PhysLab — 물리 이론의 시각화 (프로토타입)
공식을 애니메이션으로 직접 조작해 보며 물리와 친해지는 웹 시뮬레이터입니다.
전체 75종이 대분류 → 중분류 → 소분류 3단계로 나뉩니다.
대분류는 좌측 상단의 ☰ 햄버거 메뉴에서 고르고, 그 아래에 중분류 탭과 소분류 목록이 나타납니다.
| 대분류 | 중분류 | 대상 / 범위 |
|---|
| 기초 물리학 (36종) | 초급 과정 (11) | 공식 없이 감부터 잡는 단계 — 힘과 운동 · 열과 무질서 · 파동과 빛 · 물질의 구성 · 중력과 우주 |
| 고등물리 (11) | 고등학교 물리학Ⅰ을 넘지 않음 (기획서 원칙) — 역학과 에너지 · 물질과 전자기장 · 파동과 정보통신 |
| 일반물리 (14) | 대학 기초 — 역학과 진동 · 유체역학 · 열과 통계 · 전자기학 · 파동과 광학 · 상대성이론 |
| 현대물리와 우주 (16종) | 유명한 실험 (4) | 이론이 역사적으로 어떻게 데이터로 확인됐는지 재현 |
| 양자역학 (6) | 물질도 파동이다 · 에너지는 띄엄띄엄하다 · 파동이기에 생기는 일 · 측정이 결과를 바꾼다 |
| 천문학 (6) | 별빛 읽기 · 별의 일생 · 우주의 크기 재기 · 다른 별의 행성 |
| 공학 응용 (23종) | 항공우주공학 (9) | 비행역학 · 궤도역학 · 로켓 추진 · 대기권 재진입 |
| 선박공학 (6) | 저항과 추진 · 복원성 · 내항성 · 운항 제어 (자율운항시스템공학) |
| 기계공학 (6) | 고체역학 · 파괴역학 · 열공학 · 진동공학 — 항공우주·선박의 공통 기반 |
| 공학응용 (2) | 분야를 가리지 않고 쓰이는 계측·신호 |
난이도 원칙: 기초 물리학의 고등물리 중분류는 물리학Ⅰ 범위를 넘지 않습니다. 공학 응용은 그 공식들이 실제 전공에서 어디에 쓰이는지 보여주는 확장이고, 현대물리와 우주는 이론이 어떻게 증명됐는지 보여주는 확장입니다 — 둘 다 기초 물리학의 난이도 원칙에는 영향을 주지 않습니다.
기계공학을 따로 둔 이유: 고체역학·파괴역학·열공학·진동공학은 항공우주공학에도 선박공학에도 똑같이 필요한 공통 기반입니다. 두 곳에 중복으로 넣는 대신 기계공학으로 모으고, 항공우주·선박에는 그 분야 고유의 내용만 남겼습니다.
실행 방법
의존성 없는 순수 HTML/CSS/JS입니다. 둘 중 아무거나:
node tools/dev-server.js
→ 브라우저에서 http://localhost:5173
또는 index.html을 브라우저로 그냥 열어도 됩니다.
점검
시뮬레이션이나 그리기 코드를 고친 뒤에는 dev 서버를 띄운 채 http://localhost:5173/tools/check.html을 엽니다.
75종 전부를 실제 화면에서 나오는 9가지 캔버스 크기(27" QHD ~ 360px 폰)로 모든 프리셋·강조 상태와 함께 그려 보고 다음을 셉니다.
| 항목 | 기준 |
|---|
| 예외 | 0 |
| 글자 겹침 (투명 글자끼리) | 0 |
| 캔버스 밖 잘림 | 화면 밖으로 나간 물체(빠른 음원, 시야 밖 선박 등)에 붙은 라벨만 허용 |
특정 크기만 보려면 ?sizes=1407x704,436x471.
기획 의도 → 구현 대응
| 기획서 항목 | 구현 |
|---|
| 공식의 용도에 맞는 체험 화면(애니메이션) | 시뮬레이션마다 전용 캔버스 애니메이션 + 실시간 그래프 |
| 공식 구성요소의 위치 구성 | 공식의 각 기호가 고유 색을 가지고, 기호에 마우스를 올리거나 클릭하면 ① 화면 속 해당 요소(화살표·막대·점선)가 빛나고 ② 해당 슬라이더가 강조되며 ③ "이 값이 어디에서 작용하는가" 설명이 뜹니다 |
| 값을 직접 대입해 보는 경험 | 모든 상수가 슬라이더 + 상황별 프리셋 버튼(달의 중력, 얼음판, 에어백 효과 등) |
| 물리학Ⅰ 범위 유지 | 미적분·벡터 성분 분해 없이, 교과서 공식과 용어만 사용 |
기초 물리학 — 초급 과정 (11종)
공식을 하나도 몰라도 볼 수 있는, 가장 먼저 보는 중분류입니다. 계산이 아니라 "감"을 잡는 것이 목표입니다. 여기의 모든 시뮬레이션에는 도전 과제(아래 별도 절 참고)가 붙어 있습니다.
