양성자 치료 전산모사를 위한 Geant4 전자기 물리 모델 정확성 검증

박소현,라정은,신정욱,박성용,윤세철,정원균,서태석,Park, So-Hyun,Rah, Jeong-Eun,Shin, Jung-Wook,Park, Sung-Yong,Yoon, Sei-Chul,Jung, Won-Gyun,Suh, Tae-Suk 한국의학물리학회 2009 의학물리 Vol.20 No.4

Geant4 toolkit은 전자기적 상호작용(electromagnetic interactions)에 대한 다양한 물리적 모델을 제공한다. 이러한 물리적 모델들에 대한 검증은 신뢰성 있는 Geant4 응용을 위해서 중요한 역할을 한다. 그러므로, 본 연구의 목적은 양성자 치료 전산모사를 위해 Geant4가 제공하는 물리적 모델 중 전자기 물리 모델의 정확성을 검증하는 것이다. 검증은 물, 뼈, 지방 그리고 원자번호가 다른 물질에 대해 양성자의 CSDA 비정(continuous slowing down approximation range)과 저지능(stopping power) 데이터를 미국 국립기술표준원(National Institute of Standards and Technology, NIST)의 데이터를 각각 비교하는 방법으로 이루어졌다. 물, 뼈 그리고 지방에 대해 0.01 MeV에서 10 GeV 범위의 입사 에너지의 CSDA 비정과 저지능 전산모사 결과와 NIST값을 비교한 결과, CSDA 비정의 평균 차는 각각 1.0%, 1.4% 그리고 1.4%를 나타내었고, 저지능에 대한 평균 차는 각각 0.7%, 1.0% 그리고 1.3%를 나타내었다. 또한, 각 물질에 대한 NIST 값과의 유의성을 분석하기 위해 kolmogorov-smirnov Goodness-of-Fit 통계분석 방법을 이용한 결과, 전자기 물리 모델의 전산모사 결과 데이터와 NIST 데이터 사이의 유의성을 나타내는 p-value가 유의 수준 0.05 이상 값을 가진다는 것을 확인 하였으며, 이를 통해 Geant4 전자기 물리 모델의 정확성을 검증할 수 있었다. Geant4 (GEometry ANd Tracking) provides various packages specialized in modeling electromagnetic interactions. The validation of Geant4 physics models is a significant issue for the applications of Geant4 based simulation in medical physics. The purpose of this study is to evaluate accuracy of Geant4 electromagnetic physics for proton therapy. The validation was performed both the Continuous slowing down approximation (CSDA) range and the stopping power. In each test, the reliability of the electromagnetic models in a selected group of materials was evaluated such as water, bone, adipose tissue and various atomic elements. Results of Geant4 simulation were compared with the National Institute of Standards and Technology (NIST) reference data. As results of comparison about water, bone and adipose tissue, average percent difference of CSDA range were presented 1.0%, 1.4% and 1.4%, respectively. Average percent difference of stopping power were presented 0.7%, 1.0% and 1.3%, respectively. The data were analyzed through the kolmogorov-smirnov Goodness-of-Fit statistical analysis test. All the results from electromagnetic models showed a good agreement with the reference data, where all the corresponding p-values are higher than the confidence level $\alpha=0.05$ set.

전자기력 유발 진동 저감을 위한 전기 모터 하우징의 위상 최적 설계

전경훈(Kyunghun Jeon),박종진(JongJin Park),장경욱(Gyeong Uk Jang),김창완(Chang-Wan Kim) 한국자동차공학회 2021 한국자동차공학회 부문종합 학술대회 Vol.2021 No.6

친환경의 전기 자동차는 기존 내연기관 자동차에 비하여 승객이 느끼는 진동과 소음이 크게 감소하였다. 하지만, 전기자동차는 모터를 이용하여 구동되기 때문에, 승객에게 불쾌함을 느끼게 할 수 있는 고주파성의 모터 기인 진동과 소음이 새로운 이슈가 이를 저감하기 위해 많은 연구가 활발하게 진행되고 있다. 모터 기인 진동 및 소음은 구동을 위해 발생하는 전자기력에 의해서 발생한다. 이 전자기력은 모터의 고정자와 하우징 구조물을 통해 체결 점을 통한 구조기인 진동으로 전달되기 때문에, 이 전달계에 대한 최적화 방법론을 통한 진동 저감이 필수적이다. 따라서, 전자기력에 의해서 발생하는 모터 기인 구조적 진동을 저감하기 위해 최적의 하우징 설계 안을 제시할 수 있는 위상 최적화 프로세스의 확립이 필요하다. 본 연구는 전자기-구조 연성해석을 이용하여 전자기력이 유발하는 특정 주파수의 진동을 저감하기 위한 하우징 위상최적설계에 관한 연구이다. 먼저, 전자기장 해석을 통해 고정자 치 표면에서 발생하는 반경방향 전자기력의 주파수 성분과 크기를 도출하였다. 그리고, 구조 장에서 이 전자기력을 각각의 고정자 치 표면에 동하중으로 가진 하여 주파수 응답 해석을 통해 특정 점에서 발생하는 가속도 응답을 계산하였다. 마지막으로, 특정 주파수의 가속도 응답 최소화를 목적함수로 모터 하우징 설계 영역에 대하여 위상 최적설계를 수행했다. 결과적으로, 특정 주파수에서 전자기력에 의한 진동을 저감할 수 있는 위상 최적화 알고리즘을 적용하여, 특정 점으로 전달되는 전자기력에 의해서 유발되는 진동을 저감할 수 있는 최적의 하우징 설계 안을 제시하였다.

