npsm 새물리 New Physics : Sae Mulli

pISSN 0374-4914 eISSN 2289-0041
Qrcode

Article

Research Paper

New Phys.: Sae Mulli 2021; 71: 842-854

Published online October 29, 2021 https://doi.org/10.3938/NPSM.71.842

Copyright © New Physics: Sae Mulli.

Content Analysis of Photoelectric Effect Presented in high School Physics Textbooks

Sangwoo HA1, Youngrae JI2, Hunkoog JHO3, Bongwoo LEE4*

1Department of Physics Education, Kyungpook National University, Kyungpook 41566, Korea
2Department of Physics Education, Sunchon National University, Jeonnam 57922, Korea
3Graduate School of Education, Dankook University, Yongin 16890, Korea
4Department of Science Education, Dankook University, Gyeonggi 16890, Korea

Correspondence to:peak@dankook.ac.kr

Received: July 2, 2021; Revised: August 19, 2021; Accepted: September 9, 2021

This study was conducted to investigate the description of the photoelectric effect presented in the physics textbooks of the 2015 revised curriculum and to draw implications for the 2022 revised curriculum. For this purpose, 10 textbooks, both Physics I and physics II textbooks, that had been developed by the same publisher were analyzed. After examining the overall composition of the content on photoelectric effect presented in the physics textbooks, we established three analysis criteria: the inquiry activity, the experimental method and phenomenon explanation, and the interpretation of the photoelectric effect according to the model. Then, a detailed analysis was conducted according to these criteria. The results showed that Physics I textbooks tended to focus on the application of the photoelectric effect, and Physics II textbooks tended to focus on the explanation of the photoelectric effect. However, the structure of the detailed content of each textbook was different. In particular, in some textbooks, essential content was omitted, and the hierarchy of the content in the Physics I and the Physics II textbooks was unclear. In addition, the same contents were described repeatedly. Finally, the implications for the 2022 revised curriculum that can be derived from the results of this study are discussed.

Keywords: High school physics textbook, Photoelectric effect, 2015 revised science curriculum, Content analysis of textbook

고등학교에서 배우는 물리학의 범위는 역학, 전자기학, 열역학, 광학, 현대물리학 등으로 구분할 수 있다. 우리나라에서는 학문중심 교육 사조가 본격적으로 도입된 3차 교육과정에서부터 물질의 이중성, 원자모형, 원자핵과 원자력 등 현대물리학에 대한 내용을 체계적으로 도입하고 있으며 [1], 2009 개정 교육과정부터는 상대성 이론과 양자물리를 포함하여 현대물리학 학습이 보다 더 강조되고 있다 [2]. 이후 2015 개정 교육과정에서는 전체적으로 학습량 감축에 의해 전자의 파동함수나 퍼텐셜 우물 문제 등 일부 내용들이 축소되기는 했지만, 상대성 이론 (특수, 일반), 양자론, 고체의 에너지띠 이론 등과 같이 현대물리학에서 중요하게 다루는 내용은 여전히 포함되어 있다 [3,4].

현대물리학이 고등학교 교육에서 점차 강조되는 이유는 4차산업혁명 시대를 맞이하여 첨단과학기술이 우리 생활에 밀접하게 관련되어 있는 시점에서 현대물리학이 21세기 글로벌 시민이 갖추어야 할 과학적 소양으로 인식되었기 때문이다 [59]. 이에 현대물리학 교육과 관련된 다양한 연구가 필요하며, 특히 현재 현대물리학 교육이 어떻게 이루어지고 있는지에 대한 현황을 파악하는 것은 선행될 필요가 있다.

학교에서 이루어지는 교육은 교육과정에 근간하고 있으며, 교과서를 통해 나타난다. 교과서는 학교 교육의 양과 수준을 결정하는 중요한 자료이며, 교과서의 질이 수업의 질에 미치는 영향이 크기 때문에 교과서 분석 연구는 가치가 높다 [10,11]. 교과서의 현대 물리 내용 분석 연구도 꾸준히 진행되었는데, 우리나라와 국제 바칼로레아(International Baccalaureate) 교과서의 상대성 이론 내용을 비교한 연구[12], 2009 및 2015 개정 교육과정에 의한 물리 교과서에 제시된 특수상대성이론에 관한 서술을 분석한 연구 [13], 2015 개정 교육과정에 의한 물리 교과서에 제시된 양자 역학에 관한 설명을 분석한 연구 [14]가 대표적이다. 하지만 이들 연구 외에 교과서에 제시된 현대물리 내용을 분석한 연구는 더 찾아보기 힘들다.

한편, 현대 물리 내용 중 광전효과는 빛의 입자적 성질을 이해하는 데 중요한 역할을 하며 [15], 아인슈타인이 광전효과의 원리를 설명함으로써 노벨 물리학상을 받은 것은 잘 알려져 있다. 하지만 일반물리 수준에서도 관련 내용에 대해 일함수와 광자 개념을 이용하여 광전효과의 원리를 중심으로 기술 및 설명하는 데 그치고 있다 [16]. 과학사 측면에서 보면 광전효과는 고전 물리와 현대 물리를 연결짓는 매우 중요한 위치에 있는 개념이다. 이에 Klassen [17]은 광전효과와 관련된 주된 과학사 에피소드 5가지(광전효과의 발견, 광전효과의 특성과 초기 설명, 광전효과에 대한 아인슈타인의 설명, 아인슈타인 가설의 배제 및 밀리컨의 실험적 증명, 콤프턴의 실험과 아인슈타인 가설의 수용)를 이용한 수업을 제안하기도 했다.

많은 학생들은 광전효과를 이해하는 데 어려움이 있으며[15,18,19], 교사들도 광전효과를 설명하는데 어려움을 갖고 있다 [20]. 이에 광전효과에 대한 학생들의 이해를 알아보기 위한 검사 도구를 개발하여 연구하기도 하고 [21], 광전효과에 대한 학생들의 오개념을 분석하는 연구도 진행되었다[22]. 또한, 광전효과의 교수학습과 관련된 여러 연구도 진행되었는데, 컴퓨터 기반 튜터를 이용한 방법 [19], 순환학습을 이용한 교수 방법 [20], 컴퓨터 시뮬레이션과 동료지도를 이용한 방법 [15], 5E 모형과 시뮬레이션을 이용한 교수방법 [23] 등이 제안되었다.

광전효과가 갖는 중요성에도 불구하고 광전효과가 학교에서 어떻게 교육되고 있는지에 대한 분석은 많지 않다. 또한 광전효과에 대한 교과서 분석도 대학교 일반물리학 교재에 대한 분석만 일부 이루어졌을 뿐 [15,24], 고등학교에서 어떻게 교육되는지에 대한 연구는 진행되지 않았다. 이에 본 연구에서는 2015 개정 고등학교 물리학 교과서에는 광전효과 내용이 어떻게 제시되어 있는지 분석하고자 한다. 본 연구의 연구문제는 다음과 같다.

첫째, 2015 개정 고등학교 물리학 교과서에 제시된 광전효과의 전체적인 내용 구성은 어떠한가?

둘째, 2015 개정 고등학교 물리학 교과서에 제시된 광전효과의 탐구활동, 실험 방법 및 현상 설명, 모형에 따른 광전효과 현상의 해석은 어떻게 제시되어 있는가?

1. 연구 대상

2015 개정 과학과 교육과정에 의해 개발된 고등학교 물리학 교과서는 물리학I 8종과 물리학II 5종이다. 광전효과는 물리학I, II 교과서에서 모두 다루는 내용으로 본 연구에서 는 동일한 주제에 대해 현행 교과서들이 어떤 식으로 위계를 보이는지 알아보기 위해 동일한 출판사에서 개발된 물리학I, II교과서 10종을 분석대상으로 하였다. 특히 물리학I, II 교과서의 현대물리 영역에서는 핵심개념으로 ‘빛과 물질의 이중성’을 제시하고 있는데, 본 연구에서는 빛의 이중성을 설명하면서 제시한 광전효과 내용을 분석 대상으로 하였다.

교과서를 구분하여 나타내기 위해서 출판사명을 A – E로 하였는데, 같은 출판사의 교과서는 같은 문자로 표시하였다. 예를 들어 A1과 A2는 각각 A 출판사에서 출판한 물리학I, 물리학II 교과서를 나타낸다.

