to act.

    For a flat shape (lamina 薄片), hang it from a pin and let it settle; draw a vertical line down from the pin using a plumb line. Repeat from another point. The centre of gravity is where the lines cross.

    The stability 稳定性 of an object depends on where its centre of gravity is. An object is more stable 稳定 when its centre of gravity is low and its base is wide. It tips over when a vertical line down from the centre of gravity passes outside the base.

    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Forces & Newton's laws · ⁨힘 & 뉴턴의 법칙⁩

    F = ma (resultant) · ⁨F = ma (합력)⁩

    The resultant force sets the acceleration; balanced forces ⇒ none. · ⁨합력이 가속도를 결정합니다; 평형 상태의 힘 ⇒ 가속도 없음.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    measurement/ˈmeʒəmənt/ 측정
    shape/ʃeɪp/ 형상(shape)
    extension/ekˈstenʃn/ 확장
    load–extension graph/ləʊd ekˈstenʃn ɡræf/ 하중-연장 그래프
    limit of proportionality/ˈlɪmɪt ɒv prəˌpɔːʃəˈnælɪti/ 비례 한계(limit of proportionality)
    spring constant/sprɪŋ ˈkɒnstənt/ 스프링 상수(spring constant)
    resultant force/rɪˈzʌltənt fɔːs/ 합성력
    circular motion/ˈsɜːkjʊlə ˈməʊʃn/ 원운동
    radius/ˈreɪdɪəs/ 반경
    friction/ˈfrɪkʃn/ 마찰력
    moment/ˈməʊmənt/ 시간점
    pivot/ˈpɪvət/ 회전축
    principle of moments/ˈprɪnsɪpl ɒv ˈməʊmənts/ 모멘트의 원리
    equilibrium/ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm/ 평형
    centre of gravity/ˈsentə ɒv ˈɡrævɪti/ 무게 중심 (centre of gravity)
    lamina/ˈlæmɪnə/ 판(lamina)
    stability/stəˈbɪlɪti/ 안정성
    stable/ˈsteɪbl/ 안정적인
    1.6

    Momentum

    Syllabus
    English
    Core Supplement
    1 Define momentum as mass $\times$ velocity; recall and use the equation $p = mv$
    2 Define impulse as force $\times$ time for which force acts; recall and use the equation $\text{impulse} = F\Delta t = \Delta(mv)$
    3 Apply the principle of the conservation of momentum to solve simple problems in one dimension
    4 Define resultant force as the change in momentum per unit time; recall and use the equation $F = \frac{\Delta p}{\Delta t}$
    한국어
    핵심 보충
    1 운동량을 질량 $\times$ 속도로 정의하고, 식 $p = mv$을 기억하여 사용할 것
    2 충력을 힘 $\times$ 시간(힘이 작용하는 시간)으로 정의하고, 방정식 $\text{impulse} = F\Delta t = \Delta(mv)$을 기억하여 활용한다
    3 운동량 보존의 원리를 적용하여 1차원 문제의 단순한 문제를 해결할 수 있다
    4 합력을 단위 시간당 운동량의 변화로 정의하고, 방정식 $F = \frac{\Delta p}{\Delta t}$을 기억하여 활용한다

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    Conservation of momentum in a collision

    Momentum is mass times velocity. It is a vector.

    $$p = mv$$

    Impulse 冲量 is the force times the time it acts, and it equals the change in momentum:

    $$\text{impulse} = F\,\Delta t = \Delta(mv)$$

    So the resultant force is the change in momentum per unit time:

    $$F = \frac{\Delta p}{\Delta t}$$

    Conservation of momentum 动量守恒: when objects collide and no outside force acts, the total momentum before equals the total momentum after.

    $$m_1 u_1 + m_2 u_2 = m_1 v_1 + m_2 v_2$$

    (Here $u$ is a velocity before and $v$ is a velocity after.)

    Worked example. A $2.0\ \text{kg}$ trolley moving at $3.0\ \text{m/s}$ hits a stationary $1.0\ \text{kg}$ trolley and they stick together. Find their common velocity afterwards.

    Total momentum is conserved, so

    $$(2.0 \times 3.0) + (1.0 \times 0) = (2.0 + 1.0)\,v \quad\Rightarrow\quad v = \frac{6.0}{3.0} = 2.0\ \text{m/s}$$
    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Momentum in a collision · ⁨충돌 시 운동량⁩

    Set the masses and speeds and collide them. Total momentum is conserved. · ⁨질량과 속도를 설정하여 충돌시키세요. 총 운동량은 보존됩니다.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    impulse/ˈɪmpʌls/ 신호
    conservation of momentum/ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv məʊˈmentəm/ 운동량 보존
    1.7

    Energy, work and power

    Syllabus
    English

    1.7.1 Energy

    Core Supplement
    1 State that energy may be stored as kinetic, gravitational potential, chemical, elastic (strain), nuclear, electrostatic and internal (thermal)
    2 Describe how energy is transferred between stores during events and processes, including examples of transfer by forces (mechanical work done), electrical currents (electrical work done), heating, and by electromagnetic, sound and other waves
    4 Recall and use the equation for kinetic energy $E_k = \frac{1}{2}mv^2$
    5 Recall and use the equation for the change in gravitational potential energy $\Delta E_p = mg\Delta h$
    3 Know the principle of the conservation of energy and apply this principle to simple examples including the interpretation of simple flow diagrams 6 Know the principle of the conservation of energy and apply this principle to complex examples involving multiple stages, including the interpretation of Sankey diagrams

    1.7.2 Work

    Core Supplement
    1 Understand that mechanical or electrical work done is equal to the energy transferred
    2 Recall and use the equation for mechanical working $W = Fd = \Delta E$

    1.7.3 Energy resources

    Core Supplement
    1 Describe how useful energy may be obtained, or electrical power generated, from: (a) chemical energy stored in fossil fuels (b) chemical energy stored in biofuels (c) water, including the energy stored in waves, in tides and in water behind hydroelectric dams (d) geothermal resources (e) nuclear fuel (f) light from the Sun to generate electrical power (solar cells) (g) infrared and other electromagnetic waves from the Sun to heat water (solar panels) and be the source of wind energy including references to a boiler, turbine and generator where they are used 4 Know that radiation from the Sun is the main source of energy for all our energy resources except geothermal, nuclear and tidal
    2 Describe advantages and disadvantages of each method in terms of renewability, availability, reliability, scale and environmental impact 5 Know that energy is released by nuclear fusion in the Sun
    6 Know that research is being carried out to investigate how energy released by nuclear fusion can be used to produce electrical energy on a large scale
    3 Understand, qualitatively, the concept of efficiency of energy transfer 7 Define efficiency as: (a) $(\%) \text{ efficiency} = \frac{\text{(useful energy output)}}{\text{(total energy input)}} (\times 100\%)$ (b) $(\%) \text{ efficiency} = \frac{\text{(useful power output)}}{\text{(total power input)}} (\times 100\%)$ recall and use these equations

    1.7.4 Power

    Core Supplement
    1 Define power as work done per unit time and also as energy transferred per unit time; recall and use the equations (a) $P = \frac{W}{t}$ (b) $P = \frac{\Delta E}{t}$
    한국어

    1.7.1 에너지

    핵심 보충
    1 에너지가 운동 에너지, 중력 포テン셜 에너지, 화학적 에너지, 탄성(변형) 에너지, 핵에너지, 전기적 포텐셜 에너지, 내부(열) 에너지로 저장될 수 있음을 알 수 있다
    2 사건 및 과정 중 에너지가 저장소 간에 어떻게 전달되는지 설명하며, 힘에 의한 전달(기계적 일), 전기 전류에 의한 전달(전기적 일), 열전달, 그리고 전자기파, 음파 및 기타 파동에 의한 전달 등의 예시를 포함한다
    4 운동 에너지의 방정식 $E_k = \frac{1}{2}mv^2$을 기억하여 활용한다
    5 중력 포텐셜 에너지 변화에 대한 방정식 $\Delta E_p = mg\Delta h$을 기억하고 사용한다.
    3 에너지 보존의 원리를 알고 이를 단순한 예제에 적용하며, 간단한 흐름도 해석을 할 수 있다 6 에너지 보존의 원리를 알고 여러 단계를 포함하는 복잡한 예제에 적용하며, 샌키 도표 해석을 할 수 있다

    1.7.2 일

    핵심 보충
    1 기계적 또는 전기적으로 행해진 일이 전달된 에너지와 같다는 것을 이해한다
    2 기계적 일에 대한 방정식 $W = Fd = \Delta E$을 기억하여 활용한다

    1.7.3 에너지 자원

    핵심 보충
    1 유용한 에너지를 얻거나 전기 출력을 생성하는 방법을 다음에서 설명한다: (a) 화석 연료에 저장된 화학적 에너지 (b) 바이오연료에 저장된 화학적 에너지 (c) 물,其中包括 파도, 조수 및 수력 발전댐 뒤의 물에 저장된 에너지 (d) 지열 자원 (e) 핵연료 (f) 태양으로부터의 빛을 이용한 전기.power generation(태양전지) (g) 태양으로부터의 적외선 및 기타 전자기파를 이용한 물 가열(태양열판) 및 바람 에너지의 원천으로서, 보일러, 터빈, 발전기가 사용될 때 관련 용어를 언급한다 4 지열, 핵에너지 및 조수 에너지를 제외한 모든 에너지 자원의 주된 원천인 태양 복사에 대해 안다
    2 각 방법의再生可能性, 가용성, 신뢰성, 규모 및 환경 영향 측면에서의 장단점을 설명한다 5 태양에서의 핵융합으로 에너지가 방출됨을 안다
    6 핵융합으로 방출된 에너지를 대규모로 전기 에너지로转化的研究正在进行中임을 안다
    3 에너지 전달의 효율 개념을 질적으로 이해한다 7 효율을 다음과 같이 정의하고 이들을 기억하여 활용한다: (a) $(\%) \text{ efficiency} = \frac{\text{(useful energy output)}}{\text{(total energy input)}} (\times 100\%)$ (b) $(\%) \text{ efficiency} = \frac{\text{(useful power output)}}{\text{(total power input)}} (\times 100\%)$

    1.7.4 출력

    핵심 보충
    1 출력을 단위 시간당 일, 또한 단위 시간당 전달된 에너지로 정의하고, (a) $P = \frac{W}{t}$ (b) $P = \frac{\Delta E}{t}$ 방정식을 기억하여 활용한다

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    Energy stores

    Energy can be stored 储存 in different ways: kinetic 动能, gravitational potential 重力势能, chemical 化学能, elastic (strain) 弹性势能, nuclear 核能, electrostatic 静电能, and internal (thermal) 内能.

    Energy is transferred 转移 between stores by forces (mechanical work), by electric currents, by heating, and by waves (such as light and sound).

    A row of tall white wind turbines standing in the sea under a blue sky
    Wind turbines transfer energy from the kinetic store of the moving air to electricity

    Kinetic and potential energy

    Kinetic energy is the energy of a moving object:

    $$E_k = \frac{1}{2}mv^2$$

    The change in gravitational potential energy when an object goes up or down by a height $\Delta h$:

    $$\Delta E_p = mg\,\Delta h$$

    Conservation of energy

    The principle of conservation of energy 能量守恒定律 says energy is never made or destroyed; it only moves between stores. A falling object turns gravitational potential energy into kinetic energy. A Sankey diagram 桑基图 shows how the input energy splits into useful energy and wasted 浪费 energy.

    A pendulum shown at its two highest points and its lowest point, with the swing height marked
    Energy moves between gravitational potential energy (at the highest points) and kinetic energy (at the lowest point)
    Roller-coaster cars running down a curved track, with a tall hill behind
    On a roller-coaster, gravitational potential energy stored at the top of the hill becomes kinetic energy as the cars speed down

    Worked example. A $0.50\ \text{kg}$ ball is dropped from a height of $1.8\ \text{m}$. Ignoring air resistance, find its speed just before it lands. (Take $g = 10\ \text{m/s}^2$.)

    All the gravitational potential energy becomes kinetic energy, so $\tfrac{1}{2}mv^2 = mg\,\Delta h$. The mass cancels, leaving $v^2 = 2g\,\Delta h$:

    $$v = \sqrt{2 \times 10 \times 1.8} = \sqrt{36} = 6.0\ \text{m/s}$$

    Because the mass cancels, every object dropped from this height would land at the same speed.

    Work

    Work done 做功 equals the energy transferred. When a force moves an object:

    $$W = Fd = \Delta E$$

    The unit of work and energy is the joule 焦耳 (J).

    Power

    Power 功率 is the work done (or energy transferred) per unit time.

    $$P = \frac{W}{t} = \frac{\Delta E}{t}$$

    The unit is the watt 瓦特 (W). $1\ \text{W} = 1\ \text{J/s}$.

    Efficiency

    Efficiency 效率 tells you how much of the input energy becomes useful energy.

    $$\text{efficiency} = \frac{\text{useful energy output}}{\text{total energy input}} \times 100\%$$

    Efficiency is always less than 100% because some energy is always wasted (usually as heat). The same idea works with power:

    $$\text{efficiency} = \frac{\text{useful power output}}{\text{total power input}} \times 100\%$$

    Worked example. A motor is supplied with $200\ \text{J}$ of electrical energy and lifts a load, giving it $150\ \text{J}$ of gravitational potential energy. Find its efficiency.

    $$\text{efficiency} = \frac{150}{200} \times 100\% = 75\%$$
    A Sankey diagram with a wide input band splitting into a useful band and a wasted band
    A Sankey diagram for this motor: the band widths are proportional to the energy, so the 200 J input splits into 150 J useful and 50 J wasted as heat

    Energy resources

    We generate electricity from many energy resources. Most spin a turbine that drives a generator – often by boiling water to make steam (fossil fuels, nuclear fuel, geothermal, biofuels), or directly by moving water or air (hydroelectric, waves, tides, wind). Solar cells make electricity from sunlight directly; solar panels heat water.

    Resource Renewable? Notes
    fossil fuels (coal, oil, gas) no reliable, high output, but CO₂ and pollution
    nuclear fuel no huge output, no CO₂, but radioactive waste
    biofuels yes roughly carbon-neutral if replanted
    hydroelectric yes reliable, but a dam floods land
    wind yes clean, but intermittent
    solar yes clean, but only in daylight
    geothermal / tidal yes reliable but limited to certain places

    When you compare resources, use these five ideas: renewability 可再生性 (will it run out?), availability 可用性 (is it always there? the wind can drop and the Sun sets), reliability 可靠性 (does it give a steady output?), scale 规模 (how much energy can it supply?) and environmental impact 环境影响 (pollution, carbon dioxide, land flooded by a dam).

    Most of these trace back to the Sun (fossil fuels are ancient stored sunlight; wind and waves come from solar heating) – the exceptions are geothermal, nuclear, and tidal energy. The Sun itself is powered by nuclear fusion 核聚变, joining hydrogen nuclei into helium. Scientists are researching how to use fusion in power stations on Earth, but no fusion reactor yet gives out more electrical energy than it uses.

    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Energy flow & efficiency · ⁨에너지 흐름 및 효율⁩

    Input energy splits into useful output and wasted energy; efficiency is the useful fraction, and the total is always conserved. · ⁨입력 에너지는 유용한 출력 에너지와 낭비된 에너지로 나뉘며, 효율은 유용한 부분 비율이며, 총 에너지는 항상 보존됩니다.⁩

    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Conservation of energy · ⁨에너지 보존⁩

    Drop the object: GPE turns into KE, and the total stays the same when there's no friction. · ⁨물체를 떨어뜨리세요: 중력Potential 에너지가 운동에너지로 전환되며, 마찰이 없을 때 총 에너지는 일정합니다.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    stored/stɔːd/ stored (저장된)
    kinetic/kɪˈnetɪk/ 운동 에너지이다
    gravitational potential/ˌɡrævɪˈteɪʃənl pəˈtenʃl/ 중력ポテン셜
    chemical/ˈkemɪkl/ 화학 에너지
    elastic (strain)/ɪˈlæstɪk/ 탄성(변형)
    nuclear/ˈnjuːklɪə/ 원자력
    electrostatic/ɪˌlektrəʊˈstætɪk/ 정전기학
    internal (thermal)/ɪnˈtɜːnl/ 내부(열) 에너지
    transferred/trænsˈfɜːd/ 전달된다(transferred)
    principle of conservation of energy/ˈprɪnsɪpl ɒv ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv ˈenədʒi/ 에너지 보존의 법칙
    Sankey diagram/ˈsæŋki ˈdaɪəɡræm/ Sankey 도표
    wasted/ˈweɪstɪd/ 낭비됨
    work done/wɜːk dʌn/ 일
    joule/dʒuːl/ 줄 joule
    power/ˈpaʊə/ 출력
    watt/wɒt/ 와트 watt
    efficiency/ɪˈfɪʃənsi/ 효율(efficiency)
    renewability/rɪˌnjuːəˈbɪlɪti/ 재생 가능성
    availability/əˌveɪləˈbɪlɪti/ 가용성
    reliability/rɪˌlaɪəˈbɪlɪti/ 신뢰성
    scale/skeɪl/ 스케일(scale)
    environmental impact/enˌvaɪrənˈmentl ˈɪmpækt/ 환경 영향
    nuclear fusion/ˈnjuːklɪə ˈfjuːʒn/ 핵 융합
    1.8

    Pressure 压强

    Syllabus
    English
    Core Supplement
    1 Define pressure as force per unit area; recall and use the equation $p = \frac{F}{A}$
    2 Describe how pressure varies with force and area in the context of everyday examples
    3 Describe, qualitatively, how the pressure beneath the surface of a liquid changes with depth and density of the liquid 4 Recall and use the equation for the change in pressure beneath the surface of a liquid $\Delta p = \rho g \Delta h$
    한국어
    핵심 보충
    1 압력을 단위 면적당 힘으로 정의하고, 방정식 $p = \frac{F}{A}$을 기억하여 활용한다
    2 일상생활의 예시 맥락에서 압력이 힘과 면적에 따라 어떻게 변하는지 설명한다
    3 유체 표면 아래 압력이 깊이와 유체의 밀도에 따라 어떻게 변하는지를 질적으로 설명한다 4 유체 표면 아래 압력 변화에 대한 방정식 $\Delta p = \rho g \Delta h$을 기억하여 활용한다

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    Pressure is the force per unit area.

    $$p = \frac{F}{A}$$

    The unit is the pascal 帕斯卡 (Pa). $1\ \text{Pa} = 1\ \text{N/m}^2$.

    A small area gives a large pressure (a sharp knife cuts well). A large area gives a small pressure (snowshoes stop you sinking).

    Pressure in a liquid

    In a liquid, pressure increases with depth 深度 and with the liquid's density:

    $$\Delta p = \rho g \,\Delta h$$

    This is why a dam is built thicker at the bottom, where the water pressure is greatest. Pressure in a liquid acts in all directions.

    A tank of liquid with arrows pushing outward on the side wall, longer the deeper they are
    The deeper the liquid, the greater the pressure, so the outward push on the wall grows with depth
    The huge curved concrete wall of the Hoover Dam holding back a reservoir
    A real dam is built much thicker at the bottom, because the water pushes hardest where it is deepest

    Worked example. Find the extra pressure at a depth of $2.0\ \text{m}$ in water (density $1000\ \text{kg/m}^3$, $g = 10\ \text{N/kg}$).

    $$\Delta p = \rho g\,\Delta h = 1000 \times 10 \times 2.0 = 20\,000\ \text{Pa}$$
    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Pressure · ⁨압력⁩

    p = ρg·h

    Pressure in a liquid is proportional to depth. · ⁨액체 내 압력은 깊이에 비례합니다.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    pressure/ˈpreʃə/ 압력
    pascal/ˈpæskl/ 파스칼 pascal
    depth/depθ/ 깊이
    1.8

    Exam tips

    • On a distance–time graph the gradient is the speed; on a speed–time graph the gradient is the acceleration and the area under the line is the distance travelled. Never read one graph as if it were the other.
    • Mass (kg) is the amount of matter and is the same everywhere; weight (N) is the force of gravity, $W = mg$. On the Moon your mass is unchanged but your weight is smaller.
    • Speed is a scalar; velocity is a vector. Something moving at steady speed around a curve is still accelerating, because its direction keeps changing.
    • In Hooke's law, load is proportional to extension only up to the limit of proportionality. Use the extension (stretched length − original length), never the whole length.
    • Momentum $p = mv$ is conserved in a collision. Give each velocity a $+$ or $-$ sign for its direction before you add them.
    • Convert units first (cm → m, g → kg). Use $p = F/A$ for a solid pressing on a surface, but $p = \rho g h$ for the pressure inside a liquid — they are different formulas.
  • 2

    Thermal physics · ⁨열역학⁩

    Watch lesson · ⁨수업 보기⁩
    2.1

    States of matter 物态 · ⁨물질의 상태⁩

    Syllabus
    English

    2.1.1 States of matter

    Core Supplement
    1 Know the distinguishing properties of solids, liquids and gases
    2 Know the terms for the changes in state between solids, liquids and gases (gas to solid and solid to gas transfers are not required)

    2.1.2 Particle model

    Core Supplement
    1 Describe the particle structure of solids, liquids and gases in terms of the arrangement, separation and motion of the particles and represent these states using simple particle diagrams 6 Know that the forces and distances between particles (atoms, molecules, ions and electrons) and the motion of the particles affects the properties of solids, liquids and gases
    2 Describe the relationship between the motion of particles and temperature, including the idea that there is a lowest possible temperature ($-273\,{}^{\circ}\text{C}$), known as absolute zero, where the particles have least kinetic energy
    3 Describe the pressure and the changes in pressure of a gas in terms of the motion of its particles and their collisions with a surface 7 Describe the pressure and the changes in pressure of a gas in terms of the forces exerted by particles colliding with surfaces, creating a force per unit area
    4 Know that the random motion of microscopic particles in a suspension is evidence for the kinetic particle model of matter 8 Know that microscopic particles may be moved by collisions with light fast-moving molecules and correctly use the terms atoms or molecules as distinct from microscopic particles
    5 Describe and explain this motion (sometimes known as Brownian motion) in terms of random collisions between the microscopic particles in a suspension and the particles of the gas or liquid

    2.1.3 Gases and the absolute scale of temperature

    Core Supplement
    1 Describe qualitatively, in terms of particles, the effect on the pressure of a fixed mass of gas of: (a) a change of temperature at constant volume (b) a change of volume at constant temperature 3 Recall and use the equation $pV = \text{constant}$ for a fixed mass of gas at constant temperature, including a graphical representation of this relationship
    2 Convert temperatures between kelvin and degrees Celsius; recall and use the equation $T\text{ (in K)} = \theta\text{ (in }^{\circ}\text{C)} + 273$
    한국어

    2.1.1 물질의 상태

    핵심 보충
    1 고체, 액체, 기체의 구별 가능한 성질을 안다
    2 고체, 액체, 기체 사이의 상태 변화에 대한 용어를 안다 (기체→고체 및 고체→기체 변환은 필수 아님)

    2.1.2 입자 모델

    핵심 보충
    1 고체, 액체, 기체의 입자 구조를 입자의 배열, 간격 및 운동에 대해 설명하고, 이러한 상태를 단순한 입자 도표를 사용하여 표현한다 6 입자(원자, 분자, 이온, 전자) 간의 힘과 거리, 그리고 입자의 운동이 고체, 액체, 기체의 성질에 영향을 미친다는 것을 안다
    2 입자의 운동과 온도의 관계를 설명하며, 입자가 최소 운동 에너지를 갖는 가장 낮은 온도($-273\,{}^{\circ}\text{C}$)인 절대 영도라는 개념을 포함한다
    3 기체의 압력과 압력 변화를 입자의 운동 및 입자가 표면에 충돌하는 것으로 설명한다 7 기체의 압력과 압력 변화를 입자가 표면에 충돌하여 단위 면적당 힘을 발생시킨다는 점으로 설명한다
    4 현탁액 내 미시 입자의 무작위 운동이 물질의 입자 운동 모델을 뒷받침한다는 증거임을 안다 8 미시 입자가 빠르게 움직이는 분자와의 충돌에 의해 이동될 수 있으며, 미시 입자와는 구분되는 용어인 원자나 분자를 올바르게 사용할 수 있다
    5 현탁액 내 미시 입자와 기체 또는 액체 입자 사이의 무작위 충돌을 통해 이러한 운동(때로는 브라운 운동이라 함)을 기술하고 설명한다

    2.1.3 기체와 절대 온도 눈금

    핵심 보충
    1 입자 관점에서 일정 질량의 기체에 대해 다음이 압력에 미치는 영향을 질적으로 설명한다: (a) 일정 부피에서의 온도 변화 (b) 일정 온도에서의 부피 변화 3 일정 온도에서 일정 질량의 기체에 대한 방정식 $pV = \text{constant}$을 기억하여 활용하며, 이 관계의 그래프 표현을 포함한다
    2 켈빈과 섭씨 사이 온도를 변환하고, 방정식 $T\text{ (in K)} = \theta\text{ (in }^{\circ}\text{C)} + 273$을 기억하여 활용한다

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    English
    Kinetic theory: gas pressure

    Matter exists in three states: solid 固体, liquid 液体 and gas 气体.

    State Shape Volume Particles
    Solid fixed fixed close together, in a regular pattern, vibrating
    Liquid takes the shape of the container fixed close together, no pattern, can move past each other
    Gas fills the container changes far apart, fast, random motion

    The changes of state are: melting (solid → liquid), boiling/evaporating (liquid → gas), condensation 凝结 (gas → liquid) and solidification 凝固 (liquid → solid). In condensation the gas particles slow down and come close together to form a liquid. In solidification the liquid particles lose energy and settle into fixed positions.

    한국어
    운동론: 기체 압력

    물질은 세 가지 상태로 존재합니다: 고체, 액체 및 기체.

    상태 모양 부피 입자
    고체 고정됨 고정됨 서로 가까움, 규칙적인 배열, 진동 중
    액체 용기의 모양 따름 고정됨 서로 가까움, 무질서함, 서로 지나갈 수 있음
    기체 용기를 채운다 변한다 서로 멀리 떨어져 있고, 빠르게 무작위로 움직인다

    상변화는 다음과 같다: 용해(고체 → 액체), 끓임/증발(액체 → 기체), 응축(기체 → 액체) 및 고화(액체 → 고체). 응축 시 기체 입자는 속도가 느려져 서로 가까워져 액체를 형성한다. 고화 시 액체 입자는 에너지를 잃고 고정된 위치에 정착한다.

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    states of matter/steɪts ɒv ˈmætə/ 물질의 상태
    solid/ˈsɒlɪd/ 고체
    liquid/ˈlɪkwɪd/ 액체
    gas/ɡæs/ 기체
    condensation/kɒndenˈseɪʃn/ 축합 반응
    solidification/səˌlɪdɪfɪˈkeɪʃn/ 고화(고체화)
    kinetic particle model/kɪˈnetɪk ˈpɑːtɪkl ˈmɒdl/ 운동 입자 모델
    2.1

    The kinetic particle model 分子动理论 · ⁨운동 입자 모델⁩

    English

    All matter is made of tiny particles 粒子 that are always moving. This is the kinetic particle model.

    • In a solid the particles only vibrate 振动 about fixed positions.
    • In a liquid they are still close but can slide past each other.
    • In a gas they are far apart and move quickly in random directions.

    Temperature and particle energy

    When you heat a substance, its particles move faster, so they have more kinetic energy 动能. Temperature 温度 is a measure of the average kinetic energy of the particles.

    The lowest possible temperature is absolute zero 绝对零度, $-273\,{}^{\circ}\text{C}$. At this point the particles have the least possible energy.

    Gas pressure

    Gas particles hit the walls of their container. Each hit is a tiny push. The pressure 压强 of the gas is the total force of these hits per unit area.

    • Heating a gas (at constant volume) makes particles move faster and hit harder and more often, so the pressure rises.
    • Squeezing a gas into a smaller volume (at constant temperature) means more hits per second on each unit of area, so the pressure rises.

    For a fixed mass of gas at constant temperature:

    $$pV = \text{constant}$$

    So if the volume halves, the pressure doubles.

    Worked example. A gas has a volume of $200\ \text{cm}^3$ at a pressure of $100\ \text{kPa}$. It is squeezed to $50\ \text{cm}^3$ at constant temperature. Find the new pressure.

    Since $pV$ stays constant, $p_1 V_1 = p_2 V_2$:

    $$100 \times 200 = p_2 \times 50 \quad\Rightarrow\quad p_2 = \frac{20\,000}{50} = 400\ \text{kPa}$$

    Brownian motion

    If you look at smoke in air under a microscope, you see tiny specks moving in a jerky, random way. This is Brownian motion 布朗运动. The specks are pushed by fast, invisible air particles hitting them. It is strong evidence for the kinetic particle model.

    The kelvin scale

    Scientists often use the kelvin 开尔文 (K) temperature scale, which starts at absolute zero. To convert:

    $$T\text{ (in K)} = \theta\text{ (in }^{\circ}\text{C}) + 273$$

    So $0\,{}^{\circ}\text{C} = 273\ \text{K}$.

    Worked example. Convert $25\,{}^{\circ}\text{C}$ to kelvin, and $200\ \text{K}$ to degrees Celsius.

    $$25 + 273 = 298\ \text{K}, \qquad 200 - 273 = -73\,{}^{\circ}\text{C}$$
    한국어

    모든 물질은 항상 움직이는 미미한 입자로 이루어져 있다. 이것이 운동 입자 모델이다.

    • 고체에서 입자는 고정된 위치에서만 진동한다.
    • 액체에서는 여전히 서로 가깝지만 서로 밀쳐 지나갈 수 있다.
    • 기체에서는 서로 멀리 떨어져 무작위 방향으로 빠르게 이동한다.
    세 개의 상자 속 입자: 고체는 정렬된 격자, 액체는 밀집된 혼란스러운 배치, 기체는 몇 개의 빠르게-moving 입자
    세 가지 상태의 동일한 입자: 고체에서는 고정되어 정렬되어 있고, 액체에서는 가깝지만 무질서하며, 기체에서는 멀고 빠르다

    온도와 입자 에너지

    물질을 가열하면 입자가 더 빠르게 움직이므로 더 많은 운동 에너지를 갖게 된다. 온도는 입자의 평균 운동 에너지를 나타내는 지표이다.

    가장 낮은 온도는 절대 영도 $-273\,{}^{\circ}\text{C}$이다. 이 상태에서는 입자가 가질 수 있는 최소한의 에너지를 가진다.

    긴 금속 프로브와 작은 화면이 있는 흰색 디지털 온도계 및 보관 케이스 옆에 놓인 모습
    디지털 온도계는 접촉하는 입자의 운동 에너지를 감지하여 온도를 측정한다

    기체 압력

    기체 입자가 용기의 벽에 부딪힌다. 각 충돌은 미세한 밀힘과 같다. 압력은 이러한 충돌들의 단위 면적당 총 힘이다.

    상자에 들어간 기체 입자들이 모든 방향으로 이동하며 벽에 부딪히는 모습
    기체 압력은 벽의 단위 면적 당 수없이 많은 입자 충돌의 총 힘이다
    • 기체를 가열(일정 부피)하면 입자가 더 빠르게 움직여 더 강하고 자주 부딪히므로 압력이 상승한다.
    • 기체를 더 작은 부피로 압축(일정 온도)하면 단위 면적당 초당 충돌 횟수가 늘어나므로 압력이 상승한다.

    일정 온도에서 일정한 질량의 기체에 대해:

    $$pV = \text{constant}$$

    따라서 부피가 절반으로 줄면 압력은 두 배가 된다.

    압력과 부피의 관계를 나타내는 곡선으로, 급격히 하락한 후 평평해지며 부피를 절반으로 줄이면 압력이 두 배가 된다는 점이 표시됨
    일정 온도에서 압력-부피 그래프는 곡선이며, 부피를 절반으로 줄이면 압력이 두 배가 되므로 $pV$은 일정하게 유지된다

    연습 문제. 기체의 부피가 $200\ \text{cm}^3$이고 압력이 $100\ \text{kPa}$일 때, 이를 일정 온도에서 $50\ \text{cm}^3$까지 압축했다. 새로운 압력을 구하시오.

