< 연구결과 요약 >

< 연구결과 요약 >

과 제 명 스마트폰을 도입한 실시간 무중력현상 관찰 낙하장치 개발

연구목표

첫째, 구조가 간단하면서도 스마트폰을 도입 무중력 현상을 실시간으로 관찰 할 수 있는 교실환경에서 실험 해볼 수 있는 자유낙하장치를 제작하는 것이다.

둘째, 과학교과서에 나오는 중력과 관련된 물리주제를 중심으로 무중력 상태에서의 변화가 있을 것으로 예상되는 8가지 탐구실험을 개발한다.

연구방법

자연 현상에는 중력 때문에 발생하는 재미난 현상들이 많이 있지만 우리는 평시 중력의 영향(효과)과 얼마나 중요하고 다양한지 경험하지 못하고 있다.

이는 아마 무중력 경험을 체험 할 수 없기 때문이라고 생각한다. 교과서에서 공부하게 되는 엘리베이터에서의 몸 무게변화와 관성력, 낙하하는 물방울의 둥근모양, 물속에서 물체가 받는 부력, 촛불의 연소와 불꽃의 모양 등 등 중력 때문에 나타나는 물리현상들이 무중력이 되면 사라지거나 상태가 달라 지는 흥미진진한 현상들을 고민하게 되었다. 이와 같은 무중력 현상을 관찰 하기 위해서 다음 2가지 연구 활동을 수행하고자 하였다.

낙하 가속도가 9.2m/s²에 근접하면서도 스마트폰을 장착하여 무중력 현상 을 실시간으로 관찰 할 수 있는 원통형 자유낙하장치를 제작할 수 있었다.

부력, 대류, 표면장력을 비롯한 물리교과서 주제를 중심으로 무중력 상태에 서 다양한 탐구실험을 개발하였다.

연구성과

l 스마트폰을 장착하여 무중력 현상을 실시간으로 관찰 할 수 있는 원통형 자유낙하장치를 제작할 수 있었다.

l 제작 계획하는 낙하장치는 원통형으로 구조가 간단하면서도 자유낙하 가속도가 9.2 m/s²에 도달 하였다.

l 부력과, 표면장력을 비롯한 중력과 관련된 물리교과서주제를 중심으로 무중력 상태에서 다양한 탐구실험을 개발 할 수 있었다.

l “스마트기기를 이용한 무중력현상 낙하관찰 실험교구” 명칭으로 특 허출원 신청을 완료하고 일선학교에 보급하기 위해서 과학교구 등록 추진 중이다.

(Key words)주요어

무중력현상, 스마트폰, 자유낙하, 낙하가속도

1. 개요

□ 연구 동기

자연 현상에는 중력 때문에 발생하는 재미난 현상들이 많이 있지만 우리는 평시 중력 의 영향(효과)과 얼마나 중요하고 다양한지 경험하지 못하고 있다. 이는 아마 무중력 경험을 체험 할 수 없기 때문이라고 생각한다. 교과서에서 공부하게 되는 엘리베이터 에서의 몸 무게변화와 관성력, 낙하하는 물방울의 둥근 모양, 물속에서 물체가 받는 부 력, 촛불의 연소와 불꽃의 모양 등 등 중력 때문에 나타나는 물리현상들이 무중력이 되면 사라지거나 상태가 달라지는 흥미진진한 현상들을 고민하게 되었다. 이와 같은 무중력 현상을 관찰하기 위해서 다음 3가지 연구 활동을 수행하고자 하였다.