2. 분석 과정

교과서에 제시된 광전효과의 내용이 어떤 구성으로 제시되어 있는지 분석하기 위한 분석 기준 마련을 위하여 10종의 교과서에 제시된 광전효과 관련 내용을 모두 모은 후, 각 진술들의 공통 요소에 해당하는 내용들을 세부 분석 기준으로 확립하는 귀납적 범주화 분석 방법을 활용했다 [25]. 3명의 연구자가 독립적으로 세부 분석 기준을 마련하여 서로의 분석 기준을 비교 분석하는 과정을 거쳤으며, 4명의 연구자가 교과서의 주요 내용을 어떤 분석 기준으로 나타내면 좋을지 분석 기준에 대해 서로 협의하였다. 최종적인 분석 기준 마련에는 3명의 연구자가 독립적으로 제시한 분석 기준 중 공통적으로 제시된 기준들과, 연구자들의 협의과정에서 교과서 내용을 나타내기 위해 중요하다고 판단된 기준들이 활용되었다. 결과적으로 본 연구의 최종적인 분석 기준은 교과서의 주요 내용을 도입, 광전효과의 발견, 광전효과의 정의, 탐구활동, 광전효과 현상(실험 결과) 설명, 광전효과의 원리 설명, 이전 이론과의 모순, 광전효과의 응용 등의 8가지 내용 요소로 구성되었다. 또한 교과서별 세부적인 내용 제시를 위해 앞의 8가지 내용 요소들 중 연구자들 간의 협의를 거쳐 각 교과서에서 비중있게 다루고 있는 내용 요소 들인 탐구 활동, 광전효과 현상(실험 결과) 설명, 광전효과의 원리 설명, 이전 이론과의 모순 등의 4가지 내용 요소를 선정하였다. 이중 마지막 두 가지 내용 요소는 “광전효과 해석”이라는 하나의 분석 기준으로 통합하고, 이를 각각 광양자설에 따른 광전효과 해석과 파동설에 따른 광전효과 해석으로 구분하여 연구 결과로 제시하였다.

본 연구에서는 우선 교과서의 전체적인 내용을 제시하기 위해 각 내용 요소별로 교과서에서 차지하는 양을 구하고 이를 표로 나타내었다. 또한 교과서별로 제시된 내용 요소의 순서를 한 눈에 살펴보고 비교할 수 있도록 이를 추가적인 그래프로 나타내어 분석하였다. 이에 따라 본 연구의 결과는 먼저 교과서의 전체적인 내용 구성을 제시하고, 이후 교과서의 세부적인 내용 구성을 탐구 활동, 광전효과 현상(실험 결과) 설명, 광전효과 해석 순으로 제시하였다.

1. 교과서의 전체적인 내용 구성

2015 개정 교육과정에서는 물리학I의 성취기준 중 하나로 「[12물리I03-05] 빛의 이중성을 알고, 영상정보가 기록되는 원리를 설명할 수 있다.」를 제시하고 있다. 빛의 이중성 중 하나로 빛의 입자성을 다루면서 대표적인 현상인 광전효과를 학습하고, 광전효과를 적용한 예로 영상 정보 기록장치인 전하 결합 소자(CCD)를 학습하도록 한 것이다. 분석 대상인 5종의 교과서에는 광전효과의 내용이 각각 3.5쪽부터 4.5쪽 정도로 평균 3.9쪽만큼 제시되어 있다. 한편, 물리학II에서는「[12물리II03-06] 광전효과 실험을 근거로 빛의 입자성을 설명할 수 있다.」를 제시하고 있다. 5종의 물리학II 교과서에는 최소 4쪽에서 최대 6쪽(평균 5.4쪽)으로 광전효과를 다루고 있어, 물리학I에 비해 약 38% 정도 많다. 물리학II 교과서가 물리학I 교과서 보다 양이 더 많은 이유는 성취기준 해설에서 빛의 입자성을 광전효과의 일함수의 의미를 통해 설명하기를 요구하여 구체적인 광전효과의 원리 설명을 포함하도록 했고, ‘광전지를 이용한 광전효과 실험’도 필수로 포함하도록 했기 때문이다.

물리학 I, II 교과서에 제시된 광전효과 내용을 도입(a), 광전효과의 발견 (b), 광전효과의 정의 (c), 탐구 활동 (d), 광전효과 현상(실험 결과) 설명(e), 광전효과 원리 설명(f), 이전 이론과의 모순 (g), 광전효과의 응용 (h) 등의 8가지 요소로 제시된 양을 분석하여 Table 1에 제시하였다.

Table 1 . Configuration of the photoelectric effect contents in textbooks.

TextbookPhysics I textbookPhysics II textbook
ContentsA1B1C1D1E1A2B2C2D2E2
a. Introduction-0.2---0.40.30.250.2-
b. Discovery0.1-0.12--0.20.50.35-0.1
c. Definition0.10.20.120.30.10.10.2--0.05
d. Inquiry-1.60.760.510.411.63.151
e. Phenomenon0.320.550.5-0.21.31.81.81.651
f. Principle1.150.750.50.4121.61.40.81.57
g. Contradiction0.330.2-0.3--0.30.60.20.28
h. Application1.51221.70.6----
sum3.54.543.5455.7664


물리학 I에서 가장 많은 양을 차지한 내용 요소를 순서대로 나타내면, 광전효과의 응용(평균 1.65쪽), 탐구 활동(평균 0.81쪽), 광전효과의 원리 설명(평균 0.71쪽) 등이다. 교육과정에서 전하 결합 소자(CCD)를 다루도록 제시되어 있기 때문에 광전효과의 응용과 관련된 내용이 가장 많이 제시되었다. 내용의 제시 순서를 나타낸 Fig 1을 보면, 교과서에 따라 제시 순서가 조금씩 다르지만, 일반적으로 “광전효과 발견 → 광전효과 현상 설명 → 광전효과 원리 설명 → 광전효과의 응용” 등의 순서로 구성되어 있다. A1 교과서를 제외한 4종의 교과서에서는 광전효과 현상을 관찰할 수 있는 태양전지, 검전기 등을 이용한 탐구를 1개 이상 제시하고 있는데, B1 교과서에서는 태양전지 탐구 제시한 후, 빛의 파동설로는 실험의 결과를 설명할 수 없음을 제시하고, 뒤이어 검전기를 이용한 광전효과 탐구를 제시하는 구성을 나타낸 것처럼 2개의 탐구가 제시되어 있다. 또한 광전효과 발견의 과학사를 제시한 교과서는 A1, C1의 두 교과서이고, 광전효과 현상(실험)의 결과를 설명하는 내용은 D1 교과서를 제외한 나머지 4종의 교과서에 모두 제시되어 있으며, 광전효과의 원리를 아인슈타인의 광량자설을 이용한 설명은 모든 교과서에 제시되어 있다.

Figure 1. (Color online) Configuration of photoelectric effect contents in PhyiscsI textbooks. (a. Introduction, b. Discovery, c. Definition, d. Inquiry, e. Phenomenon description, f. Principle description, g. Contradiction with previous theories, h. Application)

물리학II 교과서에서 가장 많은 양이 제시된 내용 요소는 ‘광전효과의 현상 (실험 결과) 설명’으로 평균 1.51쪽이었는데, 물리학I에서 불과 0.33쪽 정도인 것에 비하면 상당히 많은 내용이 할애되어 있었다. 또한 광전효과의 원리를 설명하는 내용도 1.47쪽으로 두 번째로 많이 제시되었는데, 광전효과의 현상 설명과 합하면 평균 2.98쪽이다. 이처럼 상당히 많은 양을 광전효과에 대한 설명에 할애하고 있는 이유는 물리학II에서는 광전효과 실험의 결과를 바탕으로 광량자설을 이용하여 빛의 입자성을 밝히는 것을 교육과정 성취기준에서 명시하고 있기 때문이다.

교육과정에 ‘광전지를 이용한 광전효과 실험’을 포함하도록 명시되어 있기 때문에 모든 교과서에서는 해당 실험을 포함하고 있다. 탐구활동은 교과서당 평균 1.43쪽에 달할 정도로 많은 비중을 차지하고 있었는데, 이 중에서 세 출판사의 교과서 (A2, B2, E2) 는 1쪽 이하였고, B2 교과서에서는 광전지 탐구 이외에도 플랑크 상수 구하는 광전효과 실험을 포함하여 1.6쪽으로 구성되어 있었다. D2 교과서에서는 ‘조도 센서를 이용한 광전효과 실험’, ‘광전효과 시뮬레이션’, ‘아인슈타인의 광량자설에 따라 플랑크 상수 구하기’ 등의 세 개의 탐구를 3.15쪽의 분량에 나누어 제시하였다.