거시세계
- 에너지란 무엇인가? — 튀는 공. 형태(높이의 에너지 ↔ 빠르기의 에너지 ↔ 소리·열)만 바뀌고 총량은 절대 변하지 않음을 막대로 확인
- 힘이란 무엇인가? — 크기와 방향을 가진 화살표(벡터) 두 개를 동시에 걸어 벡터 합(알짜힘)이 실제 운동을 결정한다는 것, 알짜힘이 0이면(힘의 평형) 물체가 움직이지 않는다는 것을 확인
- 파동이란 무엇인가? — 횡파/종파 비교. "파동은 흔들림을 전달할 뿐, 매질 입자는 제자리에서만 움직인다"는 것을 강조
- 열이란 무엇인가? — 뜨거운 블록과 차가운 블록을 붙였을 때, 열은 항상 뜨거운 쪽 → 차가운 쪽으로만 흐르고 결국 같은 온도(열평형)에서 멈춘다는 것을 계산 없이 확인
- 엔트로피란 무엇인가? — 칸막이를 치우면 입자들이 저절로 상자 전체로 퍼지지만, 저절로 다시 한쪽에 모이는 일은 없다는 것을 눈으로 확인. "왜 열은 거꾸로 흐르지 않는가"에 대한 진짜 답(경우의 수)의 예고편
- 중력과 시간 — 왜 시간은 다르게 흐르는가? — 지구에 남은 사람 / 빛의 속력에 가깝게 나는 로켓 / 중력이 아주 강한 곳(중성자별·블랙홀 근처)에 머무른 사람, 세 개의 시계를 나란히 비교. "빠르게 움직이면 시간이 느려진다"(특수 상대성
√(1−β²))와 "중력이 강하면 시간이 느려진다"(일반 상대성 √(1−x), x=r_s/r)가 원인이 다른 별개의 효과라는 것, 그리고 "로켓을 타고 우주로 멀리 나가는 것" 자체는 (중력이 오히려 약해지므로) 시간을 거의 바꾸지 않는다는 흔한 오해도 함께 짚어 줌. 두 식 모두 근사가 아닌 정확한 식
- 중력이란 무엇인가? — 같은 궤도 운동 하나를 뉴턴("끌어당기는 힘", F=GMm/r²)과 아인슈타인("휘어진 시공간을 따라 굴러갈 뿐", 고무판 비유의 격자 왜곡)으로 나란히 비교. 태양계처럼 중력이 약한 곳에서는 두 설명이 실제로 같은 답을 준다는 것, 그리고 슈바르츠실트 반지름(r_s)이 두 이론이 갈라지는 기준이라는 것까지 연결
- 블랙홀과 중성자별이란 무엇인가? — 같은 질량을 점점 더 작게 압축하는 하나의 실험으로 통일. 반지름을 줄일수록(로그 스케일 슬라이더) 밀도와 탈출 속도가 치솟다가, 탈출 속도가 빛의 속력에 도달하는 순간(r_s=2GM/c²) 블랙홀이 됨. 이 식이 아인슈타인보다 150년 앞서 존 미첼(1783)이 순수 뉴턴 역학으로 유도했다는 역사적 사실도 소개
미시세계
9. 입자란 무엇인가? — 물질은 끊임없이 움직이는 작은 알갱이의 모임이라는 것. 온도 슬라이더 하나로 고체 → 액체 → 기체 상태 변화를 눈으로 확인(운동론적 분자 모델의 단순화)
10. 원자란 무엇인가? — 입자(알갱이) 자체도 원자핵(양성자+중성자)과 그 둘레를 도는 전자로 되어 있다는 것. 양성자 수 하나로 원소가 정해짐(단순화된 보어 모형)
11. 빛이란 무엇인가? — 빛의 파동성과 입자성(광자)을 한 화면에서 동시에 제시. 파장이 색을 정하고, 파장이 짧을수록 광자 하나의 에너지가 큼
문제방 — 도전 과제(Challenge) 기능
"이런 상황을 만들려면 값을 어떻게 조작해야 할까?"를 직접 실험하며 알아내는 미니 게임입니다. 정답을 입력하는 퀴즈가 아니라, 슬라이더를 움직이면서 목표 상태에 도달했는지를 실시간으로 확인하는 방식입니다.
