물리학:전기장과 전기력 편집하기

{{22개정 물리학}}

== 배우는 이유 ==
{| class="wikitable"
!흥미적
이유
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=== 출발질문(마지막까지 학습한 후에 대답해보세요~) ===

#접촉하지 않아도 어떻게 힘이 작용할 수 있을까?
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!직업적
이유
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* 각종 이공계 학문의 기초.
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!학문적
이유
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*장(field) 개념은 현대 물리학의 핵심 언어
*전하, 쿨롱 법칙
*중첩 원리
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!너희들은?
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*
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!배워야 할 것
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*
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== 도입 ==
<youtube>https://www.youtube.com/watch?v=bVzO7ZtqSHA&list=RDbVzO7ZtqSHA&start_radio=1</youtube>

== 학습 ==

=== 영상 ===
{| class="wikitable"
!수업
!영상
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== 수업요약 ==

=== 핵심개념 ===
{| class="wikitable"
!개념
!설명
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=== 전개질문 ===

# 한 점에서 전기장이 0이면, 힘도 항상 0일까?

=== 도착질문 ===

# 전기력은 작용-반작용 법칙을 항상 만족할까?

=== 생각해볼 만한 질문 ===

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== 학생들의 질문 ==

=== 개념 ===
{| class="wikitable"
!학생 답변
!교사 코멘트
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!
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=== 상위개념 및 개쩌는 질문 ===
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!분류
!질문
!대답
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=== 별로인 질문 ===
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!분류
!질문
!대답
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=== 해결하지 못한 질문 ===
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!분류
!질문
!대답
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=== 코멘트 ===
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!질문
!대답
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= 더 나아가기 =
교과 내용이 너무 쉬워서 더 공부하고 싶은 사람들을 위하여.{{접기|제목=보기 전에 먼저 생각해보세요~|내용=|형태=mw-collapsed toccolours}}

=== 수업 후, 흥미로운 것 ===
시간이 남을 때에만 보세요~

= 답 =

=== 접촉하지 않아도 어떻게 힘이 작용하는 것일까?(전기장, 중력장) ===

{| class="wikitable"
! 학생 답변 !! 교사 코멘트
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* 전하나 질량은 주변 공간에 전기장이나 중력장을 만들고, 다른 물체는 그 공간에 들어왔을 때 그 장에 의해 힘을 받는다. 힘은 직접 전달되는 것이 아니라 장을 통해 전달된다.
* 전하를 둘러싼 주위공간에 전기장을 형성하기 때문에 접촉하지 않아도 전기력이 작용한다. 중력도 비슷하게 장을 형성하기 때문일 것 같다.
* 물체는 주변 공간에 전기장이나 중력장 같은 장을 만들어 공간의 성질을 바꾼다. 그래서 다른 물체가 그 공간에 들어오면, 직접 접촉하지 않아도 이미 형성된 장에 의해 힘을 받게 된다. 즉, 힘은 물체가 아니라 공간을 통해 전달되는 것이다.
* 전하가 주변 공간의 물리적 성질을 변화시켜 전기장, 중력장을 형성하기 때문입니다. 전기장이 직접 닿지 않아도 힘을 전달하는 매개체 역할을 하며, 그 공간 안에 놓인 다른 물체와 상호작용하여 전기력이나 중력을 발생시키셔서이다.
|정확합니다~!
원격 작용을 설명하기 위해 패러데이 아저씨가 '장'이라는 개념을 이용하여 설명했어요.
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|물체가 주변공간의 물리적 성질을 변화시키기 때문이다.
|조금 더 구체적이면 좋을듯?!
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* 접축하지 않아도 특정 장(범위) 내에서 영역전개하듯이 힘이 작용한다
* 두 물체 사이에 작용하는 힘이기 때문에 굳이 접촉하지 않아도 힘이 작용할 수 있다. (영역전개)
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장은 곧 그 물체의 힘이 지배하는 영역이라고 볼 수 있죠. 자신의 법칙이 지배하는 영역.