예비 물리 교사의 전공 전자기학 학습 과정에서 나타난 그레이디언트 개념 이해의 특징

조광희 한국물리학회 2013 새물리 Vol.63 No.12

이 연구에서는 전공 전자기학 수준에서 그레이디언트에 관한 학습자의 개념을 조사하고, 학습 과정의 어려움을 탐색하였다. 연구 참여자는 남부지역 사범대학 물리교육과에 재학 중인 25명의 예비 물리 교사들이었다. 연구 자료 수집을 위하여 강의 후에 반성적 저널 작성, 지필 검사, 면담이 차례로 진행되었다. 연구 결과에 따르면, 그레이디언트에 관하여 연구 참여자들이 지닌 물리적 의미와 수학적 표현들은 서로 정합적이지 않았고, 상징적 표상과 기하학적 표상 사이에 불일치가 존재하였다. 또 예비 물리 교사들은 그레이디언트를 기울기와 동일하게 여겨 그레이디언트의 방향을 접선처럼 그리는 경향이 있었다. 그리고 그레이디언트를 다이버전스나 컬과 혼동하여 방향 그리기, 공식 쓰기, 계산하기를 한 사례가 관찰되었다. 아울러 반성적 저널을 분석한 결과에 따르면 전반적으로 예비 물리 교사들은 그레이디언트를 포함한 벡터 미분 학습에서 중간 수준 이상의 어려움을 겪고 있었다. This study explored students' conceptual understanding of and learning difficulties with the gradient in an upper-level electromagnetism course. The participants were 25 pre-service teachers in the Physics Education Department of a university in Korea. For the data collection, reflective journal writing, paper and pencil tests, and interviews were done after lectures. The results showed some lack of coherence between physical meanings of and mathematical expressions for the gradient, and some lack of congruence between symbolic and geometric representations. The participants had a tendency to draw the gradient as a tangential line. Additionally, some of them confused the gradient with the divergence or the curl on a test that involved drawing the direction of the gradient, writing mathematical expressions for the gradient, and calculating the gradient. From the analysis of the reflective journals, we found that the sudents generally had more than a medium level of a difficulty in learning about the gradient.

우리나라 농업 물리탐사: 적용 사례와 향후 과제

송성호,조인기 한국지구물리.물리탐사학회 2018 지구물리와 물리탐사 Vol.21 No.4

The first geophysical technique applied to the agricultural sector in Korea was electrical resistivity sounding and conducted in purpose of groundwater exploitation in the 1970s. According to the diversity of agricultural activities since the 1990s, various geophysical methods including electrical resistivity, electromagnetic induction, and self-potential method were applied to several agricultural fields such as soil characterization with saline concentration in vast reclaimed area, delineation of seawater intrusion regions in costal aquifer, safety inspection of embankment dikes with leakage problem, detection of ground subsidence from overpumping and tracing of groundwater aquifer contamination by leachate from livestock mortality burial or waste burial site. This paper introduces representative geophysical techniques that have been utilized in various agricultural fields and suggests several ways to develop the geophysical methods required for the precision agriculture field in the near future based on the past achievements. 우리나라 농업부문에 최초로 적용된 물리탐사 기술은 전기비저항 수직탐사로, 1970년대 농업용 지하수 탐지 목적으로 적용되기 시작하였다. 농업활동이 다변화된 1990년대 이후에는 기존의 전기비저항 탐사 이외에 유도 전자기 탐사, 자연전위 탐사 등을 이용하여 대규모 간척지 염분 집적 등 토양 특성 파악, 농업현장을 포함한 지하수 공급의 최말단부인 해안지역 소유역의 해수침투 범위 탐지, 저수지 및 방조제 안전진단을 위한 물리탐사, 과잉양수에 의한 지반침하 탐지, 쓰레기 매립장 또는 가축 매몰지로부터 발생되는 침출수 누출 범위 추적 등 다양한 분야로 확대되어 활용되고 있다. 본 원고에서는 이러한 농업부문에서의 물리탐사 기술 적용 사례들을 소개하고, 이를 기반으로 미래 농업에서 추구하는 정밀농업 현장에 필요한 물리탐사 기술의 발전 방안을 제시하였다.