□ 연구목적

자연 현상에는 중력 때문에 발생하는 재미난 현상들이 많이 있지만 우리는 평시 중 력의 영향(효과)과 얼마나 중요하고 다양한지 경험하지 못하고 있다. 이는 아마 무중력 경험을 체험 할 수 없기 때문이라고 생각한다. 교과서에서 공부하게 되는 엘리베이터 에서의 몸 무게변화와 관성력, 낙하하는 물방울의 둥근모양, 물속에서 물체가 받는 부 력, 촛불의 연소와 불꽃의 모양 등 등 중력 때문에 나타나는 물리현상들이 무중력이 되면 사라지거나 상태가 달라지는 흥미진진한 현상들을 고민하게 되었다. 이와 같은 무중력 현상을 관찰하기 위해서 다음 2가지 연구활동을 수행하하고자 하였다.

첫째, 구조가 간단하면서도 무중력 현상을 실시간으로 관찰 할 수 있는 교실환경에서 실험 해볼 수 있는 자유낙하장치를 제작하는 것이다.

둘째, 과학교과서에 나오는 중력과 관련된 물리주제를 중심으로 무중력 상태에서의 변화가 있을 것으로 예상되는 8가지 탐구실험을 개발하였다.

2. 연구이론 및 연구주제선정

□ 이론적 배경 및 선행 연구

○ 무중력이란? (물리 I. 교과서 p.64)

뉴턴은 달과 행성의 운동에서 중력은 모든 물체들 사이에 존재하는 인력(attractive force)이라고 결론을 내렸다. 사과가 땅에 떨어지도록 하는 힘과 같은 힘이 달을 공전 궤도에 붙잡고 있다는 것을 깨달았다. 질량이 있는 물체끼리 서로 잡아당기는 만유인 력의 결과로 사람들은 지구의 중력을 받기 때문에 지표면에 붙어 살 수 있고 모든 물 체는 지구의 중심을 향하여 중력이라는 힘을 받고 있다. 따라서 지구 중력을 상쇄시켜

알짜 중력을 0으로 만들면 무중력 상태와 동일하다고 말할 수 있다. 지구에서 무중력 과 동일한 상태를 만드는 가장 쉬운 방법은 물체를 자유낙하 운동 시키는 것이다. 자 유낙하운동이란 물체가 중력만 받으면서 낙하하는 운동을 말한다. 즉, 자유낙하 하는 물체는 중력 외에 다른 힘을 받지 않기 때문에 공기의 저항을 무시하였다면 자유낙하 하는 물체는 중력에 의한 가속도 운동을 하여 중력가속도 값이    ^ 에 도달하 게 된다.

○무중력과 관성력 (교과서 물리I p.64)

교과서에 있는 상대성이론 부분에서 “아인슈타인은 관성력을 근본적으로 중력과 구별 할 수 없다는 새로운 해석을 내놓았으며, 이것을 등가 원리라고 한다.”라고 적혀있었 다. 여기서 관성력은 우리가 이해하기에는 무척 어려운 내용이었다. 교과서에서는 “떨 어지는 물병관찰”이라는 탐구실험을 소개하고 일반 상대성 이론의 등가원리에서 관성 력에 대해 고민할 수 있는 기회를 주었다. 그래서 무중력 장치를 만들어서 직접 물병 을 낙하하는 실험을 수행해보기로 했다.

페트병을 들고 있을 때 페트병 내부의 물의 무게로 인한 압력으로 물이 구멍으로 새 어나온다. 그러나 페트병이 자유 낙하할 때 물은 새지 않는다. 그 까닭에 대하여 알아 보자. 페트병과 함께 자유 낙하하는 좌표계에서 볼 때 페트병 내부의 물은 중력과 관 성력이 평형을 이루어 무게를 느끼지 못하는(weightlessness) 무중력 상태가 된다. 그 결과 물병 내부의 압력이 작용하지 않아 구멍으로 물이 새지 않는다.

즉, 관성력은 가속 좌표계에서 물체의 운동을 설명하기 위해 도입한 가상의 힘이다.