    $pV$이 일정하므로, $p_1 V_1 = p_2 V_2$:

    $$100 \times 200 = p_2 \times 50 \quad\Rightarrow\quad p_2 = \frac{20\,000}{50} = 400\ \text{kPa}$$

    브라운 운동

    현미경으로 공기 중 연기를 관찰하면微小的한 입자들이 불규칙하고 무작위적으로 움직이는 것을 볼 수 있다. 이것이 브라운 운동이다. 이 입자들은速度快且看不见的 공기 입자들이 them을 치면서 밀려 나간다. 이는 운동 입자 모델을 뒷받침하는 강력한 증거이다.

    소금자국 형태로 이동하는 큰 연기 입자를 둘러싼 작은 공기 입자들이 빠르게 충돌하는 모습
    빠른 공기 입자들의 무작위 충돌이 연기 입자를 불규칙하고 불연속적인 경로로 밀어낸다

    켈빈 척도

    과학자들은 종종 절대 영도에서 시작하는 켈빈(K) 온도 척도를 사용한다. 변환하는 방법은 다음과 같다:

    $$T\text{ (in K)} = \theta\text{ (in }^{\circ}\text{C}) + 273$$

    따라서 $0\,{}^{\circ}\text{C} = 273\ \text{K}$입니다.

    연습 문제. $25\,{}^{\circ}\text{C}$을 빈으로 변환하고, $200\ \text{K}$을攝氏度로 변환하시오.

    $$25 + 273 = 298\ \text{K}, \qquad 200 - 273 = -73\,{}^{\circ}\text{C}$$
    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Squeeze a gas (Boyle's law) · ⁨기체를 압축하기 (보일의 법칙)⁩

    Slide the piston in to shrink the volume. The same particles get crammed into less space, so they hit the walls more often and the pressure climbs — while pressure × volume stays constant. · ⁨피스톤을 밀어 넣어 부피를 줄입니다. 같은 수의 입자들이 더 좁은 공간에 빽빽하게 채워지므로 벽에 더 자주 충돌하여 압력이 상승하고 — 동시에 압력 × 부피는 일정하게 유지됩니다.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    particle/ˈpɑːtɪkl/ 입자로 treat 한다
    vibrate/vaɪˈbreɪt/ 진동하다
    kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ 운동 에너지Unless kinetic energy.
    temperature/ˈtemprɪtʃə/ 온도
    absolute zero/ˈæbsəluːt ˈzɪərəʊ/ 절대 영도
    pressure/ˈpreʃə/ 압력
    Brownian motion/ˈbraʊnɪən ˈməʊʃn/ 브라운 운동
    kelvin/ˈkelvɪn/ 켈빈
    thermometer/θɜːˈmɒmɪtə/ 온도계
    insulating material/ˈɪnsjuːleɪtɪŋ məˈtɪərɪəl/ 절연 소재
    melting/ˈmeltɪŋ/ 녹음
    boiling/ˈbɔɪlɪŋ/ 끓는
    evaporation/ɪˌvæpəˈreɪʃn/ 증발
    cools down/kuːlz daʊn/ 차가워짐
    transfer of thermal energy/ˈtrænsfɜː ɒv ˈθɜːml ˈenədʒi/ 열 에너지 전달
    2.2

    Thermal expansion 热膨胀 · ⁨열팽창⁩

    Syllabus

    2.2.1 Thermal expansion of solids, liquids and gases

    Core Supplement
    1 Describe, qualitatively, the thermal expansion of solids, liquids and gases at constant pressure 3 Explain, in terms of the motion and arrangement of particles, the relative order of magnitudes of the expansion of solids, liquids and gases as their temperatures rise
    2 Describe some of the everyday applications and consequences of thermal expansion

    2.2.2 Specific heat capacity

    Core Supplement
    1 Know that a rise in the temperature of an object increases its internal energy 2 Describe an increase in temperature of an object in terms of an increase in the average kinetic energies of all of the particles in the object
    3 Define specific heat capacity as the energy required per unit mass per unit temperature increase; recall and use the equation
    $$c = \frac{\Delta E}{m\Delta\theta}$$
    4 Describe experiments to measure the specific heat capacity of a solid and a liquid

    2.2.3 Melting, boiling and evaporation

    Core Supplement
    1 Describe melting and boiling in terms of energy input without a change in temperature 6 Describe the differences between boiling and evaporation
    2 Know the melting and boiling temperatures for water at standard atmospheric pressure
    3 Describe condensation and solidification in terms of particles
    4 Describe evaporation in terms of the escape of more-energetic particles from the surface of a liquid 7 Describe how temperature, surface area and air movement over a surface affect evaporation
    5 Know that evaporation causes cooling of a liquid 8 Explain the cooling of an object in contact with an evaporating liquid

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    English

    When matter is heated, its particles move more and take up more space, so the material expands. Gases expand the most, then liquids, then solids. This order comes from the forces between the particles: in a solid the particles are held tightly in a lattice 晶格 (a fixed pattern), so they can only vibrate a little more; in a liquid they are held less strongly; in a gas the forces are very weak, so the particles spread out much more.

    Everyday examples: gaps are left between railway lines; bridges sit on rollers; a tight metal lid loosens when heated.

    한국어

    물질을 가열하면 입자가 더 크게 움직여 더 많은 공간을 차지하므로 재료가 팽창한다. 기체가 가장 많이 팽창하고, 그 다음 액체, 그리고 고체 순이다. 이 순서는 입자 사이의 힘에서 비롯된다: 고체에서 입자는 격자(고정 패턴)에 단단히 묶여 있으므로 진동만 조금 더 할 수 있으며, 액체에서는 덜 강하게 묶여 있고, 기체에서는 힘이 매우 약하여 입자가 훨씬 더 퍼진다.

    일상 예시: 철도 선로 사이에는 간격을 두고, 교량은 롤러 위에 놓이며, 조이는 금속 뚜껑은 가열하면 풀린다.

    차갑을 때는 작은 간극이 있는 철도 레일, 뜨거워지면 팽창하여 닿게 된 모습
    차갑을 때는 레일 사이에 작은 간격을 두어, 열에 의해 팽창할 때 간격이 사라지고 궤도가 울퉁불퉁해지지 않도록 한다
    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Heating and specific heat capacity · ⁨가열 및 비열⁩

    Q = mcΔT

    The heat energy needed is proportional to the temperature rise for a given mass of material. · ⁨주어진 질량의 물질에 필요한 열량은 온도 상승분에 비례합니다.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    thermal expansion/ˈθɜːml ekˈspænʃn/ 열팽창
    lattice/ˈlætɪs/ 격자
    Watch lesson · ⁨수업 보기⁩
    2.2

    Internal energy and specific heat capacity · ⁨내부 에너지와 비열⁩

    English

    The internal energy 内能 of an object is the total energy of all its particles. Heating an object raises its internal energy and usually its temperature.

    The specific heat capacity 比热容 is the energy needed to raise the temperature of 1 kg of a material by 1 °C.

    $$c = \frac{\Delta E}{m\,\Delta\theta}$$

    A material with a high specific heat capacity (like water) needs a lot of energy to warm up and cools down slowly.

    Worked example. How much energy is needed to heat $2.0\ \text{kg}$ of water from $20\,{}^{\circ}\text{C}$ to $70\,{}^{\circ}\text{C}$? The specific heat capacity of water is $4200\ \text{J/(kg}\,{}^{\circ}\text{C)}$.

    Rearranging $c = \frac{\Delta E}{m\,\Delta\theta}$ gives $\Delta E = mc\,\Delta\theta$, with $\Delta\theta = 70 - 20 = 50\,{}^{\circ}\text{C}$:

    $$\Delta E = 2.0 \times 4200 \times 50 = 420\,000\ \text{J} = 420\ \text{kJ}$$

    Measuring specific heat capacity. For a solid, use a metal block with two holes: one for an electric heater 加热器 and one for a thermometer 温度计. Measure the mass $m$ of the block. Switch on the heater for a measured time $t$ and record the current $I$ and the voltage $V$, so the energy supplied is $E = IVt$ (or read the energy from a joulemeter). Record the temperature rise $\Delta\theta$. Then $c = \dfrac{E}{m\,\Delta\theta}$. For a liquid, heat a measured mass of the liquid in a container and stir it, so the temperature is the same all through. Wrap the block or the container in insulating material 隔热材料, so less energy escapes to the air.

    한국어

    물체의 내부 에너지는 모든 입자의 에너지의 총합이다. 물체를 가열하면 내부 에너지가 증가하고 보통 온도가 올라간다.

    비열은 물질 1kg의 온도를 1°C 높이는 데 필요한 에너지량이다.

    $$c = \frac{\Delta E}{m\,\Delta\theta}$$

    비열이 높은 물질(예: 물)은 따뜻해지는 데 많은 에너지가 필요하며, 식는 속도도 느리다.

    연습 문제. 물 $2.0\ \text{kg}$을 $20\,{}^{\circ}\text{C}$에서 $70\,{}^{\circ}\text{C}$까지 가열하는 데 필요한 에너지는 얼마인가? 물의 비열은 $4200\ \text{J/(kg}\,{}^{\circ}\text{C)}$이다.

    $c = \frac{\Delta E}{m\,\Delta\theta}$을 정리하면 $\Delta E = mc\,\Delta\theta$이 되며, 여기서 $\Delta\theta = 70 - 20 = 50\,{}^{\circ}\text{C}$:

    $$\Delta E = 2.0 \times 4200 \times 50 = 420\,000\ \text{J} = 420\ \text{kJ}$$

    비열 측정하기. 고체의 경우, 전기 히터용 구멍과 온도계용 구멍이 있는 두 개의 구멍이 있는 금속 블록을 사용한다. 블록의 질량 $m$을 측정한다. 히터를 측정한 시간 $t$ 동안 켜고 전류 $I$와 전압 $V$를 기록하여 공급된 에너지가 $E = IVt$(또는 줄 계측기에서 에너지 값을 읽음)임을 확인한다. 온도 상승분 $\Delta\theta$을 기록한 후, $c = \dfrac{E}{m\,\Delta\theta}$을 계산한다. 액체의 경우, 용기에 측정한 질량의 액체를 가열하고 저어하여 전체적으로 온도가 같도록 한다. 블록이나 용기를 단열재로 감싸空气로 빠져나가는 에너지를 줄인다.

    끓는 물: 내부 에너지가 온도에 따라 증가; 비열은 kg당 °C당 에너지 단위
    끓는 물: 온도에 따라 내부 에너지가 증가함; 비열은 kg당 °C당 에너지량
    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    internal energy/ɪnˈtɜːnl ˈenədʒi/ 내부 에너지
    specific heat capacity/spəˈsɪfɪk hiːt kəˈpæsɪti/ 비열 (specific heat capacity)
    2.2

    Melting, boiling and evaporation · ⁨용해, 끓음과 증발⁩

    English

    Melting 熔化 and boiling 沸腾 need energy, but the temperature stays the same while the state changes. This energy breaks the forces between particles. For water at normal air pressure, melting is at $0\,{}^{\circ}\text{C}$ and boiling at $100\,{}^{\circ}\text{C}$.

    Evaporation 蒸发 is when a liquid changes to a gas at its surface, below the boiling point. The fastest particles escape from the surface. Because the fastest (most energetic) particles leave, the average energy of those left behind falls, so the liquid cools down 冷却. An object touching an evaporating liquid also cools, because the liquid takes energy from it: this is why sweat cools your skin.

    Evaporation is faster when the temperature is higher, the surface area is larger, and there is more air movement over the surface.

    한국어

    용해와 끓음에는 에너지가 필요하지만 상태 변화 중에는 온도가 일정하게 유지됩니다. 이 에너지는 입자 사이의 인력을 끊습니다. 상압에서의 물의 경우, 용해는 $0\,{}^{\circ}\text{C}$에서, 끓음은 $100\,{}^{\circ}\text{C}$에서 일어납니다.

    시간에 따른 온도 변화 곡선: 용해 및 끓음 시 평평한平台的(plateaus)이 존재
    물질이 녹거나 끓는 동안 에너지가 계속 추가되더라도 온도는 일정하게 유지됨

    증발은 액체가 끓는점 이하인 표면에서 기체로 변하는 현상입니다. 가장 빠른 입자들이 표면에서 빠져나갑니다. 가장 빠르고 에너지를 많이 가진 입자가 떠나기 때문에 남은 입자들의 평균 에너지가 감소하여 액체는 냉각됩니다. 증발하는 액체에 닿은 물체도 냉각되는데, 이는 액체가 물체로부터 에너지를 가져가기 때문입니다. 바로 이것이 땀이 피부를 식히는 이유입니다.

    증발은 온도가 높을수록, 표면적이 클수록, 표면 위 공기의 흐름이 많을수록 빨라집니다.

    Explore · ⁨탐색하기⁩

    The heating curve — watch the temperature pause · ⁨가열 곡선 — 온도가 멈추는 구간을 관찰하세요⁩

    While the substance is melting or boiling the temperature stays flat, even though heat is still going in — the energy breaks bonds instead of warming it. · ⁨물질이 녹거나 끓는 동안에는 여전히 열이 공급되지만 온도는 일정하게 유지됩니다 — 에너지는 온도를 높이는 대신 결합을 끊는 데 쓰입니다.⁩

    2.3

    Transfer of thermal energy 热能传递 · ⁨열에너지의 이동⁩

    Syllabus
    English

    2.3.1 Conduction

    Core Supplement
    1 Describe experiments to demonstrate the properties of good thermal conductors and bad thermal conductors (thermal insulators) 2 Describe thermal conduction in all solids in terms of atomic or molecular lattice vibrations and also in terms of the movement of free (delocalised) electrons in metallic conductors
    3 Describe, in terms of particles, why thermal conduction is bad in gases and most liquids
    4 Know that there are many solids that conduct thermal energy better than thermal insulators but do so less well than good thermal conductors

    2.3.2 Convection

    Core Supplement
    1 Know that convection is an important method of thermal energy transfer in liquids and gases
    2 Explain convection in liquids and gases in terms of density changes and describe experiments to illustrate convection

    2.3.3 Radiation

    Core Supplement
    1 Know that thermal radiation is infrared radiation and that all objects emit this radiation
    2 Know that thermal energy transfer by thermal radiation does not require a medium 4 Know that for an object to be at a constant temperature it needs to transfer energy away from the object at the same rate that it receives energy
    3 Describe the effect of surface colour (black or white) and texture (dull or shiny) on the emission, absorption and reflection of infrared radiation 5 Know what happens to an object if the rate at which it receives energy is less or more than the rate at which it transfers energy away from the object
    6 Know how the temperature of the Earth is affected by factors controlling the balance between incoming radiation and radiation emitted from the Earth’s surface
    7 Describe experiments to distinguish between good and bad emitters of infrared radiation
    8 Describe experiments to distinguish between good and bad absorbers of infrared radiation
    9 Describe how the rate of emission of radiation depends on the surface temperature and surface area of an object

    2.3.4 Consequences of thermal energy transfer

    Core Supplement
    1 Explain some of the basic everyday applications and consequences of conduction, convection and radiation, including: (a) heating objects such as kitchen pans (b) heating a room by convection 2 Explain some of the complex applications and consequences of conduction, convection and radiation where more than one type of thermal energy transfer is significant, including: (a) a fire burning wood or coal (b) a radiator in a car
    한국어

    2.3.1 전도

    핵심 보충
    1 좋은 열전도체와 나쁜 열전도체 (열절연체)의 특성을 보여주는 실험을 설명할 것 2 원자 또는 분자 격자의 진동 및 금속 전도체 내 자유(비국소화) 전자의 이동에 대해 모든 고체에서의 열전도를 설명할 것
    3 입자 관점에서 왜 기체와 대부분의 액체에서는 열전도가 나쁜지 설명할 것
    4 열절연체보다는 좋지만 좋은 열전도체보다는 덜 잘 열에 전도하는 많은 고체가 존재한다는 것을 알 것

    2.3.2 대류

    핵심 보충
    1 대류가 액체와 기체에서 열에너지를 이동시키는 중요한 방법이라는 것을 알 것
    2 밀도 변화에 대한 입자 관점으로 액체와 기체에서의 대류를 설명하고 대류를 보여주는 실험을 설명할 것

    2.3.3 복사

    핵심 보충
    1 열복사가 적외선 복사이며 모든 물체가 이 복사를 방출한다는 것을 알 것
    2 열복사에 의한 열에너지 이동은 매개가 필요하지 않음을 알 것 4 물체가 일정 온도를 유지하려면 received 에너지와 동일한 비율로 물체로부터 에너지를 방출해야 함을 알 것
    3 표면 색상(검정 또는 흰색) 및 질감(무광 또는 광택)이 적외선 복사의 방출, 흡수 및 반사에 미치는 영향을 설명할 것 5 물체가收到的 에너지 속도가 물체로부터 방출되는 에너지 속도와 다를 때 일어나는 현상을 알 것
    6 유입 복사량과 지구 표면으로부터 방출되는 복사량 사이의 균형을 조절하는 요인이 지구의 온도에 미치는 영향을 알 것
    7 좋은 적외선 복사체와 나쁜 적외선 복사체를 구별하는 실험을 설명할 것
    8 좋은 적외선 흡수체와 나쁜 적외선 흡수체를 구별하는 실험을 설명할 것
    9 복사 방출 속도가 물체의 표면 온도와 표면적에 따라 어떻게 달라지는지 설명할 것

    2.3.4 열에너지 전달의 결과

    핵심 보충
    1 전도, 대류 및 복사의 일상적인 기본 적용 사례와 결과(예: (a) 주방 팬과 같은 물체 가열, (b) 대류에 의한 방 가열)를 설명한다. 2 전도, 대류 및 복사의 복잡한 적용 사례와 결과를 설명하며, 이 경우 여러 유형의 열에너지 전달이 중요한 역할을 한다. 예: (a) 나무나 석탄을 태우는 불, (b) 자동차의 라디에이터

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    English

    Thermal energy moves from hotter places to colder places in three ways.

    Conduction

    Conduction 热传导 is the transfer of thermal energy through a material without the material moving. The particles in a solid sit in a lattice. Heated particles vibrate more and pass the energy to their neighbours. In metals, free electrons (delocalised electrons 自由电子) carry energy quickly, so metals are good thermal conductors 热导体.

    Materials that conduct badly (like air, wood and plastic) are thermal insulators 热绝缘体.

    Testing conductors. Fix a drawing pin with a little wax to one end of rods of copper, iron, glass and wood, and heat the other ends equally. The pin drops first from the copper rod, then from the iron rod, and last (or never) from the glass and the wood: metals are the best conductors. A metal rod held in a flame soon feels hot; a wooden rod does not.

    Gases and most liquids are bad conductors because their particles are far apart and only pass on energy when they happen to collide. There is no lattice and there are no free electrons.

    Convection

    Convection 对流 happens in liquids and gases. When a fluid is heated it expands, becomes less dense, and rises. Cooler, denser fluid sinks to take its place. This circle of moving fluid is a convection current.

    Showing convection. Drop a crystal of purple potassium permanganate 高锰酸钾 into a beaker of water and heat the beaker gently under the crystal. A coloured stream rises above the heat, spreads across the top and sinks at the sides. In air, a lit candle under one chimney of a smoke box pulls smoke down the other chimney and up above the flame.

    Convection cannot happen in a solid because the particles cannot move from place to place.

    Radiation

    Thermal radiation 热辐射 is energy carried by infrared 红外线 waves. All objects emit it, and it needs no material to travel through — it can cross empty space (this is how energy reaches us from the Sun).

    A surface that is dull 暗淡 and black is a good emitter 发射体 and a good absorber 吸收体 of infrared. A surface that is shiny and white is a poor emitter and a good reflector 反射体.

    Comparing surfaces. Fill two cans, one dull black and one shiny silver, with hot water at the same temperature, and put a thermometer in each. The black can cools faster, so it is the better emitter. Then put the same two cans, full of cold water, at equal distances from a heater. The black can warms faster, so it is the better absorber. A Leslie cube 莱斯利立方体 (a metal box with one side of each finish) shows the same thing.

    An object stays at a constant temperature when it emits energy at the same rate as it absorbs energy. The rate of emission is greater when the surface is hotter and larger. If an object absorbs energy faster than it emits it, its temperature rises; if it emits faster than it absorbs, its temperature falls.

    The Earth's temperature. The Earth absorbs radiation from the Sun and emits infrared radiation back into space. Its average temperature stays constant only when the two rates are equal. Anything that changes this balance changes the temperature. Gases in the atmosphere 大气 such as carbon dioxide absorb some of the emitted infrared and send part of it back down, so more of these gases warms the Earth. Clouds and ice reflect incoming sunlight, so less ice means more energy is absorbed, and the Earth warms further.

    Everyday examples

    • A kitchen pan has a metal base that conducts energy quickly to the food, and a plastic or wooden handle that is an insulator, so you can hold it.
    • A radiator 散热器 heats a room by convection: the air next to it warms, rises, and cooler air flows in to take its place, so the whole room warms.
    • Sitting near a fire you feel its radiation on your face at once; the air between you and the fire is a poor conductor.
    • A vacuum flask 保温瓶 keeps a drink hot by stopping all three transfers: the vacuum between its double walls stops conduction and convection, and its shiny silver surfaces stop radiation.
    한국어

    열에너지는 세 가지 방식으로 더운 곳에서 차가운 곳으로 이동합니다.

    전도

    전도는 물질自身的移动 없이 물질을 통해 열에너지가 전달되는 것입니다. 고체 내의 입자는 격자 구조를 이루고 있습니다. 가열된 입자는 더 크게 진동하여 에너지를 이웃 입자에게 전달합니다. 금속에서는 자유 전자(비국소화 전자)가 에너지를 빠르게 운반하므로 금속은 좋은 열전도체입니다.

    전도가 잘 안 되는 물질(공기, 나무, 플라스틱 등)은 열절연체입니다.

    전도체 실험. 구리, 철, 유리, 나무 막대 한쪽 끝에 약간의 왁스로 도화핀을 고정하고 다른 쪽 끝을 동일하게 가열합니다. 구리 막대에서 핀이 먼저 떨어지고, 그 다음 철 막대에서, 마지막으로(또는 아예) 유리 및 나무 막대에서 떨어집니다. 즉, 금속이 가장 좋은 전도체입니다. 불꽃에 든 금속 막대는 곧 뜨거워지지만 나무 막대는 그렇지 않습니다.

    기체와 대부분의 액체는 입자 사이 거리가 멀어 우연히 충돌할 때만 에너지를 전달하기 때문에 전도성이 나쁩니다. 격자 구조가 없고 자유 전자가 없습니다.

    한쪽 끝이 가열된 금속 막대: 입자가 진동하며 차가운 쪽으로 에너지를 전달함
    전도 시 진동하는 입자들이 이웃에게 에너지를 전달하므로 에너지는 뜨거운 쪽에서 차가운 쪽으로 흐릅니다

    대류

    대류는 액체와 기체에서 발생합니다. 유체를 가열하면 부피가 늘어나 밀도가 낮아지고 위로 올라갑니다. 차갑고 밀도가 높은 유체가 이를 대신하여 아래로 침강합니다. 이렇게 순환하는 유체의 흐름을 대류 corrente라고 합니다.

    아래쪽에서 가열된 물의 비커: hot water rising and cool water sinking을 나타내는 루프 화살표 포함
    가열된 유체는 상승하고 차가운 유체는 침강하여 대류 current를 형성합니다

    대류 demonstratation. 물의 비커에 보라색 망간산칼륨 결정 하나를 넣고 결정 아래쪽을 부드럽게 가열합니다. 가열 지점 위의 색이 있는 기류가 상승하여 표면을 가로질러 옆면에서 침강합니다. 공기 중에서는 연기 상자의 한 연통 아래에 켜진 초 candle를 두면 smoke가 다른 연통을 따라 내려가고 flame 위로 올라갑니다.

    입자가 위치를 바꿀 수 없으므로 고체에서는 대류가 발생하지 않습니다.

    복사

    열복사는 적외선 파동에 의해 전달되는 에너지입니다. 모든 물체가 이를 방출하며, 매질이 필요 없이 진공 공간을 통과할 수 있습니다(이는 태양으로부터 에너지가 지구에 도달하는 방식입니다).

    무광검은색 표면은 적외선의 좋은 방출체이자 좋은 흡수체입니다. 광택이 난 흰색 표면은 나쁜 방출체이면서 좋은 반사체입니다.

    many infrared waves giving off from dull black surface next to few giving off from shiny surface
    무광검은색 표면은 광택난 흰색 표면보다 적외선을 훨씬 잘 방출(및 흡수)합니다

    표면 비교. 무광검은색과 광택 은색 통을 각각 같은 온도의 뜨거운 물로 채우고 각기에 온도계를 넣습니다. 검은색 통이 더 빨리 식으므로 더 나은 방출체입니다. 그런 다음 같은 두 통을 찬물로 채워 heater로부터 동일한 거리에 배치합니다. 검은색 통이 더 빨리 뜨거워지므로 더 나은 흡수체입니다. 레스리 큐브(각 면이 다른 마감 처리된 금속 상자) 역시 같은 결과를 보여줍니다.

    한 손의 세 사진: 일반 조명 아래, thermal camera에서 따뜻하고 노란빛을 띠며 발광하는 모습, 그리고 더 차갑고 어두운 모습
    열화상(infrared) 카메라는 따뜻한 손에서 방출되는 적외선을 이미지로 변환합니다; 밝을수록 hotter합니다

    物体가 흡수하는 에너지와 방출하는 에너지의 속도가 같으면 일정한 온도를 유지합니다. 표면이 hotter하고 넓을수록 방출 속도는 커집니다. 만약 물체가 흡수하는 속도가 방출하는 속도보다 빠르면 온도가 오르고, 반대로 방출 속도가 흡수 속도보다 빠르면 온도가 낮아집니다.

    지구의 온도. 지구는 태양으로부터 복사를 흡수하고 적외선 복사를 우주로 다시 방출합니다. 두 속도가 같을 때만 평균 온도가 일정하게 유지됩니다. 이 균형을 바꾸는 어떤 것도 온도를 변화시킵니다. 대기 중의的二氧化탄소 등의 기체는 방출된 적외선 일부를 흡수하여 일부는 다시 지표면으로 보내므로 이러한 기체가 많아질수록 지구를 더 따뜻하게 만듭니다. 구름과 얼음은 들어오는 햇빛을 반사하므로 얼음이 줄면 흡수되는 에너지가 늘어나고 지구는 더 따뜻해집니다.

    일상생활 속 예시

    • 주방용 팬은 음식에 에너지를 빠르게 전달하는 금속 바닥과 절연체로 된 플라스틱 또는 나무 손잡이를 가지고 있어 잡을 수 있습니다.
    • embed radiator는 대류를 통해 방을 난방합니다: 주변 공기가 따뜻해져 위로 올라가고 차가운 공기가 이를 대체하여 흐르므로 전체 방이 따뜻해집니다.
    • 불 Nearby에 앉아 있으면 얼굴에 즉시 복사의 영향을 느끼는데, 불과 당신 사이의 공기는 전도성이 나쁩니다.
    • 진공병은 열의 세 가지 전달 방식(전도, 대류, 복사)을 모두 차단하여 음료를 뜨겁게 유지합니다. 진공병의 이중 벽 사이의 진공은 전도와 대류를 막고, 반사된 은색 표면은 복사를 막습니다.
    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Heat transfer lab · ⁨열전달 실험실⁩

    Compare the routes by which thermal energy moves. · ⁨열에너지를 이동시키는 경로를 비교하십시오.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    heater/ˈhiːtə/ 히터
    conduction/kənˈdʌkʃn/ 전도
    delocalised electrons/dɪˈlɒkəlaɪzd ɪˈlektrɒnz/ 비국소화 전자
    thermal conductor/ˈθɜːml kənˈdʌktə/ 열 전도체
    thermal insulator/ˈθɜːml ˈɪnsjuːleɪtə/ 열 절연체
    convection/kənˈvekʃn/ 대류
    potassium permanganate/pəˈtæsɪəm pəˈmæŋɡəneɪt/ 과망간산칼륨
    thermal radiation/ˈθɜːml ˌreɪdɪˈeɪʃn/ 열복사
    infrared/ˌɪnfrəˈred/ 적외선
    dull/dʌl/ 무광
    emitter/ɪˈmɪtə/ 송출기
    absorber/əbˈsɔːbə/ 흡수체
    reflector/rɪˈflektə/ 반사체
    Leslie cube/ˈlesli kjuːb/ 레슬리 큐브
    atmosphere/ˈætməsfɪə/ 대기권
    radiator/ˈreɪdɪeɪtə/ 난방기
    vacuum flask/ˈvækjuːm flæsk/ 진공병
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    2.3

    Exam tips · ⁨시험 팁⁩

    English
    • In the kinetic particle model, heating a gas makes its particles move faster and hit the walls harder and more often, so the pressure rises. The particles themselves do not get bigger.
    • Evaporation happens only at the surface and at any temperature; boiling happens throughout the liquid at one fixed temperature. Evaporation cools the liquid left behind, because the fastest particles escape.
    • During melting and boiling the temperature stays constant even though energy is still being supplied — that energy breaks the forces between particles.
    • For specific heat capacity use $\Delta E = mc\,\Delta\theta$, where $\Delta\theta$ is the change in temperature, not the final temperature.
    • Dull black surfaces are the best emitters and absorbers of infrared; shiny, light surfaces are the best reflectors. Convection needs a fluid to flow, so it cannot happen in a solid.
    한국어
    • 운동 입자 모델에 따르면, 기체를 가열하면 입자의 운동 속도가 빨라져 벽에 더 강하고 자주 부딪히므로 압력이 증가합니다. 단, 입자 자체의 크기는 변하지 않습니다.
    • 증발은 액체 표면에서만 일어나며, 모든 온도에서 가능하지만, 끓음은 특정 고정된 온도에서 액체 전체에서 발생합니다. 증발 시 가장 빠른 속도로 도주하는 입자가 빠져나가므로 남은 액체는 냉각됩니다.
    • 용해와 끓음 중에는 에너지를 계속 공급함에도 온도는 일정하게 유지되는데, 이 에너지가 입자 간의 인력을 끊는 데 사용됩니다.
    • 비열 계산에는 $\Delta E = mc\,\Delta\theta$를 사용하며, 여기서 $\Delta\theta$는 최종 온도가 아닌 온도 변화량입니다.
    • 무광검은 표면은 적외선의 가장 좋은 방출체 및 흡수체이며, 광택 있는 밝은 표면은 가장 좋은 반사체입니다. 대류는 유체가 흐르기를 필요로 하므로 고체에서는 일어날 수 없습니다.
  • 3

    Waves · ⁨파동⁩

    Watch lesson · ⁨수업 보기⁩
    3.1

    General properties of waves · ⁨파동의 일반적인 성질⁩

    Syllabus
    English
    Core Supplement
    1 Know that waves transfer energy without transferring matter
    2 Describe what is meant by wave motion as illustrated by vibrations in ropes and springs, and by experiments using water waves
    3 Describe the features of a wave in terms of wavefront, wavelength, frequency, crest (peak), trough, amplitude and wave speed
    4 Recall and use the equation for wave speed $v = f \lambda$
    5 Know that for a transverse wave, the direction of vibration is at right angles to the direction of propagation and understand that electromagnetic radiation, water waves and seismic S-waves (secondary) can be modelled as transverse
    6 Know that for a longitudinal wave, the direction of vibration is parallel to the direction of propagation and understand that sound waves and seismic P-waves (primary) can be modelled as longitudinal
    7 Describe how waves can undergo: (a) reflection at a plane surface (b) refraction due to a change of speed (c) diffraction through a narrow gap 9 Describe how wavelength and gap size affects diffraction through a gap
    8 Describe the use of a ripple tank to show: (a) reflection at a plane surface (b) refraction due to a change in speed caused by a change in depth (c) diffraction due to a gap (d) diffraction due to an edge 10 Describe how wavelength affects diffraction at an edge
    한국어
    핵심 보충
    1 파동이 물질을 이동시키지 않고 에너지만을 전달함을 안다.
    2 줄이나 스프링의 진동 및 수파 실험으로 나타나는 파동 운동의 의미를 설명한다.
    3 파동의 특징을 파면, 파장, 주파수, 봉우리(최대값), 곡선(최소값), 진폭 및 파속에 대해 설명한다.
    4 파속 공식 $v = f \lambda$을 기억하고 사용한다.
    5 횡파에서는 진동 방향이 전파 방향과 수직임을 알고, 전자기복사, 수파 및 지진 S파(보조파)가 횡파로 모델링될 수 있음을 이해한다.
    6 종파에서는 진동 방향이 전파 방향과 평행함을 알고, 음파 및 지진 P파(일차파)가 종파로 모델링될 수 있음을 이해한다.
    7 파동이 다음과 같은 현상을 겪는 방법을 설명한다: (a) 평면에서의 반사, (b) 속도의 변화에 따른 굴절, (c) 좁은 틈을 통과할 때의 회절. 9 파장과 틈의 크기가 틈을 통한 회절에 미치는 영향을 설명한다.
    8 리플 탱크(Ripple tank)를 사용하여 다음을 보여주는 용도를 설명한다: (a) 평면에서의 반사, (b) 깊이 변화로 인한 속도 변화에 따른 굴절, (c) 틈에 의한 회절, (d) 모서리에 의한 회절. 10 파장이 모서리에서의 회절에 미치는 영향을 설명한다.