2009 개정에 따른 교육과정의 중학교 과학, 물리 I, II에서 전자기 분야의 연계성 분석

윤은정,박윤배 한국물리학회 2014 새물리 Vol.64 No.4

The purposes of this study were to analyze the articulation of electromagnetism units in the middle-school science and physics I and II courses in the 2009 national curriculum and to identify the relationship between articulation of the content and difficulties with the content. To do these, we extracted the unit objectives from the electromagnetism units in the 2009 national curriculum and analyzed the articulation of concepts in terms of repetitions, gaps, and reverses. As a result, we found several repetitions and a couple of gaps and reverses. In the curriculum, the level and the hierarchy of the concepts should be sufficiently guaranteed and the unit objectives should be stated precisely so that no repetitions, gaps, and/or reverses occur. 본 연구는 학생들이 어려워하는 물리 과목이 2009 개정 교육과정에서어느 정도 연계성 있게 잘 짜여 졌는지 분석해 보고, 이에 대한 대책방안을 제안하고자 실시되었다. 이를 위해 2009 개정 교육과정의 중학교과학, 물리I, 물리II에서 전자기학 관련 학습 내용을 추출하고 내용들사이의 연계성을 `중복', `격차', `지도시기 역전'의 측면으로분석하였다. 그 결과 7건의 내용 중복과 2건의 격차, 3건의 지도시기역전 사례가 발견되었다. 본 연구는 전자기 분야만을 살펴본 것이므로물리 과목 전체 내용으로 범위를 확장하면 사례수는 훨씬 많을 것으로여겨진다. 교사가 진행하는 수업에서는 선수 학습내용에 대한 점검차원에서 배운 내용을 반복하는 것이 필요하지만, 교육과정은 도달해야하는 성취 목표에 해당하므로 단순한 내용의 중복이나 과도한 격차는피해야 할 것이다. 요컨데, 교육과정에서는 개념의 종류와 수준, 범위를명확하게 밝혀야 하며, 하위 학년에서 이미 다룬 내용을 같은 수준에서반복하는 것을 지양해야 한다.

자기장과 컬에 관한 물리교육과 대학생의 이해 특성 및 설명 모형 제안

조광희 한국물리학회 2016 새물리 Vol.66 No.5

We analyzed students’ understanding of the curl of the magnetic field and their difficulties in upper-level electromagnetism courses, and we suggest a model to explain these difficulties. The participants were 36 university students who were physics education majors. Two surveys were conducted based on the level of the contents, and reflective journals were gathered. The correctness rates were relatively high in problem solving and field line drawing at the general physics level. The students were also able to write correctly the formula of the curl and to understand the meaning of the curl on a calculus level. However, they rarely applied the concept of differentials to determining the curl of the field in magnetism. Of respondents, 56% felt the curl in magnetism, especially as related to mathematics, was difficult. The negative coefficient in the relation between the test scores and the degree of difficulties was –0.53, which showed that students with greater difficulties tended to be lower achievers. Finally, a ‘4 blade pinwheel’ model was proposed to explain the curl of the magnetic field with a link between physics and mathematics. 이 연구에서는 전공 전자기학을 학습하는 과정에서 자기장과 컬에 관한 이해 특성과 어려움을 대학생을 대상으로 조사하고 이를 토대로 설명 모형을 제안하였다. 연구 참여자는 남부지역 사범대학의 물리교육과 학생 36명이었다. 설문 내용의 수준에 따라 1, 2차로 나누어 지필 검사를 실시하고, 성찰 저널을 작성하도록 안내하였다. 연구 결과에 따르면 일반 물리학 수준에서 문제 풀이나 자기장 그리기, 미적분학 수준에서 컬의 공식이나 뜻 쓰기는 비교적 정답률이 높았다. 그러나 자기장의 컬 값을 구하는 전공 물리학 수준의 문항에서는 미분 개념을 적절히 활용한 응답자가 거의 없었다. 56%의 응답자는 어렵다는 반응을 보였는데, 특히 수학과 밀접한 관련이 있었다. 이해 조사 결과와 어려움 정도 사이에는 –0.53의 부적 상관이 나타나, 어렵다고 인식하는 응답자일수록 이해 조사 점수가 낮은 경향을 보였다. 이러한 결과들을 고려하여 물리학과 수학을 연계하는 방식으로 자기장과 컬의 관계를 설명하는 ‘4엽 바람개비’ 모형을 제안하였다.