전체적인 내용 구성은 Fig. 2와 같이, “도입 → 광전효과 발견 → 광전효과 현상 설명 → 기존 이론과의 불일치 → 광전효과 원리 설명 → 광전지 실험” 등의 순서로 구성되어 있는데, 물리학 I에서는 광전효과 현상이 기존 이론과 불일치되는 상황에 대한 설명이 3종의 교과서에만 제시되어 평균 0.17쪽 정도인 것에 비해 물리학II 교과서에서는 4종의 교과서에 제시되어 있으며, 평균 0.28쪽으로 상당히 많은 양이 제시되었다. 또한 광전효과의 발견에 대한 과학사 내용도 물리학I에서는 2종의 교과서에서 3줄 정도만 기술된 것에 비해, 물리학II 교과서에서는 4종의 교과서에서 6줄 정도의 내용으로 기술되었다.

Figure 2. (Color online) Configuration of photoelectric effect contents in PhyiscsII textbooks. (a. Introduction, b. Discovery, c. Definition, d. Inquiry, e. Phenomenon description, f. Principle description, g. Contradiction with previous theories, h. Application)

2. 탐구 활동

Table 2는 교과서에 제시된 광전효과 탐구 활동 분석 결과를 나타낸 것이다. 먼저 물리학I 교과서와 물리학II 교과서의 탐구 활동의 차이를 살펴보자. 우선 물리학I 교과서에서는 A1 교과서를 제외한 나머지 4종의 교과서에 서 검전기를 활용하여 학생들이 간단하게 광전효과 실험을 경험해 볼 수 있는 활동을 제시하고 있었다. 검전기에 자외선 등을 비추는 실험은 금속에 빛을 비출 때 금속에서 전자가 빠져나간다는 사실을 간접적으로 확인할 수 있는 실험으로 학생들이 간단한 탐구 활동을 통해 광전효과 현상이 일어난다는 것을 확인할 수 있다는 장점이 있다. 이에 비해 물리학II 교과서에서는 모든 교과서에서 태양전지를 활용하여 태양전지에 태양 빛을 비추는 실험을 광전효과 관련 탐구 활동으로 제안하고 있었으며 이는 앞서 언급한 것과 같이 교육과정에서 태양전지 실험을 필수적으로 포함하도록 요청하고 있기 때문이다. 물리학I 교과서에 제시된 검전기에 자외선등을 비추는 실험은 금속판에 빛을 비출 때 금속판에서 전자가 빠져나간다는 사실을 간접적으로 확인할 수 있지만 정량적인 실험을 진행하기는 힘든데, 물리학II 교과서에 제시된 태양전지 실험은 전류계 등으로 회로를 구성하면 비추어주는 빛의 세기나 진동수에 따른 정량적인 실험도 가능하다는 장점이 있다. 교육과정에서 요청하고 있는 실험에 더해 물리학II 교과서 중에서는 LED를 활용한 플랑크 상수 구하기 실험이나 광전효과 시뮬레이션 실험을 추가적으로 제안하는 교과서가 있어 물리학I 교과서에 비해 탐구활동을 보다 강화하고 있다는 사실을 알 수 있다.

Table 2 . Inquiry activities presented in textbooks.

TextbookPhysics IPhysics II
InquiryA1B1C1D1E1A2B2C2D2E2
Shining ultraviolet light on an electroscope
Shining ultraviolet light on a simple electroscope
Shining sunlight on a solar cell
Experiment to find Planck’s constant using LED
Photoelectric effect simulation experiment


물리학I 교과서에 제시된 탐구활동을 보다 자세히 살펴보자. Figure 3은 검전기를 활용한 광전효과 실험 장면을 나타낸 것이다. 우선 Fig. 1의 왼쪽에 제시된 실험은 일반적인 검전기를 대전시킨 후 자외선 등을 비추면 검전기의 금속박이 오므라드는 것을 통해 검전기의 금속판을 통해 전자가 빠져나가는 것을 간접적으로 유추할 수 있는 실험이다. B1, E1 교과서가 이와 같은 탐구 활동을 제시하고 있었으며, 이들 교과서에서는 이 탐구 활동을 통해 학생들이 광전효과 현상을 경험해 보게 하는 것을 목적으로 하고 있었다. Figure 1의 오른쪽에 제시된 실험은 알루미늄 호일과 금속캔 등 일상에서 쉽게 구할 수 있는 물품들을 활용하여 간이 검전기를 만들고, 간이 검전기를 대전시킨 후 자외선 등을 간이 검전기에 비추는 실험으로 C1, D1 교과서에 소개되어 있었다. 검전기 대신 간이 검전기를 사용했다는 점만 제외하면 실험의 목적이나 절차가 검전기를 활용한 실험과 동일했다. 다만 간이 검전기를 활용한 실험은 실생활 소재를 활용하여 실험 기구를 만들고 실험을 수행했다는 점에서 학생들이 과학 활동이 실험실에서 과학자들만 할 수 있는 활동이 아니라 일반인도 주변 기구를 활용하여 수행할 수 있는 활동이라는 점을 알 수 있게 해주는 장점이 있을 것이라 기대된다. 마지막으로 물리학I 교과서 중에서는 유일하게 E1 교과서에서는 검전기 외에 태양전지에 햇빛을 비추면 전류가 흐르는 것을 보여주는 탐구 활동을 추가로 소개하고 있었다. 이 실험은 현재 이슈가 되고 있는 태양광 발전의 소재를 활용했다는 측면에서 학생들에게 흥미와 관심을 불러일으킬 수 있으나, 물리학II 교과서에서 태양전지 실험을 중복해서 제시되고 있어 물리학I, 물리학II 교과서에서 동일한 내용을 중복해서 다루지 않기 위해서는 이 실험을 물리학I 교과서에서도 제시해야 할지에 대해 고민이 필요해 보인다.

Figure 3. (Color online) Photoelectric effect experiment with electroscope presented in textbooks (left – B1(p.174), right – C1(p.194)).

한편, 물리학II 교과서에서는 교과서에 제시된 탐구 활동으로 모든 교과서에서 Fig. 4의 왼쪽에서 볼 수 있는 것과 같은 태양전지를 활용한 광전효과 실험을 제시하고 있었다. 다만 세부적인 실험 내용에서는 차이를 보이고 있었는데, A2, B2, C2 교과서는 태양전지에 전등을 비추고, 전등의 빛의 세기를 변화시켜가며 태양전지가 발생시키는 전류의 크기를 알아보는 실험을 제시하고 있는데 비해, D2 교과서는 태양 전지 대신 태양 전지와 원리가 비슷한 조도 센서를 활용하여 실험을 진행하도록 했으며, E2 교과서는 광센서와 태양 전지를 번갈아가며 실험을 진행하도록 계획하고 있었다.

Figure 4. (Color online) Photoelectric effect experiment with solar cell (left - A2(p.176)) and experiment to find Planck’s constant using LED (right – C2(p.199)).

태양전지 실험 외에 2종의 교과서(C2, D2)에서는 Fig. 4의 오른쪽 그림에서 볼 수 있는 것과 같은 LED를 활용한 플랑크 상수 구하기 실험을 추가로 소개하고 있었다. 원래의 광전효과 실험에서는 빛을 비추어주는 진동수에 따라 금속의 전자가 획득하는 에너지가 달라지는데, LED를 활용한 플랑크 상수 구하기 실험에서는 원래의 광전효과 실험의 독립변인과 종속변인을 바꾸어 LED에 전압을 가해 에너지를 주면 LED가 특정 진동수의 빛을 낸다. 이 때 각 LED의 진동수별로 LED가 빛나기 시작하는 전압을 기록하고, 축을 LED별 빛의 진동수, 축을 LED의 에너지에 해당하는 그래프를 그리면 광전효과 그래프와 유사하게 그 그래프의 기울기가 플랑크 상수가 된다. 이 실험을 통해 학생들은 광전효과 실험에서와 유사한 그래프를 간단한 실험을 통해 얻을 수 있으며, 특히 추상적으로 생각하기 쉬운 플랑크 상수를 직접 구할 수 있는 체험을 할 수 있다. 이런 긍정적인 부분이 있어 2종의 교과서에서는 LED를 활용한 플랑크 상수 구하기 실험을 소개하고 있는 것이다.