ps. 교과서에선 전기장을 깔끔하게 그리지만, 실제로는 서로의 장이 영향을 미쳐 장을 일그러뜨립니다. 술식중화처럼.ㅎ로ㅓㅜ

ps. 영역전개라는 아이디어 전에 고유결계, 공상구현화라는 게 있었다능;
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* 힘은 공간을 타고 흐르는 파동처럼 전달되기 때문이다.
*
|장을 물리적 실체처럼 생각했네요. 실제로 잘 먹히는 사고입니다.
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* 접촉하지 않으면서 힘은 전기 장이라는 장을 통해 에너지가 전달되어서
* 공간에 형성된 장이 에너지를 전달하기 때문입니다.
* 전기장과 중력장에서 장이 에너지를 전달해 힘을 작용시키는 것 같다.
|틀린 이야기는 아니지만, 우리가 지금 이야기하는 것은 힘에 대한 것이기 때문에, 여기에서 적절한 답변은 아닌 것 같아요.
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* 중력장에의해 공간이 휜다고 들었는데 전기장도 그런 관점에서의 가능성이 있지 않을까 싶다
* 중력장의 경우 질량이 큰 물체가 공간을 휘게 만들어서 그곳으로 자연스럽게 빨려 들어가는 것이라고 알고 있고 전기장 같은 경우에는 전자기력에 의해 +극은 -로 -극은 +로 끌려가는 인력과 서로 같은 극 끼리는 밀어내는 척력 때문아닐까요?
* 질량이나 전하를 가진 물체는 주변 공간의 성질을 변화시키는데, 이를 '장'이라고한다. 즉, 전하가 만들어놓은 전기장이라는 공간의 왜곡 안에 다른 전하가 놓이게 되면서 그 지점의 에너지 상태에 따라 힘을 받게 되는 것이다. 중력장 역시 질량이 시공간을 휘게 만들어 그 곡률을 따라 힘이 전달되는 것과 같다.

* 공간의 왜곡? 전기장도 비슷하지 않을까요??
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중력에서 배운 공간의 휨 개념을 전기장까지 확장. 실제로 아인슈타인 이후의 현대 물리학은 모든 힘을 이런 기하학적인 관점으로 설명하려는 시도를 계속하고 있어요오~

전기장이 공간의 휨과 연결되진 않은 듯한데, 꼭 3차원 공간이 아니더라도 무언가를 휘었기 때문에 끌려가는 것이 아닐지...! 초끈이론 등 다른 이론에선 우리가 4차원 이상의 차원에서 살고 있다고 말하고 있으니까요!
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* 만유인력의 법칙이나 쿨롱의 법칙에 의해 힘이 작용한다.
* 만유인력과 전기력 공식을 보면, 만유인력은 질량을 가진 물체면 그 물체들 사이에 작용하는 힘이고, 전기력은 전하를 가진 물체면 그 물체들 사이에 작용하는 힘이다. 따라서 접촉하지 않아도 질량과 전하만 가져도 물체들끼리 힘이 작용한다.
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[오개념 유형: 수식과 현상의 인과관계]


공식은 현상을 '요약'한 것이지, 힘이 발생하는 '이유' 그 자체는 아니에요. "공식이 있으니까 힘이 작용한다"기보다는 "공간을 통해 힘이 전달되기에 그런 공식이 성립한다"가 더 자연스럽겠죠?
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두 물체 사이에 전자가 이동하면 전자를 잃은 물체는 +전하량이 -전하량보다 많아지므로 +전하를 띠게 되고 전자를 얻은 물체는 반대로 -전하를 띠게 된다. 이렇게 전하를 띠게 된 물체 사이에 전기력이 작용하여 전기장이 형성하기 때문이다.
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[오개념 유형: 현상의 선후 관계]


이 답변은 '대전 과정'을 설명하고 있어요. 질문은 이미 전하를 띤 물체들이 '어떻게' 닿지도 않고 힘을 주고받느냐는 것이므로, 전자의 직접적인 이동 없이 힘이 전달되는 통로(장)에 대해 고민해 보세요!
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전기장과 중력장 모두 전기력과 중력이라는 작용 범위가 무한대인 힘이 작용하기 때문이다. 이 두 힘들의 근원은 아직 밝혀지지 않았다?

아직 정확한 이유는 밝혀지지 않은 것으로 알고있습니다.
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[오개념 유형: 과학적 사실 확인]


힘의 궁극적인 근원은 연구 중일 수 있지만, '장'이라는 개념을 통해 힘이 전달되는 방식은 현대 물리학에서 매우 명확하게 설명하고 있답니다. 우리가 배우는 이 '장'이 바로 그 답이에요!
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자기력, 중력등이 작용하면 접촉하지 않아도 힘이 작용한다

전자기력에 의해서 인력, 척력이 작용한다.

