[논문]현대물리학 교재의 광전효과 단원에서 빛의 세기에 관한 설명방식과 교육적 함의

김은선; 김홍빈; 이종봉; 이경호

doi:10.21796/jse.2020.44.1.112

현대물리학 교재의 광전효과 단원에서 빛의 세기에 관한 설명방식과 교육적 함의
How Modern Physics Textbooks Explain Intensity of Light in Photoelectric Effect 원문보기

과학교육연구지 : 경북대학교 과학교육연구소 = Journal of science education, v.44 no.1, 2020년, pp.112 - 121

김은선 (서울대학교) , 김홍빈 (서울대학교) , 이종봉 (서울대학교) , 이경호 (서울대학교)

초록
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광전효과는 빛의 입자성을 설명하는 대표적인 현상으로 고전 물리학에서 현대물리학으로의 전환을 이끈 중요한 주제이다. 중등교육 과정에서도 광전 효과를 중요하게 다루고는 있지만, '빛의 세기'에 대한 설명이 전자기파의 세기에 대한 설명과 달라서 교사나 학생들이 종종 혼란을 겪고 있다. 이에 본 연구에서는 현대물리 교재의 광전효과 단원에서 '빛의 세기'를 어떻게 설명하고 있는지 분석하였다. 널리 사용되는 10종의 현대물리 교재를 분석한 결과 '빛의 세기'가 크게 두 가지 유형으로 설명되고 있었으며, 특히 한 교재 내에서 두 가지 다른 유형의 표현이 모두 나타나기도 하였다. 연구자들은 본 연구의 결과를 바탕으로 향후 광전효과를 기술하는 데 있어서 몇 가지 유의점을 제안하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The photoelectric effect is a representative phenomenon explaining the particle nature of light and is an important theme that led to the transition from classical physics to modern physics. Although the secondary school curriculum deals with the photoelectric effect, teachers and students are often confused with terms because the explanation of the 'light intensity' is different from that of electromagnetic waves. Hence, this study examines how modern physics textbooks explain the intensity of light through photon model. We analyzed the photoelectric effect unit of 10 modern physics textbooks. Results show that there are two different types of representation on 'light intensity.' Especially those two different types were found even within a textbook. Modern physics textbooks do not seem to provide a unified presentation of the light and cautions to describe the photoelectric effect and its interpretation are suggested for teaching light intensity in modern physics.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 기존에 널리 사용되어 온 현대물리학 교재의 광전효과 단원에서 ‘빛의 세기’를 어떻게 기술하고 있는지 분석을 하였다.
따라서 본 연구의 연구문제는 현재 많은 대학에서 교재로 사용하고 있는 현대물리학 교재의 광전효과 단원에서 ‘빛의 세기’를 어떻게 설명하고 있는지를 파악하는 것이다.
물론 위의 평가 문항의 경우, 발문 속 ‘빛의 에너지’라는 표현은 원래 의도대로 ‘광자 1개의 에너지’로 수정되었지만, 여전히 좁혀지지 않았던 빛의 세기에 대한 논쟁은 결코 간과할 수 없는 문제인 것으로 보인다. 본 연구자들은 이와 같은 논쟁의 원인과 해소방안을 모색하기 위해서는 광전효과 단원에서 대학 교재가 빛의 세기를 어떻게 나타내고 있는지 분석할 필요가 있다고 보았다.
그리고 연구자 4인(물리교사 1인, 물리교육 연구자 2인, 물리학자 1인)이 함께 모여서 일차적으로 발췌된 자료 중에서도 광전효과와 관련된 부분에서 ‘빛의 세기’가 들어간 문장과 관련 수식을 2차 선별하는 과정을 거쳤다. 선별된 자료를 각자 검토한 후, 빛의 세기에 대한 교재의 설명 방식에 대하여 연구자 전원이 합의에 이를 때까지 논의를 계속함으로써 정합성과 중립성을 확보하고자 하였다. 이 과정을 통해 ‘빛의 세기’에 대한 현대물리 교재의 설명을 총 4가지로 분류하였는데, 각 유형별 설명 방식과 코드는 Table 2와 같다.
특히, “광전효과”라는 주제가 이미 국가 수준의 중등교육과정으로 확대된 시점에서 기존 현대물리학 교재들은 이 주제에 관하여 물리학계의 표준적 이해가 반영된 일관되고 정합적인 관점을 제공할 것이라는 기대를 할 수 있다. 이에 본 연구에서는 광전효과에서 빛의 세기를 이해하는데 있어서 실질적인 역할을 하는 현대물리학 교재를 고려하였다. 따라서 본 연구의 연구문제는 현재 많은 대학에서 교재로 사용하고 있는 현대물리학 교재의 광전효과 단원에서 ‘빛의 세기’를 어떻게 설명하고 있는지를 파악하는 것이다.