○ 부력 (물리 I. 교과서 p.281)

물속에 물체가 잠겨 있을 때 깊은 곳일수록 수압이 크다. 물체의 윗부분에서 아래 방 향으로 물체에 작용하는 수압은 물체의 아랫부분에서 위 방향으로 물체에 작용하는 수 압보다 작으므로 물체에는 위쪽으로 합력이 작용하게 된다. 그리고 물체의 옆면에 작 용하는 모든 힘의 합력이 0이다. 따라서 위쪽으로 부력이 작용하였다.

유체 속의 물체는 윗부분과 아랫부분의 압력 차이에 의한 부력을 받는다. 이때 부력 의 크기는 유체 속에 잠긴 물체의 부피와 같은 부피의 유체의 무게와 같다. 이것을 아 르키메데스 법칙이라고 하였다.

부력의 크기=물체가 밀어낸 유체의 부피×유체의 밀도×중력 가속도 =물체가 밀어낸 유체의 질량×중력 가속도

물과 콩기름 속에서 물체에 작용하는 부력의 크기에 차이가 나는 것은 물과 콩기름의 밀도가 달라서 물체가 밀어낸 액체의 무게가 다르기 때문이다. 따라서 중력의 영향을

사라지고 무게라는 개념도 사라지게 되는 것이다.

그림 2 부력의 크기 측정 (교과서 p.281)

○ 표면장력 ( 일상생활 현상)

유체의 분자들이 안정화 하기위해서 반응성을 최소화하는 방향 으로 표면적을 줄이는 것을 표면장력이라고 한다.

표면장력은 모든 분자들에서 일어나는데 결과적으로 모든 분자들 이 서로를 끌어당겨서 표면적이 가장 작은 구의 형태로 되려고 하는 것이다.

표면장력의 예로는 물방울이 떨어지는 모습을 관찰하면 떨어지 기 직전에 구의 형태를 띄우는 것이 있다.

그림 4 모든 분자들간의 인력에 의한 표면장력 모형

○ 대류 (물리 II. 교과서 p.80)

그림 3 둥근 물방울

대류란 유체에 열이 가해지면 가벼워져서 위로 올라가고 올라 간 뒤의 빈공간은 아래의 차가운 유체가 들어가면서 순환하여 결국은 전체에 열이 가해지는 현상이다.

대류는 액체, 기체 등의 유체에 열이 가해질 때에 일어나며 대류 의 예로 불꽃 근처기체가 올라가고 옆쪽의 기체는 다시 들어가 면서 공기가 위로 올라가게 되는데 그러면서 불꽃의 모양이 위 로 올라가는 형태가 되는 것이 있다.

□ 연구주제의 선정

자연 현상에는 중력 때문에 발생하는 중요하고 재미난 현상들이 교과서에도 많이 소 개되고 있지만 우주에서나 특별히 제작한 비행선에서만 무중력 현상 실험을 할 수 있 기 때문이다. 우리는 중력의 영향(효과)이 어떠한지를 궁금해도 경험할 수가 없는데 이 는 아마 무중력 현상을 체험 할 수 없기 때문이라고 생각한다.

교과서에서 공부하게 되는 엘리베이터에서의 몸 무게변화와 관성력, 낙하하는 물방울 의 둥근모양, 물속에서 물체가 받는 부력, 촛불의 연소와 불꽃의 모양 등 등 중력 때문 에 나타나는 물리현상들이 무중력이 되면 사라지거나 상태가 달라지는 흥미진진한 현 상들을 고민하게 되었다.

무엇보다도 스마트폰을 장착하여 무중력 현상을 실시간으로 녹화 할 수 있는 스마트 폰 앱을 개발하고 공기저항(Air)방식을 적용 바닥 충격을 최소화 할수 있는 자유낙하 장치를 제작하여 살짝 우주와 같은 환경을 만들어 교실에서도 무중력에서의 자연현상 을 관찰 할 수 있으면 좋겠다.

3. 연구 내용

□ 자유낙하 실험장치 제작

본 연구에서는 낙하 충격을 최소화하면서도 실시간으로 무중력 상태를 관찰 할 수 있 도록 제작 목표를 달성하기 위해서 3단계의 자유낙하 장치 제작과정을 거치게 되었다.