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    English
    Transverse vs longitudinal waves

    A wave 波 carries energy 能量 from place to place without carrying matter. For example, a water wave makes a floating cork bob up and down, but the cork does not travel along with the wave. You can make a wave on a rope by shaking one end up and down, or on a long spring by pushing one end back and forth. In a ripple tank 波纹水槽 (a shallow tray of water with a light above it) you can watch water waves on a screen below.

    Describing a wave

    • wavefront 波前: a line joining points on a wave that move together (for example, the top of one ripple)
    • wavelength 波长 ($\lambda$): the distance between two neighbouring wavefronts (one full wave)
    • frequency 频率 ($f$): the number of waves passing a point each second, measured in hertz (Hz)
    • crest 波峰 (also called the peak 峰, the top) and trough 波谷 (bottom)
    • amplitude 振幅: the largest distance a point moves from its rest position
    • wave speed 波速 ($v$): how fast a wavefront travels

    These are linked by the wave equation:

    $$v = f\lambda$$

    Worked example. A sound wave travels at $340\ \text{m/s}$ and has a frequency of $170\ \text{Hz}$. Find its wavelength.

    Rearranging $v = f\lambda$ gives $\lambda = \dfrac{v}{f}$:

    $$\lambda = \frac{340}{170} = 2.0\ \text{m}$$

    Two types of wave

    • In a transverse wave 横波 the particles vibrate at right angles (90°) to the direction the wave travels (its propagation 传播). Light, water waves and seismic S-waves (the sideways shaking in an earthquake) are transverse.
    • In a longitudinal wave 纵波 the particles vibrate along the same direction as the wave travels. Sound and seismic P-waves are longitudinal.

    Wave behaviour

    All waves can show three behaviours, which you can see in a ripple tank:

    • reflection 反射: the wave bounces off a surface.
    • refraction 折射: the wave changes speed (and usually direction) when it enters a different material or depth.
    • diffraction 衍射: the wave spreads out after passing through a gap or around an edge. The spreading is greatest when the gap is about the same size as the wavelength.
    한국어
    횡파 vs 종파

    파동은 물질을 함께 운반하지 않고 에너지만을 한 곳에서 다른 곳으로 이동시킵니다. 예를 들어, 물결이 떠 있는 마개를 위아래로 흔들지만 마개 자체는 파동과 함께 이동하지 않습니다. 줄的一端을 위아래로 흔들거나 긴 스프링的一端을 앞뒤로 밀어당김으로써 파동을 만들 수 있습니다. 리플 탱크(하단에 조명이 있는 얕은 물 그릇)에서는 아래 스크린에 물결을 관찰할 수 있습니다.

    파동 묘사하기

    • 파면(wavefront): 파동 위에서 동시에 움직이는 점들을 연결한 선 (예: 하나의 리플의 정점)
    • 파장 ($\lambda$): 두 인접한 파면 사이의 거리 (완전한 파동 하나)
    • 주파수 ($f$): 매초某 지점을 통과하는 파동의 개수이며, 헤르츠(Hz) 단위로 측정함
    • 정점(crest) (또는 봉우리 peak, 최상단)과 저점(trough) (하단)
    • 진폭(amplitude): 한 점이 평형 위치에서 이동할 수 있는 최대 거리
    • 파속(wave speed) ($v$): 파면이 이동하는 속도
    파장, 진폭, 정점 및 저점이 표시된 파동
    파동의 구성 요소: 파장, 진폭, 봉우리와 골짜기

    이들은 파동 방정식으로 연결됩니다:

    $$v = f\lambda$$
    파장, 진폭, 정점, 저점 및 진행 방향이 표시된 횡파
    파장은 두 정점 사이의 거리이며, 진폭은 평형 위치부터 정점까지의 높이입니다

    작업 예제. 소리의 파동이 $340\ \text{m/s}$로 이동하며 주파수는 $170\ \text{Hz}$입니다. 이 파동의 파장을 구하십시오.

    $v = f\lambda$를 정리하면 $\lambda = \dfrac{v}{f}$가 됩니다:

    $$\lambda = \frac{340}{170} = 2.0\ \text{m}$$

    두 종류의 파동

    • **횡파(transverse wave)**에서는 입자가 파동이 진행하는 방향(그의 전파 propagation)과 직각(90°)으로 진동합니다. 빛, 물결, 지진 S-파(지진의 좌우 흔들림)는 횡파입니다.
    • **종파(longitudinal wave)**에서는 입자가 파동이 진행하는 것과 같은 방향으로 진동합니다. 소리, 지진 P-파는 종파입니다.
    종파 위에 있는 횡파와 각 파동에서 입자가 어떻게 움직이는지 보여주는 그림
    횡파에서는 입자가 진행 방향에 대해 수직으로 진동하며, 종파에서는 진행 방향과 평행하게 진동하여 압축부 및 희박부를 만듭니다

    파동의 행동

    모든 파동은 세 가지 행동을 보일 수 있으며, 이는 리플 탱크에서 확인할 수 있습니다:

    • 반사(reflection): 파동이 표면에 튕겨 나가는 현상
    • 굴절(refraction): 파동이 다른 물질이나 깊이에 진입할 때 속도(보통 방향)가 변하는 것
    • 회절(diffraction): 파동이 틈을 지나거나 모서리를绕过后 퍼지는 현상. 틈의 크기가 파장과 거의 같을 때 퍼짐이 가장 큽니다.
    직선형 파면이 좁은 틈이 있는 장벽에 도달하여 그 너머로 곡선형 파면으로 퍼져 나가는 모습
    평면파가 좁은 틈을 지나면 곡선파로 퍼지며, 틈의 폭이 약 한 파장일 때 회절이 가장 강함
    리플 탱크에서 직선 장벽에 반사되는 평면 물결
    리플 탱크의 평면파는 직선 장벽에 반사되며, 반사된 파면은 도달했을 때의 각도와 동일한 각도로 나갑니다
    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Properties of waves · ⁨파동의 특성⁩

    y = a sin(bx + c)

    A wave: a is amplitude, b sets the wavelength. · ⁨파동에서: a는 진폭이며, b는 파장을 결정합니다.⁩

    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Transverse & longitudinal waves · ⁨횡파 및 종파⁩

    Flip between a transverse wave (particles bob up and down, like water and light) and a longitudinal one (particles slide back and forth, bunching into compressions, like sound). The wave moves; the particles stay put. · ⁨물과 빛처럼 입자가 위아래로 움직이는 횡파와 소리와 같이 입자가 앞뒤로 미끄러져 압축 영역을 형성하는 종파 사이를 전환해 보십시오. 파동은 이동하지만 입자는 제자리에 머물러 있습니다.⁩

    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Two waves overlapping · ⁨두 파동의 중첩⁩

    Change the second wave. Where waves meet they add — sometimes reinforcing, sometimes cancelling. · ⁨두 번째 파동을 변경하세요. 파동이 만나는 곳에서는 더해집니다 —Sometimes 증폭되기도 하고 Sometimes 상쇄되기도 합니다.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    wave/weɪv/ 파동으로 treating 한다
    energy/ˈenədʒi/ 에너지
    ripple tank/ˈrɪpl tæŋk/ ripple tank( ripple 탱크)
    wavefront/ˈweɪvfrʌnt/ 파면
    wavelength/ˈweɪvleŋθ/ 파장
    frequency/ˈfriːkwənsi/ 주파수
    crest/krest/ 봉우리
    peak/piːk/ 봉우리
    trough/trɒf/ 저점(trough)
    amplitude/ˈæmplɪtjuːd/ 진폭
    wave speed/weɪv spiːd/ 파속
    transverse wave/trænsˈvɜːs weɪv/ 횡파
    propagation/ˌprɒpəˈɡeɪʃn/ 전파 단계(propagation)
    longitudinal wave/ˌlɒŋɡɪˈtjuːdɪnl weɪv/ 종파
    reflection/rɪˈflekʃn/ 반사각
    refraction/rɪˈfrækʃn/ 굴절각
    diffraction/dɪˈfrækʃn/ 회절
    light/laɪt/ 빛
    normal/ˈnɔːml/ 수직선
    3.2

    Light 光 · ⁨빛⁩

    Syllabus
    English

    3.2.1 Reflection of light

    Core Supplement
    1 Define and use the terms normal, angle of incidence and angle of reflection
    2 Describe the formation of an optical image by a plane mirror and give its characteristics, i.e. same size, same distance from mirror, virtual
    3 State that for reflection, the angle of incidence is equal to the angle of reflection; recall and use this relationship 4 Use simple constructions, measurements and calculations for reflection by plane mirrors

    3.2.2 Refraction of light

    Core Supplement
    1 Define and use the terms normal, angle of incidence and angle of refraction
    2 Describe an experiment to show refraction of light by transparent blocks of different shapes 6 Define refractive index, $n$, as the ratio of the speeds of a wave in two different regions
    3 Describe the passage of light through a transparent material (limited to the boundaries between two mediums only) 7 Recall and use the equation
    $$n = \frac{\sin i}{\sin r}$$
    4 State the meaning of critical angle 8 Recall and use the equation
    $$n = \frac{1}{\sin c}$$
    5 Describe internal reflection and total internal reflection using both experimental and everyday examples 9 Describe the use of optical fibres, particularly in telecommunications

    3.2.3 Thin lenses

    Core Supplement
    1 Describe the action of thin converging and thin diverging lenses on a parallel beam of light
    2 Define and use the terms focal length, principal axis and principal focus (focal point)
    3 Draw and use ray diagrams for the formation of a real image by a converging lens 6 Draw and use ray diagrams for the formation of a virtual image by a converging lens
    4 Describe the characteristics of an image using the terms enlarged/same size/diminished, upright/inverted and real/virtual 7 Describe the use of a single lens as a magnifying glass
    5 Know that a virtual image is formed when diverging rays are extrapolated backwards and does not form a visible projection on a screen
    8 Describe the use of converging and diverging lenses to correct long-sightedness and short-sightedness

    3.2.4 Dispersion of light

    Core Supplement
    1 Describe the dispersion of light as illustrated by the refraction of white light by a glass prism
    2 Know the traditional seven colours of the visible spectrum in order of frequency and in order of wavelength 3 Recall that visible light of a single frequency is described as monochromatic
    한국어

    3.2.1 빛의 반사

    핵심 보충
    1 법선, 입사각 및 반사각의 의미를 정의하고 사용함
    2 평면 거울에 의한 광학적 상의 형상을 서술하고, 그 특성(동일한 크기, 거울로부터 동일한 거리, 가상의 상)을 나열함
    3 반사 현상에서 입사각은 반사각과 같음을 밝히고, 이 관계를 기억하여 활용함 4 평면 거울의 반사에 대한 단순 도식, 측정 및 계산을 수행함

    3.2.2 빛의 굴절

    핵심 보충
    1 법선, 입사각 및 굴절각의 의미를 정의하고 사용함
    2 서로 다른 모양의 투명한 블록에 의한 빛의 굴절을 보여주는 실험을 서술함 6 굴절률, $n$를 두 매질에서의 파동의 속도의 비로 정의함
    3 빛이 투명한 물질을 통과하는 경로를 서술함(두 매질 사이의 경계면에만 국한). 7 식
    $$n = \frac{\sin i}{\sin r}$$
    을 기억하여 활용함
    4 임계각의 의미를 설명함 8 식
    $$n = \frac{1}{\sin c}$$
    을 기억하여 활용함
    5 실험적 예시와 일상생활의 예를 들어 내부 반사 및 전반사를 서술함 9 광섬유의 용도, 특히 통신 분야에서의 적용을 서술함

    3.2.3 얇은 렌즈

    핵심 보충
    1 평행광선束에 대한 얇은 수렴 렌즈 및 얇은 발산 렌즈의 작용을 서술함
    2 초점 거리, 주축 및 주초점(초점)의 의미를 정의하고 사용함
    3 수렴 렌즈에 의한 실상의 형성을 위한 광선도를 그리기 및 활용함 6 수렴 렌즈에 의한 가상의 상의 형성을 위한 광선도를 그리기 및 활용함
    4 확대/동일/축소, 정립/역설, 실상/가상 등의 용어를 사용하여 상의 특성을 서술함 7 단일 렌즈를 확대경으로 사용하는 방법을 서술함
    5 발산 광선을 역방향으로 연장할 때 가상의 상이 형성되며, 스크린에 직접 투사되지 않음을 알고 있음
    8 근시 및 원시의 교정을 위해 수렴 렌즈와 발산 렌즈를 사용하는 방법을 서술함

    3.2.4 빛의 분산

    핵심 보충
    1 유리 프리즘에 의한 백색광의 굴절을 통해 빛의 분산 현상을 서술함
    2 가시 스펙트럼의 전통적인 일곱 가지 색상을 주파수 순서 및 파장 순서에 따라 알고 있음 3 단일 주파수의 가시광선은 단색광이라고 불림

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    English
    A converging lens forms an image
    Total internal reflection

    Reflection

    When light hits a mirror, it reflects. We measure angles from the normal 法线 (a line at 90° to the surface).

    The law of reflection: the angle of incidence 入射角 equals the angle of reflection 反射角.

    A plane mirror 平面镜 forms an image that is the same size as the object, the same distance behind the mirror, and virtual (it cannot be caught on a screen).

    Refraction

    When light passes from one material into another, it changes speed and bends. The angle in the second material is the angle of refraction 折射角.

    Seeing refraction. Shine a narrow ray from a ray box 光线盒 into a rectangular glass block standing on paper. Mark the ray going in and the ray coming out, remove the block, and join the marks to draw the ray inside the glass. Draw the normal where the ray enters and measure the angle of incidence and the angle of refraction with a protractor. Repeat with a semicircular block or a prism: the ray always bends towards the normal on entering the glass and away from the normal on leaving.

    The refractive index 折射率 $n$ compares the speed of light in the two materials:

    $$n = \frac{\sin i}{\sin r}$$

    Worked example. A ray of light passes from air into glass. The angle of incidence is 60° and the angle of refraction is 35°. Find the refractive index of the glass. (Take $\sin i = 0.87$ and $\sin r = 0.57$.)

    $$n = \frac{\sin i}{\sin r} = \frac{0.87}{0.57} = 1.5$$

    When light tries to leave glass or water and the angle is too large, it cannot get out and instead reflects completely. This is total internal reflection 全反射. It happens when the angle inside is bigger than the critical angle 临界角 $c$:

    $$n = \frac{1}{\sin c}$$

    This effect is used in optical fibres 光纤, thin glass threads that carry light signals for telephones and the internet.

    Lenses

    A converging lens 凸透镜 (fat in the middle) bends parallel rays inwards to a point called the principal focus 焦点. The principal axis 主光轴 is the straight line through the centre of the lens at right angles to it; the principal focus lies on this axis. The distance from the centre of the lens to the principal focus is the focal length 焦距. A diverging lens 凹透镜 (thin in the middle) spreads parallel rays out, as if they came from a focus on the incoming side.

    A converging lens can form a real image 实像 (rays really meet; can be shown on a screen) or, when the object is very close, a virtual image 虚像 (rays only seem to come from it). Used close to the eye, a converging lens is a magnifying glass 放大镜.

    Describe an image with three pairs of words: enlarged 放大的 or diminished 缩小的 (or the same size), upright 正立 or inverted 倒立 (upside down), and real or virtual. An object far beyond the focus gives a diminished, inverted, real image (as in a camera). An object between the focus and the lens gives an enlarged, upright, virtual image (a magnifying glass).

    Correcting sight. A person with short-sightedness 近视 sees near things clearly but distant things are blurred: the eye focuses the light in front of the retina 视网膜 (the back of the eye). A diverging lens in front of the eye spreads the rays out first, so they focus on the retina. A person with long-sightedness 远视 sees distant things clearly but near things are blurred: the eye focuses the light behind the retina. A converging lens brings the rays together a little before they enter the eye.

    Dispersion

    A glass prism 棱镜 splits white light into the colours of the spectrum 光谱. This splitting is called dispersion 色散.

    The order of colours is red, orange, yellow, green, blue, indigo, violet. Red light has the longest wavelength and the lowest frequency; violet is the opposite. Light of a single frequency (one pure colour) is monochromatic 单色.

    한국어
    수렴 렌즈는 상을 만듭니다
    전반사

    반사

    빛이 거울에 닿으면 반사된다. 각도는 **법선(표면에 90°로 수직인 선)**에서 측정한다.

    반사의 법칙: **입사각(angle of incidence)**은 **반사각(angle of reflection)**과 같습니다.

    **평면 거울(plane mirror)**은 물체와 동일한 크기의 상을 만들고, 거울 뒤에서 동일한 거리에 형성되며, **가상(virtual)**입니다 (스크린에 잡힐 수 없음).

    입사선과 반사선이 거울에서 만나는 모습, 법선을 중심으로 양측에 동일한 각도가 표시됨
    평면 거울에서 입사각 $i$은 반사각 $r$과 같으며, 둘 다 법선으로부터 측정함

    굴절

    빛이 한 물질에서 다른 물질로 통과할 때 속도가 변하고 휘어집니다. 두 번째 물질에서의 각도를 **굴절각(angle of refraction)**이라고 합니다.

    공기에서 유리 속으로 들어가는 광선이 법선 쪽으로 휘어진 모습
    공기에서 유리로 갈 때 빛은 느려지며 법선 쪽으로 휘어지므로 $i > r$

    굴절 관찰하기. **광원 박스(ray box)**에서 좁은 광선을 종이 위에 세워둔 직사각형 유리 블록으로 비추십시오. 들어오는 광선과 나오는 광선에 표시를 하고, 블록을 제거한 후 표시를 이어 유리 내부의 광선을 그리십시오. 광선이 유리进入하는 지점에 법선을 그리고, 분광기를 사용하여 입사각과 굴절각을 측정하십시오. 원반 모양 블록 또는 프리즘으로 반복하십시오: 광선은 유리进入 시 항상 법선 쪽으로 휘어지고, 유리 exiting 시 법선에서 멀어집니다.

    굴절률 $n$은 두 물질 내에서의 빛의 속도를 비교한다:

    $$n = \frac{\sin i}{\sin r}$$

    작업 예제. 빛의 광선이 공기에서 유리로 들어갑니다. 입사각은 60°이고 굴절각은 35°입니다. 유리의 굴절율을 구하십시오. ($\sin i = 0.87$과 $\sin r = 0.57$을 사용하십시오.)

    $$n = \frac{\sin i}{\sin r} = \frac{0.87}{0.57} = 1.5$$

    빛이 유리나 물을 빠져나오려 할 때 각도가 너무 크면 빛은 밖으로 나가지 못하고 완전히 반사됩니다. 이를 전반사라고 합니다. 내부 각도가 임계각 $c$보다 클 때 발생합니다.

    $$n = \frac{1}{\sin c}$$
    두 개의 유리 블록: 하나에서는 광선이 굴절하여 outside로 나가고, 다른 하나에서는 전방사됨
    임계각 이하에서는 빛이 굴절하여outside로 나가지만, 임계각 이상에서는 빛이 전방사됩니다

    이 현상은전화와 인터넷의 신호를 전달하는 가늘고 긴 유리 실인 광섬유에 활용됩니다.

    한 손에 잡힌 여러 개의 가늘고 긴 섬유들이 어두운 방에서 끝부분이 밝게 빛나고 있음
    전반사는 빛이 각 섬유를 따라 계속 튀어 다닐 수 있게 하여 끝부분에서 빛을 내보내도록 합니다

    렌즈

    수렴 렌즈(가운데가 두꺼움)는 평행 광선을 안쪽으로 휘어지게 하여 주초점이라는 점으로 모으게 합니다. 주축은 렌즈의 중심을 지나 렌즈에 수직인 직선이며, 주초점은 이 축 위에 위치합니다. 렌즈의 중심부터 주초점까지의 거리를 초점 거리라고 합니다. 발산 렌즈(가운데가 얇음)는 평행 광선을 바깥쪽으로 퍼뜨리는데, 마치 입사측에 있는 초점에서 온 것처럼 보입니다.

    수렴 렌즈를 통과하는 평행 광선이 주초점에서 만나는 모습
    수렴 렌즈는 평행 광선을 주초점에서 만나게 하며, 초점 거리 $f$는 렌즈와 초점 사이의 거리입니다

    수렴 렌즈는 광선이 실제로 만나는 실상(화면에 나타낼 수 있음)이나, 피사체가 매우 가까울 때는 광선이貌似 오직 그곳에서 온 것처럼 보이는 가상상을 만들 수 있습니다. 눈 근처에서 사용할 때 수렴 렌즈는 확대경이 됩니다.

    세 쌍의 단어로 상을 설명하십시오: 확대 또는 축소(또는 같은 크기), 정립 또는 역설(뒤집힘), 그리고 실상 또는 가상상. 초점 너머 멀리 있는 물체는 축소되고 역설된 실상을 만듭니다(카메라와 같음). 초점과 렌즈 사이에 있는 물체는 확대되고 정립된 가상상을 만듭니다(확대경과 같음).

    시력 교정. 근시는 가까운 것은 잘 보이지만 먼 것은 흐릿하게 보입니다: 눈이 빛을 망막(눈 뒤쪽) 앞에 초점을 맞춥니다. 눈 앞에 놓인 발산 렌즈가 먼저 광선을 퍼뜨려 망막에 초점을 맞추게 합니다. 원시는 먼 것은 잘 보이지만 가까운 것은 흐릿하게 보입니다: 눈이 빛을 망막 뒤에 초점을 맞춥니다. 수렴 렌즈는 광선이 눈에 들어가기 전에 약간 모이게 합니다.

    손이 동그란 볼록 렌즈를 잡고 있으며, 그 렌즈를 통해 뒤집힌 집들이 보임
    눈에서 떼어놓고 사용하면 수렴 렌즈는 실상을 만드는데, 여기서는 뒤집힌 집들이 역설되어 보임

    분산

    유리 프리즘은 백색 빛을 분광선의 색으로 나눕니다. 이러한 빛의 분리는 분산이라고 합니다.

     prism이 백색 빛을 빨강부터 보라까지 색의 부채꼴로 분산시키는 모습
    프리즘은 보라색 빛을 가장 많이 굴절시키고 빨간색 빛을 가장 적게 굴절하므로, 백색 빛이 분광선으로 퍼집니다

    색의 순서는 빨강, 주황, 노랑, 초록, 파랑, 남색, 보랑입니다. 빨간 빛은 가장 긴 파장과 가장 낮은 진동수를 가지며, 보라색은 그 반대입니다. 단일 진동수(순수한 한 색)의 빛을 단색광이라고 합니다.

    검은 배경 위에서 유리 프리즘으로 들어온 좁은 백색 빔이 밝은 무지개 색상 줄무늬로 퍼져 나옴
    실제 유리 프리즘으로 들어온 백색 빛은 모든 색상의 완전한 분광선으로 퍼집니다
    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Bend a light ray · ⁨빛의 선을 굽히기⁩

    Shine light into water, glass or diamond and change the angle. The ray slows and bends toward the normal — the denser the material (higher n), the more it bends. That bending is why a straw looks broken in a glass, and why diamonds sparkle. · ⁨빛을 물, 유리 또는 다이아몬드에 비추고 각도를 변경하십시오. 빛의 선은 느려지며 법선에靠近하여 굽힙니다. 물질이 밀도일수록(높은 n일수록) 더 많이 굽힙니다. 이 굽힘 현상이 마늘줄기가 유리잔에서 부러져 보이거나 다이아몬드가 반짝이는 이유입니다.⁩

    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Image formation by a converging lens · ⁨합수 렌즈에 의한 상 형성⁩

    Trace the three special rays from the object — where they meet is the image. Move the object closer than the focal point to flip it into a magnifying glass. · ⁨물체에서 세 가지 특수 광선을 그리세요. 이 광선이 만나는 지점이 상입니다. 물체를 초점보다 nearer로 이동시키면 확대경이 됩니다.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    angle of incidence/ˈæŋɡl ɒv ˈɪnsɪdəns/ 입사각
    angle of reflection/ˈæŋɡl ɒv rɪˈflekʃn/ 반사각
    plane mirror/pleɪn ˈmɪrə/ 평면 거울
    angle of refraction/ˈæŋɡl ɒv rɪˈfrækʃn/ 굴절각
    ray box/reɪ bɒks/ 레이 박스
    refractive index/rɪˈfræktɪv ˈɪndeks/ 굴절율
    total internal reflection/ˈtəʊtl ɪnˈtɜːnl rɪˈflekʃn/ 전반사
    critical angle/ˈkrɪtɪkl ˈæŋɡl/ 희박 매질 (공기)
    optical fibre/ˈɒptɪkl ˈfaɪbə/ 광섬유
    converging lens/kənˈvɜːdʒɪŋ lenz/ 수렴 렌즈
    principal focus/ˈprɪnsɪpl ˈfəʊkəs/ 주초점
    principal axis/ˈprɪnsɪpl ˈæksɪs/ 주축
    focal length/ˈfəʊkl leŋθ/ 초점 거리
    diverging lens/daɪˈvɜːdʒɪŋ lenz/ 발산 렌즈
    real image/rɪəl ˈɪmɪdʒ/ 실상
    virtual image/ˈvɜːtʃuːəl ˈɪmɪdʒ/ 가상像
    magnifying glass/ˈmæɡnɪfaɪɪŋ ɡlæs/ 확대경
    enlarged/enˈlɑːdʒd/ 확장된
    diminished/dɪˈmɪnɪʃt/ 축소됨
    upright/ˈʌpraɪt/ 세로로 정립됨
    inverted/ɪnˈvɜːtɪd/ 뒤집힌 상태임
    short-sightedness/ʃɔːt ˈsaɪtɪdnəs/ 근시
    retina/ˈretɪnə/ 망막(retina)
    long-sightedness/lɒŋ ˈsaɪtɪdnəs/ 원시
    prism/ˈprɪzəm/ Prism
    dispersion/dɪˈspɜːʃn/ 산란
    monochromatic/ˌmɒnəʊkrəʊˈmætɪk/ 단색(monochromatic)
    electromagnetic spectrum/ɪˌlektrəʊməɡˈnetɪk ˈspektrəm/ 전자기 펙트럼
    vacuum/ˈvækjuːm/ 진공
    radio waves/ˈreɪdɪəʊ weɪvz/ 전자파
    microwave/ˈmaɪkrəʊweɪv/ 마이크로파
    infrared/ˌɪnfrəˈred/ 적외선
    ultraviolet/ˌʊltrəˈvaɪəlɪt/ 자외선
    X-rays/eks reɪz/ 엑스선
    gamma rays/ˈɡæmə reɪz/ 감마선
    artificial satellites/ˌɑːtɪˈfɪʃl ˈsætəlaɪts/ 인공위성
    low orbit/ləʊ ˈɔːbɪt/ 저궤도
    geostationary orbit/ˌdʒiːəʊˈsteɪʃənəri ˈɔːbɪt/ 정지 궤도
    analogue/ˈænəlɒɡ/ 아날로그
    digital/ˈdɪdʒɪtl/ 디지털(digital)
    3.3

    The electromagnetic spectrum 电磁波谱 · ⁨전자기 스펙트럼⁩

    Syllabus
    English
    Core Supplement
    1 Know the main regions of the electromagnetic spectrum in order of frequency and in order of wavelength
    2 Know that all electromagnetic waves travel at the same high speed in a vacuum 6 Know that the speed of electromagnetic waves in a vacuum is $3.0 \times 10^8\text{ m/s}$ and is approximately the same in air
    3 Describe typical uses of the different regions of the electromagnetic spectrum including: (a) radio waves; radio and television transmissions, astronomy, radio frequency identification (RFID) (b) microwaves; satellite television, mobile phones (cell phones), microwave ovens (c) infrared; electric grills, short range communications such as remote controllers for televisions, intruder alarms, thermal imaging, optical fibres (d) visible light; vision, photography, illumination (e) ultraviolet; security marking, detecting fake bank notes, sterilising water (f) X-rays; medical scanning, security scanners (g) gamma rays; sterilising food and medical equipment, detection of cancer and its treatment
    4 Describe the harmful effects on people of excessive exposure to electromagnetic radiation, including: (a) microwaves; internal heating of body cells (b) infrared; skin burns (c) ultraviolet; damage to surface cells and eyes, leading to skin cancer and eye conditions (d) X-rays and gamma rays; mutation or damage to cells in the body
    5 Know that communication with artificial satellites is mainly by microwaves: (a) some satellite phones use low orbit artificial satellites (b) some satellite phones and direct broadcast satellite television use geostationary satellites 7 Know that many important systems of communications rely on electromagnetic radiation including: (a) mobile phones (cell phones) and wireless internet use microwaves because microwaves can penetrate some walls and only require a short aerial for transmission and reception (b) Bluetooth uses radio waves because radio waves pass through walls but the signal is weakened on doing so (c) optical fibres (visible light or infrared) are used for cable television and high-speed broadband because glass is transparent to visible light and some infrared; visible light and short wavelength infrared can carry high rates of data
    8 Know the difference between a digital and analogue signal
    9 Know that a sound can be transmitted as a digital or analogue signal
    10 Explain the benefits of digital signalling including increased rate of transmission of data and increased range due to accurate signal regeneration
    한국어
    핵심 보충
    1 전자기 스펙트럼의 주요 영역을 주파수 순서 및 파장 순서에 따라 알고 있음
    2 모든 전자기파는 진공 내에서 동일한 높은 속도로 진행함을 알고 있음 6 진공 내 전자기파의 속도는 $3.0 \times 10^8\text{ m/s}$이며 공기 중에서는 거의 동일함을 알고 있음
    3 전자기 스펙트럼의 각 영역의 일반적인 용도를 서술함: (a) 라디오파; 라디오 및 TV 전송, 천문학, RFID (b) 마이크로파; 위성 TV, 휴대전화, 전자레인지 (c) 적외선; 전기 그릴, 리모컨 등 단거리 통신, 침입 탐지 경보, 열화상, 광섬유 (d) 가시광선; 시각, 사진 촬영, 조명 (e) 자외선; 보안 표시, 위조 지폐 감지, 소독 (f) X-선; 의료 영상, 보안 검사 (g) 감마선; 식품 및 의료기기 살균, 암 진단 및 치료
    4 과도한 전자기 복사에 노출될 때 인체에 미치는 해로운 영향을 서술함: (a) 마이크로파; 체내 세포의 내부 가열 (b) 적외선; 피부 화상 (c) 자외선; 표피 세포 및 눈 손상, 피부암 및 안과 질환 유발 (d) X-선 및 감마선; 체내 세포의 변이 또는 손상
    5 인공 위성과의 통신은 주로 마이크로파를 이용함을 알고 있음: (a) 일부 위성 전화는 저궤도 인공위성을 사용함 (b) 일부 위성 전화 및 직방 위성 TV는 정지궤도 위성을 사용함 7 중요한 통신 시스템의 대부분이 전자기복사를 이용함을 알고 있음: (a) 휴대전화 및 무선 인터넷은 마이크로파를 사용하는데, 이는 벽 등을 관통할 수 있고 송수신에 필요한 안테나가 짧기 때문임 (b) 블루투스는 라디오파를 사용하는데, 이는 벽을 통과하지만 신호가 약해지기 때문임 (c) 광섬유(가시광선 또는 적외선)는 케이블 TV 및 고속 브로드밴드에 사용되는데, 유리가 가시광선 및 일부 적외선에 대해 투명하기 때문에 가시광선과 짧은 파장의 적외선은 높은 데이터 전송률을 전달할 수 있음
    8 디지털 신호와 아날로그 신호의 차이를 알고 있음
    9 소리는 디지털 또는 아날로그 신호로 전송될 수 있음을 알고 있음
    10 디지털 신호화의 이점을 설명함: 데이터 전송 속도 증가 및 정확한 신호 재생으로 인한 전송 거리 증가

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    English

    The electromagnetic spectrum is a family of waves that all travel at the same high speed in a vacuum 真空, $3.0 \times 10^8\ \text{m/s}$. In order from longest wavelength (lowest frequency) to shortest:

    Region A typical use Danger from too much
    radio waves 无线电波 radio and TV signals, astronomy, RFID tags —
    microwaves 微波 mobile phones, satellite TV, cooking heating of body cells
    infrared 红外线 remote controls, thermal imaging, grills, optical fibres skin burns
    visible light seeing, photography —
    ultraviolet 紫外线 sterilising water, checking bank notes skin cancer, eye damage
    X-rays X射线 medical and security scans damage to cells
    gamma rays 伽马射线 sterilising equipment, treating cancer mutation of cells

    As you go from radio waves to gamma rays, the frequency rises, the wavelength falls, and the energy (and danger) rises. The speed of electromagnetic waves in air is almost the same as in a vacuum.