전기장과 중력장에의해 전기력과 중력이 작용한다

정전기적 인력이나 반발력 또는 중력 등으로 인해 접촉이 없어도 힘이 작용할 수 있다.
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[별로인 답변: 단순 반복 및 순환 논리]


"닿지 않아도 힘이 작용하는 이유는 닿지 않아도 작용하는 힘이 있기 때문이다" 식의 답변입니다. '어떻게(How)' 전달되는지, 즉 '공간의 상태 변화'라는 핵심 키워드를 넣어서 다시 생각해 봅시다.
|}

=== 한 점에서 전기장이 0이면, 힘도 항상 0일까? ==={| class="wikitable"! 학생 답변 !! 교사 코멘트|-|힘은 F=qE인데 E=0이면 0이다.왜냐하면 먼저 수식에서 확인 할 수 있는데 F = qE 이기 때문에 E가 0이면 항상 F 도 0이 되기 때문이다.F=qE이기에 전기장(E)이 0이라면 해당 지점에 놓인 전하량(q)에 상관없이 전기력(F)은 반드시 0이 될 것이다.한 점에서 전기장이 0이면 그 점에 있는 전하가 받는 전기력도 0이다. F = qE이기 때문이다.전기장이 없으면 전하가 있더라도 힘이 0이다전기장이 0이라는 것은 힘이 작용하지 않음을 뜻하기 때문에 힘도 항상 0이 된다.전기장이란 단위 잔하가 그 위치에서 받는 힘이기 때문에 전기장 0 이면 힘도 0이다전기장의 크기는 전하에 작용하는 전기력의 크기이기에, 전기장이 0이면 작용하는 힘은 0이다.F=qE 이므로 힘도 항상 0이다. 전기장이 0이라는 것은 그 지점에는 전하를 밀거나 당길 수 있는 공간의 성질 변화가 전혀 없다고도 할 수 있기 때문이다.|✔ 전기력의 정의와 수식 ($F=qE$) 적용전기장의 정의($E=F/q$)를 정확히 이해하고 수식으로 증명한 답변들입니다. 전기력은 전하와 전기장의 상호작용이므로, 장이 형성되지 않은(0인) 곳에서는 전기력이 존재할 수 없다는 논리가 아주 명쾌합니다. 마지막 답변처럼 '공간의 성질 변화'가 없다는 물리적 의미까지 짚어준 점이 훌륭합니다.|-|전기력에 의한 힘은 0이지만 다른 외부힘이 가해지면 상황이 다를 것 같다전기장이 0이면 전기적인 힘은 0이지만 합력은 0이 아닐 수 있다항상 0이 아니다. 어떠한 지점에 전기장이 0이여도 중력이나 자기장이 작용할수 있기 때문이다.전기적인 힘만 생각한다면 힘은 0이다. 왜냐하면 전기장이 0이면 qE=F에서 E가 0이되며 F 또한 0이 되기 때문이다.전기력에서는 F=qE 이기 때문에 E가 0이되면 F도 0이 될 것이다. 그치만 모든 힘을 보았을 때, 전기력말고 다른 힘들은 충분히 작용할 수 있지 않을까 생각한다.전기적인 힘은 0일텐데 중력이나 뭐 다른 힘이 작용할 수도 있으므로 아닐 것 같다전기장이 0이면 그 지점에서 전하가 받는 전기력은 0이지만, 다른 힘(중력 등)이 존재하면 전체 힘은 0이 아닐 수도 있다F= qE이기 때문에 전기력은 항상 0이다. 그러나 다른 외력이 작용할 수 있기 때문에 항상 0이라 할 수 없다.F=qE이다. 이때 E가 0이면 F도 0이 되기 때문에 전기력은 0이 될 수 있다. 하지만 중력등 전기력을 제외한 힘들이 존재하므로 알짜힘은 0이 아닐 수 있다.중력 등 다른 여러 힘이 작용하는 조건이 있는지 확인할 필요가 있다고 생각합니다. F = qE이기에 전기력은 일단 0이 될 것이라고 생각합니다.|✔ 전기력 vs 알짜힘(Net Force)의 구분[매우 날카로운 통찰입니다!] 물리 문제를 풀 때 '힘'이라고 하면 보통 알짜힘을 의미하는 경우가 많죠. 전기력이 0일지라도 중력, 자기장, 혹은 다른 외력이 있다면 물체가 받는 전체 힘은 0이 아닐 수 있다는 점을 지적한 아주 훌륭한 답변들입니다.