한편, 고등학생들이 광전효과 실험을 정량적으로 수행하여 그 결과를 산출하기는 어렵기 때문에, D2 교과서에서는 광전효과 시물레이션을 활용하여 학생들이 실제 광전효과 실험에서 어떤 일이 일어나는지 간접적으로 체험해 볼 수 있도록 구상하고 있었다. 하지만 D2 교과서는 물리학II 교과서 중 유일하게 3개의 탐구 활동을 포함시켜 절반이상의 내용을 탐구 활동에 할애하여 전체적인 내용의 균형은 맞추지 못하고 있는 것으로 보였다. 결과적으로 학생들이 추상적으로 생각되는 광전효과를 실제 탐구 활동을 통해 경험해 볼 수 있도록 모든 물리학II 교과서에서 태양전지를 활용한 광전효과 실험을 도입하고 있었으며, 특히 2종의 교과서(C2, D2)에서는 추가적인 탐구 활동을 도입하여 학생들이 광전효과와 관련한 탐구를 수행할 수 있도록 했다.

3. 광전효과 현상(실험 결과) 설명

역사적으로 광전효과는 이론적 내용이 확립되기 전에 그 현상이 발견된 주제로 광전효과와 관련한 주요 실험 결과를 소개하는 것은 광전효과의 내용 이해를 위해 중요하다. 그리고 단순한 실험 결과 제시를 넘어서 구체적으로 어떤 실험 장치를 통해 그러한 실험 결과를 얻을 수 있는지 아는 것도 필요하다. 이에 따라 Table 3에서는 교과서에 제시된 광전효과의 실험 관련 내용을 실험 방법과 실험 결과의 큰 범주로 분석하였다. Table 3에서 살펴볼 수 있는 것처럼 물리학I 교과서에서는 구체적인 실험 방법에 대한 자세한 설명은 생략한 채 실험 결과 위주로 제시하고 있는데 반해, 물리학II 교과서에서는 실험 방법도 함께 다루고 있는 특징을 지닌다. 이는 물리학I, 물리학II 교과서를 기술하는 목적의 차이에서 기인한 것으로 물리학I에서는 학생들이 구체적인 실험 방법에 대한 이해하기를 기대하기보다는, 광전효과 실험을 통해 나타난 결과에 조금 더 주목하고 그 결과의 의미가 무엇인지에 대해 생각해 보기를 유도하려는 목적을 가지고 있었다고 판단된다. 이에 반해 물리학II 교과서에서는 구체적인 실험 방법에 대한 기술을 함께 포함하여 학생들이 광전효과 실험과 관련한 전반적인 내용을 이해하기를 기대하고 있다. 즉, 물리학I 교과서에서는 실험장치 및 방법에 대한 자세한 언급 없이 광전효과의 실험 결과만을 제시하는 형태를 취하고 있었던 것에 비해, 물리학II 교과서에서는 광전효과 실험장치를 비교적 자세히 도입한 후 실험장치와 실험 방법에 대한 설명을 실험 결과와 연결하려 서술하려는 특징을 보이는 것이 가장 큰 차이점이다.

Table 3 . Description of the photoelectric effect presented in textbooks.

Big categorySpecific categoryPhysicsIPhysicsII
A1B1C1D1E1A2B2C2D2E2
Experimental methodExperimental method using converging device
Experimental method using parallel plate device
When the external voltage is forward
When the external voltage is reversed
Experimental resultWhether photoelectrons are emitted according to the frequency of light
Maximum kinetic energy of photoelectrons according to the frequency of light
Maximum kinetic energy of photoelectrons according to light intensity
Relationship between light intensity and number of photoelectrons
Relationship between light exposure time and the photoelectric effect
Graph of photocurrent-voltage
Graph of maximum kinetic energy of photoelectrons-frequency


1) 실험 방법

광전효과의 실험 방법에 대한 설명은 크게 두 부분, 즉 광전효과와 관련한 구체적인 실험 장치를 통해 실험 방법을 설명하는 부분과 외부 전압을 변화시킬 때 실험 장치에서 나타나는 변화를 설명하는 부분으로 나눌 수 있다. 교과서에 제시된 광전효과 실험 장치는 크게 두 가지, 수렴형 실험 장치와 평행판을 활용한 실험 장치로 나눌 수 있었다. Fig. 5의 왼쪽은 수렴형 장치의 모식도를 나타낸 것으로, 2종의 교과서(C2, D2)에서 수렴형 형태의 장치도를 활용하여 광전효과를 설명하고 있었다. 수렴형 장치에서는 우선 광원에서 나온 빛을 프리즘을 활용하여 파장별로 분리하여 빛의 파장을 독립변인으로 할 때 광전효과 실험을 어떻게 할 수 있는지 구체적으로 보여준다. 또한 금속판을 오목하게 설계하여 금속판에서 방출되는 광전자들을 한 부분에 모아서 실험 결과를 쉽게 얻기 위한 모습으로 제시하고 있었다. 다만 C2 교과서에서는 이런 형태의 실험 장치를 활용하는 이유나 과정에 대한 자세한 설명이 없고, D2 교과서에서는 프리즘으로 광원의 빛을 파장별로 분리하여 실험을 진행하는 것은 설명하고 있으나, 금속판이 오목한 모양인 것에 대해서는 특별한 언급을 하지 않았다.

Figure 5. (Color online) Photoelectric effect experiment using converging device (left – C2(p.196) and experiment using parallel plate device (right – B2(p.179).

Figure 5의 오른쪽은 평행판 장치의 모식도를 나타낸 것으로, 4종의 교과서(A2, B2, D2, E2)에서 이런 형태의 장치도를 활용하여 광전효과를 설명하고 있었다. 이 중 D2 교과서는 광원의 파장별로 실험을 하는 과정은 수렴형 장치로, 실험 과정에 대한 설명은 시뮬레이션 실험을 다루는 부분에서 시뮬레이션의 평행판 장치를 활용하여 진행하고 있어 Table 3에는 두 실험 장치를 모두 다룬 것으로 표시하였다. 평행판 장치에서는 수렴형 장치와는 다르게 광원이나 프리즘 등의 장치를 나타내는 대신 금속판에 직접 빛을 쪼이는 모습을 제시하고 있었다. 또한 두 금속판을 평행하게 배치하여 광전자가 빛을 쪼인 금속판에서 나와서 다른 금속판으로 일직선으로 이동하는 것으로 묘사하고 있었다. 물리학II에서는 전자기장 단원에서 평행판 축전기에 대해 다루는데, 평행판 모습을 한 광전효과 장치가 평행판 축전기와 유사하고 외부 전압을 걸었을 때 외부 전기장에 따른 광전자의 운동에 대해서도 쉽게 상상해 볼 수 있어 고등학생들이 직관적으로 이해하기에는 평행판 모습의 광전효과 장치가 더 용이할 것으로 보인다. 이에 따라 구체적인 설명을 할 때 현행 교육과정의 물리학II 교과서에서는 대체로 평행판 모습의 광전효과 장치를 채택하고 있었다.

교과서들의 실험 방법에 대한 설명 중 외부 전압이 순방향일 때 실험 상황에서 구체적으로 어떤 일이 벌어지는지에 대해서는 3종의 교과서(A2, B2, D2)에서만 다루고 있었다. A2, B2 교과서는 외부 전압이 순방향일 때 금속판에서 방출된 광전자가 전기력, 전위차 등에 의해 반대쪽 금속판으로 더 잘 끌려오는 것으로 설명하고 있었으며, 특히 A2, D2 교과서는 전압을 계속 크게 하여 방출된 광전자가 모두 (+)극으로 끌려오면 전압을 더 크게 하여도 더 이상 광전류가 커지지 않는다는 내용을 설명하고 있었다. 두 교과서의 이런 설명은 학생들이 광전효과 실험에서의 전압-전류 그래프에서 순방향 전압이 커져도 전류가 더 커지지 않는 것을 이해하는데 도움을 줄 수 있을 것으로 보인다. 한편, 외부 전압이 역방향일 때의 설명은 모든 교과서에서 다루고 있었다. 이는 외부 전압이 역방향일 때 광전효과 실험 장치에서 구체적으로 무슨 일이 일어나는지 이해해야 광전효과의 주요 개념들인 정지전압, 전자의 최대 운동에너지 등을 다룰 수 있기 때문에 모든 물리학II 교과서에서 관련 내용을 다루고 있는 것으로 판단 되었다. 구체적으로는 4종의 교과서(A2, B2, C2, D2)에서 외부 전압이 역방향일 때 광전자가 전기력에 의해 원래 방출된 금속판으로 되돌아간다고 구체적으로 설명하고 있었으며, 특히 광전자가 반대쪽 금속판에 하나도 검출되지 않는 정지전압을 측정하면 광전자의 운동에너지의 최댓값을 알 수 있다고 정확히 서술하려고 노력하고 있었다. 또한 모든 교과서들이 역방향 전압을 크게 하면 점차 광전류의 세기가 줄어들고, 광전류의 세기가 0이 되는 전압을 정지 전압이라고 정의한다는 것을 제대로 설명하고 있었다.