    Satellites. Communication with artificial satellites 人造卫星 mainly uses microwaves, because they pass through the atmosphere. Some satellite phones use satellites in low orbit 低轨道, close to the Earth. Other satellite phones, and direct broadcast satellite television, use satellites in geostationary orbit 地球静止轨道, which stay above the same point on the Earth.

    Digital and analogue signals

    Radio waves and microwaves carry information as signals, and a signal is either analogue 模拟 or digital 数字. An analogue signal varies continuously and can take any value; a digital signal is a stream of just two values, on or off (1 or 0). Sound can be sent as either kind of signal: a microphone gives an analogue signal, which can be turned into a digital one.

    Modern communication prefers digital signalling for two reasons the exam asks for:

    • a higher rate of data transmission;
    • a greater range: a weak digital signal can be regenerated back to a clean 1/0 exactly, because only two levels have to be told apart, so noise picked up along the way is removed. An analogue signal cannot be cleaned up this way, so its noise builds up.
    한국어

    전자기 스펙트럼은 모두 진공 $3.0 \times 10^8\ \text{m/s}$에서 동일한 높은 속도로 이동하는 일종의 파동 그룹입니다. 가장 긴 파장(가장 낮은 진동수)에서 가장 짧은 파장으로 순서대로:

    영역 일반적인 용도 과도 노출 시 위험성
    라디오파 라디오 및 TV 신호, 천문학, RFID 태그 —
    마이크로파 휴대폰, 위성 TV, 요리 신체 세포 가열
    적외선 리모컨, 열화상 카메라, 그릴, 광섬유 피부 화상
    가시광선 시각, 사진 촬영 —
    자외선 물 소독, 지폐 검사 피부암, 눈 손상
    엑스선 X 의료 및 보안 검사 세포 손상
    감마선 기기 소독, 암 치료 세포 변이

    라디오파에서 감마선으로 갈수록 진동수는 높아지고 파장은 짧아지며, 에너지(및 위험성)는 증가합니다. 공기 중 전자기파의 속도는 진공의 속도와 거의 같습니다.

    위성. 인공위성과의 통신에는 주로 대기를 통과할 수 있는 마이크로파를 사용합니다. 일부 위성 전화는 지구에 가까운 저궤 위성을 사용합니다. 다른 위성 전화와 직접 방송 위성 텔레비전은 지구 위의 같은 지점을 항상 가리키는 정지 궤도 위성을 사용합니다.

    전파에서 감마선까지의 전자기 스펙트럼 색대
    라디오파에서 감마선으로 갈수록 파장은 짧아지고 진동수 및 에너지는 증가함

    디지털 및 아날로그 신호

    라디오파와 마이크로파는 신호를 통해 정보를 전달하며, 신호는 either 아날로그 또는 디지털입니다. 아날로그 신호는 연속적으로 변동하여 어떤 값이나 가질 수 있으며, 디지털 신호는 on 또는 off(1 또는 0)라는 두 가지 값만 가진 스트림입니다. 소리는 두 종류의 신호 중 어느 것으로든 전송될 수 있으며, 마이크는 아날로그 신호를 제공하여 이를 디지털 신호로 변환할 수 있습니다.

    현대 통신은 시험에서 요구하는 두 가지 이유로 디지털 신호를 선호합니다:

    • 더 높은 데이터 전송 속도;
    • 넓은 범위: 약한 디지털 신호는 오직 두 가지 수준만 구분하면 되므로, 경로를 따라 잡힌 노이즈가 제거되어 청정한 1/0 상태로 정확히 재생될 수 있다. 아날로그 신호는 이렇게 정화할 수 없으므로 노이즈가 누적된다.
    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Slide across the spectrum · ⁨스펙트럼을 가로지르기⁩

    Radio waves, visible light and gamma rays are all the same wave — only the wavelength changes, and with it the frequency, photon energy and everyday use. · ⁨라디오파, 가시광선 및 감마선은 모두 같은 파동이며, 오직 파장만이 달라지고 그에 따라 주파수, 광자 에너지 및 일상적 용도도 달라진다.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    spectrum/ˈspektrəm/ 주파수 스펙트럼
    3.4

    Sound 声音 · ⁨소리⁩

    Syllabus
    English
    Core Supplement
    1 Describe the production of sound by vibrating sources
    2 Describe the longitudinal nature of sound waves 10 Describe compression and rarefaction
    3 State the approximate range of frequencies audible to humans as 20Hz to 20000Hz
    4 Know that a medium is needed to transmit sound waves
    5 Know that the speed of sound in air is approximately 330–350m/s 11 Know that, in general, sound travels faster in solids than in liquids and faster in liquids than in gases
    6 Describe a method involving a measurement of distance and time for determining the speed of sound in air
    7 Describe how changes in amplitude and frequency affect the loudness and pitch of sound waves
    8 Describe an echo as the reflection of sound waves
    9 Define ultrasound as sound with a frequency higher than 20kHz 12 Describe the uses of ultrasound in non-destructive testing of materials, medical scanning of soft tissue and sonar including calculation of depth or distance from time and wave speed
    한국어
    핵심 보충
    1 진동하는 진동원에 의한 소리 생성을 서술함
    2 소리파의 종파적 성질을 서술함 10 압축 및 팽창을 설명함
    3 인간이 들을 수 있는 주파수의 대략적 범위가 20Hz부터 20000Hz임을 밝힘
    4 소리파를 전달하기에는 매질이 필요함을 알고 있음
    5 공기 중 소리 속도가 약 330–350m/s임을 알고 있음 11 일반적으로 소리는 고체에서 액체보다 빠르고, 액체에서 기체보다 빠르다는 것을 알고 있음
    6 거리와 시간을 측정하는 방법을 사용하여 공기 중 소리 속도를 구하는 방법을 서술함
    7 진폭과 주파수의 변화가 음의 세기와 높이에 미치는 영향을 설명하다
    8 반향을 음파의 반사로 설명하다
    9 초음파를 20kHz 이상의 주파수를 가진 소리라고 정의하다 12 초음파의 비파괴 검사, 연부 조직의 의학적 영상 촬영 및 소나(시간과 파동 속도를 이용한 깊이 또는 거리 계산 포함)에서의 활용을 설명하다

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    English

    Sound is made by a vibrating object. It is a longitudinal wave: the air is squeezed into a compression 压缩 (particles close together) and stretched into a rarefaction 稀疏 (particles far apart).

    • Sound needs a medium 介质 (a material) to travel through, so it cannot travel through a vacuum.
    • Humans can hear frequencies from about $20\ \text{Hz}$ to $20\,000\ \text{Hz}$.
    • Sound travels much slower than light (about $340\ \text{m/s}$ in air), and faster in liquids and solids than in gases.
    • A larger amplitude makes a louder sound (greater loudness 响度); a higher frequency makes a higher pitch 音调. So a dolphin's rapid clicks are high-pitched, and a hard drum-hit (big vibration) is loud.

    A reflected sound is an echo 回声.

    Measuring the speed of sound. Two students stand a known distance apart, for example 500 m, measured with a tape or a trundle wheel. One bangs two blocks of wood together. The other starts a stopwatch when they see the blocks hit and stops it when they hear the bang. Light arrives almost at once, so the time measured is the time the sound takes, and speed = distance ÷ time. Repeat and take an average to reduce the reaction-time error. The echo method needs one person: clap at a known distance from a large wall and time the reflected sound, remembering that the sound travels there and back.

    Worked example. A student stands 85 m from a large wall and claps once. The echo returns 0.50 s later. Find the speed of sound.

    The sound travels to the wall and back, a distance of $2 \times 85 = 170\ \text{m}$, in $0.50\ \text{s}$:

    $$v = \frac{s}{t} = \frac{170}{0.50} = 340\ \text{m/s}$$

    Ultrasound 超声波 is sound above $20\,000\ \text{Hz}$ – too high for humans to hear. Its uses rely on reflection: sonar measures water depth, medical scanning images a baby or soft tissue, and non-destructive testing finds cracks inside metal without cutting it open. Like an echo, an ultrasound pulse travels there and back, so halve the total distance to reach the object.

    Worked example. A sonar pulse returns from the seabed $0.10\ \text{s}$ after it is sent; sound travels at $1500\ \text{m/s}$ in water. The pulse covers $s = v\times t = 1500\times0.10 = 150\ \text{m}$ there and back, so the sea is $150/2 = 75\ \text{m}$ deep.

    한국어

    음파는 진동하는 물체에 의해 생성됩니다. 종파입니다: 공기는 입자가 서로 가까운 압축과 입자가 서로 먼 소밀도로 늘려집니다.

    • 소리는 이동하기 위해 매질(물질)이 필요하므로 진공을 통과할 수 없습니다.
    • 인간은 약간 $20\ \text{Hz}$부터 $20\,000\ \text{Hz}$까지의 주파수를 들을 수 있습니다.
    • 소리는 빛보다 훨씬 느리게 이동합니다(공기 중 약간 $340\ \text{m/s}$), 그리고 기체보다 액체 및 고체에서 더 빠르게 이동합니다.
    • 진폭이 클수록 더 큰 소리(큰 크기)가 나며, 주파수가 높을수록 높은 음높이가 나옵니다. 따라서 돌고래의 빠른 클릭음은 높은 음높이를 가지며, 두드림이 강할 때(큰 진동) 큰 소리가 납니다.

    반사된 소리는 에코입니다.

    음파의 속도 측정. 두 명의 학생이 줄자나 로우러 휠로 측정한 '). 예: 500m)'와 같은 알려진 거리에서 서 있습니다. 한 사람이 나무 블록 두 개를 맞붙입니다. 다른 사람은 블록이 부딪히는 것을 보면 스톱워치를 시작하고 소리를 들으면 멈춥니다. 빛은 거의 즉시 도달하므로 측정된 시간은 소리가 걸리는 시간이며, 속도 = 거리 ÷ 시간입니다. 반복하여 평균을 내면 반응 시간 오류를 줄일 수 있습니다. 에코 방식은 한 사람만 필요합니다: 큰 벽에서 알려진 거리에서 박수치고 반사된 소리의 시간을 측정하며, 소리가 туда и обратно travels to there and back임을 기억하세요.

    해설 문제. 한 학생이 큰 벽에서 85m 떨어진 곳에 서서 한 번 박수칩니다. 에코가 0.50초 뒤에 돌아옵니다. 음파의 속도를 구하십시오.

    소리는 벽에 가고 다시 돌아오는 거리 $2 \times 85 = 170\ \text{m}$를 $0.50\ \text{s}$ 동안 이동합니다:

    $$v = \frac{s}{t} = \frac{170}{0.50} = 340\ \text{m/s}$$

    초음파는 $20\,000\ \text{Hz}$보다 높은 소리 – 인간이 들을 수 없을 정도로 높은 주파수입니다. 그 용도는 반사에 기반합니다: 소나는 수심을 측정하고, 의료 초음파 검사는 태아나 연부 조직을 이미지화하며, 무손상 검사는 금속을 절단하지 않고 내부 균열을 찾습니다. 에코처럼 초음파 펄스는 거那里和回来那里和回来 travels there and back하므로, 총 거리를 반으로 나누어 대상까지의 거리를 구해야 합니다.

    해설 문제. 소나 펄스가 보낸 후 $0.10\ \text{s}$ 뒤에 해저에서 돌아옵니다. 물중에서의 음파 속도는 $1500\ \text{m/s}$입니다. 펄스는在那里和回来那里和回来 there and back covers $s = v\times t = 1500\times0.10 = 150\ \text{m}$因此海深为 $150/2 = 75\ \text{m}$.

    마이크로폰은 공기 중의 소리 진동을 전기 신호로 변환합니다
    마이크로폰은 공기 중의 소리 진동을 전기 신호로 변환합니다
    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Sound · ⁨소리⁩

    y = a sin(bt + c)

    Louder = bigger amplitude; higher pitch = higher frequency. · ⁨더 큰 소리 = 더 큰 진폭; 더 높은 음조 = 더 높은 진동수.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    sound/saʊnd/ 소리
    compression/kəmˈpreʃn/ 압축(compression)
    rarefaction/ˌreərɪˈfækʃn/ 희박부
    medium/ˈmiːdɪəm/ 매개체
    loudness/ˈlaʊdnəs/ 크기(음량)
    pitch/pɪtʃ/ 음고
    echo/ˈekəʊ/ 반사음(에코)
    Ultrasound/ˌʊltrəˈsaʊnd/ 초음파
    3.4

    Exam tips · ⁨시험 팁⁩

    English
    • Learn $v = f\lambda$ and be ready to rearrange it. Measure all angles of incidence, reflection and refraction from the normal (the line at 90° to the surface), never from the surface itself.
    • Transverse waves vibrate across the direction of travel (light, water); longitudinal waves vibrate along it (sound). Sound needs a medium, so it cannot cross a vacuum; light can.
    • Total internal reflection happens only when light travels from a denser material to a less dense one and the angle inside is bigger than the critical angle.
    • Know the electromagnetic spectrum in order — radio, microwave, infrared, visible, ultraviolet, X-ray, gamma. All travel at the same speed in a vacuum; frequency and energy rise from radio to gamma.
    • Going into a denser material (air → glass) light slows down and bends towards the normal; leaving it (glass → air) light speeds up and bends away.
    한국어
    • $v = f\lambda$를 숙지하고 변형할 준비를 하십시오. 입사각, 반사각, 굴절각은 모두 표면 자체가 아닌 법선(표면에 대해 90°인 선)으로부터 측정하십시오.
    • 파는 이동 방향과 수직으로 진동합니다(빛, 물); 종파는 이동 방향과 평행하게 진동합니다(소리). 소리는 매질이 필요하므로 진공을 가로지를 수 없으나, 빛은 가능します.
    • 전체 내부 반사는 빛이 밀도가 높은 물질에서 밀도가 낮은 물질로 이동할 때 그리고 내부 각도가 임계각보다 클 때만 발생합니다.
    • 전자기 스펙트럼을 순서대로 알아야 합니다: 라디오, 마이크로파, 적외선, 가시광선, 자외선, X선, 감마선. 모두 진공에서 동일한 속도로 이동하며, 라디오에서 감마선으로 갈수록 주파수와 에너지가 증가합니다.
    • 밀도가 높은 물질로 진입할 때(air → glass) 빛은 느려지고 법선 쪽으로 굽습니다; exiting it (glass → air) 빛은 빨라지고 법선에서 멀어지는 방향으로 굽습니다.
  • 4

    Electricity and magnetism · ⁨전기 및 자기⁩

    Watch lesson · ⁨수업 보기⁩
    4.1

    Magnetism

    Syllabus
    English
    Core Supplement
    1 Describe the forces between magnetic poles and between magnets and magnetic materials, including the use of the terms north pole (N pole), south pole (S pole), attraction and repulsion, magnetised and unmagnetised 10 Explain that magnetic forces are due to interactions between magnetic fields
    2 Describe induced magnetism
    3 State the differences between the properties of temporary magnets (made of soft iron) and the properties of permanent magnets (made of steel
    4 State the difference between magnetic and non-magnetic materials
    5 Describe a magnetic field as a region in which a magnetic pole experiences a force
    6 Draw the pattern and direction of magnetic field lines around a bar magnet 11 Know that the relative strength of a magnetic field is represented by the spacing of the magnetic field lines
    7 State that the direction of a magnetic field at a point is the direction of the force on the N pole of a magnet at that point
    8 Describe the plotting of magnetic field lines with a compass or iron filings and the use of a compass to determine the direction of the magnetic field
    9 Describe the uses of permanent magnets and electromagnets
    한국어
    핵심 보충
    1 북극(N 극), 남극(S 극), 인력, 반력, 자기화 및 비자기화된 용어를 사용하여 극 사이의 힘 및 자석과 자기성 물질 사이의 힘을 설명하다 10 자기력이 자기장 간의 상호작용에 기인함을 설명하다
    2 유도 자성을 설명하다
    3 연철로 만든 임시 자석과 강철로 만든 영구 자석의 특성 차이를述べ다
    4 자기성 물질과 비자기성 물질의 차이를述べ다
    5 자기장을 자기극이 힘을 받는 영역으로 설명하다
    6 막대자석 주변의 자기장 선의 패턴과 방향을 그리다 11 자기장의 상대적 세기는 자기장 선의 간격으로 표현됨을 알다
    7 한 점에서의 자기장 방향은 그 점에서 자석의 N극에 작용하는 힘의 방향임을述べ다
    8 나침반 또는 철가루를 사용하여 자기력선을 도식화하고, 나침반을 사용하여 자기장의 방향을 결정하는 데 사용하는 법을 설명한다.
    9 영구 자석과 전자기석의 활용을 설명하다

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    A magnet 磁体 can attract some metals. Every magnet has two ends, called poles 磁极: a north pole 北极 (N pole) and a south pole 南极 (S pole).

    Two magnets: N facing S attract; N facing N repel
    Like poles repel; unlike poles attract

    The rule for two poles is like the rule for charges:

    • Poles that are the same (N and N, or S and S) repel 排斥 (push apart): this is repulsion 排斥力.
    • Poles that are different (N and S) attract 吸引 (pull together): this is attraction 吸引力.

    A magnet attracts a magnetic material 磁性材料, such as iron, steel, cobalt and nickel. Other materials (copper, plastic, wood) are non-magnetic and feel no force.

    Induced magnetism

    Put a piece of iron near or touching a magnet, and the iron becomes a magnet itself. This is induced magnetism 感应磁性. The end of the iron nearest the magnet gains the opposite pole, so the two then attract.

    Temporary and permanent magnets

    • Soft iron 软铁 is easy to magnetise 磁化 but loses its magnetism quickly. It is used for a temporary magnet 临时磁体.
    • Steel 钢 is harder to magnetise but keeps its magnetism. It is used for a permanent magnet 永磁体.

    So an unmagnetised 未磁化 piece of soft iron is the best core for an electromagnet, while steel is best for a bar magnet.

    Magnetic fields

    A magnetic field 磁场 is a region 区域 where a magnetic pole feels a force. We draw it with magnetic field lines 磁场线:

    • The lines come out of the N pole and go into the S pole.
    • The field direction at a point is the direction of the force on the N pole of a small test magnet placed there.
    • Where the lines are close together the field is strong; where they are far apart the field is weak.
    A bar magnet with field lines looping from the north pole to the south pole
    The field lines of a bar magnet come out of the N pole and go into the S pole

    You can show the pattern by sprinkling iron filings 铁屑 on paper over a magnet, or by moving a small plotting compass 指南针 around it (the needle points along the field).

    Tiny iron filings on white paper lining up into curved lines around a red and blue bar magnet
    Iron filings line up along the field lines, showing the field pattern of a bar magnet

    Uses of magnets

    • Permanent magnets: fridge door catches, compass needles, loudspeakers.
    • Electromagnets 电磁铁 (magnetic only while a current flows): cranes that lift scrap iron, electric bells, relays. An electromagnet can be switched on and off and made stronger, which a permanent magnet cannot.

    Magnetic forces happen because the fields of the two magnets push and pull on each other.

    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Make the magnetic field visible

    Compass needles trace the field from N to S; switch between attract and repel and watch the whole pattern reorganise, with a neutral point appearing for like poles.

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    magnet/ˈmæɡnɪt/ 자석
    poles/pəʊlz/ 극(極)
    north pole/nɔːθ pəʊl/ 북극
    south pole/saʊθ pəʊl/ 남극
    repel/rɪˈpel/ 반발력
    repulsion/rɪˈpʌlʃn/ 반발력
    attract/əˈtrækt/ 인력
    attraction/əˈtrækʃn/ 引力(인력/자력)
    magnetic material/mæɡˈnetɪk məˈtɪərɪəl/ 자성 물질
    induced magnetism/ɪnˈdjuːst ˈmæɡnɪtɪzəm/ 유도 자성
    soft iron/sɒft ˈaɪən/ 연철
    magnetise/ˈmæɡnɪtaɪz/ 자화하다
    temporary magnet/ˈtemprəri ˈmæɡnɪt/ 일시 자석
    steel/stiːl/ 철강
    permanent magnet/ˈpɜːmənənt ˈmæɡnɪt/ 영구 자석
    unmagnetised/ʌnˈmæɡnɪtaɪzd/ 비자화됨
    magnetic field/mæɡˈnetɪk fiːld/ 자기장
    region/ˈriːdʒn/ 지역(region)
    magnetic field lines/mæɡˈnetɪk fiːld laɪnz/ 자기장 선
    iron filings/ˈaɪən ˈfaɪlɪŋz/ 철분 분말
    compass/ˈkʌmpəs/ 나침반
    electromagnet/ɪˌlektrəʊˈmæɡnɪt/ 전자석
    4.2

    Static electricity

    Syllabus
    English

    4.2.1 Electric charge

    Core Supplement
    1 State that there are positive and negative charges 7 State that charge is measured in coulombs
    2 State that positive charges repel other positive charges, negative charges repel other negative charges, but positive charges attract negative charges 8 Describe an electric field as a region in which an electric charge experiences a force
    3 Describe simple experiments to show the production of electrostatic charges by friction and to show the detection of electrostatic charges 9 State that the direction of an electric field at a point is the direction of the force on a positive charge at that point
    4 Explain that charging of solids by friction involves only a transfer of negative charge (electrons) 10 Describe simple electric field patterns, including the direction of the field: (a) around a point charge (b) around a charged conducting sphere (c) between two oppositely charged parallel conducting plates (end effects will not be examined)
    5 Describe an experiment to distinguish between electrical conductors and insulators
    6 Recall and use a simple electron model to explain the difference between electrical conductors and insulators and give typical examples

    4.2.2 Electric current

    Core Supplement
    1 Know that electric current is related to the flow of charge 5 Define electric current as the charge passing a point per unit time; recall and use the equation $I = \frac{Q}{t}$
    2 Describe the use of ammeters (analogue and digital) with different ranges
    3 Describe electrical conduction in metals in terms of the movement of free electrons 6 State that conventional current is from positive to negative and that the flow of free electrons is from negative to positive
    4 Know the difference between direct current (d.c.) and alternating current (a.c.)

    4.2.3 Electromotive force and potential difference

    Core Supplement
    1 Define electromotive force (e.m.f.) as the electrical work done by a source in moving a unit charge around a complete circuit 6 Recall and use the equation for e.m.f. $E = \frac{W}{Q}$
    2 Know that e.m.f. is measured in volts (V)
    3 Define potential difference (p.d.) as the work done by a unit charge passing through a component 7 Recall and use the equation for p.d. $V = \frac{W}{Q}$
    4 Know that the p.d. between two points is measured in volts (V)
    5 Describe the use of voltmeters (analogue and digital) with different ranges

    4.2.4 Resistance

    Core Supplement
    1 Recall and use the equation for resistance $R = \frac{V}{I}$ 4 Sketch and explain the current–voltage graphs for a resistor of constant resistance, a filament lamp and a diode
    2 Describe an experiment to determine resistance using a voltmeter and an ammeter and do the appropriate calculations
    3 State, qualitatively, the relationship of the resistance of a metallic wire to its length and to its cross-sectional area 5 Recall and use the following relationship for a metallic electrical conductor: (a) resistance is directly proportional to length (b) resistance is inversely proportional to cross-sectional area

    4.2.5 Electrical energy and electrical power

    Core Supplement
    1 Understand that electric circuits transfer energy from a source of electrical energy, such as an electrical cell or mains supply, to the circuit components and then into the surroundings
    2 Recall and use the equation for electrical power $P = IV$
    3 Recall and use the equation for electrical energy $E = IVt$
    4 Define the kilowatt-hour (kWh) and calculate the cost of using electrical appliances where the energy unit is the kWh
    한국어

    4.2.1 정전기하

    핵심 보충
    1 양전하와 음전하가 있음을述べ다 7 전하의 단위가 쿨롱임을述べ다
    2 같은 전하끼리는 서로 밀고, 다른 전하끼리는 서로 끌어당김을述べ다 8 전기장을 전하가 힘을 받는 영역으로 설명하다
    3 마찰에 의한 정전기하 생성과 정전기하 검출을 보여주는 간단한 실험을 설명하다 9 한 점에서의 전기장 방향은 그 점에서 양전하에 작용하는 힘의 방향임을述べ다
    4 고체 마찰에 의한 충전은 오직 음전하(전자)의 이동만을 수반함을 설명하다 10 (a) 점전하 주변, (b) 충전된 도체 구 주변, (c) 반대 전하를 띤 평행 도체판 사이의 간단한 전기장 패턴과 방향을 설명한다(끝 효과는 시험 대상 아님)
    5 전기 도체와 절연체를 구분하는 실험을 설명하다
    6 간단한 전자 모델을 기억하고 사용하여 도체와 절연체의 차이를 설명하며 일반적인 예시를 제시하다

    4.2.2 전기류

    핵심 보충
    1 전기류가 전하의 흐름과 관련됨을 알다 5 전기류를 단위 시간당 한 점을 통과하는 전하로 정의하고, 공식 $I = \frac{Q}{t}$을 기억하여 사용하다
    2 다양한 범위의 아날로그 및 디지털 아머미터의 사용을 설명하다
    3 금속 내의 전기 전导를 자유 전자의 이동 관점으로 설명하다 6 통상적인 전류는 양극에서 음극으로 흐르며, 자유 전자의 흐름은 음극에서 양극으로流向함 را State하다
    4 직류(d.c.) 와 교류(a.c.) 의 차이를 알다

    4.2.3 기전력 및 전위차

    핵심 보충
    1 기전력(e.m.f.) 을 회로를 순환하며 단위 전하를 이동시키는 데 전원으로부터 행해지는 일로 정의하다 6 e.m.f.의 공식 $E = \frac{W}{Q}$을 기억하여 사용하다
    2 e.m.f.의 단위가 볼트(V)임을 알다
    3 전위차(p.d.) 를 회로 요소를 통과하는 단위 전하에 의해 행해지는 일로 정의하다 7 p.d.의 공식 $V = \frac{W}{Q}$을 기억하여 사용하다
    4 두 점 사이의 전위차의 단위가 볼트(V)임을 알다
    5 다양한 범위의 아날로그 및 디지털 볼트미터의 사용을 설명하다

    4.2.4 저항

    핵심 보충
    1 저항의 공식 $R = \frac{V}{I}$을 기억하여 사용하다 4 일정 저항, 필라멘트 램프 및 다이오드의 전류-전압 그래프를 스케치하고 설명하다
    2 볼트미터와 아머미터를 사용하여 저항을 결정하는 실험을 설명하고 적절한 계산을 수행하다
    3 금속선电阻의 길이에 대한 관계와 단면적에 대한 관계를 정성적으로述べ다 5 금속 전기 도체에 대한 다음 관계를 기억하여 사용한다: (a) 저항은 길이에 비례한다 (b) 저항은 단면적에 반비례한다

    4.2.5 전기 에너지 및 전기 출력

    핵심 보충
    1 전기 회로가 전기 원전지나 상용 전력 공급과 같은 전기 에너지원으로부터 회로 요소로 에너지를 전달한 후 주변으로 방출함을 이해하다
    2 전기 출력의 공식 $P = IV$을 기억하여 사용하다
    3 전기 에너지의 공식 $E = IVt$을 기억하여 사용하다
    4 킬로와트시(kWh) 를 정의하고, kWh 단위로 전기 기구의 사용 비용을 계산하다

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    There are two kinds of electric charge 电荷: positive charge 正电荷 and negative charge 负电荷. The rule is like the rule for poles — same charges repel, different charges attract.

    A girl touching a Van de Graaff generator dome with her hair standing straight up and pushing apart
    Every hair picks up the same charge from the dome, and like charges repel — so the hairs push apart

    Charging by friction

    When you rub two different materials together, electrons 电子 (tiny negative particles) move from one to the other. This is charging by friction 摩擦起电.

    • The material that gains electrons becomes negative.
    • The material that loses electrons becomes positive.

    Only the negative electrons move; the positive charge stays in place. For example, a plastic rod rubbed with a cloth becomes negative because electrons move from the cloth onto the rod, leaving the cloth positive.

    Detecting a charge. A charged rod picks up small pieces of paper, and it bends a thin stream of water from a tap. Hang one charged rod from a thread and bring another charged rod near it: if the two have the same kind of charge, the hanging rod swings away. Repulsion is the only sure test for a charge, because attraction also happens with uncharged objects.

    Conductors and insulators

    • A conductor 导体 (copper and other metals) lets charge flow through it easily, because it has free electrons that can move.
    • An insulator 绝缘体 (plastic, rubber, glass) does not let charge flow, because its electrons cannot move freely.

    To test a material, join it in a circuit with a lamp and a battery: the lamp lights only for a conductor.

    Electric fields and ions

    Charge is measured in coulombs 库仑 (C). An electric field 电场 is a region where an electric charge feels a force. Its direction at a point is the direction of the force on a positive charge. Simple field patterns (the arrows show the direction):

    • around a point charge 点电荷: straight lines, pointing away from a positive charge and towards a negative charge;
    • around a charged ball (sphere): the same, spreading out evenly all around;
    • between two parallel plates with opposite charges: straight, evenly spaced lines from the positive plate to the negative plate.
    Field lines pointing out of a positive charge, into a negative charge, and straight down between two charged plates
    Electric field lines point away from a positive charge and towards a negative one; between parallel plates the field is uniform

    An atom is normally neutral. If it loses electrons it becomes a positive ion 离子; if it gains electrons it becomes a negative ion.

    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Rub a balloon and watch it charge

    Rubbing moves electrons onto the balloon, making it negative — then it attracts a neutral wall or your hair, but repels another negative balloon.

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    electric charge/ɪˈlektrɪk tʃɑːdʒ/ 전기적 전하
    positive charge/ˈpɒzɪtɪv tʃɑːdʒ/ 양전하
    negative charge/ˈneɡətɪv tʃɑːdʒ/ 음전하
    electron/ɪˈlektrɒn/ 전자
    charging by friction/ˈtʃɑːdʒɪŋ baɪ ˈfrɪkʃn/ 마찰에 의한 충전
    conductor/kənˈdʌktə/ 도체
    insulator/ˈɪnsjuːleɪtə/ 절연체
    coulomb/ˈkuːlɒm/ 쿨롱
    electric field/ɪˈlektrɪk fiːld/ 전기장
    point charge/pɔɪnt tʃɑːdʒ/ 점전하
    ion/ˈaɪɒn/ 이온
    Watch lesson · ⁨수업 보기⁩
    4.2

    Electric current

    An electric current 电流 is a flow of electric charge. It is measured in amperes 安培 (A) with an ammeter 电流表, joined in series in the circuit.