가. 3단계(1차->2차->3차) 장치제작과정

그림 5 촛불에서의 공 기 흐름

1차 제작

-전자기력 감속(실 패)

2차 제작

-원통 낙하방식(물리적 충 격 감속)

- CCD 카메라세트

3차 제작

-원통 낙하방식 (라텍스 충격완화)

-스마트폰 도입

MBL운동 센 서 사 용 (낙하 가 속도 측 정)

충격을 완화시키지 못함으로 물체를 떨 어뜨리지 못함 즉, 측정 불가

원통직경 240mm 가속도 a=6.92 m/s2

원통직경 230mm 개선 가속도 a=8.96m/s2

특징 및 구조

낙하 원통바닥에 자 석을 부착하고 원기 둥 파이프에 솔레노 이드 코일을 감아서 전자기유도에 의한 감속시도

무선 카메라(송신, 수신)세트 원기둥 파이프(직경-내경 244mm)

내부 낙하원통직경240mm 스펀지

1카메라->휴대폰

2원기둥 파이프(직경-내경 244mm)

내부낙하원통직경 230mm 3. 나선형 타깃고정 장치고 안

4. 라텍스

실험 장치 모습

표 1 실험 장치 모습

나. 3단계 장치 세부 특성

1차 제작에는 놀이동산의 자이로드롭의 감속원리를 참고하여 전자기 유도에 의한 자기 브레이크 낙하장치를 설계를 고안하여 모형을 제작해 보았으나 낙하속도를 충분히 감 속시켜주지 못하여 스프링과 스펀지를 사용한 물리적으로 충격을 완화 시키는 2차 낙

하장치를 제작하였다. 하지만 원기둥과 원통낙하장치와 마찰이 있어 낙하가속도가 충 분하지 못하였다. 3차 장치에서는 원통 낙하장치의 지름을 줄여서 낙하가속도를 9.0 m/s2 가까이 증가시켰고 무엇보다도 휴대폰을 도입하여 무중력 상황을 실시간으로 녹 화하여 무선전송을 가능하게 하였다.

1차 전자기유도 감 속(실패)

2차 물리적 감속(스프링, 스 펀지) 원통직경240mm 무선카메라 사용

3차 (라텍스 충격완화)원 통직경 230mm

휴대폰 사용

특징 및 원리

낙하 원통바닥에 자 석을 부착하고 원기 둥 파이프에 솔레노 이드 코일을 감아서 전자기유도에 의한 감속시도

원 기 둥 파 이 프 ( 직 경 - 내 경 244mm) 내부 낙하원통직경 240mm 스펀지로 인한 충격완 화

원기둥 파이프(직경-내경 244mm)

내부낙하원통직경 230mm 라텍스로 인한 충격 완화

타깃 특징 타깃 제작 전

아크릴판으로 제작된 전용 타 깃을 사용함. 나사와 너트로 원통과 타깃을 연결함

플라스틱 병의 연결 부위 만 따로 분리시킨 후 원통 에 부착

타깃을 뚜껑 닫는 방식으 로 연결함

문제점

1) 낙하 중 가속 운동

2) 착지할 때 충 격완화

실패:

원통크기가 크고 또 한 코일의 양이 적 어서 충분한 전자기 유도 자기력 발생시 키지 못하였음

마찰에 의한 가속운동 방해로 충분한 중력 가속도 값이 나 오지 않음

무선카메라가 촬영한 영상의 화질이 좋지 않으며 무선카메 라의 배터리의 무게 또한 무 거움

240mm보다 가속도가 증가 하였으나 원상태의 중력가 속도보다는 작음

개선

원기둥 파이프 지름 이 전체길이에 비하 여 커서 코일에 의 한 자석 감속방법은 적합하지 않은 것으 로 결론내림

1.공기에 의한 마찰을 방지하 기 위해 바닥에 구멍을 만듦

스펀지 대신 라텍스쿠션 사용 (바닥 충격완화) - 원 통직경 230mm 줄임 무선카메라 대신 휴대폰 사용

표 2 실험 장치 특징

다. 낙하장치의 독창성

그림 6 무중력 낙하장치 설계도(좌), 낙하실험 모습(우)

