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1. 동기
학기초에 관성에 대하여 배운 적이 있었다. 관성이란 물체에 힘이 작용하지 않으면 정지해 있던 물체는 계속 정지해 있으려하고, 운동하고 있는 물체는 속력과 방향이 변하지 않고 계속 운동하려고 하는 성질을 말한다.
우리들은 일상생활에서 관성을 쉽게 관찰할 수 있는데.. 우선 지하철이나 버스를 탔을 때 쉽게 관찰할 수 있다. 지하철이나 버스에서 서서 손잡이를 잡고 있을 때 .. 갑자기 차가 정지하거나 출발할 때에 사람들을 몸을 움직인다. 그때에 우리 몸에 는 관성이 작용하는 것이다.
이외에도 후추나 소금을 뿌릴 때, 먼지를 털 때.. 등등.. 일상생활에서 쉽게 관찰할 수 있는 것이 관성이다. 이렇게 쉽게 접할 수 있어서 인지 사람들은 이 관성에 대하여 무감각하게 지나치는 것 같다. 그래서 쉽게 지나치지만 꼭 필요한 관성에 대하여 실험 해 보기로 하였다.
첫 번째로는 달리는 차안에 줄에 매달린 추를 매달아 놓고 정지할 때(가속도의방향은 운동반대방향)와 출발할 때(가속도의 방향은 운동 방향).. 같은 속도로 달릴 때(가속도는 없음)에 추의 방향을 관찰하였고, 두 번째로는 페트병 에 물을 넣고 그 속에 줄에 매달은 스티로폼을 넣은 다음, 달리는 차안에서 관찰하였다.
2. 탐구절차 및 방법
① 기간: 8월17일. 승합차 이스타나를 타고 금산에 가는 중부고속도로상에서
② 측정도구: 페트병, 물, 실, 스티로폼, 추
③ 탐구 실행 방법
실험1) 실에 추를 매달아 달리는 차 천장에 매달아 놓은 뒤 차가 출발할 때(+α), 정지할 때(-α), 같은 속도로 달리 때(α=0)의 추의 방향을 주의 깊게 살 펴본다.
실험2) 스티로폼의 움직임을 잘 관찰하기 위해서 페트병에 붙어있는 상표 를 모두 떼어낸 뒤 페트병에 물을 채운다. 그리고 스티로폼을 작게 잘라서 실에 매단 뒤 병 속에 넣어 거꾸로 매달린 추를 만들고 달 리는 차안에서 추의 움직임을 관찰한다.
…(생략)
3) 결과 및 해석
① 결과
- 첫 번째 실험 결과 차의 운동방향
(출발 할 때)
금속 추
(정지 할 때)
(등속 운동 할 때)
- 두 번째 실험 결과 차의 운동 방향
스티로폴 (출발 할 때)
물
(정지 할 때)
(등속 운동 할 때)
② 해석
- 첫 번째 실험
mα
: 추가 기울어진 모습에서 마치 추를 뒤로 -mα의 크기의 힘으로 민 것 같은 생각 을 할 수 있게 하는데 이것 은 자동차가 오른쪽으로 가속되기 때문에 생기는 현 상으로 그림에서의 실제로 작용하지 않 았지만 작용하는 것처럼 보이는 -mα를 T mg 관성력이라 한다. 그림에서 mg는 지구의중력이고 T는 두 힘의 합력이다. 따라서 자동차가 가속되는 동안에만 -mα는 생겨나고 가속도가 클수록 그 기울어지는 정도는 커지게 된다. 또한 자동차가 속도를 줄이면 가속도는 자동차의 운동방향의 뒤쪽으로 향하며 관성력은 자동차의 가속도와 반대방향 이므로 추는 오른쪽으로 기울어지게 한다.
- 두 번째 실험
왼쪽 그림은 페트병에 물을 넣고 스티로폼 조각을 실로 묶어 아래쪽에 묶어 놓고 자동차가 출발할 때(+α) 관찰 한 모양이다. 추의 경우와는 그 방향이 전혀 반대로 나타났다. 물론 정지할 때(-α)는 그 방향이 반대로 움직였다. 왜 이런 현상이 일어났을까? 첫 번째 실험에서 사용한 추는 공기보다 무겁고 두 번째 실험에서의 스티로폼은 물보다 가볍기 때문으로 생각된다. 금속 추는 아래쪽으로 매달리지만 스티로폼 조각은 위쪽으로 매달리는 이유와 관련이 있어 보인다.
4) 결론
이 실험을 통하여 달리는 자동차에 매달린 추의 기울어짐의 원리를 알았고 어느 때 그 기울어지는 각도 가 더 커지는 지를 생각 할 수 있게 되었다. 바로 그 원인은 속도 자체가 아니라. 단위 시간당 속도의 변화량으로 설명되는 가속도에 그 원인이 있다는 것을 알았다. 물체 가 운동 할 때는 운동의 법칙을 따르고 운동의 제1법칙 관성의 법칙에 의해 추의 기울어짐이 생긴다는 것도 알았다. 나는 이번 실험을 통하여 관성에 대하여 조금이나마 더 알게 되었다. 관성은 우리 일상생활에서 흔하게 접할 수 있는 성질이지만, 그 동안 나는 너무 무관심하게 지나쳐온 것 같다. 어디서나 볼 수 있는 이러한 성질들을 조금 더 섬세하게 관찰하고 생각해 보는 습관을 길러야 하겠다.
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