    An analogue 模拟 ammeter has a needle that moves over a scale; a digital 数字 ammeter shows the reading as a number. Both come with different ranges 量程. Choose the range just above the biggest current you expect, so the reading is accurate: a 0–1 A range for a current of about 0.4 A, or a 0–100 mA range for a few milliamps.

    Current is the charge that passes a point each second:

    $$I = \frac{Q}{t}$$

    Here $I$ is current (A), $Q$ is charge (C) and $t$ is time (s). Rearranged, $Q = It$.

    Worked example. A current of $3.0\ \text{A}$ flows through a lamp for $20\ \text{s}$. How much charge passes through it?

    $$Q = It = 3.0 \times 20 = 60\ \text{C}$$

    In a metal the current is a flow of free electrons 自由电子. There are two "directions" to know:

    • Conventional current 常规电流 is taken to flow from + to − round the outside of the cell.
    • The free electrons really drift the other way, from − to +.

    A direct current 直流电 (d.c.) always flows one way, as from a battery. An alternating current 交流电 (a.c.) keeps swapping direction many times each second, as from the mains supply 市电.

    A steady horizontal line for direct current beside a wave crossing zero for alternating current
    Direct current is steady in one direction; alternating current keeps swapping direction, crossing zero many times each second
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    English 한국어
    electric current/ɪˈlektrɪk ˈkʌrənt/ 전류 강도
    ampere/ˈæmpeə/ 암페어
    ammeter/ˈæmiːtə/ 전류계
    analogue/ˈænəlɒɡ/ 아날로그
    digital/ˈdɪdʒɪtl/ 디지털(digital)
    ranges/ˈreɪndʒɪz/ 범위
    free electrons/friː ɪˈlektrɒnz/ 자유 전자
    conventional current/kənˈvenʃənl ˈkʌrənt/ 표준 전류
    direct current/daɪˈrekt ˈkʌrənt/ 직류
    alternating current/ˈɔːltəneɪtɪŋ ˈkʌrənt/ 교류(ac)
    mains supply/meɪnz səˈplaɪ/ mains supply(전원 공급)
    4.2

    E.m.f. and potential difference

    A cell gives energy 能量 to the charges that move through it. Two quantities describe this, and both are measured in volts 伏特 (V).

    • The electromotive force 电动势 (e.m.f.) of a source is the electrical work it does to drive unit charge all the way round a complete circuit 电路.
    • The potential difference 电势差 (p.d.) across a component is the work done by unit charge as it passes through that component.

    A voltmeter 电压表 measures e.m.f. or p.d. It is joined in parallel (across the component). Like ammeters, voltmeters are analogue or digital and have different ranges: pick the range just above the largest voltage you expect.

    A circuit with a voltmeter across the cell reading the e.m.f. and a voltmeter across the lamp reading the potential difference
    A voltmeter across the cell reads the e.m.f. (energy each coulomb is given); a voltmeter across the lamp reads the p.d. (energy each coulomb spends there).

    Both are work done per unit charge:

    $$E = \frac{W}{Q}, \qquad V = \frac{W}{Q}$$

    where $W$ is the energy transferred (J) and $Q$ is the charge (C). For example, if a cell does $120\ \text{J}$ of work moving $60\ \text{C}$ of charge round a circuit, its e.m.f. is $120 / 60 = 2\ \text{V}$.

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    English 한국어
    energy/ˈenədʒi/ 에너지
    volt/vəʊlt/ 볼트
    electromotive force/ɪˌlektrəʊˈməʊtɪv fɔːs/ 기전력
    circuit/ˈsɜːkɪt/ 회로
    potential difference/pəˈtenʃl ˈdɪfrəns/ 전위차
    voltmeter/ˈvəʊltmiːtə/ 전압계
    4.2

    Resistance

    Resistance 电阻 measures how hard it is for current to flow. A bigger resistance gives a smaller current. It is measured in ohms 欧姆 (Ω).

    $$R = \frac{V}{I}$$

    Measuring resistance. Connect the component in series with a cell, a switch, an ammeter and a variable resistor 可变电阻器, and connect a voltmeter across the component. Close the switch, read $I$ and $V$, then change the variable resistor to get several more pairs of readings. Either calculate $R = V/I$ for each pair and take the average, or plot $V$ against $I$: for a metal wire at constant temperature the graph is a straight line through the origin, and its gradient is $R$.

    Worked example. A $12\ \text{V}$ battery drives a current of $0.50\ \text{A}$ through a lamp. Find the lamp's resistance.

    $$R = \frac{V}{I} = \frac{12}{0.50} = 24\ \Omega$$

    For a metal wire at constant temperature:

    • a longer wire has a bigger resistance — resistance is directly proportional 成正比 to length, $R \propto l$;
    • a thicker wire has a smaller resistance — resistance is inversely proportional 成反比 to cross-sectional area 横截面积, $R \propto \dfrac{1}{A}$.

    So doubling the length doubles the resistance; doubling the area halves it. (Area depends on the diameter squared, so a small change in diameter changes the resistance a lot.)

    Current–voltage graphs show how three components behave:

    Component Shape of the I–V graph What it tells you
    resistor 电阻器 (fixed) straight line through the origin resistance is constant, so $I \propto V$
    filament lamp 灯丝灯泡 S-shaped, getting flatter as $V$ rises the wire heats up, so its resistance rises
    diode 二极管 current one way only very high resistance the "wrong" way
    Three current-voltage graphs: a straight line for a resistor, an S-shaped curve for a filament lamp, and a one-way curve for a diode
    A resistor gives a straight line; a filament lamp curves as it heats up; a diode lets current pass only one way
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    Ohm's law

    V = IR

    For an ohmic conductor the current is proportional to the voltage — the gradient is 1/resistance.

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    I–V characteristics

    A resistor gives a straight line; a filament lamp and a diode do not. Pick a component and read I and R off the curve.

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    Resistance

    V = R·I

    Ohm's law: voltage is proportional to current — the gradient is the resistance R.

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    English 한국어
    resistance/rɪˈzɪstəns/ 저항
    ohm/əʊm/ 옴
    variable resistor/ˈveərɪəbl rɪˈzɪstə/ 가변 저항기
    directly proportional/daɪˈrektli prəˈpɔːʃənl/ 직접 비례
    inversely proportional/ɪnˈvɜːsli prəˈpɔːʃənl/ 역비례
    cross-sectional area/krɒs ˈsekʃənl ˈeərɪə/ 단면적
    resistor/rɪˈzɪstə/ 저항기
    filament lamp/ˈfɪləmənt læmp/ 필라멘트 램프
    diode/ˈdaɪəʊd/ 다이오드
    4.2

    Electrical energy and power

    A circuit transfers energy from a source (a cell or the mains) to the components, and then into the surroundings (often as heat, light or sound).

    Electrical power 电功率 is the energy transferred each second, measured in watts 瓦特 (W):

    $$P = IV$$

    The electrical energy 电能 transferred in a time $t$, measured in joules 焦耳 (J), is:

    $$E = IVt$$

    Worked example. A $12\ \text{V}$ motor draws a current of $2.0\ \text{A}$. Find its power, and the energy it transfers in $30\ \text{s}$.

    $$P = IV = 2.0 \times 12 = 24\ \text{W}$$
    $$E = Pt = 24 \times 30 = 720\ \text{J}$$

    The kilowatt-hour

    Home electricity bills use a bigger energy unit, the kilowatt-hour 千瓦时 (kWh). One kilowatt-hour is the energy used by a $1\ \text{kW}$ appliance 电器 in $1$ hour.

    $$\text{energy (kWh)} = \text{power (kW)} \times \text{time (h)}$$
    $$\text{cost} = \text{energy (kWh)} \times \text{price per kWh}$$

    For example, a $2\ \text{kW}$ heater 加热器 used for $3$ hours uses $2 \times 3 = 6\ \text{kWh}$. If one kWh costs $20$ cents, the cost is $6 \times 20 = 120$ cents.

    A modern household electricity meter with a digital display reading zero kilowatt-hours
    A household electricity meter counts the energy used, in kilowatt-hours (kWh) — the number it shows is what you pay for
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    English 한국어
    electrical power/ɪˈlektrɪkl ˈpaʊə/ 전기 출력
    watt/wɒt/ 와트 watt
    electrical energy/ɪˈlektrɪkl ˈenədʒi/ 전기 에너지(electrical energy)
    joule/dʒuːl/ 줄 joule
    kilowatt-hour/ˈkɪləwɒt ˈaʊə/ 킬로와트시
    appliance/əˈplaɪəns/ 전기 기기
    heater/ˈhiːtə/ 히터
    4.3

    Circuits

    Syllabus
    English

    4.3.1 Circuit diagrams and circuit components

    Core Supplement
    1 Draw and interpret circuit diagrams containing cells, batteries, power supplies, generators, potential dividers, switches, resistors (fixed and variable), heaters, thermistors (NTC only), light-dependent resistors (LDRs), lamps, motors, bells, ammeters, voltmeters, magnetising coils, transformers, fuses and relays and know how these components behave in the circuit 2 Draw and interpret circuit diagrams containing diodes and light-emitting diodes (LEDs) and know how these components behave in the circuit

    4.3.2 Series and parallel circuits

    Core Supplement
    1 Know that the current at every point in a series circuit is the same 8 Recall and use in calculations, the fact that: (a) the sum of the currents entering a junction in a parallel circuit is equal to the sum of the currents that leave the junction (b) the total p.d. across the components in a series circuit is equal to the sum of the individual p.d.s across each component (c) the p.d. across an arrangement of parallel resistances is the same as the p.d. across one branch in the arrangement of the parallel resistances
    2 Know how to construct and use series and parallel circuits
    3 Calculate the combined e.m.f. of several sources in series
    4 Calculate the combined resistance of two or more resistors in series
    5 State that, for a parallel circuit, the current from the source is larger than the current in each branch 9 Explain that the sum of the currents into a junction is the same as the sum of the currents out of the junction
    6 State that the combined resistance of two resistors in parallel is less than that of either resistor by itself 10 Calculate the combined resistance of two resistors in parallel
    7 State the advantages of connecting lamps in parallel in a lighting circuit

    4.3.3 Action and use of circuit components

    Core Supplement
    1 Know that the p.d. across an electrical conductor increases as its resistance increases for a constant current 2 Describe the action of a variable potential divider
    3 Recall and use the equation for two resistors used as a potential divider
    $$\frac{R_1}{R_2} = \frac{V_1}{V_2}$$
    한국어

    4.3.1 회로도 및 회로 요소

    핵심 보충
    1 전지, 배터리, 전원 장치, 발전기, 전압 분배기, 스위치, 고정 및 가변 저항기, 히터, NTC 열전도성 저항기(LDR), 광저항소(LDR), 램프, 모터, 벨, 아머미터, 볼트미터, 자화 코일, 변압기, 퓨즈, 릴레이가 포함된 회로도를 그리고 해석하며, 이러한 구성 요소들이 회로 내에서 어떻게 작동하는지 이해함 2 다이오드 및 발광 다이오드(LED)가 포함된 회로도를 그리고 해석하며, 이러한 구성 요소들이 회로 내에서 어떻게 작동하는지 이해함

    4.3.2 직렬 및 병렬 회로

    핵심 보충
    1 직렬 회로의 모든 지점에서 전류가 같다는 것을 알다 8 다음 사실을 기억하고 계산에 활용함: (a) 병렬 회로의 접합부에 유입되는 전류의 총합은 해당 접합부에서 유출되는 전류의 총합과 같다 (b) 직렬 회로 내 구성 요소 간의 전체 전위차는 각 구성 요소 간個別 전위차의 총합과 같다 (c) 병렬 저항 기하학적 배치의 전위차는 해당 병렬 저항 배치 내 하나의 가지에 걸친 전위차와 동일하다
    2 직렬 및 병렬 회로를 구성하고 사용하는 방법을 안다
    3 여러 전원을 직렬로 연결했을 때의 합성 기전력(EMF)을 계산한다
    4 두 개 이상의 저항기를 직렬로 연결했을 때의 합성 저항을 계산한다
    5 병렬 회로에서는 소스에서의 전류가 각 가지에 흐르는 전류보다 크다는 것을 밝힌다 9 접합부로 유입되는 전류의 총합은 접합부에서 유출되는 전류의 총합과 같음을 설명한다
    6 두 저항기를 병렬로 연결했을 때의 합성 저항은 개별 저항 중 어느 것보다 작음을 밝힌다 10 두 저항기를 병렬로 연결했을 때의 합성 저항을 계산한다
    7 조명 회로에서 램프를 병렬로 연결하는 장점을 밝힌다

    4.3.3 회로 구성 요소의 작용 및 사용법

    핵심 보충
    1 일정한 전류가 흐를 때 전기 도체에 걸리는 전위차는 도체의 저항이 증가함에 따라 커진다는 것을 안다 2 가변 전압 분배기의 작용을 설명한다
    3 두 저항기를 전압 분배기로 사용할 때의 수식
    $$\frac{R_1}{R_2} = \frac{V_1}{V_2}$$
    을 기억하고 사용한다

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    Circuit components

    You should know these components and how they behave:

    Component What it does
    cell 电池 / battery 电池组 drives current round the circuit (a battery is two or more cells)
    power supply 电源 a source of d.c. or a.c.
    switch 开关 breaks or completes the circuit
    resistor (fixed) gives a fixed resistance
    variable resistor a resistance you can change, to control the current
    fuse 保险丝 melts and breaks the circuit if the current is too big
    lamp / heater turns electrical energy into light / into heat
    thermistor 热敏电阻 its resistance falls as it gets hotter
    light-dependent resistor 光敏电阻 (LDR) its resistance falls as the light gets brighter
    diode / light-emitting diode 发光二极管 (LED) lets current one way only; an LED also gives out light
    relay 继电器 a switch worked by an electromagnet (small current controls a big one)
    motor 电动机 turns electrical energy into movement
    bell 电铃 makes a sound
    transformer 变压器 changes the size of an a.c. voltage
    A chart of standard circuit symbols: cell, battery, switch, lamp, resistor, variable resistor, fuse, ammeter, voltmeter, diode, thermistor, LDR, LED, motor, generator, a.c. supply, potential divider, relay, transformer and magnetising coil
    The standard symbols used to draw circuit diagrams
    Rows of small resistors held in paper tape, each with coloured bands and two wire legs
    Real resistors: the coloured bands give each one's resistance in ohms

    Series and parallel

    In a series 串联 circuit the parts form one single loop:

    • the current is the same at every point;
    • the supply p.d. is shared between the components;
    • cells in series add their e.m.f.s (when they point the same way);
    • resistors in series add up: $R_{\text{total}} = R_1 + R_2 + \dots$

    In a parallel 并联 circuit the parts are on separate branches:

    • each branch gets the full supply p.d.;
    • the current splits, so the current from the source is bigger than the current in any one branch;
    • the total resistance 总电阻 is less than the smallest single resistance.

    Lamps in a home are wired in parallel: each gets the full voltage, and if one fails the others stay on.

    A series circuit with two lamps in one loop next to a parallel circuit with two lamps on separate branches
    In a series circuit the components share one loop; in a parallel circuit each lamp has its own branch

    For calculations (with the rules above):

    • at a junction 节点, the total current flowing in equals the total current flowing out;
    • in series, the supply p.d. equals the sum of the p.d.s across the components;
    • in parallel, the p.d. across each branch is the same;
    • two resistors in parallel combine as
    $$\frac{1}{R_{\text{total}}} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2}$$

    Worked example. A $6\ \Omega$ resistor and a $3\ \Omega$ resistor are connected in parallel. Find their combined resistance.

    $$\frac{1}{R_{\text{total}}} = \frac{1}{6} + \frac{1}{3} = \frac{1}{6} + \frac{2}{6} = \frac{3}{6} = \frac{1}{2} \quad\Rightarrow\quad R_{\text{total}} = 2\ \Omega$$

    Notice the combined resistance ($2\ \Omega$) is smaller than the smaller of the two resistors.

    Potential dividers

    Two resistors in series share the supply voltage. This is a potential divider 分压器. For the same current, a bigger resistance has a bigger p.d. across it, so the bigger resistor takes the bigger share:

    $$\frac{R_1}{R_2} = \frac{V_1}{V_2}$$

    A variable potential divider (or a variable resistor) lets you change the output voltage smoothly, for example from $0\ \text{V}$ up to the full supply. If you use a thermistor or an LDR as one of the resistors, the output voltage changes with temperature or light — handy for switching a heater or a lamp on and off automatically.

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    Build the current with Ohm's law

    Turn up the voltage and the electrons speed up and the bulb glows brighter; add resistance and the current drops. I = V/R, brightness = power.

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    English 한국어
    cell/sel/ 전지
    battery/ˈbætəri/ 배터리
    power supply/ˈpaʊə səˈplaɪ/ 전원 공급 장치
    switch/swɪtʃ/ 스위치
    fuse/fjuːz/ 퓨즈(안전 fuse)
    thermistor/ˈθɜːmɪstə/ 서미스터
    light-dependent resistor/laɪt dɪˈpendənt rɪˈzɪstə/ 광저항소
    light-emitting diode/laɪt ɪˈmɪtɪŋ ˈdaɪəʊd/ 발광 다이오드(LED)
    relay/ˈriːleɪ/ 릴레이
    motor/ˈməʊtə/ 운동성
    bell/bel/ 벨, 종
    transformer/trænsˈfɔːmə/ 변압기
    series/ˈsɪəriːz/ 직렬
    parallel/ˈpærəlel/ 평행
    total resistance/ˈtəʊtl rɪˈzɪstəns/ 총저항
    junction/ˈdʒʌŋkʃn/ 접합점
    potential divider/pəˈtenʃl dɪˈvaɪdə/ 전위 분배기
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    4.4

    Electrical safety

    Syllabus
    English
    Core Supplement
    1 State the hazards of: (a) damaged insulation (b) overheating cables (c) damp conditions (d) excess current from overloading of plugs, extension leads, single and multiple sockets when using a mains supply
    2 Know that a mains circuit consists of a live wire (line wire), a neutral wire and an earth wire and explain why a switch must be connected to the live wire for the circuit to be switched off safely
    3 Explain the use and operation of trip switches and fuses and choose appropriate fuse ratings and trip switch settings
    4 Explain why the outer casing of an electrical appliance must be either non-conducting (double-insulated) or earthed
    5 State that a fuse without an earth wire protects the circuit and the cabling for a double-insulated appliance
    한국어
    핵심 보충
    1 다음 위험 요인을 밝힌다: (a) 손상된 절연 피복 (b) 케이블 과열 (c) 습한 환경 (d) 주전원 사용 시 플러그, 연장선, 단일 및 다중 콘센트의 과부하로 인한 과도한 전류
    2 주회로는 활선(라이브 와이어), 중성선, 접지선으로 구성되어 있으며, 회로를 안전하게 차단하기 위해 스위치가 활선에 연결되어야 하는 이유를 설명한다
    3 트립 스위치 및 퓨즈의 용도와 작동 원리를 설명하고 적절한 퓨즈 정격 및 트립 스위치 설정을 선택한다
    4 전기 기기의 외부 케이스가 비전도성(이중 절연)이거나 접지되어야 하는 이유를 설명한다
    5 접지선이 없는 퓨즈는 이중 절연 기기용 회로 및 배선을 보호한다는 것을 밝힌다

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    A home is fed by the mains. The mains is dangerous if it is used wrongly.

    Hazards

    These are hazards 危险 (dangers) with mains electricity:

    • damaged insulation 绝缘层 — bare wires can give a shock or start a fire;
    • overheating 过热 cables — too much current makes a cable hot, which can start a fire;
    • damp 潮湿 conditions — water lets current pass into a person, raising the risk of a shock;
    • overloading 过载 — plugging too many appliances into one socket 插座 draws too much current.

    Live, neutral and earth

    A mains cable has three wires:

    • the live wire 火线 carries the high voltage;
    • the neutral wire 零线 completes the circuit at about zero voltage;
    • the earth wire 地线 is a safety wire joined to the ground.

    A switch (and a fuse) must be fitted in the live wire. Then, when the switch is off, the appliance is cut off from the high voltage and is safe to touch.

    A wired three-pin plug with the earth wire green/yellow at the top, the neutral wire blue on the left, and the live wire brown on the right with the fuse fitted in it
    In a three-pin plug the live (brown) and neutral (blue) carry the current, the earth (green/yellow) is the safety wire, and the fuse always sits in the live wire.

    Fuses, trip switches and earthing

    A fuse is a thin wire that melts if the current gets too big, breaking the circuit before the cable overheats. Choose a fuse rating 额定值 just above the normal working current — for example a $13\ \text{A}$ fuse for an appliance that normally uses about $10\ \text{A}$.

    A trip switch 跳闸开关 (circuit breaker) does the same job but acts faster and can be reset instead of replaced.

    The metal casing 外壳 of an appliance must be made safe in one of two ways:

    • earthed 接地: the casing is joined to the earth wire. If a live wire touches the casing, a large current flows to earth and blows the fuse.
    • double-insulated 双重绝缘: the casing is plastic, so it can never become live. Such an appliance needs no earth wire; its fuse still protects the cable.
    The inside of a home consumer unit showing a row of miniature circuit breakers and two RCD trip switches
    A home consumer unit: each MCB is a trip switch that cuts off its circuit when the current gets too big; the RCD (80 A, 30 mA) cuts off even faster if it detects a fault to earth
    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Electrical safety route

    Follow fault current and see how safety devices protect people.

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    English 한국어
    hazard/ˈhæzəd/ 위협
    insulation/ˌɪnsjuːˈleɪʃn/ 단열재
    overheating/ˌəʊvəˈhiːtɪŋ/ 과열
    damp/dæmp/ 습기 있는
    overloading/ˌəʊvəˈləʊdɪŋ/ 오버로딩
    socket/ˈsɒkɪt/ 콘센트
    live wire/laɪv ˈwaɪə/ 전선
    neutral wire/ˈnjuːtrəl ˈwaɪə/ 중성선
    earth wire/ɜːθ ˈwaɪə/ 접지선
    fuse rating/fjuːz ˈreɪtɪŋ/ 퓨즈 정격
    trip switch/trɪp swɪtʃ/ Trip switch (Trip switch)
    casing/ˈkeɪsɪŋ/ 외통
    earthed/ɜːθt/ 접지됨
    double-insulated/ˈdʌbl ˈɪnsjuːleɪtɪd/ 이중 절연
    4.5

    Electromagnetic effects

    Syllabus
    English

    4.5.1 Electromagnetic induction

    Core Supplement
    1 Know that a conductor moving across a magnetic field or a changing magnetic field linking with a conductor can induce an e.m.f. in the conductor 4 Know that the direction of an induced e.m.f. opposes the change causing it
    2 Describe an experiment to demonstrate electromagnetic induction 5 State and use the relative directions of force, field and induced current
    3 State the factors affecting the magnitude of an induced e.m.f.

    4.5.2 The a.c. generator

    Core Supplement
    1 Describe a simple form of a.c. generator (rotating coil or rotating magnet) and the use of slip rings and brushes where needed
    2 Sketch and interpret graphs of e.m.f. against time for simple a.c. generators and relate the position of the generator coil to the peaks, troughs and zeros of the e.m.f.

    4.5.3 Magnetic effect of a current

    Core Supplement
    1 Describe the pattern and direction of the magnetic field due to currents in straight wires and in solenoids 4 State the qualitative variation of the strength of the magnetic field around straight wires and solenoids
    2 Describe an experiment to identify the pattern of the magnetic field (including direction) due to currents in straight wires and in solenoids
    3 Describe how the magnetic effect of a current is used in relays and loudspeakers and give examples of their application 5 Describe the effect on the magnetic field around straight wires and solenoids of changing the magnitude and direction of the current

    4.5.4 Force on a current-carrying conductor

    Core Supplement
    1 Describe an experiment to show that a force acts on a current-carrying conductor in a magnetic field, including the effect of reversing: (a) the current (b) the direction of the field 2 Recall and use the relative directions of force, magnetic field and current
    3 Determine the direction of the force on beams of charged particles in a magnetic field

    4.5.5 The d.c. motor

    Core Supplement
    1 Know that a current-carrying coil in a magnetic field may experience a turning effect and that the turning effect is increased by increasing: (a) the number of turns on the coil (b) the current (c) the strength of the magnetic field 2 Describe the operation of an electric motor, including the action of a split-ring commutator and brushes

    4.5.6 The transformer

    Core Supplement
    1 Describe the construction of a simple transformer with a soft-iron core, as used for voltage transformations 6 Explain the principle of operation of a simple iron-cored transformer
    2 Use the terms primary, secondary, step-up and step-down
    3 Recall and use the equation
    $$\frac{V_p}{V_s} = \frac{N_p}{N_s}$$
    where p and s refer to primary and secondary
    7 Recall and use the equation for 100% efficiency in a transformer
    $$I_p V_p = I_s V_s$$
    where p and s refer to primary and secondary
    4 Describe the use of transformers in high-voltage transmission of electricity
    5 State the advantages of high-voltage transmission 8 Recall and use the equation
    $$P = I^2 R$$
    to explain why power losses in cables are smaller when the voltage is greater
    한국어

    4.5.1 전자기유도

    핵심 보충
    1 자기장을 가로지르는 도체가 움직이거나 도체에 결합되는 자기장이 변화할 때 도체 내에 기전력(EMF)이 유도될 수 있음을 안다 4 유도된 EMF의 방향은 이를 유발하는 변화를 반대한다는 것을 안다
    2 전자기유도를 증명하는 실험을 설명한다 5 힘, 자기장, 유도 전류 사이의 상대적 방향을 밝히고 사용한다
    3 유도된 EMF의 크기에 영향을 미치는 요인을 밝힌다

    4.5.2 교류 발전기

    핵심 보충
    1 교류 발전기(회전 코일 또는 회전 자석)의 간단한 형태와 슬립 링 및 브러시의 필요 시 사용법을 설명한다
    2 간단한 교류 발전기에 대한 EMF 대 시간 그래프를 스케치하고 해석하며, 발전기 코일의 위치와 EMF의 최대값, 최소값, 제로 값과의 관계를 설명한다

    4.5.3 전류의 자기 효과

    핵심 보충
    1 직선 도체 및 솔레노이드 내 전류에 의한 자기장의 패턴과 방향을 설명한다 4 직선 도체 및 솔레노이드 주변 자기장의 세기가 어떻게 변하는지를 질적으로 밝힌다
    2 직선 도체 및 솔레노이드 내 전류에 의한 자기장(방향 포함)의 패턴을 식별하는 실험을 설명한다
    3 전류의 자기 효과가 릴레이 및 스피커에 어떻게 사용되는지 설명하고 적용 사례를 제시한다 5 직선 도체 및 솔레노이드 주변의 자기장에 전류의 세기와 방향이 변경되었을 때 미치는 영향을 설명한다

    4.5.4 전류가 흐르는 도체에 작용하는 힘

    핵심 보충
    1 자기장 내에서 전류가 흐르는 도체에 힘이 작용함을 보여주는 실험을 설명하며, 다음 변화가 미치는 영향을 포함한다: (a) 전류의 방향 반전 (b) 자기장 방향 반전 2 힘, 자기장, 전류 사이의 상대적 방향을 기억하고 사용한다
    3 자기장 내 하전 입자 빔에 작용하는 힘의 방향을 결정한다

    4.5.5 직류 모터

    핵심 보충
    1 자기장 내 전류가 흐르는 코일이 회전 모멘트를 받을 수 있으며, 이 회전 모멘트는 다음을 증가시킴으로써 커진다는 것을 안다: (a) 코일의 권수 (b) 전류량 (c) 자기장의 세기 2 스플릿 링 컴뮤테이터 및 브러시의 작용을 포함한 전기 모터의 작동 원리를 설명한다

    4.5.6 변압기

    핵심 보충
    1 전압 변환에 사용되는 연철 코어가 있는 간단한 변압기의 구조를 설명한다 6 연철 코어 변압기의 작동 원리를 설명한다
    2 원线圈, 부线圈, 승압, 강압이라는 용어를 사용한다
    3
    $$\frac{V_p}{V_s} = \frac{N_p}{N_s}$$
    를 기억하고 활용하며, p와 s는 각각 일차 및 이차 코일을 의미함
    7 변압기의 100% 효율에 대한 식
    $$I_p V_p = I_s V_s$$
    을 기억하고 활용하며, p와 s는 각각 일차 및 이차 코일을 의미함
    4 고전압 전력 송신의变压器 사용법을 설명한다
    5 고전압 송전의 장점을 서술한다 8 전압이 클 때 케이블 내 손실이 작아지는 이유를
    $$P = I^2 R$$
    식으로 설명한다

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    The transformer: turns ratio
    Electromagnetic induction

    The magnetic effect of a current

    A current in a wire makes a magnetic field around it.

    • Around a straight wire the field lines are circles around the wire; the field is stronger close to the wire. Reverse the current and the field reverses.
    • A solenoid 螺线管 (a long coil 线圈 of wire) makes a field just like a bar magnet, with a N pole at one end and a S pole at the other. The field inside is strong and even.

    You can show both patterns with iron filings or a plotting compass. The field gets stronger if you increase the current, add more turns, or place a soft-iron core inside.

    A straight wire with circular field lines around it, beside a solenoid with a bar-magnet-like field
    A current makes circular field lines around a straight wire, and a bar-magnet-like field for a solenoid

    The magnetic effect is used in a relay and in a loudspeaker. In a relay, a small current in a coil magnetises a soft-iron core, which pulls a switch closed in a second circuit. The second circuit can carry a large current, so a small switch or a sensor can safely control a motor or a heater (for example, the ignition switch of a car starts its motor through a relay). In a loudspeaker 扬声器 a changing current in a coil makes the coil push and pull a paper cone, which moves the air and makes sound.

    Electromagnetic induction

    When a wire moves across a magnetic field, or the field through a coil changes, an e.m.f. is induced in the wire. If the wire is part of a complete circuit, this e.m.f. drives a current. This is electromagnetic induction 电磁感应.

    To show it: move a magnet in and out of a coil joined to a sensitive meter, and watch the needle flick. The induced e.m.f. is bigger when you use a stronger magnet, move faster, or use more turns on the coil. The induced e.m.f. always acts to oppose the change that causes it. The direction of the induced current is given by Fleming's right-hand rule 弗莱明右手定则: hold the thumb, first finger and second finger of the right hand at right angles to one another; the thumb points along the motion of the wire, the first finger along the field (N to S), and the second finger then gives the induced current.

    The a.c. generator

    An a.c. generator 交流发电机 turns movement into electricity. A coil is spun in a magnetic field (or a magnet is spun near a coil). As it turns, the field through the coil keeps changing, so an alternating e.m.f. is induced.

    • Slip rings 滑环 and carbon brushes 电刷 carry the current out to the circuit while the coil keeps turning.
    • The e.m.f. is largest when the coil is flat (moving fastest across the field) and zero when the coil is upright (moving along the field). So the e.m.f.–time graph is a wave: peak, zero, opposite peak, zero, for each turn.
    A coil turning between magnet poles, connected through slip rings and brushes, with a sine-wave a.c. output
    Turning the coil induces an alternating e.m.f.; the slip rings carry the a.c. out to the circuit

    Force on a current-carrying conductor

    When a current-carrying wire lies in a magnetic field, the field of the wire and the field of the magnet push on each other, so the wire feels a force. This is the motor effect.

    • Reverse the current, or reverse the field, and the force reverses.
    • Make the current bigger or the field stronger, and the force is bigger.

    The force, the field and the current are at right angles to one another. You can find the force direction with Fleming's left-hand rule 弗莱明左手定则: thumb = force (motion), first finger = field (N to S), second finger = current.

    Showing the force. Lay a stiff copper wire (or a strip of aluminium foil) between the poles of a U-shaped magnet and connect it to a cell through a switch. When the current flows, the wire jumps up or down. Reverse the cell and the wire jumps the other way; turn the magnet over and it reverses again. A bigger current or a stronger magnet gives a bigger jump.

    A current-carrying wire between two magnet poles, with the force at right angles to the field and current
    A current-carrying wire in a magnetic field feels a force at right angles to both the field and the current

    A moving stream of charged particles is a current, so a magnetic field pushes it sideways too — it deflects 偏转 the beam. (Remember electrons flow opposite to the conventional current.)