1. 구조가 간단한 원기둥 형태의 낙하방식 도입

기존의 선행연구를 보면 낙하장치 제작은 사각형 지지대 안에 낙하장치를 별도로 설 치하는 2중구조 방식이며 주문제작과 같은 특수제작을 의뢰하여야만 한다. 학교 교실 에 사용되기 위해서는 제작 및 낙하장치 구조가 단순해야만 일선 학교에 보급이 가능 하다. 낙하 가속도를 중력가속도 값에 근접하면서도 바닥에서의 충격을 완화시키기 위 해서 바닥 중앙위치에 낙하 장치를 정확히 직선적으로 떨어지게 해야 하는데 우리는 이것을 위해 물체를 원기둥 안에 떨어뜨리는 방식으로 제작하게 되었다. 원기둥 안에 장치를 떨어뜨림으로 해서 물체는 직선을 따라 떨어지게 되며 또한 아크릴 원기둥 안 에 있으므로 해서 외부의 영향을 최소한으로 받게 된다. 또한 낙하아크릴 원통 바닥에 구멍을 확보하였으며 원기둥 내부에서의 공기저항을 최소화 시켰으며 바닥에 원형 라 텍스를 두어 충격을 감소시켰다.

하지만 바닥의 라텍스에 의한 충격완충 방법은 가벼운 실험타깃은 가능했으나 부력과 같은 무거운 타깃 실험에서는 충격이 커서 나중에 소개되는 공기저항에 의한 충격완화

방식을 도입 낙하장치 개선을 계획하게 되었다. (P.19 참고, 4.낙하장치개선)

2. 스마트폰 도입

우리는 낙하하는 물체를 관찰하기 위해 낙하하는 물체에 카메라를 설치하려고 했다.

첫 번째로 고안해낸 카메라는 무선 카메라인 TX32C였다. 하지만 이 카메라는 화질이 매우 떨어지고 이 장치의 배터리 부피가 너무 커서 촬영에 지장을 주기 때문에 이 카 메라 대신 다른 대안을 찾기로 했다. 다른 대안을 찾던 중 요즘 대부분의 사람들이 스 마트 폰을 쓰고 특히 스마트 폰의 화질도 가면 갈수록 좋아지고 부피도 작기 때문에 스마트 폰을 낙하 장치에 설치하기로 했다. 하지만 낙하 장치를 떨어뜨리고 스마트 폰 을 꺼내어 녹화 내용을 확인하는 번거로운 절차를 줄이기 위해 우리는 검색을 하던 도 중 모비즌이라는 어플을 찾았다. 모비즌은 컴퓨터와 스마트 폰을 원격으로 연결해 주 는 어플로써 컴퓨터와 스마트 폰이 연결되기만 하면 스마트 폰의 화면이 컴퓨터 모니 터로도 볼 수 있을 뿐만 아니라 컴퓨터로 스마트 폰을 조종할 수 있다는 점이 이 실험 에 적합하다 생각해서 우리는 모비즌을 이용 했다.

스마트폰

타깃(관병)

연결 장치 (회전잠금방식) 철판(무게중심

조정)

폰 고정 장치

3. 타깃부착방식 개선

실험종류가 늘어나면 실험종류마다 실험타깃이 다르기 때문에 낙하원통장치에 타깃을 부착시킬 때에 별도의 부착작업을 거치게 되는데 이는 실험할 때에 실험과정을 어렵고 힘들게 만들었다. 우리는 실험종류가 달라도 타깃을 획일적으로 탈부착하기 위해서 타 깃부착방식을 통일성 있게 개선하게 되었다. 우리는 타깃을 부착하는 방식을 페트병 두껑을 열 때 사용되는 나선구조 방식 아이디어를 발견 관병을 사용하여 부착하게 되

었다. 이는 실험타깃의 탈부착이 보다 용이하면서도 타깃이 실험 장치에 단단히 연결 되도록 하였다.