정전기학 문제풀이에서 대학생이 겪는 어려움

최정호,전동렬,이인호 한국물리학회 2009 새물리 Vol.59 No.3

Electrostatics in the introductory physics course contains advanced calculus such as multiple integration and surface integration. Because of this, even the students who learned electrostatics in high school experience big difficulties in studying electrostatics at university. We studied the reason and the degree of difficulties of learning electrostatics of the students who major in physics education or are going to major in physics education. Even though these students are interested in physics and are acquainted with the basic concepts of electrostatics, they had difficulties in learning new concepts such as Gauss’ law and symmetry. Also they had difficulties in mathematical calculation such as multiple integration. Our study suggested the main reason why they could not construct advanced conception is because they did not have enough time to invest to learn physics. 일반물리 정전기학은 고등학교 수준에서 벗어나 대학 미적분에서 배우는 다중 적분이나 면적분을 할 수 있어야 제대로 이해할 수 있어, 고등학교에서 물리를 배운 학생도 일반물리 정전기학을 어려워하는 경향이 있다. 본 연구에서는 물리 교육을 전공하고 있거나, 물리 교육을 전공하기를 희망하는 학생이 일반물리학의 정전기학을 학습할 때 겪는 어려움을 분석한다. 이들은 예상대로 대학교에서 처음 배우는 내용인 가우스 법칙을 적용하는 것을 어려워하였으며, 복잡한 적분 계산을 어려워하였다. 그런데 이런 경향은 신입생 학생뿐만 아니라 2학년 이상의 학생도 마찬가지로 나타났다. 대학에서 새롭게 배우는 부분은 효과적으로 학습이 이루어지지 못했는데 그 이유로 학생들이 개념 형성에 충분한 시간을 투자하지 않는 것을 볼 수 있었다.

전자기 유도를 이용한 학습용 속력 측정 장치 개발

박종호 한국물리학회 2016 새물리 Vol.66 No.3

The purpose of this study is to develop a `learning speed measurement system’ for measuring the speed of a magnet cart down a slope for overcoming the limitations on qualitative experiments and on the abstract thinking of high school and university physics students. This system was composed of a variable slope, a magnet cart, and solenoids. When the magnet cart came down the slope, it passed through the solenoid, and the induced current and the speed were measured by using a microcomputer-based laboratory (MBL) device. From the experimental results, the speed of the magnet cart changed depending on the angle of the incline, and the current induced in the solenoid was proportional to the speed of the magnet cart. Therefore, this experimental method will improve student's integrated thinking about the relationships between different physical quantities, which is an important educational aspect of modern science, which requires an ability to integrate various disciplines. 고등학교 교과서와 대학의 일반물리학에 제시되는 전자기 유도에 대한 실험은 학생들의 이해의 한계성과 추상적 사고의 어려움이 있다. 본 연구에서는 비탈면에서 내려오는 자석수레가 솔레노이드를 통과할 때 발생하는 유도전류의 측정을 통해 물체의 운동에 대한 역학적 현상과 자석에 의한 솔레노이드의 전자기 유도현상을 함께 이해 할 수 있는 실험장치를 제작하였다. 컴퓨터 기반 실험 (microcomputer-based laboratory, MBL) 장치를 이용하여 경사진 비탈면을 내려오는 자석수레의 속력과 솔레노이드에 유도된 전류를 측정하였고, 이들 결과를 통해 자석수레가 솔레노이드를 통과할 때 유도전류의 세기와 속력은 서로 비례하고 있음을 알 수 있었다. 이 결과들은 전자기 유도 법칙과 속력 (자속)이라는 개념간의 관계를 알아볼 수 있으며, 이 실험기구를 학교 현장에 적용한다면 학습자들이 서로 다른 물리량의 관계를 비교함으로써 물리적 현상들에 대한 이해와 사고에 도움을 줄 수 있을 것이다.

