고전적 방법을 사용한 과학 영재의 탐구 과정과 고전적 방법에 대한 인식 - 갈릴레이의 경사면 실험을 중심으로

김기탁, 이봉우, New Physics: Sae Mulli 75, 44 (2025).

탐구는 과학을 다른 교과와 구별 짓게 하는 중요한 교육 활동이며, 탐구 활동을 통해 학생들은 과학적 연구 방법을 학습하고 문제해결 능력을 기를 수 있다. 학생을 물론 교사들도 탐구 교육에 대한 많은 어려움을 제시하고 있으며, 이를 해결하기 위하여 컴퓨터 기반 실험, 디지털 탐구 도구를 포함한 다양한 방법이 소개되고 있다. 현대적인 탐구 도구는 물리교육에 의미 있는 가치를 주지만 현대적인 탐구 도구가 주는 편리성이 학생들이 탐구역량을 신장시키는 기회를 축소시킬 수도 있다. 본 연구에서는 과학영재학교 학생 126명에게 17세기의 상황에서 현대적인 도구를 사용할 수 없다는 조건하에서 갈릴레이의 경사면 실험을 설계하고 수행하도록 했다. 이후 영재들의 활동을 분석하고 고전적 방법과 현대적 방법에 대한 인식을 분석했다. 분석 결과, 첫째, 고전적 방법을 사용한 실험에서 영재들은 시간과 이동 거리를 각각 조작 변인, 종속 변인으로 설정(혹은 그 반대)하여 다양한 실험을 수행했다. 특히 진자를 사용하여 물체가 경사면을 따라 이동하는 데 걸리는 시간을 추적하거나 물시계를 사용하여 경과 시간을 측정하는 등과 같이 직접 시간 측정 장치를 고안하여 실험하였다. 둘째, 고전적 방법을 사용하였을 때 인간의 감각 인식의 불확실성이나 시간 측정 장치와 같은 도구적 한계에 의한 오차를 걱정하였으나, 영재들이 고전적 방법으로 수행한 경사면에서의 등가속도 운동의 결과는 현대적 방법의 결과와 유사한 수준이었다. 셋째, 탐구 전에는 고전적 방법에 의한 실험에 대해 부정적인 인식을 갖고 있던 많은 영재들이 활동 이후에 고전적 방법이 유효한 탐구 방법임을 인식하게 되었다. 최근 첨단 과학 기술의 발달로 실험 활동에도 첨단 과학이 많이 사용되고 있고, 이러한 현대적 방법을 이용한 탐구는 정확성을 제공할 수 있는 장점이 있다. 그런데 본 연구에서 제시한 바와 같이 고전적 방법을 이용한 탐구가 갖는 장점도 매우 크다. 따라서 고전적 방법과 현대적 방법을 적절히 결합한 탐구를 통해 학생들의 탐구 역량을 신장시킬 수 있는 교수학습이 이루어지기를 기대한다.

차세대 방사광 가속기의 자기포화가 발생한 전자석의 최적형상 연구

김동혁, 황지광, New Physics: Sae Mulli 75, 97 (2025).

방사광 가속기는 하전 입자가 가속 운동할 때 발생하는 싱크로트론 방사(Synchrotron Radiation)에서 발생하는 빛이 적외선에서부터 X-선 영역에 걸친 넓은 대역에서 높은 강도(intensity)를 갖는다는 특성을 이용하여 빛 발생을 위해 건설된 장치이다. 이러한 방사광 가속기에서 발생하는 강한 빛은 물질의 구조탐색 및 상 변화, 단백질 구조분석, 신약개발 등의 다양한 분야에 활용되며 현대과학의 발전을 견인해왔다. 방사광 가속기는 크게 전자저장링(electron storage ring)과 자유전자레이저(free-electron laser)로 분류가 가능하며 전자저장링이 전 세계적으로 가장 많이 분포하고 있다. 전자저장링은 역사적으로 입자물리실험을 위해 건설되었던 가속기에서 싱크로트론 방사의 특성분석이 이루어지던 1940년대의 1세대와 이극전자석에서 발생하는 빛을 전적으로 활용하는 1960년대에 주로 건설되었던 2세대 방사광가속기를 거쳐 더 강한 방사광이 발생을 위해 삽입장치(insertion device)를 적극적으로 활용하는 3세대 장치로 발전해왔다. 그리고 2010년대 후반에 이르러 위상공간에서의 전자빔의 분포하는 영역(=에미턴스)을 50~100배 이상 줄여 방사광의 휘도 (brilliance)를 비약적으로 향상시킬 수 있는 4세대 전자저장링(4th Generation Storage Ring, 4GSR)이 제안되었고 현재 전 세계적으로 가장 활발하게 연구 및 건설되고 있다. 4세대 전자저장링에서 낮은 에미턴스 달성을 위해서는 기존의 저장링에서 사용되던 사극전자석에 비해 자장구배(magnetic gradient)가 필수적이다. 하지만, 철심의 높은 자기투자율(magnetic permeability)을 활용하여 높은 자기장을 생성하는 철심기반 상전도 전자석(iron-dominated normal-conducting magnet)은 0.7 T에서부터 자기포화현상이 발생하기 시작하므로 4세대 전자저장링에서 사용되는 자석들은 자기포화 영역에서 동작한다. 이러한 사극전자석은 자기장의 스칼라포텐셜(scalar potential)이 철심의 모양과 동등하지 않으므로 사극전자석을 설계할 때에 이론적으로 이상적인 y=1/x 형태의 철심 모양에서 빔물리적으로 원치 않는 비선형 자기장 성분이 강해지게 된다. 우리는 자기포화가 발생한 영역에서 비선형 자기장성분을 최소화하는 철심의 형상을 찾기 위해 자석의 코일배치와 철심의 자기특성을 고려한 2차원 자기장 시뮬레이션이 가능한 Poisson Superfish 코드와 연산된 자기장에서 비선형 자기장성분을 계산하는 코드에 다목적 유전자 알고리즘(multi-objective genetic algorithm)을 적용한 코드를 개발하였다. 이 코드를 통해서 80 T/m보다 강한 자장구배에서 상대적 비선형 자기장성분이 10^‒4보다 작아지는 자석 설계안을 도출하였고 철심의 형상이 기존의 자석들과 달라지는 것을 확인하였다.