관병(타깃)을 돌리는 장면 (촛불 모양실험)

관병(타깃) 장착모습 (촛불 모양실험)

새로운 타깃 교체 장착 (부력실험 탁구공)

□

운동센서 MBL시스템

낙하원통

MBL(운동센서)과 낙하원통 준비 운동센서(바닥)사용 원통 낙하속도측정

1) 1차 버전 자유낙하(원통반경 240mm 사용)

시간-속도 그래프의 기울기를 사용하여 측정한 가속도는 6.92 m/s2로 9.8m/s2에 크 게 미치지 못하게 나왔다. 이는 지름240mm인 낙하상자물이 떨어질 때에 겉의 지름 244mm의 원통에 닿아 마찰이 일어나면서 가속도가 줄어들게 되는 것이라고 추측했 다.

자유낙하운동분석(원통반경 240mm 사용): 가속도 6.92 m/s²

2) 2차 버전 자유낙하(원통반경 230mm 사용)

많은 마찰로 인한 1차 버전의 단점을 줄이기 위해 원통반경을 10mm 줄여 중력가속 도를 측정하였다. 시간-속도 그래프의 기울기를 사용하여 측정한 가속도는 8.96m/s2 로 1차 버전에 비해 가속도가 중력가속도에 많이 가까워졌다. 하지만 약간의 공기저항 과 마찰로 중력가속도와는 다소 오차가 있다.

3) 3차 버전 자유낙하(원통반경 230mm 사용, 3차 자유낙하장치사용)

가속도를 좀 더 중력가속도에 맏추기위하여 3차 자유낙하장치를 개발한 뒤 바닥이 뚫려있는 통을 떨어뜨렸을 때에 중력가속도가 9.23이 나왔다.

실험 중 가장 중력 가속도에 가까우나 이 실험 이후 통 바닥이 깨지는 불상사가 일어 났다. 이 결과는 5차 자유낙하장치에서 충격완화를 중점으로 보안해야할 필요가 있음 을 시사한다.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8

0 0.5 1 1.5 2 2.5

³ ô ÀÌ(m )

시간(s) 원통의 낙하운동(위치)

-5 -4 -3 -2 -1 0 1

0 0.5 1 1.5 2 2.5

¼Ó µ µ (m /s)

시간(s)

원통 낙하운동(속도)

자유낙하운동분석(원통반경 230mm 사용): 가속도 8.96 m/s²

□ 무중력실험 타깃제작 (8가지 실험)

l 표면장력 실험

구형 투명플라스틱에 수은을 넣고 밀봉하여 제작하고자하였다. 정지 상태에서 비교적 납작한 모습인 수은이 낙하하는 동안 어떠한 모습으로 변화되는지 관찰 할 수 있도록 하고자하였다.

l 모래시계

모래시계는 떨어지는 모래 양이 시판용보다 많도록 제작하여 낙하하는 동한 모래의 모 습이 어떠한지 관찰할 수 있도록 제작하고자하였다.

l 전자저울

시판용 전자저울을 개조하여 저울에 나타나는 숫자판이 카메라를 향하도록 수직으로 세웠다. 자유낙하 하는 동안 저울에 올려 있는 물체의 무게 변화를 관찰할 수 있도록 하고자하였다.

l 부력 실험

부력의 원인이 중력이라는 사실을 확인하기 위해 탁구공을 고무줄을 이용하여 고정시 킨 후에 통 안에 물을 넣어 탁구공이 물에 중간 쯤 뜨도록 하고자하였다. 통 위쪽 판 을 접착제로 밀폐시킴으로써 실험하는 동안 물이 넘쳐 나오지 못하도록 하고자하였다.

