"과학문화교육"

2008-10-25 (Vol 5, No 10)

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모든 사람의 과학문화 활동

[과학실험] '무중력' 컵

목표 : 자유 낙하하는 상자내의 물체는 무중력 상태에 있고, 마찰이 중력과 관계한다는 것을 이해한다.

준비물 : 스펀지(약 20 * 20 * 5 cm3) 1개, 아이스크림통 1개, 고무줄(직경 45 mm, 고무줄 굵기 1 mm) 2개, 나무젓가락 1개, 추(20 g) 2개

제작과정 : 첨부 참조

수업 진행 및 이론 설명

- 무중력컵을 거꾸로 뒤집어서 고무에 매달린 추를 보여주고 중력이 영향을 받는 보통의 상태에서 추가 고무줄을 얼마나 변형시키는지 알아 보게 한다.
- 중력의 영향이 없는 상황과 비슷한 상황(추를 실험대에 수평으로 장치하면 된다)에서 고무줄의 변형 정도를 알아 보게 한다.
추를 당겨서 아래 그림 왼쪽과 같이 하고 학생들에게 보여 주면서 “아이스크림 통을 자유낙하하게 하면 추가 어떻게 될 까요?”라고 질문한다.
- 아이스크림 통이 떨어질 위치에 스펀지를 놓고 자유 낙하시킨다. 추가 어떻게 되는지 학생들이 관찰하게 한다.
“자유낙하하면 왜 추가 통속으로 들어 갈까요?” 라고 질문한다.
학생들이 대답을 잘 못하면 무중력 컵의 추를 실험전의 상태로 하나다음 “추가 지금과 같은 상태로 있을 때 힘들을 생각해 보자”고 하면 학생들이 고무줄의 탄성력, 중력, 마찰력 등을 언급한다. 힘들이 크기와 평형에 대하여 정화하게 이해하고 있지 않기 때문에 보충 설명이 필요하다.

고무줄을 당겨서 추를 컵 바깥으로 매달았기 때문에 그림에서와 같이 탄성력이 중력보다 더 크다. 왜냐하면 컵을 뒤집은 상태에서는 중력과 탄성력이 동일 하지만 고무줄을 더 잡아 당기면 탄성력은 고무줄의 길이 변화에 비례하므로 증가하게 되어 중력보다 더 커지게 된다.

“탄성력이 중력보다 더 큼에도 불구하고 추가 매달려 있는 이유는 무엇일까?”라고 질문하면 학생들이 “마찰력이요”라고 답할 것이다. 마찰력은 위 그림에서 탄성력과 반대 방향으로 작용하여

탄성력 = 마찰력 + 중력

이 된다. 즉 힘들의 평형이 이루어져 그대로 매달려 있게 된다.
“마찰력에 대하여 공부해 보자”고하면서 마찰력 f = μN 을 설명한다.
여기서 μ 는 마찰계수, N 은 수직 항력 (=물체가 바닥을 수직으로 누르는 힘)이다. 수직 항력은 물체의 질량과 중력가속도의 곱이다.

이론 : 첨부 참조

<적용 학년>
이 활동은 중학교 2학년의 가속도 운동 과정에서 활용할 수 있다.

첨부
웹진2-4무중력컵200810.hwp

조영신
강원대학교

과학문화교육연구소