    The d.c. motor

    A coil carrying a current in a magnetic field feels a turning effect 转动效应, because the forces on its two sides act in opposite directions. This is a d.c. motor 直流电动机. The turning effect is bigger with more turns on the coil, a bigger current, or a stronger field.

    A split-ring commutator 换向器 swaps the current direction in the coil every half-turn. This keeps the coil turning the same way instead of stopping after half a turn.

    A coil between magnet poles with opposite forces on its two sides, a split-ring commutator, brushes and a battery
    The forces on the two sides of the coil form a couple; the split-ring commutator keeps it turning one way
    Close-up of carbon brushes on springs pressing against the copper bars of a d.c. machine commutator
    In a real d.c. machine, carbon brushes press on the copper commutator bars to feed current to the spinning coil

    The transformer

    A transformer changes the size of an a.c. voltage. It has two coils wound on a soft-iron core 软铁芯:

    • the primary coil 原线圈 takes in the a.c. voltage;
    • the secondary coil 副线圈 gives out the changed voltage.

    The a.c. in the primary makes a changing magnetic field in the core. The core carries this field to the secondary, where it induces an a.c. e.m.f. The voltages and the numbers of turns are linked by:

    $$\frac{V_p}{V_s} = \frac{N_p}{N_s}$$

    Worked example. A transformer has $1200$ turns on the primary coil and $100$ turns on the secondary coil. The primary is connected to a $240\ \text{V}$ a.c. supply. Find the secondary voltage.

    $$\frac{240}{V_s} = \frac{1200}{100} = 12 \quad\Rightarrow\quad V_s = \frac{240}{12} = 20\ \text{V}$$

    Fewer turns on the secondary, so this is a step-down transformer.

    A transformer: a primary and a secondary coil wound on a soft-iron core, with an a.c. supply on the primary
    The changing field in the core links the two coils; the voltage ratio equals the turns ratio
    A grey metal transformer fixed to a wooden electricity pole, with thick insulated cables running to it
    A real transformer on a power pole steps the high voltage in the cables down to a safer voltage for homes

    If the secondary has more turns it is a step-up 升压 transformer (voltage rises); fewer turns make a step-down 降压 transformer (voltage falls). For example, a transformer changing $240\ \text{V}$ to $12\ \text{V}$ is a step-down type, and the primary has $20$ times as many turns as the secondary.

    If a transformer is 100% efficient, the power in equals the power out:

    $$I_p V_p = I_s V_s$$

    So a step-up transformer raises the voltage but lowers the current.

    Why we use high voltage to send power

    Electricity is sent across the country by high-voltage transmission 高压输电. The power lost as heat in the cables is

    $$P = I^2 R$$

    where $R$ is the resistance of the cables. A step-up transformer raises the voltage and so lowers the current for the same power ($P = IV$). A smaller current means much less power wasted in the cables. A step-down transformer then lowers the voltage again to a safe value before it reaches homes.

    Steel lattice pylons carrying many cables across open countryside
    Pylons hold the cables that carry electricity at very high voltage, which keeps the current — and the wasted power — low
    Explore · ⁨탐색하기⁩

    The force that spins a motor

    A current in a magnetic field is pushed at right angles to both — reverse the current or flip the magnet and it pushes the other way. That is what turns a motor.

    Explore · ⁨탐색하기⁩

    The generator

    V = a sin(bt)

    A spinning coil induces a sinusoidal voltage — the AC output.

    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Transformer

    Add turns to the secondary to step the voltage up, fewer to step it down — Vs/Vp = Ns/Np, exactly how the grid moves power efficiently.

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    solenoid/ˈsəʊlənɔɪd/ 솔레노이드
    coil/kɔɪl/ 코일
    loudspeaker/ˈlaʊdspiːkə/ 스피커
    electromagnetic induction/ɪˌlektrəʊməɡˈnetɪk ɪnˈdʌkʃn/ 전자기 유도
    Fleming's right-hand rule/ˈflemɪŋz raɪt hænd ruːl/ 플레밍의 오른손 법칙
    a.c. generator/ˌeɪ ˈsiː ˈdʒenəreɪtə/ 교류 발전기
    slip rings/slɪp rɪŋz/ 슬립 링(slip rings)
    brushes/ˈbrʌʃɪz/ 브러시(brushes)
    Fleming's left-hand rule/ˈflemɪŋz left hænd ruːl/ 플레밍의 왼손 법칙
    deflect/dɪˈflekt/ 편향되다
    turning effect/ˈtɜːnɪŋ ɪˈfekt/ 회전 효과(모멘트)
    d.c. motor/ˌdiː ˈsiː ˈməʊtə/ 직류 모터
    split-ring commutator/splɪt rɪŋ ˈkɒmjuːteɪtə/ 스플릿 링 코뮤테이터
    soft-iron core/sɒft ˈaɪən kɔː/ 연철 코어
    primary coil/ˈpraɪməri kɔɪl/ 일차 코일
    secondary coil/ˈsekəndəri kɔɪl/ 이차 코일
    step-up/step ʌp/ 승압变压器(step-up transformer)
    step-down/step daʊn/ 강하变压器(step-down transformer)
    high-voltage transmission/haɪ ˈvəʊltɪdʒ trænˈsmɪʃn/ 고압 송전
    Watch lesson · ⁨수업 보기⁩
    4.5

    Exam tips

    • Current is the same everywhere in a series circuit; in a parallel circuit it splits between the branches. Voltage (p.d.) is shared out in series, but is the same across every parallel branch.
    • Adding resistors in series increases the total resistance ($R_1 + R_2$); adding them in parallel makes the total less than the smallest single resistor.
    • An ammeter goes in series and has very low resistance; a voltmeter goes in parallel across a component and has very high resistance.
    • In a transformer $\dfrac{V_p}{V_s} = \dfrac{N_p}{N_s}$: more turns on the secondary steps the voltage up, fewer steps it down. Transformers only work on a.c.
    • Power is sent across country at high voltage so the current — and the heat wasted in the cables, $P = I^2R$ — is small.
    • Fit the switch and the fuse in the live wire, and choose a fuse rating just above the appliance's normal working current.
  • 5

    Nuclear physics · ⁨핵물리학⁩

    Watch lesson · ⁨수업 보기⁩
    5.1

    The atom · ⁨원자⁩

    Syllabus
    English

    5.1.1 The atom

    Core Supplement
    1 Describe the structure of an atom in terms of a positively charged nucleus and negatively charged electrons in orbit around the nucleus 3 Describe how the scattering of alpha ($\alpha$) particles by a sheet of thin metal supports the nuclear model of the atom, by providing evidence for: (a) a very small nucleus surrounded by mostly empty space (b) a nucleus containing most of the mass of the atom (c) a nucleus that is positively charged
    2 Know how atoms may form positive ions by losing electrons or form negative ions by gaining electrons

    5.1.2 The nucleus

    Core Supplement
    1 Describe the composition of the nucleus in terms of protons and neutrons
    6 Describe the processes of nuclear fission and nuclear fusion as the splitting or joining of nuclei, to include the nuclide equation and qualitative description of mass and energy changes without values
    2 State the relative charges of protons, neutrons and electrons as +1, 0 and –1 respectively
    3 Define the terms proton number (atomic number) $Z$ and nucleon number (mass number) $A$ and be able to calculate the number of neutrons in a nucleus 7 Know the relationship between the proton number and the relative charge on a nucleus
    8 Know the relationship between the nucleon number and the relative mass of a nucleus
    4 Use the nuclide notation $^{A}_{Z}\text{X}$
    5 Explain what is meant by an isotope and state that an element may have more than one isotope
    한국어

    5.1.1 원자

    핵심 보충
    1 양전하를 띤 핵과 이를 도는 음전하를 띤 전자의 구조로 원자의 구성을 설명한다 3 얇은 금속판에 의한 알파($\alpha$) 입자 산란 현상을 통해 원자의 핵 모델이 지지됨을 설명하며, 다음에 대한 증거를 제시한다: (a) 거의 빈 공간으로 둘러싸인 매우 작은 핵 (b) 원자 질량의 대부분을 포함하는 핵 (c) 양전하를 띤 핵
    2 전자를 잃어 양이온을 형성하거나 전자를 얻어 음이온을 형성할 수 있음을 알고 있다

    5.1.2 핵

    핵심 보충
    1 양성자와 중성자로 구성된 핵의 구성을 설명한다
    6 핵분열과 핵융합을 핵의 분열 또는 결합 과정으로 설명하며, 수치 없는 질량 및 에너지 변화에 대한 동위원소 방정식과 정성적 서술을 포함한다
    2 양성자, 중성자, 전자의 상대 전하가 각각 +1, 0, –1임을 서술한다
    3 원자 번호(원자番号) $Z$와 질량 번호(핵자번호) $A$의 의미를 정의하고 핵 내 중성자 수를 계산할 수 있어야 한다 7 원자 번호와 핵의 상대 전하 사이의 관계를 알고 있다
    8 질량 번호와 핵의 상대 질량 사이의 관계를 알고 있다
    4 동위원소 표기법 $^{A}_{Z}\text{X}$을 사용한다
    5 동위원소의 의미를 설명하고, 한 원소가 여러 동위원소를 가질 수 있음을 서술한다

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    English

    An atom 原子 is made of a tiny central nucleus 原子核 with electrons 电子 moving around it (in orbit 轨道, like planets around the Sun).

    • The nucleus has a positive charge 电荷.
    • The electrons have a negative charge.
    • The atom as a whole is neutral, because the positive and negative charges are equal.

    Almost all the mass 质量 is in the nucleus, but the nucleus is very small compared with the whole atom. So an atom is mostly empty space.

    Ions

    An atom is neutral, but it can gain or lose electrons to become an ion 离子.

    • Lose one or more electrons → a positive ion (now there are more protons than electrons).
    • Gain one or more electrons → a negative ion.

    The alpha-scattering experiment

    This experiment gave the evidence for the nuclear model. Alpha particles α粒子 (small, fast, positive) were fired at a very thin gold foil 金箔, and the scattering 散射 (the way they bounced off) was watched.

    The results and what they tell us:

    • Almost all the alpha particles went straight through. → The atom is mostly empty space.
    • A few were deflected 偏转 (bent) through small angles. → The nucleus has a positive charge, which pushes the positive alpha particles away.
    • A very few bounced almost straight back. → The nucleus is very small and very heavy, and holds most of the mass of the atom.
    한국어

    원자는 미세한 중심 핵과 그 주위를 도는 전자(행성이 태양 주위를 도는 것처럼 궤도 상)로 이루어져 있다.

    • 핵은 양의 전하를 띤다.
    • 전자는 음의 전하를 띤다.
    • 원자 전체로는 중성이다. 양전하와 음전하의 크기가 같기 때문이다.

    거의 모든 질량이 핵에 있지만, 핵은 원자 전체에 비해 매우 작다. 따라서 원자의 대부분은 빈 공간이다.

    양성자와 중성자로 이루어진 중심 핵과 그 주위를 원형 궤도로 도는 전자
    핵 원자: 양성자와 중성자로 이루어진 작고 밀도가 높은 핵과 그 주위를 도는 전자

    이온

    원자는 중성이지만, 전자를 얻거나 잃어 이온이 될 수 있다.

    • 하나 이상의 전자를 잃음 → 양이온 (이제 양성자가 전자보다 많아짐).
    • 하나 이상의 전자를 얻음 → 음이온.

    알파 산란 실험

    이 실험은 핵 모델에 대한 증거를 제공했다. 알파 입자 α (작고 빠름, 양전하)를 매우 얇은 금박에 쏘아 산란(튀어나가는 방식)을 관찰했다.

    결과 및 의미:

    • 거의 모든 알파 입자가 그대로 통과함. → 원자의 대부분은 빈 공간이다.
    • 일부가 작은 각도로 편향됨 (구부러짐). → 핵은 양전하를 띠고 있어 양전하를 띤 알파 입자를 밀어낸다.
    • 매우 일부가 거의 곧바로 튕겨 나옴. → 핵은 매우 작고 무겁으며, 원자 질량의 대부분을 차지한다.
    금박에 쏘인 알파 입자: 대부분은 그대로 통과하고 일부는 편향되며 매우 일부만 튕겨 나옴
    대부분의 알파 입자는 그대로 통과하며, 일부는 편향되고 매우 일부만 작고 밀도가 높은 핵에서 튕겨 나옴
    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Inside the atom · ⁨원자 내부⁩

    A tiny dense nucleus sits at the centre with electrons in shells around it — drag the proton number and watch the shells fill outward. · ⁨작고 밀도 높은 핵이 중앙에 위치하고 전자 껍질이 주변을 둘러싸고 있습니다 — 양자수(원자 번호)를 드래그하면 껍질이 바깥쪽으로 채워지는 것을 볼 수 있습니다.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    atom/ˈætəm/ 원자
    nucleus/ˈnjuːklɪəs/ 핵
    scattering/ˈskætərɪŋ/ 산란
    deflected/dɪˈflektɪd/ 편향된
    nucleon/ˈnjuːklɪən/ 핵자(nucleon)
    5.1

    Inside the nucleus · ⁨핵 내부⁩

    English

    The nucleus is made of two kinds of particle, together called nucleons 核子:

    • protons 质子, which have a relative 相对 charge of $+1$;
    • neutrons 中子, which have a relative charge of $0$ (they are neutral).

    An electron has a relative charge of $-1$. A proton and a neutron each have a relative mass of about $1$; an electron is almost massless in comparison.

    Two numbers describe a nucleus:

    • the proton number 质子数 $Z$ (also called the atomic number) — the number of protons;
    • the nucleon number 核子数 $A$ (also called the mass number) — the number of protons plus neutrons.

    So the number of neutrons is $A - Z$.

    We write a nucleus in nuclide 核素 notation:

    $$^{A}_{Z}\text{X}$$

    where X is the chemical symbol. For example, $^{197}_{\ 79}\text{Au}$ has $79$ protons and $197 - 79 = 118$ neutrons. The relative charge of the whole nucleus is just $+Z$ (here $+79$), and its relative mass is about $A$.

    Isotopes

    Isotopes 同位素 are atoms of the same element (the same $Z$) but with different numbers of neutrons (different $A$). They behave the same in chemistry but differently in the nucleus. For example, $^{12}_{\ 6}\text{C}$ and $^{14}_{\ 6}\text{C}$ are both carbon.

    Nuclear fission and fusion

    In nuclear fission 核裂变, a heavy nucleus absorbs a neutron and then splits into two smaller nuclei, giving out two or three neutrons and a lot of energy 能量:

    $$^{235}_{\ 92}\text{U} + ^{1}_{0}\text{n} \rightarrow\ ^{141}_{\ 56}\text{Ba} + ^{92}_{36}\text{Kr} + 3\,{}^{1}_{0}\text{n}$$

    The top numbers (nucleon numbers) balance on both sides, and so do the bottom numbers (proton numbers). You can use this to find a missing number — for example, how many neutrons are released.

    In nuclear fusion 核聚变, two light nuclei join to make a heavier one, also giving out energy. This is how the Sun makes its energy, joining hydrogen 氢 nuclei to make helium 氦. The reaction below — two heavy forms of hydrogen (deuterium and tritium) joining into helium — is the one used in fusion reactors on Earth:

    $$^{2}_{1}\text{H} + ^{3}_{1}\text{H} \rightarrow\ ^{4}_{2}\text{He} + ^{1}_{0}\text{n}$$

    In both fission and fusion, a small amount of mass is lost and turned into energy.

    한국어

    핵은 두 종류의 입자로 이루어져 있으며, 이를 합쳐 핵자라고 한다:

    • 양성자, 상대 전하가 $+1$임;
    • 중성자, 상대 전하가 $0$임 (중성임).

    전자의 상대 전하는 $-1$이다. 양성자와 중성자는 각각 상대 질량이 약 $1$이며, 전자는 비교할 수 없을 정도로 질량이 거의 없다.

    두 숫자가 핵을 설명한다:

    • 원자 번호 $Z$ (또는 원자 번호라 함) — 양성자의 수;
    • 핵자 번호 $A$ (또는 질량 번호라 함) — 양성자와 중성자의 총수.

    따라서 중성자의 개수는 $A - Z$입니다.

    우리는 동위 원소 표기법으로 핵을 나타낸다:

    $$^{A}_{Z}\text{X}$$

    여기 X는 화학 기호이다. 예를 들어, $^{197}_{\ 79}\text{Au}$은 $79$개의 양성자와 $197 - 79 = 118$개의 중성자를 가진다. 전체 핵의 상대 전하는 정확히 $+Z$(여기서 $+79$)이며, 상대 질량은 약 $A$이다.

    동위원소

    동위 원소는 같은 원소(같은 $Z$)이지만 중성자 수가 다른 원자들(다른 $A$)이다. 화학적으로는 동일하게 행동하지만 핵에서는 다르게 행동한다. 예를 들어, $^{12}_{\ 6}\text{C}$과 $^{14}_{\ 6}\text{C}$은 모두 탄소이다.

    탄소-12(양성자 6개, 중성자 6개), 탄소-14(양성자 6개, 중성자 8개)의 두 가지 탄소 핵
    탄소의 동위 원소는 동일한 6개의 양성자를 가지지만 중성자 수는 다르므로, 동일한 원소이면서 다른 질량을 가진다

    핵분열 및 핵융합

    핵분열에서 무거운 핵이 중성자를 흡수하여 두 개의 작은 핵으로 나뉘며, 두 개 또는 세 개의 중성자와 많은 에너지를 방출한다:

    $$^{235}_{\ 92}\text{U} + ^{1}_{0}\text{n} \rightarrow\ ^{141}_{\ 56}\text{Ba} + ^{92}_{36}\text{Kr} + 3\,{}^{1}_{0}\text{n}$$
    U-235 핵에 충돌하는 중성자가 Ba와 Kr 및 더 많은 중성자와 에너지로 나뉨
    중성자가 U-235 핵을 두 개의 작은 핵으로 나누어 더 많은 중성자와 에너지를 방출함

    윗면 숫자(핵자 번호)가 양변에서 균형을 이루고, 아랫면 숫자(원자 번호)도 vậy하다. 이를 사용하여 누락된 숫자를 구할 수 있다—예를 들어, 방출되는 중성자의 수 등.

    핵융합에서 두 개의 가벼운 핵이 결합하여 더 무거운 핵을 만들고, 또한 에너지를 방출한다. 이는 태양이 에너지를 만드는 방식이며, 수소 핵을 결합하여 헬륨을 만든다. 아래 반응—무거운 수소 형태 두 가지(중수소와 삼중수소)가 헬륨으로 결합하는 것—은 지구상의 융합 발전소에서 사용되는 반응이다:

    $$^{2}_{1}\text{H} + ^{3}_{1}\text{H} \rightarrow\ ^{4}_{2}\text{He} + ^{1}_{0}\text{n}$$
    두 개의 작은 수소 핵이 결합하여 헬륨 핵과 중성자 및 에너지를 만드는 모습
    융합에서 두 개의 가벼운 핵이 결합하여 무거운 핵을 만들며 중성자와 에너지를 방출하는데, 이는 융합 원자로에서 사용되는 데우테륨-트리튬 반응이다

    분열과 융합 모두에서 소량의 질량이 손실되어 에너지로 전환된다.

    강 옆에 위치한 원자력 발전소의 큰 냉각탑 두 개가 흰색 증기 구름을 뿜고 있음
    원자력 발전소는 분열에서 얻은 에너지를 이용해 전기를 생산하며, 탑은 폐열을 증기로 방출함
    Explore · ⁨탐색하기⁩

    The fission chain reaction · ⁨분열 연쇄 반응⁩

    A neutron splits a uranium nucleus, which releases energy AND more neutrons — those split more nuclei, and so on. · ⁨중성자가 우라늄 핵을 분열시켜 에너지 AND 더 많은 중성자를 방출합니다 —那些中子會分裂更多原子核,以此類推。⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    ion/ˈaɪɒn/ 이온
    alpha particle/ˈælfə ˈpɑːtɪkl/ 알파 입자
    gold foil/ɡəʊld fɔɪl/ 금박(gold foil)
    isotope/ˈaɪsətəʊp/ 동위 원소(isotope)
    nuclear fission/ˈnjuːklɪə ˈfɪʃn/ 핵 분열
    energy/ˈenədʒi/ 에너지
    nuclear fusion/ˈnjuːklɪə ˈfjuːʒn/ 핵 융합
    hydrogen/ˈhaɪdrədʒn/ 수소
    helium/ˈhiːlɪəm/ 헬륨
    unstable/ʌnˈsteɪbl/ 불안정함
    radiation/ˌreɪdɪˈeɪʃn/ 복사
    5.2

    Radioactivity · ⁨방사능⁩

    Syllabus
    English

    5.2.1 Detection of radioactivity

    Core Supplement
    1 Know what is meant by background radiation
    2 Know the sources that make a significant contribution to background radiation including: (a) radon gas (in the air) (b) rocks and buildings (c) food and drink (d) cosmic rays
    3 Know that ionising nuclear radiation can be measured using a detector connected to a counter
    4 Use count rate measured in counts / s or counts / minute 5 Use measurements of background radiation to determine a corrected count rate

    5.2.2 The three types of nuclear emission

    Core Supplement
    1 Describe the emission of radiation from a nucleus as spontaneous and random in direction
    2 Identify alpha ($\alpha$), beta ($\beta$) and gamma ($\gamma$) emissions from the nucleus by recalling: (a) their nature (b) their relative ionising effects (c) their relative penetrating abilities ($\beta^+$ are not included, $\beta$-particles will be taken to refer to $\beta^-$) 3 Describe the deflection of $\alpha$-particles, $\beta$-particles and $\gamma$-radiation in electric fields and magnetic fields
    4 Explain their relative ionising effects with reference to: (a) kinetic energy (b) electric charge

    5.2.3 Radioactive decay

    Core Supplement
    1 Know that radioactive decay is a change in an unstable nucleus that can result in the emission of $\alpha$-particles or $\beta$-particles and/or $\gamma$-radiation and know that these changes are spontaneous and random 3 Know that isotopes of an element may be radioactive due to an excess of neutrons in the nucleus and/or the nucleus being too heavy
    2 State that during $\alpha$-decay or $\beta$-decay, the nucleus changes to that of a different element 4 Describe the effect of $\alpha$-decay, $\beta$-decay and $\gamma$-emissions on the nucleus, including an increase in stability and a reduction in the number of excess neutrons; the following change in the nucleus occurs during $\beta$-emission neutron $\rightarrow$ proton + electron
    5 Use decay equations, using nuclide notation, to show the emission of $\alpha$-particles, $\beta$-particles and $\gamma$-radiation

    5.2.4 Half-life

    Core Supplement
    1 Define the half-life of a particular isotope as the time taken for half the nuclei of that isotope in any sample to decay; recall and use this definition in simple calculations, which might involve information in tables or decay curves (calculations will not include background radiation) 2 Calculate half-life from data or decay curves from which background radiation has not been subtracted
    3 Explain how the type of radiation emitted and the half-life of an isotope determine which isotope is used for applications including: (a) household fire (smoke) alarms (b) irradiating food to kill bacteria (c) sterilisation of equipment using gamma rays (d) measuring and controlling thicknesses of materials with the choice of radiations used linked to penetration and absorption (e) diagnosis and treatment of cancer using gamma rays

    5.2.5 Safety precautions

    Core Supplement
    1 State the effects of ionising nuclear radiations on living things, including cell death, mutations and cancer
    2 Describe how radioactive materials are moved, used and stored in a safe way 3 Explain safety precautions for all ionising radiation in terms of reducing exposure time, increasing distance between source and living tissue and using shielding to absorb radiation
    한국어

    5.2.1 방사능 검출

    핵심 보충
    1 배경 방사선의 의미를 알고 있다
    2 배경 방사선에 크게 기여하는有以下 sources를 안다: (a) 라돈 가스(공기 중) (b) 암석 및 건물 (c) 음식 및 음료 (d) 우주선
    3 이온화 핵방사선은 카운터에 연결된 검출기를 사용하여 측정할 수 있음을 알고 있다
    4 카운트율(counts / s 또는 counts / minute) 단위로 측정값을 사용한다 5 배경 방사선 측정값을 이용하여 보정된 카운트율을 결정한다

    5.2.2 세 가지 유형의 핵 방출

    핵심 보충
    1 핵에서의 방사선 방출은 자발적이고 방향이 무작위임으로 설명한다
    2 다음을 recalling하여 핵에서 나오는 알파($\alpha$), 베타($\beta$), 감마($\gamma$) 방출을 식별한다: (a) 그 성질 (b) 상대 이온화 효과 (c) 상대 투과력 ($\beta^+$은 포함되지 않으며, $\beta$-입자는 일반적으로 $\beta^-$을 지칭함) 3 전기장 및 자기장 내에서 $\alpha$-입자, $\beta$-입자, $\gamma$-방사선의 편향 현상을 설명한다
    4 다음을 근거로 상대 이온화 효과를 설명한다: (a) 운동 에너지 (b) 전기 하전

    5.2.3 방사성 붕괴

    핵심 보충
    1 방사성 붕괴가 불안정한 핵의 변화이며, 이로 인해 $\alpha$-입자 또는 $\beta$-입자와/또는 $\gamma$-방사선이 방출될 수 있음을 알고, 이러한 변화가 자발적이고 무작위임을 안다 3 한 원소의 동위원소들이 핵 내 중성자가 과도하거나 핵이 너무 무거워서 방사성이 될 수 있음을 안다
    2 $\alpha$-붕괴 또는 $\beta$-붕괴 동안 핵이 다른 원소의 핵으로 변함을 서술한다 4 $\alpha$-붕괴, $\beta$-붕괴 및 $\gamma$-방출이 핵에 미치는 영향을 설명한다. 여기에는 안정성 증가 및 과도한 중성자 수 감소가 포함된다. 아래 변화가 $\beta$-방출 시 발생한다: 중성자 $\rightarrow$ 양성자 + 전자
    5 핵종 표기법을 사용한 붕괴 공식을 사용하여 $\alpha$-입자, $\beta$-입자 및 $\gamma$-방사능의 방출을 보여준다.

    5.2.4 반감기

    핵심 보충
    1 특정 동위원소의 반감기를 해당 동위원소의 핵 중 절반이 붕괴하는 데 걸리는 시간으로 정의한다. 단순 계산에서 이 정의를 기억하고 활용할 수 있으며, 표나 붕괴 곡선상의 정보를 포함할 수 있다(계산에는 배경 방사선을 포함하지 않는다) 2 배경 방사선을 차감하지 않은 데이터 또는 붕괴 곡선으로부터 반감기를 계산한다
    3 방출되는 방사선의 종류와 동위원소의 반감기가 어떤 적용에서使用该 동위원소를 결정하는지 설명한다: (a) 가정용 화재(연기) 탐지기 (b) 살균을 위한 식품 조사 (c) 감마선을 이용한 기기 소독 (d) 재료 두께 측정 및 조절(사용하는 방사선의 투과력 및 흡수율에 따른 선택) (e) 감마선을 이용한 암 진단 및 치료

    5.2.5 안전 조치

    핵심 보충
    1 이온화 핵방사선이 생명체에 미치는 영향, 즉 세포 사멸, 돌연변이 및 암 발생 등을 서술한다
    2 방사성 물질을 안전하게 이동, 사용 및 보관하는 방법을 설명한다 3 노출 시간 단축, radioactive source와 생체 조직 사이의 거리 증가, 그리고 방사선을 흡수하기 위한 차폐물 사용이라는 측면에서 모든 이온화 방사선에 대한 안전 조치를 설명한다

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    English
    Radioactive decay & half-life

    A nucleus that is unstable 不稳定 will sooner or later break down and give out radiation 辐射. This is radioactive 放射性 decay 衰变. A nucleus may be unstable because it has too many neutrons, or because it is too heavy.

    Decay is spontaneous 自发 (it happens on its own, and you cannot speed it up or slow it down) and random 随机 (you cannot say which nucleus will decay next, or exactly when).

    Background radiation

    Some radiation is around us all the time. This is background radiation 背景辐射. Its main sources are:

    • radon 氡 gas in the air (usually the biggest source);
    • rocks and buildings;
    • food and drink;
    • cosmic rays 宇宙射线 from space.

    Measuring radiation

    Radiation can be measured with a detector 探测器 joined to a counter 计数器. The count rate 计数率 is the number of counts each second (or each minute).

    To find the true count rate from a source, first measure the background count rate on its own, then subtract it. The answer is the corrected 修正 count rate:

    $$\text{corrected count rate} = \text{measured count rate} - \text{background count rate}$$

    Worked example. A detector placed next to a source reads $250$ counts/min. With the source taken away, the background count rate is $30$ counts/min. Find the corrected count rate.

    $$250 - 30 = 220\ \text{counts/min}$$
    한국어
    방사성 붕괴 및 반감기

    불안정한 핵은 언젠가 붕괴하여 방사선을 방출할 것이다. 이를 방사성 붕괴라고 한다. 핵이 중성자가 너무 많거나 너무 무거워 불안정할 수 있다.

    붕괴는 자발적(자발적으로 일어나며, 가속하거나 지연시킬 수 없음)이며 랜덤(다음에 어떤 핵이 붕괴할지, 혹은 정확한 시기를 알 수 없음)이다.

    배경 방사선

    우리를 둘러싼 방사선이 항상 존재한다. 이를 배경 방사선이라고 한다. 주요 출처는 다음과 같다:

    • 공기 중의 ** 라돈** 가스 (보통 가장 큰 출처);
    • 암석과 건물;
    • 음식과 음료;
    • 우주에서 오는 우주선.

    방사선 측정

    방사선은 검출기에 연결된 카운터로 측정할 수 있다. 카운트율은毎초(또는毎분) 카운트 수이다.

    출처의 실제 카운트율을 구하려면, 먼저 배경 카운트율만 측정하고 이를 빼야 한다. 그 결과가 보정된 카운트율이다:

    $$\text{corrected count rate} = \text{measured count rate} - \text{background count rate}$$

    풀이 예시. 검출기가 원천 옆에 놓였을 때 $250$ counts/min의 값을 읽습니다. 원천을 제거했을 때 배경 세기(배경 카운트율)는 $30$ counts/min입니다. 보정된 세기를 구하십시오.

    $$250 - 30 = 220\ \text{counts/min}$$
    검출 튜브와 작은 화면이 있는 휴대용 지게 계수기 (화면에는 세기가 표시됨)
    휴대용 지게 계수기는 이온화 방사선을 감지하여 화면에 세기를 표시합니다
    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Radioactive decay · ⁨방사성 붕괴⁩

    N = N₀·bᵗ

    The number of unstable nuclei decays exponentially. · ⁨불안한 원자핵의 개수는 지수함수적으로 감소합니다.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    radioactive/ˌreɪdɪəʊˈæktɪv/ 방사성
    decay/dɪˈkeɪ/ 붕괴
    spontaneous/spɒnˈteɪnɪəs/ 자발적임
    random/ˈrændəm/ 무작위인
    background radiation/ˈbækɡraʊnd ˌreɪdɪˈeɪʃn/ 배경 방사선(background radiation)
    radon/ˈreɪdɒn/ 라돈(radon)
    cosmic rays/ˈkɒzmɪk reɪz/ 우주선(cosmic rays)
    detector/dɪˈtektə/ 검출기(detector)
    counter/ˈkaʊntə/ counter(반례)
    count rate/kaʊnt reɪt/ 카운트율
    corrected/kəˈrektɪd/ 보정됨
    ionising/ˈaɪənaɪzɪŋ/ 이온화
    aluminium/ˌæljʊˈmɪnɪəm/ 알루미늄
    electromagnetic wave/ɪˌlektrəʊməɡˈnetɪk weɪv/ 전자기파
    Watch lesson · ⁨수업 보기⁩
    5.2

    The three types of radiation · ⁨세 가지 유형의 방사선⁩

    English

    The radiation can be one of three types. Each type is ionising 电离, which means it can knock electrons off atoms in its path.