자유낙하 하는 동안 부력이 사라졌을 때 탁구공이 어떻게 되는지 관찰할 수 있도록 제 작하고자하였다. 처음에는 고무줄이 아닌 용수철을 사용하였을 때 용수철은 탄성력이 너무 강하여서 부력에는 관찰하기 어려웠고 줄을 사용하였을 때는 고무줄에 비해 부력 이 사라졌을 때의 상황을 잘 관찰하기 어려웠다. 최종적으로 고무줄을 사용하게 되었 다.

자유낙하운동분석(원통반경 230mm 사용): 가속도 9.23 m/s²

l 대류 실험

납작한 아로마 향초를 이용하여 낙하하는 동한 대류가 없을 때 연소 불꽃의 모양이 어 떻게 변화하는지 관찰할 수 있도록 제작하고자하였다.

l 자기력 실험

구멍이 있는 원형의 두 개의 자석의 극이 같아 서로 밀어내도록 하여 아래쪽 자석은 접착제를 이용하여 아래 판에 부착하고, 위쪽 자석은 가운데 봉을 통하여 중력과 자기 력에 의해 공중에 떠 있도록 하여 자유 낙하할 때 자석의 무게 효과가 없어지고 자기 력만 있을 때 위쪽의 자석이 어떻게 되는지 관찰할 수 있도록 제작하고자 하였다.

l 물병 낙하

물병 중앙에 구멍을 뚫고 바닥에 접착하였다. 물병에 물을 넣고 자유낙하 하였을 때 에 물줄기가 어떻게 되는지 관찰할 수 있도록 제작하고자 하였다.

l 반구에서의 구슬운동

반구형의 그릇 주위를 구슬이 돌도록 하였다. 구슬이 돌고 있을 때에 자유낙하하면 어떻게 되는지 관찰할 수 있도록 제작하고자하였다.

1. 표면장력 2. 모래시계 3. 부력 4. 대류(양초실험)

5. 자기력 6. 물병 7. 반구위의 구슬 8. 저울(무계측정)

표 1 8가지 낙하실험 타깃 사진

준비된 실험 장치를 이용하여 자유낙하 실험을 다음과 같은 순서로 진행하고자하였다.

자유낙하 실험 장치를 수평이 되도록 세운 후 휴대폰과 인터넷을 연결하는 앱(모비즌) 을 사용하여 휴대폰을 원격조종하였다. 실험 장치가 자유낙하는 동안 발생되는 현상을 모니터로 관찰 또는 휴대폰을 사용하여 녹화한 후, 자유낙하 동안 관측된 부분을 정밀 하게 관찰하며 캡처하였다. 동영상으로 촬영한 영상을 정지 및 캡처함으로써 보다 더 정밀하게 녹화자료를 살피며 관찰할 수 있게 된다. 양질의 화면이 얻어질 때까지 신호 를 저장하고 몇 차례반복한 후에 실험 장치를 교체하여 다음 실험을 같은 방법으로 수 행하였다.

4. 연구 결과

□

l 표면장력 실험

중력에 의하여 수은이 밑으로 퍼져있다가 자유낙하하면서 중력이 없어져 수은에는 표 면장력만 작용하여 수은이 구형으로 변하게 되었다.

l 모래시계

자유낙하 하기 전 모래시계안의 모래들은 중력의 영향으로 아래로 떨어지게 되었지만 자유낙하 하면서 안의 공간이 무중력 상태가 됨으로써 모래는 중력에 영향을 받지 않 아 아래로 떨어지지 않고 그대로 정지하였다.