2) 실험 결과

2015 개정 교육과정에서 광전효과는 빛이 입자성을 가진다는 것을 보이고, 이를 통해 궁극적으로 빛이 이중성을 가진다는 것을 설명하기 위한 중요한 실험이다. 따라서 교과서에서도 광전효과와 관련된 실험 결과를 다른 내용들과 구분하여 명시적으로 제시할 필요가 있다. 그리고 이렇게 제시한 실험 결과가 빛의 파동 이론으로는 설명하기 곤란하고, 빛의 입자 이론으로 잘 설명된다는 사실을 서술해주는 것이 필수적이다. 교과서 분석 결과 대부분의 교과서에서는 광전효과의 주요 변인에 따른 실험 결과를 대체로 빠뜨리지 않고 제시하고 있었다. 광전효과 실험 결과 중 가장 주목할만한 부분은 금속에 빛을 비출 때 특정 진동수 이상의 빛에서만 광전자가 방출된다는 사실로, 이 결과는 D1 교과서를 제외한 나머지 9종의 교과서에서 명시적으로 서술하고 있었다.

비록 대부분의 교과서에서 관련 실험 결과를 제시하고 있었지만, 빛의 진동수에 따른 광전자의 방출여부는 광전효과와 관련하여 매우 중요한 실험적 사실인만큼 모든 교과서에서 빠뜨리지 않고 제시하도록 점검할 필요가 있다. D1 교과서를 제외한 나머지 9종의 교과서에서는 관련 내용을 다루고 있었다. 구체적인 교과서의 표현을 들여다보면 A2 교과서를 제외한 나머지 8종의 교과서 (A1, B1, C1, E1, B2, C2, D2, E2) 에서는 빛의 진동수가 특정 진동수보다 작으면 광전자가 방출되지 않는다고 표현하고 있는데 반해 A2 교과서에서는 광전자 대신 광전류라는 표현을 사용하고 있었다. A2 교과서의 진술이 다른 교과서와 차이를 보이는 이유로 A2 교과서는 광전효과 실험에서 실제 측정할 수 있는 물리량인 광전류로 해당 실험 결과를 서술하려고 했던 것으로 보인다.

한편, 빛의 진동수에 따른 광전자의 방출 유무에 더해 빛의 진동수에 따라 광전자의 운동에너지가 어떻게 변하는지 기술한 교과서가 있었다. 물리학I 교과서 중에서는 2종의 교과서(A1, C1)에서 빛의 진동수가 광전자의 방출 유무 뿐만 아니라, 광전자의 운동에너지에도 영향을 준다는 사실을 설명하고 있었으며, 물리학II 교과서에서는 5종의 교과서(A2, B2, C2, D2, E2) 모두에서 관련 사실을 설명하고 있었다. 이 결과로부터 대체로 물리학I에서는 빛의 진동수에 따른 광전자의 방출 여부만 다루고, 물리학II에서는 보다 정량화할 수 있는 종속변인인 빛의 진동수에 따른 광전자의 최대 운동 에너지를 다루는 등, 내용의 계열화를 고려했다는 점을 알 수 있다. 일부 물리학I 교과서 (A1, C1) 에서 빛의 진동수에 따른 광전자의 최대운동에너지를 다루는 것과 관련해서는 조금 더 고민이 필요해 보이는 부분이다. 특히 빛의 진동수와 광전자의 운동에너지를 연결 짓는 것은 쉽지 않고, 정확히 다루려면 광전자의 최대 운동에너지를 생각해야 하는데, 광전효과에서는 금속 밖으로 튀어나오는 광전자의 운동에너지가 다를 수 있다는 설명까지 필요하기 때문에 물리학I에서 해당 내용을 모두 다루기에는 어려움이 따를 것으로 예상된다.

빛의 세기에 따른 광전자의 최대 운동에너지와 빛의 세기와 광전자의 개수의 관계에 대한 실험 결과도 물리학I 교과서와 물리학II 교과서의 계열성을 뚜렷하게 확인할 수 있는 부분이었다. 우선 빛의 세기에 따른 광전자의 최대운동에너지는 물리학I에서는 다루고 있는 교과서가 없었던 반면, 물리학II에서는 4종의 교과서(C2, C3, D2, E2)가 관련 내용을 다루고 있어 차이를 보였다. 광전효과에서 광전자의 최대 운동에너지는 설명하기 복잡한 개념이라 물리학I 교과서에서는 관련 내용을 설명하지 않더라도 물리학II 교과서에서는 광전자의 최대운동에너지가 빛의 진동수에만 관계하고 빛의 세기에는 관계없다는 것을 설명하기 위한 주요 실험 결과이기 때문에 이를 빠뜨리지 않도록 주의할 필요가 있다. 한편 빛의 세기와 광전자의 개수 사이의 관계는 물리학I에서는 2종의 교과서(A1, C1)만 다루고 있지만, 물리학II에서는 모든 교과서(A2, C2, C3, D2, E2)가 관련 내용을 다루고 있어 차이를 보였다. 특히 물리학I 교과서 중 A1, C1 교과서는 빛의 진동수에 따른 광전자의 최대 운동에너지, 빛의 세기와 광전자의 개수의 관계 등의 기술에서 다른 물리학I 교과서에서 다루지 않는 내용을 추가로 기술하려는 모습을 보여주었다. 이러한 점에 비추어 볼 때 A1, C1 교과서는 광전효과와 관련된 실험 결과들을 빠뜨리지 않고 비교적 체계적으로 정리하려고 노력한 것으로 보인다. 다만 물리학I 교과서에서 광전효과와 관련한 실험 결과들을 다룰 때 내용 수준을 어느 정도까지 정하고 기술하는 것이 좋을지는 고민이 필요하다.

한편, 광전효과 실험 결과에서 빛의 진동수와 세기 못지 않게 중요한 변인으로 빛을 비춘 시간을 들 수 있다. 약한 세기의 빛이라도 진동수가 충분한 빛을 비출 때 광전자가 즉각적으로 방출되는 현상은 빛의 파동 이론으로는 설명하기 힘들기 때문이다. D1, D2 등 D 출판사에서 출판한 교과서를 제외한 나머지 8종의 교과서 모두가 빛을 비춘 시간에 관계없이 광전자가 즉각적으로 방출되는 현상을 명시적으로 기술하고 있었다.

한편, 물리학I 교과서와 비교하여 물리학II 교과서에서 제시한 광전효과 실험 결과의 가장 큰 특징은 Fig. 6과 같이 그래프로 실험 결과를 제시하고 있다는 점이다. 즉, 물리학I 교과서에서는 광전효과의 주요 독립변인에 따른 종속변인의 결과를 정량적으로 제시하고 있지 않지만, 물리학II 교과서에서는 이를 정량적으로 제시한다는 차이를 보인다. 물리학II 교과서에서 제시하고 있는 그래프들을 구체적으로 분석해보면, 광전효과의 주요 변인들인 광전류-전압과 광전자의 최대운동에너지-진동수 사이의 관계를 모든 물리학II 교과서에서 나타내고 있었다. 하지만 세부적으로 보면 물리학II교과서들이 제시하고 있는 그래프에 약간의 차이를 살펴볼 수 있다. Figure 6의 왼쪽 그래프와 같이 빛의 세기에 따라 광전류-전압 특성을 나타낸 그래프는 모든 물리학II 교과서에서 제시하고 있었지만, Fig. 6의 가운데 그래프와 같은 빛의 진동수에 따른 광전류-전압 특성 그래프는 3종의 교과서(B2, C2, E2)에서만 제시하고 있었다. 즉 2종의 교과서 (A2, D2)에서는 빛의 진동수가 바뀌면 광전류-전압 그래프가 어떻게 달라지는지 제시하지 않았다. 학생들은 빛의 진동수에 따라 정지 전압이 달라질 수 있다는 것은 식을 통해, 그리고 설명을 통해 어느 정도 이해하고 있지만 그것이 실제로 그래프에서는 어떻게 나타나는지에 대해서는 이해하기 어려워 한다. 따라서 광전류-전압 특성 그래프를 제시할 때 진동수에 따른 그래프의 변화에 대해서도 교과서에 함께 제시할 필요가 있으며, 특히 실험 결과로써 빛의 진동수에 따라 정지전압이 달라지는 현상을 먼저 제시하고, 이를 식으로 설명하는 순서로 제시될 필요가 있다.