제안 방법

그리고 두 번째 유형은 빛의 세기를 단위시간, 단위면적 당 광자의 개수에 광자 한 개의 에너지인 hf를 곱한 것으로 설명하는 방식이다(유형2). 그리고 각 유형 별로 명시적인 설명과 암묵적인 설명을 구분하여 총 4개의 코드를 가지고서 교재의 설명 방식을 분석하였다. 분석 결과, 10종의 교재 중에서 2종의 교재는 유형1 즉, 빛의 세기를 n으로 일관되게 표현하는 것으로 나타났다.
Figure 3의 Example 3-7에서는 단위시간, 단위면적 당 입사하는 광자의 수를 물어보면서 앞서 Example 3-6에서 주어진 빛의 파장과 빛의 세기(Figure 3에서는 ‘incident intensity’로 표기되어 있음)를 활용하도록 한다. 그리고 문제에 주어진 빛의 세기(이 경우 빛의 세기의 단위는 W/m²임)를 광자 하나의 에너지에 해당하는 hf로 나누어 답을 구하게 하였다. 이렇게 하면 최종적인 답은 s^-1· m^-2의 단위를 가지게 된다.
본 연구에서는 빛의 세기에 대한 기존의 현대물리학 교재의 설명 방식을 두 가지 유형으로 구분할 수 있었다. 첫 번째 유형은 빛의 세기를 단위시간, 단위 면적 당 입사하는 광자의 수로 설명하는 방식이다(유형1).

대상 데이터

국내외의 대표적인 온라인 도서사이트의 판매량*을 고려하여 일반적으로 학부 현대물리학 교재로 사용되는 현대물리학 교재 10종(Beiser, 2003; Bernstein, Fishbane, & Gasiorowicz, 2000; Harris, 2008; Krane, 2012; Serway, Moses, & Moyer, 2005; Taylor, Zafiratos, & Dubson, 2004; Thornton & Rex, 2013; Tipler & Llewellyn, 2012; Walecka, 2008; Weidner & Sells, 1980)을 선정하였으며, 모든 교재는 연구 개시 시점을 기준으로 가장 최근에 개정된 것을 분석에 사용하였다(Table 1).
국내외의 대표적인 온라인 도서사이트의 판매량*을 고려하여 일반적으로 학부 현대물리학 교재로 사용되는 현대물리학 교재 10종(Beiser, 2003; Bernstein, Fishbane, & Gasiorowicz, 2000; Harris, 2008; Krane, 2012; Serway, Moses, & Moyer, 2005; Taylor, Zafiratos, & Dubson, 2004; Thornton & Rex, 2013; Tipler & Llewellyn, 2012; Walecka, 2008; Weidner & Sells, 1980)을 선정하였으며, 모든 교재는 연구 개시 시점을 기준으로 가장 최근에 개정된 것을 분석에 사용하였다(Table 1). 분석 대상에 대한 타당성 확보를 위해 대학에서 현대물리학 강의 경험이 있는 전문가 2인의 검증을 거쳤다.