무대(캔버스) 바로 아래에 "🎯 문제방" 이라는 이름의, 다른 카드들과 뚜렷이 구분되는 독립된 영역으로 표시됩니다 — 공식·슬라이더·측정값 카드들과 섞이지 않도록 일부러 분리했습니다(처음엔 우측 패널 안에 다른 카드처럼 넣었다가, 눈에 잘 안 띈다는 피드백을 받고 무대 아래 별도 구역으로 옮겼습니다).
- 시뮬레이션 정의에
challenges: [{ id, title, desc, check(ctx), hint }]를 추가하면 문제방이 자동으로 생깁니다(없는 시뮬레이션에서는 문제방 자체가 숨겨짐).
check(ctx)는 매 프레임 { P: 현재 슬라이더 값, st: 현재 시뮬레이션 상태, t: 경과 시간 }을 받아 true/false를 반환하는 순수 함수입니다 — 슬라이더 값만 보는 것(예: "알짜힘을 0으로")도, 재생하며 지켜봐야 하는 것(예: "6초가 지나도 계속 튀게")도 모두 표현할 수 있습니다.- 목표를 만족하는 동안은 ✅, 한 번이라도 만족한 적이 있으면(슬라이더를 다시 바꿔도) ✔로 계속 남아 성취를 기억합니다(새로고침하면 초기화).
- 힌트는 기본적으로 접혀 있어 스스로 먼저 찾아보게 하고, 필요하면 "힌트 보기"로 펼칠 수 있습니다.
- 현재 13개 시뮬레이션(초급 · 개념 11종 전체 + 일반물리의 "특수 상대성이론" + 유명한 실험의 "은하 회전 곡선과 암흑물질")에 2개씩, 총 26개의 도전 과제가 있습니다. 각 도전 과제는 실제로 그 조작으로 달성 가능한지, 그리고 시뮬레이션을 열자마자(아무 조작도 없이) 트리비얼하게 달성되어 버리지는 않는지를
scratchpad/check_challenges.js로 전수 검증했습니다 — 검증 중 실제로 여러 설계 버그(허용 범위 안에서 절대 달성 불가능한 문턱값, 기본값 자체가 이미 정답이라 조작이 필요 없던 챌린지, 목표 지점의 문턱값 계산 실수)를 발견해 고쳤습니다.
기초 물리학 — 고등물리 · 물리학Ⅰ (11종)
역학과 에너지
- 등가속도 직선 운동
v = v₀ + at, s = v₀t + ½at² — 1초 간격 스트로보 잔상, v–t / s–t 그래프, v² − v₀² = 2as 실시간 검산
- 뉴턴 운동 제2법칙
F = ma — 힘·마찰력·수직항력·무게 화살표, 알짜힘 막대, 정지 마찰 판정
- 운동량과 충격량
p = mv, I = FΔt = Δp — 반발계수 e로 탄성/비탄성 충돌, 운동량 보존 그래프, 충돌 시간에 따른 평균 힘(에어백 원리)
- 역학적 에너지 보존
E = ½mv² + mgh — 롤러코스터, K/U 스택 막대, 마찰에 의한 에너지 손실
- 포물선 운동
R = v₀²sin2θ/g — 비스듬히 던진 공을 가로(등속도)·세로(등가속도)로 나눈 땅·벽 그림자, 같은 시간 간격 자취, 속도 성분 화살표, 45° 최대 사거리와 30°·60° 같은 사거리, 달의 중력
물질과 전자기장
- 전자기 유도
V = −N ΔΦ/Δt — 자석 왕복, 자기 선속 화살표 밀도, 검류계 바늘, 유도 전류 애니메이션, 렌츠 법칙 안내
파동과 정보통신
- 파동의 표현
v = fλ — 매질 입자는 제자리 진동(빨간 점)임을 강조, 파장·진폭 치수선, 마루 추적 표식, y–t 그래프
- 빛의 굴절과 전반사
n₁sinθ₁ = n₂sinθ₂ — 매질 경계에서 꺾이는 빛, 임계각을 넘으면 100% 반사되는 전반사, 광섬유(광통신)·다이아몬드가 반짝이는 이유
질량·에너지와 열 (보강)
9. 질량과 에너지 E = mc² — 석탄·핵분열·핵융합·태양·반물질이 질량의 몇 %를 쓰는지 비교. 저울 위 질량 결손과 에너지 크기 눈금(1 kWh ~ 서울 1년 전력)
10. 열기관과 열효율 η = 1 − T_c/T_h — 고온부·저온부·기관의 에너지 흐름을 폭으로 시각화. 카르노 한계선 위는 "불가능 영역", 엔트로피 변화로 제2법칙 점검
11. 에너지띠와 반도체 n ∝ e^(−E_g/2kT) — 띠간격 하나가 도체/반도체/부도체를 가른다. 열로 띠를 넘는 전자, n형·p형 도핑 준위, 띠간격 → LED 색
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