Figure 6. (Color online) Experimental results presented as graphs in textbook B2 (p.180 and p.182).

광전자의 최대운동에너지-빛의 진동수 그래프도 모든 교과서에서 제시하고 있지만 세부적으로는 차이가 있다. 즉, 금속의 종류에 따라 최대운동에너지-빛의 진동수 그래프가 어떻게 달라지는지는 3종의 교과서 (A2, B2, D2) 에서만 제시하고 있고, 나머지 2종의 교과서 (C2, E2) 는 금속 하나에 대한 그래프를 제시하고 있다. 금속의 종류가 달라질 때 광전자의 최대운동에너지-빛의 진동수 그래프의 변화를 통해 금속의 일함수(y 절편) 및 한계 진동수(x 절편)의 변화를 설명하기 용이하므로, 이 부분도 금속의 종류에 따른 그래프를 함께 제시할 필요가 있어 보인다.

결론적으로 물리학I 교과서에서는 광전효과와 관련된 실험결과를 다루는데 있어 교과서 별로 편차를 보였다. 따라서 물리학I 교과서에서는 광전효과의 주요 실험 결과를 교과서에 어느 정도 수준으로 제시하면 좋을지 고민이 필요해 보인다. 한편, 물리학II 교과서에서는 광전효과와 관련한 주요 실험 결과를 다섯 가지로 정리하여 대부분의 교과서에서 제시하고 있었으나, 일부 교과서에서는 관련 내용을 빠뜨린 부분도 보였다. 따라서 물리학II 교과서에서는 광전효과의 다섯 가지 주요 실험 결과를 정리하고 관련 내용들을 빠뜨리지 않고 다룰 수 있도록 주의할 필요가 있다. 또한 주요 실험 결과 그래프도 모든 교과서에서 제시하고 있었지만 세부적으로 제시되는 그래프에서는 약간의 차이를 보였다.

4. 광전효과 해석

앞 절에서 각 교과서들에 제시된 광전효과 실험 결과에 대해 자세히 살펴보았다. 교과서에서 실험 결과를 제시했으면, 그러한 실험 결과를 물리학 이론으로 어떻게 설명할 수 있는지 설명하는 것이 자연스러운 교과서 서술의 흐름일 것이다. 특히 광전효과의 주요 실험 결과들은 빛의 입자설(광양자설)로는 설명이 가능하지만, 빛의 파동설로는 설명이 힘들다. 이에 따라 이 절에서는 광전효과의 주요 실험 결과가 파동설로는 설명이 곤란하다는 사실을 명시적으로 제시하고 있는지, 그리고 광전효과의 주요 실험 결과가 왜 그렇게 나타났는지 광양자설로 명확히 설명하고 있는지를 살펴보고 그 결과를 제시하였다. Table 4는 분석 결과를 요약적으로 제시한 것이다.

Table 4 . Interpretation of the photoelectric effect according to the wave theory and the photon quantum theory presented in textbooks.

Big categorySpecific categoryPhysicsIPhysicsII
A1B1C1D1E1A2B2C2D2E2
Wave modelWhether photoelectrons are emitted according to the frequency of light
Whether photoelectrons are emitted according to light intencity
Maximum kinetic energy of photoelectrons according to light intensity
Relationship between light exposure time and the photoelectric effect
Photon modelWhether photoelectrons are emitted according to the frequency of light
Maximum kinetic energy of photoelectrons according to the frequency of light
Relationship between light intensity and number of photoelectrons
Relationship between light exposure time and the photoelectric effect


1) 파동설에 따른 광전효과 실험 결과 해석

먼저 파동설에 따른 광전효과 실험 결과 해석 부분을 살펴보자. 교과서에 따라 실험 결과를 파동설로 설명할 수 없는 이유를 명시적으로 밝힌 교과서도 있었지만, 이에 대한 설명이 부족한 교과서도 있었다. E1, A2 교과서를 제외한 나머지 8종의 교과서에서는 광전효과가 빛의 진동수가 특정한 진동수 이상일 때만 일어나는 사실을 빛의 파동 모형이 제대로 설명할 수 없다는 것을 명시적으로 밝히고 있었다. 빛의 진동수에 따른 광전자의 방출 여부는 앞서 살펴본 바와 같이 모든 교과서에서 다루고 있는 핵심적인 실험 결과로 파동설로는 설명하기 힘들고 광양자설로 설명이 가능한 현상이다. 따라서 파동설로는 빛의 진동수가 특정 진동수보다 작을 때 광전자가 방출되지 않는 현상은 설명하기 힘들다는 진술은 모든 교과서에서 빠뜨리지 말고 제시할 필요가 있다.

4종의 교과서(A1, B1, C1, C2)는 빛의 진동수 뿐만 아니라 빛의 세기에 따른 광전자의 방출여부에 대한 파동설의 예측 결과도 서술하고 있었다. 즉 이들 교과서는 빛의 파동이론에 의하면 빛의 세기가 충분히 세다면 빛이 공급해주는 에너지가 크기 때문에 빛의 진동수와 관계없이 광전자가 방출될 것이라는 사실을 명확히 밝히고 있었다. 이 중에서도 특히 A1, C2 교과서는 광전자의 방출 여부에 더해 파동이론에 의하면 빛의 세기가 셀수록 광전자의 운동에너지가 커질 것이라는 정량적 예측 결과도 포함하고 있었다. 이들 교과서는 이 예측 결과로부터 실제 광전효과 실험에서는 광전자의 운동에너지가 빛의 진동수에만 의존하고 빛의 세기에는 무관하므로 빛의 세기와 광전자의 운동에너지의 관계는 빛의 파동 이론으로는 설명하기 곤란하다는 것을 밝히려는 의도를 갖고 있었던 것으로 보인다. 물리학I 교과서에서는 3종의 교과서에서 빛의 세기에 따른 파동설의 예측 결과를 명확히 밝히고 있었던 것에 반해 물리학II 교과서에서는 관련 내용을 다루고 있는 교과서가 1종 (C2)밖에 없다는 것도 특징이다. 빛의 파동설에 따르면 빛의 진동수가 작더라도 빛의 세기가 충분히 크면 전자가 가질 수 있는 운동에너지가 커질 수 있고, 전자가 가질 수 있는 운동에너지가 커지면 전자가 금속 밖으로 방출될 수 있기 때문에 순차적인 사고의 흐름을 생각한다면 이와 관련된 내용이 조금 더 많은 물리학II 교과서에서 다루는 것이 좋다고 판단된다.

한편, 빛을 비춘 시간과 광전효과와의 관계에 대해서는 물리학I 교과서에서는 2종의 교과서(A1, D1)가 파동설에 따르면 빛을 오래 비추면 진동수가 작은 빛이라도 광전자가 방출될 수 있다고 서술하고 있었지만, 물리학II 교과서에서는 1종의 교과서(C2)만 관련 내용을 다루고 있었다. 앞의 결과와 종합해보면 물리학II 교과서의 파동설에 따른 실험결과 설명은 물리학I 교과서에 비해 대체로 부족한 편이었다. 이처럼 물리학II 교과서에서 파동설로는 광전효과를 설명할 수 없는 이유를 물리학I 교과서에서보다 적게 다루고 있는 이유는 물리학I의 경우 광전효과가 빛의 파동설로는 설명이 곤란하고, 광양자설로 설명이 용이하다는 것을 보이는 것이 성취기준 상의 주요 목표인데 반해, 물리학II의 경우 광양자설을 활용한 광전효과 실험 결과 설명이 성취기준으로 설정되어 있기 때문인 것으로 판단된다. 마지막으로, 세 교과서(A1, D1, C2)에서는 파동 이론에 따르면 광전자가 방출되는데 시간이 걸려야 하는데 실제 실험결과는 광전자가 즉각적으로 방출되므로, 파동 이론으로는 이 현상을 설명하기 힘들다는 것을 밝히고 있다. 전반적으로 A1, C2 교과서는 빛의 파동이론으로 설명하기 곤란한 광전효과 실험 결과를 빠뜨리지 않고 서술하려 노력하고 있었다.