    Type What it is Ionising effect Stopped by
    alpha (α) a helium nucleus: 2 protons + 2 neutrons, charge $+2$ strongest a sheet of paper, or a few cm of air
    beta (β) a fast-moving electron, charge $-1$ medium a few mm of aluminium 铝
    gamma (γ) a high-energy electromagnetic wave 电磁波, no charge weakest thick lead 铅 or concrete (only reduced, never fully stopped)

    So an alpha particle is the most ionising but the least penetrating 穿透 (it is easily absorbed 吸收). A beta particle β粒子 is in the middle. Gamma radiation γ射线 is the least ionising but the most penetrating.

    We can explain the ionising effects from charge and kinetic energy 动能: an alpha particle has a large charge ($+2$) and is slow and heavy, so it pulls strongly on the electrons it passes and ionises a lot. A beta particle has a smaller charge and moves faster, so it ionises less.

    Deflection in fields

    Because alpha and beta particles are charged, they are deflected by an electric field 电场 and by a magnetic field 磁场. They bend in opposite directions, because their charges have opposite signs, and the lighter beta particle bends more. Gamma rays have no charge, so they are not deflected at all.

    한국어

    방사선은 세 가지 유형 중 하나일 수 있습니다. 각 유형은 이온화되는데, 이는 경로상의 원자에서 전자를 떼어낼 수 있음을 의미합니다.

    유형 특징 이온화 효과 차단 물질
    알파(α) 헬륨 원자핵: 양성자 2개 + 중성자 2개, 전하 $+2$ 가장 강함 한 장의 종이 또는 몇 cm의 공기
    베타(β) 빠른 속도로 이동하는 전자, 전하 $-1$ 중간 몇 mm의 알루미늄
    감마(γ) 고에너지 전자파, 무전하 가장 약함 두꺼운 납 또는 콘크리트 (감소할 뿐, 완전히 차단되지 않음)

    즉, 알파 입자는 가장 강한 이온화 능력을 가지는 대신 침투력이 가장 약합니다(쉽게 흡수됨). 타 입자 β는 그 중간에 위치합니다. 감마 방사선 γ는 이온화 능력이 가장 약하지만 침투력이 가장 큽니다.

    종이에 의해 차단된 알파, 알루미늄에 의해 차단된 베타, 납에 의해 감소된 감마
    종이는 알파를 차단하고, 몇 밀리미터의 알루미늄은 베타를 차단하며, 두꺼운 납은 감마를 단순히 감소시킬 뿐입니다

    우리는 전하와 운동 에너지로부터 이온화 효과를 설명할 수 있습니다: 알파 입자는 큰 전하($+2$)를 가지고 있어 느리고 무거우므로 지나가는 전자들을 강하게 끌어당겨 많은 양의 이온화를 일으킵니다. 베타 입자는 전하가 작고 더 빠르게 움직이므로 이온화가 적습니다.

    장(Field)에서의 편향

    알파와 베타 입자는 전하를 가지고 있으므로 전기장과 자기장에 의해 편향됩니다. 그들의 전하 부호가 반대이므로 서로 반대 방향으로 꺾이며, 가벼운 베타 입자가 더 많이 굽습니다. 감마선은 전하가 없으므로 전혀 편향되지 않습니다.

    한쪽으로 꺾이는 알파, 더 많이 그리고 반대쪽으로 꺾이는 베타, 두 정전판 사이를 곧게 가는 감마
    알파와 베타는 반대 방향으로 꺾이며, 가벼운 베타가 더 많이 굽고, 무전하인 감마는 편향되지 않습니다
    5.2

    Decay equations · ⁨붕괴 방정식⁩

    English

    When a nucleus decays, the nucleon and proton numbers must balance on both sides.

    Alpha decay — the nucleus loses 2 protons and 2 neutrons, so $A$ falls by $4$ and $Z$ falls by $2$. It becomes a different element:

    $$^{A}_{Z}\text{X} \rightarrow\ ^{A-4}_{Z-2}\text{Y} + ^{4}_{2}\alpha$$

    Worked example. A radium nucleus $^{226}_{\ 88}\text{Ra}$ emits an alpha particle. Find the nucleon number and proton number of the new nucleus.

    Alpha decay lowers $A$ by $4$ and $Z$ by $2$:

    $$^{226}_{\ 88}\text{Ra} \rightarrow\ ^{222}_{\ 86}\text{Rn} + ^{4}_{2}\alpha$$

    So the new nucleus (radon) has nucleon number $222$ and proton number $86$.

    Beta decay — inside the nucleus a neutron changes into a proton plus an electron:

    $$\text{neutron} \rightarrow \text{proton} + \text{electron}$$

    The fast electron leaves as the beta particle. So $A$ stays the same but $Z$ rises by $1$, giving a different element:

    $$^{24}_{11}\text{Na} \rightarrow\ ^{24}_{12}\text{Mg} + ^{\ \ 0}_{-1}\beta$$

    Gamma emission — the nucleus loses only energy, so $A$ and $Z$ do not change. Alpha and beta decay leave the nucleus more stable 稳定; gamma is often given out at the same time to carry away spare energy.

    한국어

    원자핵이 붕괴할 때, 양측의 핵자 수와 원자 번호(양성자 수)는 균형을 이루어야 합니다.

    알파 붕괴 — 원자핵은 양성자 2개와 중성자 2개를 잃으므로 $A$는 $4$만큼 줄고 $Z$는 $2$만큼 줄어듭니다. 새로운 원소가 됩니다:

    $$^{A}_{Z}\text{X} \rightarrow\ ^{A-4}_{Z-2}\text{Y} + ^{4}_{2}\alpha$$

    풀이 예시. 라듐 원자핵 $^{226}_{\ 88}\text{Ra}$가 알파 입자를 방출합니다. 새로운 원자핵의 핵자수와 원자 번호를 구하십시오.

    알파 붕괴로 인해 $A$는 $4$만큼, $Z$는 $2$만큼 줄어듭니다:

    $$^{226}_{\ 88}\text{Ra} \rightarrow\ ^{222}_{\ 86}\text{Rn} + ^{4}_{2}\alpha$$

    따라서 새로운 원자핵(라돈)은 핵자수 $222$와 원자 번호 $86$를 가집니다.

    베타 붕괴 — 원자핵 내부에서 중성자가 양성자와 전자로 변합니다:

    $$\text{neutron} \rightarrow \text{proton} + \text{electron}$$

    빠른 전자가 베타 입자로 빠져나갑니다. 따라서 $A$는 그대로 유지되지만 $Z$는 $1$만큼 증가하여 새로운 원소가 됩니다:

    $$^{24}_{11}\text{Na} \rightarrow\ ^{24}_{12}\text{Mg} + ^{\ \ 0}_{-1}\beta$$

    감마 방출 — 원자핵은 에너지만 잃으므로 $A$와 $Z$는 변하지 않습니다. 알파 및 베타 붕괴 후 원자핵은 더 안정해지는데,多余한 에너지를 외로 내보내기 위해 감마선이 함께 방출되는 경우가 많습니다.

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    electron/ɪˈlektrɒn/ 전자
    orbit/ˈɔːbɪt/ 궤도
    charge/tʃɑːdʒ/ 전기하전
    mass/mæs/ 질량
    proton/ˈprəʊtɒn/ proton
    relative/ˈrelətɪv/ 상대적임
    neutron/ˈnjuːtrɒn/ neutron
    proton number/ˈprəʊtɒn ˈnʌmbə/ 양자수
    nucleon number/ˈnjuːklɪən ˈnʌmbə/ 핵자 수
    nuclide/ˈnjuːklaɪd/ 핵종
    5.2

    Half-life · ⁨반감기⁩

    English

    Because decay is random, we cannot follow one nucleus. Instead we describe a large sample 样品 using its half-life.

    The half-life 半衰期 of an isotope is the time taken for half the unstable nuclei in a sample to decay. After each half-life, the count rate (or the number of unstable nuclei left) falls to half.

    For example, if a source has a count rate of $800$ counts/min and a half-life of $3$ hours:

    Time / hours 0 3 6 9
    Count rate / (counts/min) 800 400 200 100

    After $6$ hours (two half-lives) the count rate has halved twice: $800 \to 400 \to 200$. You can read a half-life off a decay graph by finding the time for the count rate to drop from any value to half of it. If the readings include background radiation, subtract the background count rate from every reading first, then find the half-life from the corrected values.

    Worked example. The activity of a source falls from $800$ counts/min to $100$ counts/min. Its half-life is $5$ days. How long did this take?

    Count the halvings: $800 \to 400 \to 200 \to 100$ is three half-lives, so the time is $3 \times 5 = 15\ \text{days}$.

    한국어

    붕괴가 우연히 일어나므로 단일 원자핵을 추적할 수는 없습니다. 대신 표본(sample) 전체를 반감기(half-life) 로 서술합니다.

    동위원소의 반감기란 표본 내 불안정한 원자핵 절반이 붕괴하는 데 걸리는 시간입니다. 각 반감기가 지날 때마다 세기(또는 남은 불안정한 원자핵 수)는 절반으로 감소합니다.

    예를 들어, 어떤 원천의 세기가 $800$ counts/min이고 반감기가 $3$시간인 경우:

    시간 / 시간 0 3 6 9
    세기 / (counts/min) 800 400 200 100

    $6$시간(반감기 2회)이 지난 후 세기는 두 번减半되었습니다: $800 \to 400 \to 200$. 붕괴 그래프에서 세기가 임의의 값에서 절반으로 떨어지는 시간을 찾으면 반감기를 읽을 수 있습니다. readings에 배경 방사선이 포함되어 있다면, 먼저 모든 readings에서 배경 세기를 뺀 뒤, 보정된 값으로부터 반감기를 구하십시오.

    풀이 예시. 어떤 원천의 활동성이 $800$ counts/min에서 $100$ counts/min으로 감소했습니다. 반감기는 $5$일입니다. 이 과정이 얼마나 걸렸습니까?

    halvings를 세십시오: $800 \to 400 \to 200 \to 100$는 반감기 3회에 해당하므로, 소요 시간은 $3 \times 5 = 15\ \text{days}$입니다.

    세기에 대한 시간의 붕괴 곡선 (각 반감기마다减半)
    매 반감기 $T$ 세기는减半됩니다: $N_0 \to N_0/2 \to N_0/4 \to N_0/8$
    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Half-life — watch the nuclei decay · ⁨반감기 — 핵의 감쇠 관찰하기⁩

    Each nucleus has a fixed chance of decaying, at random. Move time forward: about half the remaining nuclei decay every half-life — so the count halves, then halves again. · ⁨각 핵은 임의의 시간에 감쇠할 고정된 확률을 가집니다. 시간이 흐르면 각 반감기마다 남은 핵의 약 절반이 감쇠하므로, 세기 수율은 절반으로 줄고 다시 절반으로 줄어듭니다.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    sample/ˈsæmpl/ 표본
    half-life/hɑːf laɪf/ 반감기
    smoke alarm/sməʊk əˈlɑːm/ 연기 감지기
    bacteria/bækˈtɪərɪə/ 박테리아
    sterilise/ˈsterəlaɪz/ 살균
    5.2

    Uses of radioactivity · ⁨방사성의 활용⁩

    English

    The isotope chosen for a job depends on its type of radiation and its half-life:

    • smoke alarms 烟雾报警器 use an alpha source (alpha is easily blocked, so it is safe outside the alarm, and a long half-life means it lasts for years);
    • using radiation on food, or on equipment, kills bacteria 细菌 and germs — this needs penetrating gamma rays to sterilise 消毒 the sealed item;
    • measuring and controlling the thickness of paper or metal sheets uses a beta source (the amount that passes through changes with the thickness);
    • a medical tracer 医用示踪剂 is a small amount of a gamma-emitting isotope with a short half-life, injected into the body: a detector outside the body follows where it goes, gamma rays escape from the body easily, and the activity soon falls to a safe level;
    • gamma rays are used to find and to treat cancer 癌症 inside the body, because they can pass out of (or into) the body.
    한국어

    작업에 적합한 동위원소는 방출하는 방사선의 종류와 반감기에 따라 결정됩니다:

    • 연기 감지기는 알파 원천을 사용합니다(알파는 쉽게 차단되므로 감지기 외부에서는 안전하며, 긴 반감기로 인해数年间 지속됩니다);
    • 식품이나 장비에 방사선을 사용하여 박테리아와 세균을 사멸시킵니다—밀봉된 물품을 살균하기 위해서는 침투력이 높은 감마선이 필요합니다;
    • 종이나 금속 시트의 두께를 측정하고 제어할 때는 베타 원천을 사용합니다(통과되는 양이 두께에 따라 변함);
    • 의료 추적자(medical tracer) 는 짧은 반감기의 감마 방출 동위원소 소량을 체내에 주입하는 것으로,体外에 놓은 검출기가 그 이동 경로를 추적합니다. 감마선은 체외로 쉽게抜け어나며, 활동성은_castly 안전 수준으로 감소합니다;
    • 감마선은 체내를 통과할 수 있으므로 체내 암(cancer) 의 진단 및 치료에 사용됩니다.
    방사선 치료 기계 아래 메쉬 마스크로 고정된 환자, 마스크 위를 교차하는 녹색 정렬 레이저
    방사선 치료: 메쉬 마스크가 환자를 고정하고 정렬 레이저가 암에 정확히 감마선을 조준하여 치료합니다
    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    medical tracer/ˈmedɪkl ˈtreɪsə/ 의료 추적자
    cancer/ˈkænsə/ 암 (cancer)
    living cells/ˈlɪvɪŋ selz/ 생체 세포
    mutation/mjuːˈteɪʃn/ 변이
    dose/dəʊs/ 용량 / 투여량
    exposure/ekˈspəʊʒə/ 노출
    5.2

    Safety · ⁨안전⁩

    English

    Ionising radiation harms living cells 细胞. It can cause cell death, mutations 突变 (changes to the genes) and cancer.

    When working with radioactive sources, keep the dose 剂量 (the amount of radiation received) low by:

    • reducing the exposure 照射 time — spend as little time near the source as possible;
    • increasing the distance between you and the source;
    • using shielding 屏蔽, such as lead, between the source and your body.

    Radioactive sources should be handled with tongs (not bare hands), kept pointing away from people, and stored in a lead-lined box.

    한국어

    이온화 방사선은 생물 세포에 해를 끼칩니다. 세포 사멸, 변이(유전자 변화) 및 암을 유발할 수 있습니다.

    방사성 물질과 작업할 때는 다음 방법을 통해 선량(받게 되는 방사선의 양)을 낮게 유지하십시오:

    • 노출 시간을 줄이기 — 가능한 한 빨리 방사성 물질 근처에서 거두어 들입니다;
    • 자신과 방사성 물질 사이의 거리를 늘립니다;
    • 납(lead) 등의 차폐재(shielding) 를 사용하여 자신의 몸과 방사성 물질 사이에 장벽을 만듭니다.

    방사성 물질은 손으로 직접 만지지 말고 집게(tongs)로 다루어야 하며, 사람을 향해 향하지 않도록 하고 납-lined 상자에 보관해야 합니다.

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    lead/liːd/ 인도하다, 이끌다
    penetrating/ˈpenɪtreɪtɪŋ/ 투과성 높은
    absorbed/əbˈsɔːbd/ 흡수된
    beta particle/ˈbiːtə ˈpɑːtɪkl/ 베타 입자
    gamma radiation/ˈɡæmə ˌreɪdɪˈeɪʃn/ 감마선
    kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ 운동 에너지Unless kinetic energy.
    electric field/ɪˈlektrɪk fiːld/ 전기장
    magnetic field/mæɡˈnetɪk fiːld/ 자기장
    stable/ˈsteɪbl/ 안정적인
    shielding/ˈʃiːldɪŋ/ 차폐 효과
    5.2

    Exam tips · ⁨시험 팁⁩

    English
    • The nucleon number (top) is protons + neutrons; the proton number (bottom) is protons only. Number of neutrons = nucleon number − proton number.
    • Isotopes have the same proton number but different nucleon numbers — the same element with a different number of neutrons.
    • Rank the radiations two ways: alpha is the most ionising but least penetrating (stopped by paper); gamma is the least ionising but most penetrating (needs thick lead). Beta is in between (stopped by a few mm of aluminium).
    • In every decay equation the top numbers must balance and the bottom numbers must balance. Alpha decay: $A-4$, $Z-2$. Beta decay: $A$ unchanged, $Z+1$.
    • Always subtract the background count rate before using a source's readings. After $n$ half-lives the count rate has halved $n$ times — count the halvings rather than guessing from the total time.
    한국어
    • 핵자수(위쪽 숫자)는 양성자 + 중성자; 원자 번호(아래쪽 숫자)는 양성자만 해당합니다. 중성자 수 = 핵자수 − 원자 번호.
    • 동위원소(isotopes) 는 같은 원자 번호를 가지지만 다른 핵자수를 가집니다 — 동일한 원소이지만 중성자 수가 다릅니다.
    • 방사선을 두 가지 방식으로 순위를 매깁니다: 알파線(alpha) 은 이온화 능력이 가장 크지만 투과능력은 가장 약하여 종이에 막힐 수 있습니다; 감마선(gamma) 은 이온화 능력이 가장 작지만 투과능력이 가장 커서 두꺼운 납이 필요합니다. 베타선(beta)은 중간 수준이며 알루미늄 몇 mm로 막을 수 있습니다.
    • 모든 붕괴 방정식decay equation 위쪽 숫자의 총합과 아래쪽 숫자의 총합은 각각 같아야 합니다. 알파 붕괴: $A-4$, $Z-2$. 베타 붕괴: $A$는 변하지 않고, $Z+1$가 바뀝니다.
    • 소스의 읽기 값을 사용하기 전에 항상 배경 세속률을 뺀다. $n$개의 반감기를 지나면 세속률이 $n$번减半된다—총 시간을 예측하기보다 半回수를 세는 것이 낫다.
  • 6

    Space physics · ⁨우주 물리학⁩

    Watch lesson · ⁨수업 보기⁩
    6.1

    The Earth, the Sun and the Moon · ⁨지구, 태양 그리고 달⁩

    Syllabus
    English

    6.1.1 The Earth

    Core Supplement
    1 Know that the Earth is a planet that rotates on its axis, which is tilted, once in approximately 24 hours, and use this to explain observations of the apparent daily motion of the Sun and the periodic cycle of day and night
    2 Know that the Earth orbits the Sun once in approximately 365 days and use this to explain the periodic nature of the seasons 4 Define average orbital speed from the equation $v = \frac{2\pi r}{T}$ where $r$ is the average radius of the orbit and $T$ is the orbital period; recall and use this equation
    3 Know that it takes approximately one month for the Moon to orbit the Earth and use this to explain the periodic nature of the Moon’s cycle of phases

    6.1.2 The Solar System

    Core Supplement
    1 Describe the Solar System as containing: (a) one star, the Sun (b) the eight named planets and know their order from the Sun (c) minor planets that orbit the Sun, including dwarf planets such as Pluto and asteroids in the asteroid belt (d) moons, that orbit the planets (e) smaller Solar System bodies, including comets and natural satellites 7 Know that planets, minor planets and comets have elliptical orbits, and recall that the Sun is not at the centre of the elliptical orbit, except when the orbit is approximately circular
    8 Analyse and interpret planetary data about orbital distance, orbital duration, density, surface temperature and uniform gravitational field strength at the planet’s surface
    2 Know that, in comparison to each other, the four planets nearest the Sun are rocky and small and the four planets furthest from the Sun are gaseous and large, and explain this difference by referring to an accretion model for Solar System formation, to include: (a) the model’s dependence on gravity (b) the presence of many elements in interstellar clouds of gas and dust (c) the rotation of material in the cloud and the formation of an accretion disc
    3 Know that the strength of the gravitational field (a) at the surface of a planet depends on the mass of the planet (b) around a planet decreases as the distance from the planet increases
    4 Calculate the time it takes light to travel a significant distance such as between objects in the Solar System
    5 Know that the Sun contains most of the mass of the Solar System and this explains why the planets orbit the Sun
    6 Know that the force that keeps an object in orbit around the Sun is the gravitational attraction of the Sun 9 Know that the strength of the Sun’s gravitational field decreases and that the orbital speeds of the planets decrease as the distance from the Sun increases
    10 Know that an object in an elliptical orbit travels faster when closer to the Sun and explain this using the conservation of energy
    한국어

    6.1.1 지구

    핵심 보충
    1 지구가 자전축에 대해 약 24시간에 한 번 회전하며, 이 자전축은 기울어져 있음을 알고, 이를 이용하여 태양의 겉보기 일일 운동과 낮과 밤의 주기적 주기를 설명할 수 있다.
    2 지구가 태양을 약 365 일간 주기로 한 바퀴 돌며, 이로 인해 계절이 주기적으로 변한다는 점을 안다. 4 평균 궤도 속도를 공식 $v = \frac{2\pi r}{T}$에서 정의한다. 여기서 $r$은 궤도의 평균 반경이고 $T$은 궤도 주기이다. 이 공식을 기억하고 사용한다.
    3 달이 지구를 약 1개월에 한 번 공전함을 알고, 이를 이용하여 달의 위상 변화가 주기적으로 일어나는 이유를 설명할 수 있다.

    6.1.2 태양계

    핵심 보충
    1 태양계를 다음으로 서술할 수 있다: (a) 별인 태양이 하나 포함됨 (b) 명명된 8개의 행성을 포함하며, 이들이 태양으로부터의 거리에 따른 순서를 알 것 (c) 왜행성인 플루토와 소행성대에 있는 소행성 등을 포함한 소행성이 태양 주위를 도는 것 (d) 행성을 도는 위성 (e) 혜성과 인공 위성이 아닌 자연 위성을 포함한 작은 태양계 천체 7 행성, 소행성 및 혜성은 타원 궤도를 그리며, 타원 궤도의 중심에 태양이 위치하지 않는다는 점(궤도가 거의 원형인 경우를 제외함)을 기억할 수 있다.
    8 궤도 거리, 궤도 기간, 밀도, 표면 온도, 행성 표면의 균일 중력장 세기 등 행성에 대한 데이터를 분석하고 해석할 수 있다.
    2 태양에 가장 가까운 네 개의 행성이 암석질이며 작고, 태양으로부터 가장 먼 네 개의 행성이 기체 질이며 크다는 점을 비교하여 알 수 있으며, 이를 태양계 형성의 응집 모델에 근거하여 설명할 수 있다. 설명에는 다음을 포함한다: (a) 모델이 중력에 의존함 (b)星际雲(우주 분자 구름)에 많은 원소들이 존재함 (c) 구름 내 물질의 회전과 응집 원반의 형성
    3 중력장 세기의 특성을 안다: (a) 행성 표면에서의 중력장 세기는 행성의 질량에 따라 달라짐 (b) 행성 주변에서의 중력장 세기는 행성으로부터의 거리가 멀어질수록 감소함
    4 태양계 내 천체 사이와 같이 광속으로 이동해야 하는 큰 거리를 빛이 이동하는 데 걸리는 시간을 계산할 수 있다.
    5 태양이 태양계의 질량의 대부분을 차지하므로 행성이 태양 주위를 도는 이유를 이해할 수 있다.
    6 행성이 태양 주위를 도는 데 필요한 힘은 태양의 중력 인력임을 안다. 9 태양의 중력장 세기가 감소하고, 태양으로부터의 거리가 멀어질수록 행성의 공전 속도가 감소함을 안다.
    10 타원 궤도를 도는 천체는 태양에 가까울 때 더 빠르게 이동하며, 이는 에너지 보존 법칙을 이용하여 설명할 수 있다.

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    English

    The Earth spins (rotates 自转) on its axis 轴 once in about $24$ hours. The axis is tilted 倾斜 (not straight up). This spin gives us day and night, and makes the Sun 太阳 appear to move across the sky each day.

    The Earth also moves around the Sun in an orbit 轨道, once in about $365$ days (one year). Because the axis is tilted, different parts of the Earth lean towards the Sun at different times of the year. This gives the seasons 季节: it is summer in the half of the Earth that leans towards the Sun.

    The Moon 月球 orbits the Earth once in about one month. As it goes round, we see different amounts of its lit side, which gives the phases 月相 of the Moon (new moon, half moon, full moon).

    So, from shortest to longest: one day (Earth's spin) < one month (Moon's orbit) < one year (Earth's orbit).

    한국어

    지구는 약 $24$시간마다 그 축(axis) 에 대해 한 번 회전(rotates)합니다. 축은 수직이 아닌 ** 기울어져(tilted)** 있습니다. 이 회전으로 인해 낮과 밤이 생기고, 매일 하늘을 가로지르는 태양의 움직임을 보게 됩니다.

    지구는 또한 약 $365$일(1년)에 한 번 태양 주위를 궤도 orbit를 돌고 있습니다. 축이 기울어져 있어 연중不同时地球의 다른 부분들이 태양을 향해 기울어집니다. 이로 인해 계절 season이 형성되는데, 태양을 향해 기울어진 지구의 반구에서는 여름이 됩니다.

    궤도의 두 지점에서의 기울어진 지구: 북반구가 태양을 향해 기울어짐, 그리고 반 년 뒤에는 태양과 반대 방향으로 기울어짐
    축은 일년 내내 동일한 각도로 기울어져 있으므로, 각 반구(hemisphere)는 궤도의 절반 동안 태양을 향해 기울어지고另一半则背离太阳

    달은 Earth 주위를 약 1개월에 한 번 도는 궤道 orbit를 그리며, 그在这个过程中我们看到的被照亮部分各不相同,这产生了月球的相位 phases (新月 new moon, 초월 half moon,満月 full moon)。

    태양을 향해 반쪽만 비춰진 달의 궤도 상 네 지점
    달의 밝은 반쪽은 항상 태양을 향하고 있으므로, 달이 궤도를 돌면서 우리가 보는 밝은 부분의 양이 달라집니다: 우리와 태양 사이에는新月(new moon), 태양과 반대편에는満月(full moon), 그 사이에는 초월(half moons)

    따라서 짧음에서 길음으로: 하루(지구의 자전) < 한 달(달의 공전) < 한 해(지구의 공전).

    검은 우주를 배경으로 어두운 patches와 밝은クレーター crater로 덮인 달의 전체 붉은 원반
    满月, 지구의 자연 위성
    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Why the Moon changes shape · ⁨달의 형태 변화 원인⁩

    The Sun always lights half the Moon; the phase is simply how much of that lit half faces us as the Moon orbits — it is not Earth's shadow. · ⁨태양은 항상 달의 절반을 비추며, 위상(phase)은 달이 지구 주위를 도는 동안 그 빛나는 절반 중 우리가 보는 부분이 얼마나 되는지에 불과합니다. 지구의 그림자가 아닙니다.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    rotate/rəʊˈteɪt/ 회전함
    axis/ˈæksɪs/ 축(axis)
    tilted/ˈtɪltɪd/ 기울어진
    orbit/ˈɔːbɪt/ 궤도
    seasons/ˈsiːznz/ 계절(seasons)
    Moon/muːn/ 달
    phases/ˈfeɪzɪz/ 위상(phases)
    6.1

    Orbital speed · ⁨궤도 속도⁩

    English

    For an object going round a circle, the distance for one full orbit is the circumference 周长 $2\pi r$, where $r$ is the radius of the orbit. The orbital speed 轨道速率 is this distance divided by the period 周期 $T$ (the time for one orbit):

    $$v = \frac{2\pi r}{T}$$

    The same equation works for planets, moons and satellites.

    Worked example. A space station orbits the Earth at a radius of $r = 7000\ \text{km}$ and takes $T = 5800\ \text{s}$ for one orbit. Find its orbital speed.

    First convert the radius to metres: $7000\ \text{km} = 7.0 \times 10^6\ \text{m}$. Then

    $$v = \frac{2\pi r}{T} = \frac{2\pi \times 7.0 \times 10^6}{5800} \approx 7600\ \text{m/s}$$
    한국어

    원형을 도는 물체에게 하나의 완전한 궤도 거리인 둘레 circumference는 $2\pi r$이며, 여기서 $r$은 궤도의 반지름입니다. 궤도 속도 orbital speed는 이 거리를 주기 period $T$(한 궤도를 도는 데 걸리는 시간)로 나눈 값입니다:

    $$v = \frac{2\pi r}{T}$$

    이 공식은 행성, 달 및 인공위성에도 동일하게 적용됩니다.

    풀이 예제 worked example. 우주 정거장이 반지름 $r = 7000\ \text{km}$에서 Orbiting하며, 한 궤도를 도는 데 $T = 5800\ \text{s}$가 걸립니다. 이 정거장의 궤도 속도를 구하십시오.

    먼저 반지름을 미터로 변환합니다: $7000\ \text{km} = 7.0 \times 10^6\ \text{m}$. 그러면

    $$v = \frac{2\pi r}{T} = \frac{2\pi \times 7.0 \times 10^6}{5800} \approx 7600\ \text{m/s}$$
    궤道上 있는 ISS: 궤도 속도는 위성을 자유 낙하 원운동에 유지시키는 속도입니다
    궤道上 있는 ISS: 궤도 속도는 위성을 자유 낙하 원운동에 유지시키는 속도입니다
    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    circumference/sɜːˈkʌmfrəns/ 둘레
    orbital speed/ˈɔːbɪtl spiːd/ 궤도 속도
    period/ˈpɪərɪəd/ 주기
    6.1

    The Solar System · ⁨태양계 Solar System⁩

    English

    The Solar System 太阳系 has one star, the Sun, at its centre. Around it move the eight planets 行星. In order from the Sun they are: Mercury, Venus, Earth, Mars, Jupiter, Saturn, Uranus and Neptune.

    • The four planets nearest the Sun are small and rocky 岩石.
    • The four planets furthest from the Sun are large and gaseous 气态 — they are made mostly of gas 气体, with no solid surface to stand on.
    • The two nearer giants, Jupiter and Saturn, are gas giants 气态巨行星. The two outer giants, Uranus and Neptune, are ice giants 冰巨行星: they hold much more ice, so they are not true gas giants.

    The Solar System also contains:

    • minor planets, such as dwarf planets 矮行星 like Pluto, and asteroids 小行星 (most lie in the asteroid belt between Mars and Jupiter);
    • moons (natural satellites 卫星) that orbit the planets;
    • comets 彗星 and other small bodies.

    Orbits and gravity

    The Sun holds most of the mass of the Solar System. Its gravity 引力 (gravitational pull) reaches out and keeps the planets in their orbits. This force is the gravitational attraction of the Sun.

    The gravitational field strength 重力场强度 tells you how strong gravity is:

    • at the surface of a planet it is bigger for a planet with more mass;
    • around a planet it gets weaker as you move further away.

    In the same way, the Sun's gravity gets weaker further out, so the outer planets move more slowly (smaller orbital speed) than the inner ones.

    Planetary data

    Exam questions often give a table like this one and ask you to read a pattern from it.

    Planet Distance from Sun / million km Orbital period Density / g/cm³ Surface temperature / °C Surface $g$ / N/kg
    Mercury 58 88 days 5.4 170 3.7
    Venus 108 225 days 5.2 460 8.9
    Earth 150 365 days 5.5 15 9.8
    Mars 228 687 days 3.9 −60 3.7
    Jupiter 779 11.9 years 1.3 −110 23
    Saturn 1430 29.5 years 0.7 −140 9.0
    Uranus 2870 84 years 1.3 −195 8.7
    Neptune 4500 165 years 1.6 −200 11

    Patterns to notice: the further a planet is from the Sun, the longer its orbital period and the lower its surface temperature. The four inner planets are dense (rock and metal), while the four outer planets have low densities (gas and ice). The gravitational field strength at the surface depends on the planet's mass and size, not on its distance from the Sun.

    Elliptical orbits

    Most orbits are not perfect circles but ellipses 椭圆 (a stretched circle), and the Sun is not at the centre of the ellipse. A comet has a very stretched orbit. An object in an elliptical orbit moves faster when it is closer to the Sun. We explain this with the conservation of energy 能量守恒 — the total energy 能量 stays the same, so as the object's gravitational potential energy 重力势能 falls (coming closer), its kinetic energy 动能 rises (it speeds up).

    Light travel time

    Distances in space are huge, so we often work out how long light takes to cross them. Light travels at $3.0 \times 10^8\ \text{m/s}$. Using $\text{time} = \dfrac{\text{distance}}{\text{speed}}$, light from the Sun (about $1.5 \times 10^{11}\ \text{m}$ away) takes about $500\ \text{s}$, which is roughly $8$ minutes, to reach the Earth.