고등학생들의 전자기학 문제 풀이 과정에서 겪는 개념 지식 관련 어려움 분석

임준홍,이봉우 한국물리학회 2013 새물리 Vol.63 No.12

The purpose of this study was to analyze the difficulty that high school students experienced in solving electromagnetism problems. For this purpose, 50 high school students participated in this research. We analyzed 45 cases in which students felt `content knowledge difficulty' in solving problems. The results of this study are as follows: First, the most frequent difficulty encountered in solving electromagnetism problems is a ``lack of prerequisite knowledge.'' This type of difficulty was found with every content and resulted from an inability to recall prerequisite learning. Second, we found 4 cases involving a `lack of formula understanding'. The students understanding of a formula may adversely or pasitively affect the students' understanding of physics concept related to that formula. Thus, more research on the double-sideness of a formula in physics problem solving is need. Third, we found 9 cases involving `confusion of content knowledge' and 9 cases related to `incorrect prior knowledge.' 본 연구의 목적은 고등학교 학생들이 전자기학 문제를 풀이하는 과정에서겪는 개념지식과 관련된 어려움을 분석하는 것이다. 이를 위해 고등학생50명을 대상으로 면담을 통하여 전자기학과 관련된 문제를 해결하면서겪은 개념지식 어려움의 사례 45개를 분석하였다. 주요 연구 결과는다음과 같다. 첫째, 학생들이 전자기학 문제 풀이에서 가장 많이 발견된어려움은 선행 필수지식 부족으로 총 21개 (46.7%)가 발견되었다. 이는모든 내용요소에서 발견되었으며, 선행학년에서 학습한 내용을 오랫동안기억하지 못하였기 때문이었다. 둘째, 공식 이해 부족에서 4개의 의견이제시되었는데, 공식은 물리 원리를 이해하는 것을 방해하기도 하고,도움을 주기도 하는 양면성을 가지고 있기 때문에 주의 깊은 연구가필요하다. 셋째, 내용지식 혼동으로 인한 어려움은 모두 9개로,`자기장과 전자기 유도' 단원에서 많이 발견되었다. 넷째, 잘못된선행지식으로 인한 어려움은 모두 9개였다.

고등학교 학생들의 전자기학 문제 풀이 과정에서 겪는 과정 지식 관련 어려움 분석

임준홍,이봉우 이화여자대학교 사범대학 교과교육연구소 2013 교과교육학연구 Vol.17 No.4

본 연구의 목적은 고등학교 학생들이 물리 문제를 풀이하는 과정에서 겪는 어려움을 분석하는 것이다. 특히 본 연구에서는 전자기학과 관련된 문제를 풀이하는 과정에서 겪는 어려움 중에서 과정 지식과 관련된 어려움을 분석하였다. 이를 위해 고등학생 50명을 대상으로 전자기학과 관련된 문제를 해결하면서 어려움을 겪는 요인이 무엇인지를 조사하고 면담을 통하여 관련된 사례 100개를 수집하였다. 이중에서 전자기학 문제를 풀이할 때 겪는과정 지식과 관련된 어려움의 사례 55개를‘이해’ 과정, ‘계획’ 과정, ‘풀이’과정으로 구분하여 분석하였다. 주요 연구결과는 다음과 같다. 첫째, 학생들은 전자기학 문제를 풀이하는 과정에서 ‘풀이’ 과정에서 겪는 어려움보다‘ 이해’과정과 ‘계획’ 과정에서 겪는 어려움이 더 많았다. 둘째, ‘이해’ 과정에서는‘문제의 조건 이해부족 으로 인한 어려움이 가장 많았고, ‘계획’과정에서는 ‘상황변환능력부족’으로 인한 어려움이 가장 많았다. 셋째, ‘풀이’과정에서는 ‘수학적 활용 능력 부족’에서 가장 많은 어려움이 발견 되었는데, 다른 어려움 요인 보다 많이 발견되지는 않았다. 추가적으로 수학적 어려움과 물리적 어려움과의 관계 및 전자기학 문제풀이 의지도 방안에 대한 의견을 제시하였다. The purpose of this study was to analyze the difficulties that high school students experience in solving physics problems. In particular, the difficulties related to procedural knowledge in electro-magnetism problems were analyzed. The participants were fifty high school students. One hundred cases where students experienced difficulties in solving electro-magnetism problems were found. Fifty-five cases related to “Procedural Knowledge Difficulty” were analyzed and some examples presented. The results of this study were as follows. First, more difficulties in 'understanding' and 'planning' processes than in the 'solving' processes were found. Second, the most difficult part of the 'understanding' process was a 'lack of ability to understand conditions', while the most difficult part of the 'planning' process was a 'lack of ability to consider context'. Third, the most difficult part of the 'solution' process was a 'lack of mathematical literacy', although this was not the most difficult factor. The findings from this study could provide insights into the relationship between mathematical difficulties and physics difficulties, and into teaching strategies for solving electro-magnetism problems.