2) 광양자설에 따른 광전효과 실험 결과 해석

교과서에 따라 아인슈타인이 제안한 광양자설에 따른 광전효과 실험 결과를 명시적으로 해석한 교과서도 있었지만, 이에 대한 설명이 부족한 교과서도 있었다. 교과서 분석 결과, E1 교과서를 제외한 나머지 9종의 교과서에서는 빛의 진동수가 특정 진동수보다 클 때 광전자가 방출되는 현상을 광양자설을 활용해서 명확히 설명하고 있었다. 다만 세부적인 내용의 기술에서 약간의 차이를 보였는데 2종의 교과서(C1, D1)에서는 단순히 금속판에 특정 진동수 이상의 빛을 비출 때 광전자가 튀어나온다고 설명하고 있었다. 이에 비해 7종의 교과서(A1, B1, A2, B2, C2, D2, E2)에서는 광전자의 방출 현상을 금속의 일함수와 연관시켜서 광자 1개의 에너지가 금속의 일함수보다 작을 때에는 광전자가 금속에서 방출되지 못한다는 사실을 설명함으로써 광전자가 방출되는 구체적인 내용에 대해서도 설명하려 하고 있었다. 특히, A1 교과서와 B1 교과서는 물리학I 교과서임에도 불구하고 일함수의 개념을 도입하여 광자와 금속에 있는 전자의 충돌 비유를 통해 광자 1개의 에너지가 일함수보다 작을 때는 아무리 많은 수의 광자가 금속의 전자와 충돌하더라도 전자가 금속에서 방출되지 못한다고 설명하고 있었다. 다만 일함수의 개념은 물리학II의 성취기준 해설에서 다루도록 권장하고 있기 때문에 물리학I에서 이 개념을 도입할 것인 지에 대해서는 더 고민이 필요해 보인다.

한편, 빛의 진동수가 커지면 광전자의 최대 운동에너지가 커진다는 서술이 포함된 교과서는 5개 (A1, C1, A2, C2, E2)가 있었다. 관련 내용을 물리학I 교과서(A1, C1)에서 는 글로 풀어서 서술적으로 설명하고 있는데 반해, 물리학II 교과서(A2, C2, E2)에서는 식을 통해 빛의 진동수와 광전자의 최대 운동에너지 사이의 관계를 밝히고 관련 내용을 서술하고 있었다. 특히 빛의 진동수에 따른 광전자의 최대운동에너지는 물리학II 교과서에 제시된 관계식을 통해서 알 수 있지만 2종의 물리학II 교과서(B2, D2)는 교과서에 식은 제시되어 있지만 빛의 진동수와 광전자의 최대운동에너지에 대한 명시적인 진술이나 설명이 없어 관련 내용에 대해 세모로 표시하였다.

광양자설을 활용한 빛의 세기와 광전자의 개수와의 관계에 대해서는 총 7종의 교과서(A1, B1, C1, A2, B2, C2, E2)에서 관련 내용을 다루고 있었다. 즉, 이들 7종의 교과서들은 광양자설에 따르면 빛의 세기가 세질 때 광양자의 개수가 많아지는 것으로 생각할 수 있고, 충돌하는 광양자의 개수가 많아지면 방출되는 광전자의 수도 많아진다는 설명을 포함하고 있었다. 결과적으로 이들은 광양자설에서 빛의 세기와 광전자의 개수와의 관계를 어떻게 설명하고 있는지 명확히 밝히고 있다고 볼 수 있다. 특히 B2 교과서는 빛의 세기를 세게 하면 광양자의 수가 증가하지만 각각의 광양자가 가지고 있는 에너지는 변하지 않으므로 각각의 전자가 가지는 최대 운동에너지도 변하지 않는다는 사실을 조금 더 자세히 설명하고 있었다. 마지막으로 빛을 비춘 시간과 광전효과와의 관계와 관련하여 광양자설에서는 빛을 비춘 시간에 관계없이 광전자가 즉각적으로 방출된다고 설명하고 있는 교과서는 5개(A1, B1, C1, A2, C2)가 있었다.

전반적으로 빛의 파동설이 광전효과의 실험결과를 잘 설명하지 못하는 이유는 물리학I 교과서에 주로 기술되고 있으며, 광양자설로 광전효과의 실험결과를 설명하고 해석하는 부분은 물리학II 교과서에 주로 기술되고 있다. 그러나 물리학I 교과서들 중 파동설에 따른 실험 결과 해석과 광양자설에 따른 실험 결과 해석의 주요 내용을 빠뜨린 교과서들도 상당수 있는데, 특히 E1 교과서는 관련 내용을 하나도 다루고 있지 않았다. 한편, 물리학II 교과서들은 수식을 활용하여 광양자설에 따른 광전효과의 실험 결과를 자세히 기술하려고 노력하고 있었다. 그러나 수식에 치중한 나머지 핵심 내용의 서술을 빠뜨리고 있는 부분도 보였고, 빛의 세기와 광전자의 개수의 관계, 빛을 비춘 시간과 광전효과와의 관계 등 일부 내용은 아예 언급하지도 않은 물리학II 교과서들도 있어 이에 대한 개선이 필요해 보였다.

본 연구는 2015 개정 교육과정에서 작성된 고등학교 물리학 교과서의 광전효과의 전체 내용 구성과 탐구활동, 실험방법 및 현상 설명, 모형에 따른 광전효과 현상의 해석이 어떻게 제시되어 있는지 살펴보고 2022 개정 과학과 교육과정에의 시사점을 도출하기 위한 목적으로 실시되었다. 연구 결과에 따라 연구자들은 2022 개정 과학과 교육과정에 다음과 같은 시사점을 도출할 수 있었다.

첫째, 특정 주제에 대한 내용 서술에 필요한 필수적인 내용 요소 기준에 대한 연구와 함께, 교과서 서술시 내용 요소 기준에 맞춘 균형 있는 교과서 서술이 필요하다. 연구 결과 현행 2015 개정 교육과정의 물리학I과 물리학II 교과서에 제시된 광전효과의 내용 구성은 도입, 광전효과의 발견, 광전효과의 정의, 탐구 활동, 광전효과 현상(실험 결과) 설명, 광전효과의 원리 설명, 이전 이론과의 모순, 광전효과의 응용 등 8가지 요소로 구성되어 있었다. 하지만 물리학I에서는 교육과정에 제시된 영상 정보 기록 장치인 전하 결합소자(CCD)를 설명하는데 평균 1.65쪽이 제시되어 그 밖의 내용은 불과 2.35쪽 정도밖에 되지 않아 광전효과 실험의 의미나 원리에 대한 설명은 제대로 다루지 못하고 있다. 이에 비해 물리학II 교과서에서는 평균 2.98쪽을 광전효과의 현상과 원리를 설명하는데 사용하여 물리학I과 큰 차이를 나타내고 있는데, 광전효과가 빛의 파동설과 모순을 보이는 내용이나 광전효과의 응용에 대해서는 거의 다루지 못하고 있다. 하나의 물리학 주제나 내용도 그 내용의 역사적 중요성이나 다른 개념과의 관련성을 통해 의미를 가진다는 것을 고려해 본다면, 현행 물리학I, 물리학II 교과서의 내용 서술의 편중성은 문제가 있어 보인다. 따라서 교과서를 서술할 때 참고할 수 있는 구체적인 주제별 내용 요소 기준이 필요하다고 판단된다.