    한국어

    태양계 solar system은 중심에 별 하나인 태양이 있고, 그 주변을 8개의 행성 planets이 돌고 있습니다. 태양으로부터 가까운 순서대로: 수성 mercury, 금성 venus, 지球 earth, 화성 mars, 목성 jupiter, 토성 saturn, 천왕성 uranus, 해왕성 neptune.

    • 태양에 가장 가까운 네 개의 행성은 작고 암석질 rocky입니다.
    • 태양에서 가장 멀리 떨어진 네 개의 행성은 크고 기체状 gaseous입니다 — 대부분 기체로 이루어져 있으며, 발 수 있는 고체 표면이 없습니다.
    • 더 안쪽에 있는 두 거대 행성인木星 Jupiter와土星 Saturn은 기체 행성 gas giants입니다. 바깥쪽에 있는 두 거대 행성인천왕성 Uranus와海王星 Neptune은 얼음 행성 ice giants입니다: 훨씬 많은 얼음을 포함하므로 진정한 기체 행성이 아닙니다.
    태양, 수성, 금성, 지球, 화성, 소행성대 asteroid belt, 목성,土星,天王星,海王星
    순서대로 태양과 여덟 개의 행성: 네 개 작은 암석 행성, 그 다음 소행성대, 그 다음 네 개 큰 기체 행성 — 기체 행성인木星 Jupiter와土星 Saturn, 그리고 얼음 행성인天王星 Uranus와海王星 Neptune (비율scaled 아님)
    검은 우주를 배경으로 더 짙은 표면 특징과 얇은 극안개 polar haze가 있는 화성의 전체 붉은 원반
    붉은 행성인 화성, 암석질 내행성 중 하나
    갈색과 흰색 구름 띠와 주황색 대적홍점 Great Red Spot을 보여주는 목성의 전체 원반
    가장 큰 행성인 목성, swirling 기체 띠를 가지고 있음
    측면에서 Cassini 우주선이 촬영한 넓고 평평한 링 시스템이 있는土星 Saturn
    카시니 우주선이 촬영한 토성과 그 고리

    태양계에는 또한 다음과 같은 것들이 포함되어 있습니다:

    • 명백行星 dwarf planets (예:冥王星 Pluto)와 소행성 asteroids(대부분은 화성과木星 사이의 소행성대에 위치);
    • 행성을 도는 위성 moons(천연 위성 natural satellites);
    • 혜성 comets 및 기타 작은 천체들.

    궤도와 중력

    태양은 태양계의 질량의 대부분을 차지합니다. 태양의 중력 gravity(중력 인력)가 뻗어나와 행성들을 궤도에 머물게 합니다. 이 힘은 태양의 중력 인력입니다.

    중력장 강도 gravitational field strength는 중력의 세기를 알려줍니다:

    • 행성 표면에서는 질량이 많은 행성일수록 더 큽니다;
    • 행성 주변에서는 멀어질수록 약해집니다.

    마찬가지로, 태양의 중력은 외쪽으로 갈수록 약해지므로, 외행성은 내행성보다 더 느리게 움직입니다(궤도 속도가 작습니다).

    행성 데이터

    시험 문제는 보통 이러한 표를 제시하고,从中에서 패턴을 읽어내도록 요구합니다.

    행성 태양으로부터의 거리 / 백만 km 궤도 주기 밀도 / g/cm³ 표면 온도 / °C 표면 $g$ / N/kg
    수성 58 88일 5.4 170 3.7
    금성 108 225일 5.2 460 8.9
    지구 150 365일 5.5 15 9.8
    화성 228 687일 3.9 −60 3.7
    목성 779 11.9년 1.3 −110 23
    토성 1430 29.5년 0.7 −140 9.0
    천왕성 2870 84년 1.3 −195 8.7
    해왕성 4500 165년 1.6 −200 11

    주목할 점: 행성이 태양에서 멀어질수록 궤도 주기가 길어지고 표면 온도는 낮아집니다. 네 개의 내행성은 밀도가 높고(암석 및 금속), 네 개의 외행성은 밀도가 낮습니다(기체 및 얼음). 표면에서의 중력장 세기는 행성의 질량과 크기에 따라 결정되며, 태양과의 거리는 관련이 없습니다.

    타원 궤도

    대부분의 궤도는 완벽한 원이 아니라 타원(늘어진 원)이며, 태양은 타원의 중심에 있지 않습니다. 혜성은 매우 늘어진 궤도를 가집니다. 타원 궤道上에 있는 천체는 태양에 가까울 때 더 빠르게 움직입니다. 이를 에너지 보존 법칙으로 설명할 수 있습니다 — 총 에너지는 일정하므로, 천체의 중력 포텐셜 에너지가 감소(근접)하면 운동 에너지가 증가(속도 상승)합니다.

    태양이 초점 중 하나에 위치하는 타원 궤도로, 행성이 가까울 때는 빠르고 멀 때는 느리게 이동함
    태양은 타원의 초점 중 하나에 위치하며, 행성은的近太阳时加速,远离时减速

    빛의 이동 시간

    우주의 거리는 방대하므로, 빛이 이를 건너는 데 걸리는 시간을 계산하는 경우가 많습니다. 빛은 $3.0 \times 10^8\ \text{m/s}$로 이동합니다. $\text{time} = \dfrac{\text{distance}}{\text{speed}}$를 사용하여 계산하면, 태양(약 $1.5 \times 10^{11}\ \text{m}$ 떨어진 곳)에서 나온 빛이 지구에 도달하는 데 약 $500\ \text{s}$가 소요되며, 이는 대략 $8$분 정도입니다.

    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Watch the planets race · ⁨행성 race watching⁩

    The closer a planet is to the Sun, the faster it orbits — Mercury in 88 days, Jupiter in 12 years — because the Sun's gravity is stronger close in. · ⁨행성이太陽에 closer일수록 orbiting faster — 수성은 88일, 목성은 12년 — 태양의 중력이 near stronger because.⁩

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    English 한국어
    Solar System/ˈsəʊlə ˈsɪstəm/ 태양계(Solar System)
    planet/ˈplænɪt/ 연도
    rocky/ˈrɒki/ 암석 행성(rocky planets)
    gaseous/ˈɡeɪsɪəs/ 기체 상태의
    gas/ɡæs/ 기체
    gas giant/ɡæs ˈdʒaɪənt/ 가스 행성
    ice giant/aɪs ˈdʒaɪənt/ 얼음 행성
    dwarf planet/dwɔːf ˈplænɪt/ 왜성
    asteroid/ˈæstərɔɪd/ 소행성
    satellite/ˈsætəlaɪt/ 위성
    comet/ˈkɒmɪt/ 혜성
    gravity/ˈɡrævɪti/ 중력
    gravitational field strength/ˌɡrævɪˈteɪʃənl fiːld streŋθ/ 중력장 세기(gravitational field strength)
    ellipse/ɪˈlɪps/ 타원
    conservation of energy/ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv ˈenədʒi/ 에너지 보존
    energy/ˈenədʒi/ 에너지
    gravitational potential energy/ˌɡrævɪˈteɪʃənl pəˈtenʃl ˈenədʒi/ 중력 위치 에너지(gravitational potential energy)
    kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ 운동 에너지Unless kinetic energy.
    dust/dʌst/ 먼지
    element/ˈelɪmənt/ 원소
    6.1

    How the Solar System formed · ⁨태양계의 형성 과정⁩

    English

    The planets formed from a giant cloud of gas and dust 尘埃 in space, which contained many chemical elements 元素. This is the accretion 吸积 model:

    • gravity pulled the cloud together;
    • the cloud was spinning, so it flattened into a spinning accretion disc 吸积盘;
    • most of the matter fell to the centre and became the Sun, while the planets grew from the leftover material in the disc.

    Near the hot young Sun, only rock and metal could stay solid, so the inner planets are rocky. Far out, where it was cold, gases could also collect, so the outer planets grew large and gaseous.

    한국어

    행성은 우주 공간에 존재하는 가스와 먼지로 이루어진 거대한 구름에서 형성되었는데, 이 구름에는 다양한 화학적 원소가 포함되어 있었습니다. 이것이 증식 모델(accretion model) 입니다:

    • 중력이 구름을 모았습니다;
    • 구름이 회전하고 있었으므로, 회전하는 증식 원반(accretion disc) 형태로 평평해졌습니다;
    • 대부분의 물질이 중심으로 떨어져 내려와 태양이 되었으며, 행성은 원반에 남은 잔여 물질로부터 성장했습니다.

    뜨거운 어린 태양 근처에서는 암석과 금속만이 고체 상태로 남을 수 있었으므로 내행성은 암석으로 이루어졌습니다. 멀리서 차가운 곳에서는 기체 또한 응집할 수 있었으므로 외행성은 크기가 커지고 기체로 구성되었습니다.

    행성이 물질을 흡수하며 어두운 고리를 형성하고 있는 어린 별 주위의 빛나는 오렌지색 먼지 원반
    젊은 별 HL Tauri 주변의 실제 증식 원반: 어두운 간극은 새로운 행성이 먼지를 모으고 있는 곳입니다 — 우리의 태양계 역시 이와 같은 방식으로 시작되었습니다
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    English 한국어
    accretion/əˈkreʃn/ 적층(accretion)
    accretion disc/əˈkreʃn dɪsk/ 적층 원반
    6.2

    The Sun as a star · ⁨태양을 항성으로 보기⁩

    Syllabus
    English

    6.2.1 The Sun as a star

    Core Supplement
    1 Know that the Sun is a star of medium size, consisting mostly of hydrogen and helium, and that it radiates most of its energy in the infrared, visible light and ultraviolet regions of the electromagnetic spectrum 2 Know that stars are powered by nuclear reactions that release energy and that in stable stars the nuclear reactions involve the fusion of hydrogen into helium

    6.2.2 Stars

    Core Supplement
    1 State that: (a) galaxies are each made up of many billions of stars (b) the Sun is a star in the galaxy known as the Milky Way (c) other stars that make up the Milky Way are much further away from the Earth than the Sun is from the Earth (d) astronomical distances can be measured in light-years, where one light-year is the distance travelled in (the vacuum of) space by light in one year
    2 Know that one light-year is equal to $9.5 \times 10^{15}$ m
    3 Describe the life cycle of a star: (a) a star is formed from interstellar clouds of gas and dust that contain hydrogen (b) a protostar is an interstellar cloud collapsing and increasing in temperature as a result of its internal gravitational attraction (c) a protostar becomes a stable star when the inward force of gravitational attraction is balanced by an outward force due to the high temperature in the centre of the star (d) all stars eventually run out of hydrogen as fuel for the nuclear reaction (e) most stars expand to form red giants and more massive stars expand to form red supergiants when most of the hydrogen in the centre of the star has been converted to helium (f) a red giant from a less massive star forms a planetary nebula with a white dwarf star at its centre (g) a red supergiant explodes as a supernova, forming a nebula containing hydrogen and new heavier elements, leaving behind a neutron star or a black hole at its centre (h) the nebula from a supernova may form new stars with orbiting planets

    6.2.3 The Universe

    Core Supplement
    1 Know that the Milky Way is one of many billions of galaxies making up the Universe and that the diameter of the Milky Way is approximately 100 000 light-years
    2 Describe redshift as an increase in the observed wavelength of electromagnetic radiation emitted from receding stars and galaxies
    3 Know that the light emitted from distant galaxies appears redshifted in comparison with light emitted on the Earth
    4 Know that redshift in the light from distant galaxies is evidence that the Universe is expanding and supports the Big Bang Theory
    5 Know that microwave radiation of a specific frequency is observed at all points in space around us and is known as cosmic microwave background radiation (CMBR)
    6 Explain that the CMBR was produced shortly after the Universe was formed and that this radiation has been expanded into the microwave region of the electromagnetic spectrum as the Universe expanded
    7 Know that the speed $v$ at which a galaxy is moving away from the Earth can be found from the change in wavelength of the galaxy’s starlight due to redshift
    8 Know that the distance $d$ of a far galaxy can be determined using the brightness of a supernova in that galaxy
    9 Define the Hubble constant $H_0$ as the ratio of the speed at which the galaxy is moving away from the Earth to its distance from the Earth; recall and use the equation
    $$H_0 = \frac{v}{d}$$
    10 Know that the current estimate for $H_0$ is $2.2 \times 10^{-18}$ per second
    11 Know that the equation
    $$\frac{d}{v} = \frac{1}{H_0}$$
    represents an estimate for the age of the Universe and that this is evidence for the idea that all the matter in the Universe was present at a single point
    한국어

    6.2.1 태양은 별이다

    핵심 보충
    1 태양은 중간 크기의 별이며 주로 수소와 헬륨으로 구성되어 있고, 전자기 스펙트럼의 적외선, 가시광선 및 자외선 영역에서 대부분의 에너지를 방출함을 안다. 2 별은 에너지를 방출하는 핵반응에 의해 에너지를 공급받으며, 안정된 별에서는 수소가 헬륨으로 융합되는 핵반응이 일어난다는 것을 안다.

    6.2.2 별

    핵심 보충
    1 다음을 서술할 수 있다: (a) 은하는 각각 수십억 개의 별로 이루어져 있음 (b) 태양은 은하수라는 은하에 속한 별임 (c) 은하수를 구성하는 다른 별들은 태양보다 지구로부터 훨씬 멀리 있음 (d) 천문학적 거리는 광년 단위로 측정되며, 1광년은 빛이 1년 동안 진공 상태인 우주를 이동한 거리임
    2 1광년이 $9.5 \times 10^{15}$ m에 해당함을 안다.
    3 별의 생애 주기를 서술할 수 있다: (a) 별은 수소를 포함하는星际雲(우주 분자 구름)에서 형성됨 (b) 원성우는 자체 중력 인력으로 인해 수축하며 온도가 상승하는星际雲(우주 분자 구름)임 (c) 원성우는 중력 인력의 안쪽 방향 힘과 별 중심부의 고온에 의한 바깥 방향 힘이 평형을 이루면서 안정된 별이 됨 (d) 모든 별은 결국 핵반응 연료인 수소를 소진함 (e) 대다수 별은 중심부의 수소가 대부분 헬륨으로 전환되면 붉은거성으로 팽창하며, 더 무거운 별은 붉은초거성으로 팽창함 (f) 질량이 작은 별의 붉은거성은 중심부에 백색왜성이 있는惑星状星雲(행성상성운)을 형성함 (g) 붉은초거성은 초신성 폭발을 일으켜 수소와 새로운 무거운 원소를 포함하는 성운을 만들고, 중심부에 중성자별 또는 블랙홀을 남김 (h) 초신성에서 생성된 성운은 새로운 별과 이를 도는 행성을 만들 수 있음

    6.2.3 우주

    핵심 보충
    1 은하수는 우주를 구성하는 수십억 개의 은하 중 하나이며, 은하수의 직경은 약 100 000 광년임을 안다.
    2 적색 이동이 후퇴하는 별과 은하에서 방출되는 전자기 복사의 관측 파장이 증가하는 현상임을 서술할 수 있다.
    3 지구에서 방출된 빛과 비교하여遥远한 은하에서 방출된 빛이 적색 이동됨을 안다.
    4 遥远한 은하에서 방출된 빛의 적색 이동은 우주가 팽중하고 있음을 나타내는 증거이며, 대폭발 이론을 지지함을 안다.
    5 우리 주변의 모든 공간에서 특정 주파수의 마이크로파 복사가 관측되며, 이를 우주 마이크로파 배경 복사(CMBR) 라고 안다.
    6 CMBR은 우주가 형성된 직후 생성되었으며, 우주가 팽중함에 따라 이 복사가 전자기 스트럼의 마이크로파 영역으로 확장되었음을 설명할 수 있다.
    7 은하의 별빛이 적색편이(redshift)로 인해 파장이 변한 것을 이용하여, 그 은하가 지구로부터 멀어지는 속도 $v$을 알 수 있음을 안다.
    8 먼 은하의 거리 $d$을 해당 은하 내 초신성의 밝기를 사용하여 측정할 수 있음을 안다.
    9 허블 상수 $H_0$을 은하가 지구로부터 멀어지는 속도와 지구로부터의 거리의 비로 정의한다. 공식
    $$H_0 = \frac{v}{d}$$
    을 기억하고 사용한다.
    10 현재 $H_0$에 대한 추정치가 초당 $2.2 \times 10^{-18}$임을 알 것
    11 수식
    $$\frac{d}{v} = \frac{1}{H_0}$$
    이 우주의 나이에 대한 추정치를 나타내며, 이는 우주의 모든 물질이 단일 지점에 존재hadwasa했었다는 개념의 증거임을 알 것

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    English

    The Sun is a star 恒星 of medium size, made mostly of hydrogen 氢 and helium 氦. It radiates most of its energy in the infrared, visible light and ultraviolet 紫外线 parts of the electromagnetic spectrum 电磁波谱.

    A star is powered by nuclear reactions 核反应 in its core. In a stable star, the reaction is nuclear fusion 核聚变: hydrogen nuclei join to make helium, releasing huge amounts of energy.

    한국어

    태양은 중간 크기의 항성으로, 대부분 수소와 헬륨으로 구성되어 있습니다. 태양은 전자기파 스펙트럼의 적외선, 가시광선 및 자외선 영역에서 가장 많은 에너지를 방출합니다.

    항성은 중심부에서의 핵 반응에 의해 에너지를 얻습니다. 안정된 항성에서는 핵융합 반응이 일어나며, 수소 핵들이 결합하여 헬륨을 만들고 엄청난 양의 에너지를 방출합니다.

    NASA의 태양 동역학 관측소(Solar Dynamics Observatory)가 자외선으로 촬영한, 가장자리에서 밝은 prominence가 돌출된 발광 오렌지색 원반 형태의 태양
    자외선으로 본 우리 nearest恒星太阳
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    English 한국어
    Sun/sʌn/ 태양(Sun)
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    6.2

    Stars, galaxies and the Universe · ⁨항성, 은하 및 우주의 세계⁩

    English

    A galaxy 星系 is a group of many billions of stars held together by gravity. Our Sun is one star in the galaxy called the Milky Way 银河系. All the other stars in the Milky Way are very much further from the Earth than the Sun is.

    Distances between stars are so big that we measure them in light-years 光年. One light-year is the distance light travels in one year (in the vacuum of space), which is about $9.5 \times 10^{15}\ \text{m}$.

    The Milky Way is about $100\,000$ light-years across (its diameter 直径). It is just one of many billions of galaxies. All of these galaxies together make up the Universe 宇宙.

    한국어

    은하는 중력에 의해 묶여 있는 수십억 개의 항성 그룹입니다. 우리 태양은 은하(Milky Way) 라는 은하系统中的 한恒星입니다. 은하系统中的 다른 모든恒星들은 태양보다 지구로부터 훨씬 멀리 위치합니다.

    밝은 중심에서 곡선형의恒星臂가 뻗어나오고 가장자리에 작은 동반 은하가 있는 나비꼴 은하의 정면 모습
    나선 은하: 중력에 의해 묶여 있는 수백억 개의 별들

    恒星之间的距离非常巨大,因此我们用光年来测量它们。一光年是光在真空中一年所走的距离,约为$9.5 \times 10^{15}\ \text{m}$。

    은하는 약 $100\,000$ 광년 정도 직경(직경)을 가집니다. 이는 수많은 은하들 중 단 하나일 뿐입니다. 이러한 모든 은하들이 합쳐져 우주(Universe) 를 형성합니다.

    산上面的大型望远镜在夜间向银河发光带发射细黄色激光
    거대 망원경이 밤하늘을 연구하며, 레이저는遠方恒星的清晰成像을 돕습니다
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    English 한국어
    galaxy/ˈɡæləksi/ 은하(galaxy)
    Milky Way/ˈmɪlki weɪ/ 은하수(Milky Way)
    Universe/ˈjuːnɪvɜːs/ 우주(Universe)
    6.2

    The life cycle of a star · ⁨항성의 생애 주기⁩

    English

    A star is born, lives and dies over a very long time:

    1. A star forms from an interstellar cloud 星际云 of gas and dust that contains hydrogen.
    2. Gravity pulls the cloud inwards, and it heats up. This collapsing, heating cloud is a protostar 原恒星.
    3. The protostar becomes a stable 稳定 star when the inward pull of gravity is balanced by an outward push caused by the very high temperature in its centre.
    4. In time, every star runs out of hydrogen fuel 燃料 for fusion.

    What happens next depends on the mass of the star:

    • A medium star (like the Sun) swells into a red giant 红巨星. It then throws off its outer layers as a glowing cloud called a planetary nebula 星云, leaving a small, hot white dwarf 白矮星 at the centre.
    • A much heavier star swells into a red supergiant 红超巨星 and then explodes as a supernova 超新星. This blast spreads out a nebula containing hydrogen and new, heavier elements, and leaves behind a neutron star 中子星 or a black hole 黑洞.

    The nebula from a supernova can later form new stars, with planets orbiting them — so our own Solar System came from earlier stars.

    한국어

    항성은 태어나고, 살며, 죽는 것이 매우 긴 시간이 걸립니다:

    1. 항성은 수소를 포함한 가스 및 먼지의 성간 구름(interstellar cloud) 에서 형성됩니다.
    2. 중력이 구름을 안쪽으로 당기고, 온도가 상승합니다. 이렇게 수축하며 열을 띠는 구름을 원성(protostar) 이라고 합니다.
    3. 원성은 중심부의 매우 높은 온도에 의한 바깥쪽 밀림힘이 안쪽으로 작용하는 중력과 균형을 이루면서 안정적인 항성이 됩니다.
    4. 시간이 지나면 모든 항성은 융합에 필요한 수소 연료를 소진하게 됩니다.

    다음에 일어날 일은 항성의 질량에 따라 달라집니다:

    • 중간 크기의 항성(태양 등)은 적색거성(red giant) 으로 부풀어오릅니다. 이후 외부 층을 행성상성운 nebula라는 발광 구름으로 뿜어내고, 중앙에 작고 뜨거운 백색왜성 white dwarf를 남깁니다.
    • 훨씬 무거운 항성은 적색초거성(red supergiant) 으로 부풀어오른 후 초신성 supernova 로 폭발합니다. 이 폭발은 수소와 새로운 무거운 원소를 포함하는 성운을 퍼뜨리고, 중성자성 neutron star 또는 블랙홀 black hole 을 남깁니다.
    별의 생애流程图,根据质量分支为红巨星和红超巨星路径
    모든 별은 성운에서 시작됩니다. 별이 어떻게 끝나는지는 그 질량에 따라 결정됩니다

    초신성에서 나온 성운은 나중에 새로운 별을 형성하고, 그 주위를 행성이 공전할 수 있습니다—우리 태양계도 과거의 별들에서 유래했습니다.

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    The life cycle of a star · ⁨별의 생애 주기⁩

    Gravity pulls a gas cloud together; fusion lights the star; when its fuel runs low it swells and finally fades. · ⁨중력이 기체 구름을 모아모으고, 핵융합이 별을 밝히며, 연료가 바닥나면 부풀어 오르다가 마침내 사라집니다.⁩

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    The life cycle of a Sun-like star · ⁨태양과 유사한 별의 생애 주기⁩

    Step through how a star like our Sun is born, lives and dies. · ⁨우리 태양과 같은 별이 태어나고, 살아가고, 죽는 과정을 단계별로 확인하세요.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    star/stɑː/ 스타(Star) ⟦star⟧
    hydrogen/ˈhaɪdrədʒn/ 수소
    helium/ˈhiːlɪəm/ 헬륨
    ultraviolet/ˌʊltrəˈvaɪəlɪt/ 자외선
    electromagnetic spectrum/ɪˌlektrəʊməɡˈnetɪk ˈspektrəm/ 전자기 펙트럼
    nuclear reaction/ˈnjuːklɪə rɪˈækʃn/ 핵 반응
    nuclear fusion/ˈnjuːklɪə ˈfjuːʒn/ 핵 융합
    interstellar cloud/ˌɪntəˈstelə klaʊd/ 성간 구름
    protostar/ˈprəʊtəʊstɑː/ 원별
    red giant/red ˈdʒaɪənt/ 적색거성
    nebula/ˈnebjʊlə/ 성운
    white dwarf/waɪt dwɔːf/ 백색왜성
    red supergiant/red ˈsuːpədʒaɪənt/ 빨간 초거성
    supernova/ˌsuːpəˈnəʊvə/ 초신성(supernova)
    neutron star/ˈnjuːtrɒn stɑː/ 중성자 별(neutron star)
    black hole/blæk həʊl/ 블랙홀(black hole)
    6.2

    The expanding Universe · ⁨expanding Universe⁩

    English

    When a star or galaxy moves away from us (it is receding 退行), the light we receive from it has a longer wavelength 波长 than normal — it is shifted towards the red end of the spectrum. This is redshift 红移.

    The light from distant galaxies is redshifted, and the further away a galaxy is, the bigger its redshift. This tells us that the galaxies are moving apart: the Universe is expanding 膨胀. Running this backwards, everything was once together at a single point — this is the evidence for the Big Bang 大爆炸 theory.

    More evidence and the age of the Universe

    Faint microwave 微波 radiation 辐射 is found coming from every direction in space. This is the cosmic microwave background radiation 宇宙微波背景辐射 (CMBR). It was made as high-energy radiation soon after the Big Bang, and has been stretched out into the microwave part of the spectrum as the Universe expanded.

    For a distant galaxy:

    • its speed $v$ of moving away can be found from the redshift of its starlight;
    • its distance $d$ can be found from the brightness of a supernova seen in it.

    The Hubble constant 哈勃常数 $H_0$ links these two:

    $$H_0 = \frac{v}{d}$$

    Its value today is about $2.2 \times 10^{-18}$ per second. Turning this around gives an estimate for the age of the Universe:

    $$\frac{d}{v} = \frac{1}{H_0}$$

    Worked example. The Hubble constant is about $H_0 = 2.2 \times 10^{-18}$ per second. Estimate the age of the Universe.

    $$\frac{1}{H_0} = \frac{1}{2.2 \times 10^{-18}} \approx 4.5 \times 10^{17}\ \text{s}$$

    That is roughly $14$ billion years.

    This works because every galaxy seems to have started from the same single point at the same time — more support for the Big Bang.

    한국어

    별이나 은하가我们从远离我们(它是 receding)时,我们从它那里接收到的光的 wavelength 比正常值长——它向光谱的红端移动。这是 redshift。

    두 스펙트럼:遠方 은하의 선이 근방 은하와 비교했을 때 적색 단으로 이동함
    遠方 은하의 스펙트럼에 있는 어두운 선들이 적색 단으로 이동하는 것은 redshift입니다

    遠方 은하에서 나오는 빛은 redshift되며, 은하가 더 멀리 있을수록 redshift의 크기는 커집니다. 이는 은하들이 서로 멀어지고 있음을 의미합니다: 우주는 expanding합니다. 이를 거꾸로 생각하면 모든 것이 한 점에 모여 있었습니다—이는 Big Bang 이론의 증거입니다.

    주변 은하들은 모두 바깥쪽을 향하는 화살표가 있으며, 더 먼 은하일수록 긴 화살표
    모든 은하가 우리로부터 멀어지고 있으며, 더远处的 은하일수록 더 빠르게 멀어짐 — 우주는 팽창하고 있음

    More evidence and the age of the Universe

    우주 전방위에서 미미한 microwave radiation이 관측됩니다. 이는 cosmic microwave background radiation (CMBR)입니다. Big Bang 직후 고에너지 복사로 생성되었으며, 우주가 팽창하면서 스펙트럼의 마이크로파 영역으로 길게 늘어났습니다.

    타원형 전천 도판에 파란색과 빨간색 점이 흩뿌려져 마이크로파 배경의 미세한 온도 차이를 보여줌
    마이크로파로 매핑된 전체 하늘: 이 미미한 빛은 어린 우주의 잔여 열로서 모든 방향에서 우리에게 도달하며, Big Bang에 대한 강력한 증거입니다

    遠方 은하에 대해:

    • 그 별빛의 redshift로부터 receding 속도를 구할 수 있습니다 $v$;
    • 그 안에 보이는 supernova의 밝기로부터 거리 $d$를 구할 수 있습니다.

    Hubble constant $H_0$는 이 두 가지를 연결합니다:

    $$H_0 = \frac{v}{d}$$

    오늘날의 값은 약每秒 $2.2 \times 10^{-18}$입니다. 이를 역수 취하면 우주의 나이에 대한 추정이 가능합니다:

    $$\frac{d}{v} = \frac{1}{H_0}$$

    Worked example. Hubble constant는 약每秒 $H_0 = 2.2 \times 10^{-18}$입니다. 우주의 나이를 추정해 보십시오.

    $$\frac{1}{H_0} = \frac{1}{2.2 \times 10^{-18}} \approx 4.5 \times 10^{17}\ \text{s}$$

    이는 대략 $14$ 억 년입니다.

    이는 모든 은하가 같은 시점에 같은 한 점에서 시작했음을 시사하기 때문에 작동합니다—Big Bang에 대한 추가적인 지지입니다.

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    The expanding Universe · ⁨확장하는 우주(The expanding Universe)⁩

    v = H₀·d

    Galaxies recede faster the farther they are — speed is proportional to distance. · ⁨은하가 멀리 있을수록更快하게 퇴행합니다—속도는 거리에 비례합니다.⁩

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    English 한국어
    receding/rɪˈsiːdɪŋ/ 후퇴하는
    wavelength/ˈweɪvleŋθ/ 파장
    redshift/ˈredʃɪft/ 적색편이
    expanding/ekˈspændɪŋ/ 확장되고 있었다
    Big Bang/bɪɡ bæŋ/ 빅뱅
    microwave/ˈmaɪkrəʊweɪv/ 마이크로파
    radiation/ˌreɪdɪˈeɪʃn/ 복사
    cosmic microwave background radiation/ˈkɒzmɪk ˈmaɪkrəʊweɪv ˈbækɡraʊnd ˌreɪdɪˈeɪʃn/ 우주 마이크로파 배경 복사(cosmic microwave background radiation)
    Hubble constant/ˈhʌbl ˈkɒnstənt/ 허블 상수
    6.2

    Exam tips · ⁨시험 팁⁩

    English
    • In $v = \dfrac{2\pi r}{T}$, $r$ is the orbit radius and $T$ is the time for one full orbit in seconds — convert km to m and hours to seconds first.
    • Planets closer to the Sun feel stronger gravity, so they orbit faster and take less time. In an elliptical orbit a body speeds up as it nears the Sun (gravitational potential energy turns into kinetic energy).
    • A light-year is a distance, not a time — how far light travels in one year.
    • A star is stable when the inward pull of gravity is balanced by the outward push from the energy released by fusion in its core. What it becomes when its fuel runs out depends on its mass.
    • Redshift — light from distant galaxies shifted to longer (redder) wavelengths, with a bigger shift the further away — is the evidence that the Universe is expanding, which supports the Big Bang.
    한국어
    • $v = \dfrac{2\pi r}{T}$에서, $r$는 궤도 반지름이고 $T$는 초 단위의 완전한 궤도一周 시간이다. km를 m로, 시간을 초로 변환해야 한다.
    • 태양에 가까운 행성은 중력이 강하게 작용하므로 더 빠르게 공전하고 더 짧은 시간이 걸립니다. 타원 궤도에서는 천체가 태양에 가까워질수록 가속됩니다(중력 포텐셜 에너지가 운동 에너지로 전환됨).
    • light-year는 시간이 아닌 거리입니다—빛이 일 년 동안 이동하는 거리입니다.
    • 별은 중심핵의 fusion에서 방출되는 에너지가 내리는 중력의 당김을 상쇄할 때 stable합니다. 연료가 고갈될 때 그것이 어떤 형태로 변하는지는 그 mass에 달려 있습니다.
    • Redshift—遠方 은하에서 나오는 빛이 더 긴(더 붉은) 파장으로 이동하며, 더 멀수록 이동 폭이 큼—은 우주가 expanding하고 있다는 증거이며, 이는 Big Bang을 지지합니다.
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    English 한국어
    light-year/laɪt jɪə/ 광년
    diameter/daɪˈæmɪtə/ 직경
    stable/ˈsteɪbl/ 안정적인
    fuel/ˈfjuːəl/ 연료

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