|-|한 점에서 전기장이 0이라면 그 점에 놓인 전하는 전기력을 받지 않으므로 힘은 0이 된다. 이는 전기력이 전하량과 전기장의 곱으로 주어지기 때문이다. 그러나 그 점 주변에서는 전기장이 0이 아닐 수 있어, 조금만 위치가 변해도 힘이 생길 수 있으므로 항상 안정한 상태라고는 할 수 없을 것 같다.|✔ 평형의 안정성(Stability) 고찰단순히 0이냐 아니냐를 넘어, 그 지점이 '안정한 평형점'인지까지 고민해 본 깊이 있는 답변입니다. 특정 점에서는 힘이 0이라도 주변으로 벗어날 때 힘이 어떻게 변하는지(복원력의 유무)를 생각하는 것은 물리학에서 매우 중요한 태도입니다.|-|[유형 1: 수학적 오류]아니다. 전기장의 수식은 E = F/q 인데 여기서 E가 전기장이므로 0 = F/q가 된다. 즉 F=0, q=0 두가지 경우가 나오므로 항상 성립하지는 않을 것 이다........?[유형 2: 개념적 혼동]전하를 띄지 않으면 전기장이 없을 것이고 그 상태에서 힘이 작용하면 전기장이 없지만 힘은 있는 상태이지 않을까요그점에 한해서 0이지 않을까 양자역학처럼 q1이 0이면서 1인 상태가 가능하지 않는 이상(근데 전자가 너무 작아서 현실세계에는 가능 할 수 도 있을 것 같다.)|✘ 오개념 피드백1. 수학적 해석: $0 = F/q$라면 분자인 $F$가 반드시 0이어야 합니다. $q$가 0인 경우는 전하가 없는 상태이므로 '전하가 받는 힘' 자체를 논할 수 없게 됩니다.2. 전기장의 존재: 전하가 없어서 전기장이 없는 경우와, 전기장이 상쇄되어 0인 경우는 구분해야 합니다. 또한 전기장이 0인데 '전기력'이 있는 상태는 $F=qE$ 공식상 불가능합니다(외력 제외).3. 양자역학: 거시적인 전자기학 문제를 풀 때는 고전적인 장의 개념으로도 충분히 설명이 가능하므로, 너무 복잡하게 접근할 필요는 없습니다!|-|한 점에서 전기장이 0이면 외력이 없는 한 힘도 항상 0일 것이다.전기장이 0이면 작용하는 힘이 상쇄되어 알짜힘도 0이다E=F/q이기 때문에 Eq=F이기 때문에 전기장의 세기가 0이된다면 힘또한 0이여야 한다.F=qE라서 E가 0이면 F도 항상 0이다.F=qE 이므로 전기장이 0이면 전기력도 0일것이다. 근데 중력이나 다른 힘들은 받을 수 있지 않을까? 그렇게 생각하면 아닌것같기도….힘이 여러방향에서 작용해도 결국 상쇄되어 0이되는 것이 맞다.전기력은 전기장 위에서 나타나는 힘인데 만약 전기장이 0이라면 전기장 세기에 전하량을 곱한값인 전기력은 항상 0이된다.|▼ 별로인 답변 (단순 나열 및 반복)수식을 단순히 나열하거나 위에서 언급된 핵심 논리를 짧게 반복한 답변들입니다. 특히 "상쇄되어 0이 된다"는 표현은 전기장이 0이 되는 원인을 설명할 때는 좋지만, 힘과의 관계를 설명하기에는 조금 부족함이 있습니다.|}

== 별로인 답변 모음 ==

0인 부분이 많을 수 있다. Ex) )l( ('l'= 힘이 0인 부분, ')('= 전기장)
그점에 한해서 0이지 않을까 양자역학처럼 q1이 0이면서 1인 상태가 가능하지 않는 이상(근데 전자가 너무 작아서 현실세계에는 가능 할 수 도 있을 것 같다.)

=== 역학적 에너지가 음수가 될 수 있을까? ===
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!학생 답변
!교사 코멘트
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= 생기부 기록 예시 =
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!선생님코멘트
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= 각주 =