둘째, 광전효과와 같이 동일한 주제가 위계 수준이 다른 학년에서 반복적으로 제시될 때 교육과정 문서상 내용 서술의 위계를 구체적으로 제시하거나, 하나의 학년에서만 제시할 필요가 있다. 즉, 물리학I, 물리학II 교과서에서 광전효과를 설명할 때 각각의 교과서들이 어느 정도 수준에서 관련 내용을 서술할 것인지 내용 서술의 위계에 대한 고민이 필요하다는 것이다. 현행 교육과정에서는 물리학I, 물리학II 교과서에서 모두 광전효과를 다루고 있으나 각각의 교과서에서 내용 진술을 어디까지 해야할 것인지에 대해 명확하지 않은 측면이 있다. 본 연구 결과에서 살펴본 것처럼 물리학II 교과서의 성취기준 해설에서 권장하고 있는 일함수의 개념을 물리학I 교과서에서도 중복해서 설명하고 있는 경우도 있었고, 탐구활동에 있어서도 물리학II의 성취기준에 제시된 태양전지 실험이 일부 물리학I 교과서에 제시된 경우도 있었다. 즉, 현행 물리학 교과서들을 분석해 본 결과 같은 위계의 교과서라 할지라도 교과서 종류별로 다루고 있는 내용 범위가 달랐다. 물론 현행 물리학 교과서들도 물리학I 교과서에서는 광전효과가 빛의 파동설과 모순을 보이는 점과 광전효과의 응용에 대한 내용을 주로 다루고, 물리학II 교과서에서는 광양자설로 광전효과를 자세히 설명하려고 노력하는 부분 등 내용 서술의 차별화를 위해 노력하고 있는 부분이 있으나 현행 교육과정의 서술만으로는 구체적으로 어떤 내용까지 서술해야 하는지 애매한 측면이 있다. 예를 들어 물리학I에서는 영상정보 기록 장치를 설명하는 것을 목적으로 하지만, 그 원리를 설명하기 위해서는 광전효과의 원리를 설명하지 않을 수 없다. 연구자들은 교육과정을 개정할 때, 교육과정을 편성하는 중요한 원칙 중 하나가 교과간 중복을 없애 학생의 학습량을 감축하는 것임을 고려하면 광전효과는 물리학I또는 물리학II에서 합쳐서 구성하는 것이 바람직하다고 생각한다.

셋째, 교육과정 문서에서 특정한 주제에 대한 내용을 작성할 때 필요한 필수적인 내용 요소 기준을 구체적으로 제시할 필요가 있다. 본 연구 결과에 따르면 교과서에 따라 광전효과 내용 중 필수적인 내용을 빠뜨리고 있는 교과서도 있었다. 예를 들어 물리학I 교과서 중 광전효과의 실험 결과에 대한 기술이 전혀 없거나, 파동설이나 광양자설 모형으로 광전효과 실험 결과를 해석하는 부분이 완전히 빠져 있는 교과서들이 있었다. 또한 물리학II 교과서 중에서도 파동설에 따른 광전효과 실험 결과 해석을 전혀 다루지 않고 있는 교과서가 있었다. 이러한 점을 고려해 볼 때 교육과정 상에서 광전효과와 관련하여 물리학I, 물리학II 수준에서 다루어야 하는 내용이 어디까지인지 그 범위를 명확히 하고, 반드시 다루어야 하는 내용 요소도 구체화 할 필요가 있어 보인다.

넷째, 물리학 내용의 설명에서 광전효과에서 나타나는 현상(실험 결과)과 물리학 모형으로 이를 설명 및 해석하는 내용에 대한 진술의 구분을 명확히 해줄 필요가 있다. 교과서 분석 결과 광전효과 현상에 대한 기술과 모형으로 설명 및 해석하는 내용에 대한 진술이 섞여 있는 경우가 있었으며, 특히 교과서의 내용이 실험결과를 다루고 있는 것인지, 모형에 의한 실험결과 설명 및 해석을 나타내고 있는지 명확하지 않은 경우도 있었다. 또한 파동설로 광전효과를 설명할 수 없는 부분에 대한 설명이 빠져 있는 교과서들이 있었고, 교과서에 제시된 광전효과 관련 실험 결과도 한 부분에 내용이 모여있지 않고 여기저기 흩어져 있는 모습을 보이는 경우도 있었다. 광전효과는 2015 개정 교육과정에서 강조하고 있는 모형 기반 사고를 가르칠 수 있는 중요한 주제 중 하나로 두 가지 물리학의 모형이 광전 효과라는 하나의 물리학 현상을 어떻게 설명할 수 있는지, 특정 모형으로 하나의 현상을 설명할 수 있는 부분과 없는 부분은 무엇인지 분명하게 보여줄 수 있는 좋은 주제이다. 이에 따라 광전효과 관련 교과서 진술에서도 빛의 파동설 (모형) 로 설명 가능한 것과 불가능한 것, 빛의 입자설 (모형)으로 설명 가능한 것과 불가능한 것을 명확히 구분해 줄 필요가 있다. 모형 기반 사고는 향후 개정 교육과정에서도 학습자들이 중요하게 갖추어야 할 역량이라는 것을 고려해서 물리학 교과서에서 모형 기반 사고를 촉진하기 위한 구체적인 서술 방식이 어떠해야 하는지 깊이 있는 고민이 필요하다고 판단된다.

이 논문은 정부 (과학기술정보통신부) 의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구입니다 (No. 2021R1G1A1003349).

  1. Ministry of Education (1974) The National Curriculum. Notification No. 350. Ministry of Education, .
  2. Ministry of Education (2009) Science and Technology, The National Science Curriculum. Notification No. 2009-41. Ministry of Education, .
  3. Ministry of Education (2015) The National Science Curriculum. Notification No. 2015-74. Ministry of Education, .
  4. W. Kim and S. Kim, J. Korean Assoc. Res Sci. Educ. 40, 253 (2020).
  5. K. Dimitriadi and K. Halkia, Int. J. Sci. Edu. 34, 2565 (2012).
    CrossRef
  6. K. Krijtenburg-Lewerissa, H. J. Pol, A. Brinkman and W. R. Van Joolingen, Phy. Rew. Phy. Edu. Res. 13 (2017).
    CrossRef
  7. D. P. Adorno, C. Fazio, N. Pizzolato and O. R. Battaglia Key Competences in Physics Teaching and Learning. In: T. Greczyło and E. Debowska (eds) Springer Proceedings in Physics, pp 165-176.
  8. T. Kaur et al, Phy. Edu. 52 (2017).
    CrossRef
  9. J. Park and I. Lee, New Physics: Sae Mulli 71, 476 (2021).
    CrossRef
  10. S. Lee, B. Lee and J. Son, New Physics: Sae Mulli 69, 429 (2019).
    CrossRef
  11. J. Kim et al. KICE Research Report RRC-98. (Korea Institute for Curriculum and Evaluation1998).
  12. M. Kwon, Jour. Sci. Edu. 44, 15 (2020).
    CrossRef
  13. S. Ha, New Physics: Sae Mulli 68, 1069 (2018).
    CrossRef
  14. H. Jho, New Physics: Sae Mulli 68, 869 (2018).
    CrossRef
  15. S. B. McKagan, W. Handley, K. K. Perkins and C. E. Wieman, Am. J. Phys. 77, 87 (2009).
    CrossRef
  16. M. Niaz, S. Klassen, B. McMillan and D. Metz, Sci. Educ. 94, 903 (2010).
    CrossRef
  17. S. Klassen, Sci & Educ. 20, 719 (2011).
    CrossRef
  18. R. N. Steinberg and G. E. Oberem, J. Comput. Math. Sci. Teach. 19, 115 (2000).
  19. R. N. Steinberg, G. E. Oberem and L. C. McDermott, Am. J. Phys. 64, 1370 (1996).
    CrossRef
  20. M. A. Asikainen and P. E. Hirvonen, Am. J. Phys. 77, 658 (2009).
    CrossRef
  21. F. Önder, European J. Phys. 37 (2016).
    CrossRef
  22. E. Taslidere, Sci. & Technol. Educ. 34, 164 (2016).
    CrossRef
  23. E. Taslidere, Eurasia J. Math, Sci Technol Educ 11, 777 (2015).
    CrossRef
  24. E. Kim, H. Kim, J. Lee and K. Lee, Jour. Sci. Edu. 44, 112 (2020).
    CrossRef
  25. S. B. Merriam. Qualitative research: A guide to design and implementation. 4th ed. (John Wiley & Sons, San Francisco, 2015).

Stats or Metrics

Share this article on :

Related articles in NPSM