성능/효과

그러나 이 두 교재 모두 빛의 세기에 대한 정의를 명시적으로 제시한 것은 아니었다. 그리고 5종의 교재는 유형2 즉, 빛의 세기를 nhf로 일관되게 표현하는 것으로 나타났다. 이 중 1종을 제 외한 나머지 교재는 동일한 유형의 예제를 공통적으로 포함하고 있었는데, 빛의 세기의 단위를 W/m²으로 제시하고 있는 이 예제를 통해 빛의 세기를 nhf형태로 명시적으로 설명하고 있다는 점을 확인할 수 있었다.
이 중 1종을 제 외한 나머지 교재는 동일한 유형의 예제를 공통적으로 포함하고 있었는데, 빛의 세기의 단위를 W/m²으로 제시하고 있는 이 예제를 통해 빛의 세기를 nhf형태로 명시적으로 설명하고 있다는 점을 확인할 수 있었다. 마지막으로 3종의 교재에서는 두 가지 유형의 설명 방식이 한 교재 안에서 혼재되어 있는 것으로 나타났다. 그리고 3종의 교재 중 어느 교재에서도 이에 대한 별도의 설명은 찾아볼 수 없었다.
그리고 각 유형 별로 명시적인 설명과 암묵적인 설명을 구분하여 총 4개의 코드를 가지고서 교재의 설명 방식을 분석하였다. 분석 결과, 10종의 교재 중에서 2종의 교재는 유형1 즉, 빛의 세기를 n으로 일관되게 표현하는 것으로 나타났다. 그러나 이 두 교재 모두 빛의 세기에 대한 정의를 명시적으로 제시한 것은 아니었다.
따라서 본 연구에서는 기존에 널리 사용되어 온 현대물리학 교재의 광전효과 단원에서 ‘빛의 세기’를 어떻게 기술하고 있는지 분석을 하였다. 연구 결과, 빛의 세기에 대한 일관된 정의 내지는 일관된 설명을 기대한 것과는 달리 교재마다 빛의 세기에 대한 표현이 제각각이며, 심지어 한 교재 내에서도 맥락에 따라 서로 다른 방식으로 빛의 세기를 설명하고 있다는 점이 드러났다.
그리고 5종의 교재는 유형2 즉, 빛의 세기를 nhf로 일관되게 표현하는 것으로 나타났다. 이 중 1종을 제 외한 나머지 교재는 동일한 유형의 예제를 공통적으로 포함하고 있었는데, 빛의 세기의 단위를 W/m²으로 제시하고 있는 이 예제를 통해 빛의 세기를 nhf형태로 명시적으로 설명하고 있다는 점을 확인할 수 있었다. 마지막으로 3종의 교재에서는 두 가지 유형의 설명 방식이 한 교재 안에서 혼재되어 있는 것으로 나타났다.
현대물리학 교재 10종의 광전효과 단원을 분석한 결과 10종의 교재 모두 광자 개념을 사용하여 ‘빛의 세기’를 표현하고 있었다.
현대물리학 교재마다 빛의 세기에 대한 표현이 다르고, 특히 한 교재 안에서도 빛의 세기에 대한 표현이 다르게 제시되고 있다는 것은 본 논문의 서론에서 제시하였던 두 교사 간의 논쟁이 일반적으로 충분히 일어날 수 있는 일이라는 것을 시사한다. 교사의 경우 이미 광전효과에 관한 주요 내용을 이해하고 있는 상황에서도 여전히 빛의 세기가 단위시간, 단위면적 당 전달되는 에너지인가 또는 단위시간, 단위면적 당 전달되는 광자의 수인가 하는 질문 앞에서 어려움을 느낄 수 있다.

후속연구

다만, 광전효과 단원에서 이러한 다양한 해석까지 다루게 된다면, 어떤 점에 유의하여 어떻게 다루어야 하는지에 관한 연구가 선행되어야 할 것이다. 광전효과 단원에서 어느 정도 정교화 된 양자 모델을 가르쳐야 하는지에 대해서도 후속연구가 이어질 필요가 있다.
그러나 과학의 본성을 강조하는 관점에서 볼 때, 광전효과 역시 다른 과학 이론과 마찬가지로 어느 한 가지 이해 방식에 머무르는 것이 아니라 끊임없이 변화되고 재해석될 수 있는 역동적인 과정에 놓여있다는 것을 학생들에게도 보여줄 필요는 있을 것이다. 다만, 광전효과 단원에서 이러한 다양한 해석까지 다루게 된다면, 어떤 점에 유의하여 어떻게 다루어야 하는지에 관한 연구가 선행되어야 할 것이다. 광전효과 단원에서 어느 정도 정교화 된 양자 모델을 가르쳐야 하는지에 대해서도 후속연구가 이어질 필요가 있다.
더불어, 광전효과에 관한 현대적 이해를 어느 범위까지 포함하느냐하는 문제 또한, 계속 연구되고 교재의 내용에 반영될 필요가 있다고 본다. 예를 들어, 꼭 광전효과를 이해하기 위해서 반드시 입자 개념이 필요한가 하는 문제는 매우 오래 전부터 제기되어 온 문제이다(Lamb & Scully, 1969; Kidd, Ardini, & Anton, 1989) 가령 Stanley(1996)에 따르면 광전효과가 광자 개념을 ‘제안’하기는 하지만, 반드시 광자 개념을 ‘요구’하는 것은 아니다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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