1. 낙하전(중력) 2. 낙하순간(무중력)

1. 낙하전(중력) 2. 낙하순간(무중력)

l 부력 실험

중력의 반작용인 부력이 탁구공에 작용하여 물에 뜨려고 하였다. 하지만 낙하하는 순 간 작용인 중력이 사라지면서 반작용인 부력 또한 사라지게 되어 고무줄의 탄성력에 의하여 탁구공은 중력이 있었을 때보다 가라앉게 된다.

l 대류 실험

불꽃주위가 대류로 인하여 공기가 위로 향하게 되어 불꽃이 위로 향하는 형태로 피어 나는데 자유낙하 할 때에 공기는 그 순간 무게가 없어져서 대류가 일어나지 않게 되며 불꽃은 퍼지는 형태로 변하게 된다.

1. 낙하전(중력) 2. 낙하순간(무중력)

1. 낙하전(중력) 2. 낙하순간(무중력)

l 자기력 실험

자석이 자기력이 작용하여 중력과 평형을 이루어 뜨게 되는데 자유낙하 하는 순간 중 력이 없어져서 힘의 평형이 무너지게 되어 척력으로 인해 자석이 더욱더 멀어지게 된 다.

l 물병 낙하

물에 중력이 작용하여서 물이 구멍을 통해 흘러나오게 되는데 자유낙하 할 때에 중력 이 없어지면서 물줄기가 멈추게 되었다.

1. 낙하전(중력) 2. 낙하순간(무중력) 1. 낙하전(중력) 2. 낙하순간(무중력)

l 반구에서의 구슬의 운동

구슬을 돌리면서 원심력이 작용하는데 중력이 구심력 역할을 하여 구슬이 그릇에 돌도 록 잡아준다. 그러나 자유낙하하면서 구심력 역할을 하던 중력이 없어지면서 구슬이 원심력에 의하여 밖으로 튀어 나가게 된다.

정지(중력) 낙하순간(무중력)_1 낙하순간(무중력)_2 낙하순간(무중력)_3

1) 낙하하기 전

낙하를 하기전에 반원 통에서 회전 하는 구슬에 작용하는 중력, 원심력, 수직항력 3가 지 힘은 평형을 이루게 되어서 알짜힘(합력)은 0 이되어 구슬은 계속 회전운동을 지속 하게 된다.

2)무중력 낙하 할 때

구슬을 담은 원통이 자유낙하를 하면 무중력 상태가 되어 구슬에 작용하는 중력이 사 라지게 되어 원심력과 수직 항력만 작용하게 되어 위쪽 방향으로 알짜(합력)힘이 생겨 서 구슬은 위쪽 방향으로 튕겨서 올라간다.

l 전자저울사용 무게 측정

무게 측정은 모양이 안정하고 질량(32g)이 적당한 원형테이프를 사용하였다.

테이프에 가해지는 중력의 힘, 곧 테이프의 무게가 32g이었다가 자유낙하하면서 테이프의 가해지도 중력이 없어져서 0이 되었다. 다만 표기가 -2인 것은 저울을 개조하면서 위에 올려둔 아크릴 판을 포함한 채 영점을 설치하여 자유낙하 할 때에 그 아크릴판의 무게도 없어지면서 영점보다 좀 더 낮 은 무게가 되었다. 저울 실험은 원래 타깃부착방식 과 달리 직접 양면테이프로 연결하였다.

1. 낙하전(중력) 2. 낙하순간(무중력)

(낙하전과 낙하중에서의 전자 저울 무게 변화, 32g -> 2g 감소)

1. 낙하전(중력) 2. 낙하순간(무중력)

(사진의 전자저울 글자가 어두워 값을 글자를 넣어 음영처리 하였음)

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3. 결론 및 교육적 기대효과

□ 결론

첫째, 무중력 상황에서 여러 가지 현상들이 어떻게 나타나는지를 관찰하기 위하여 자 유 낙하 실험 장치를 제작하였다. 그리고 자유낙하 할 때의 실험과정을 관찰하기 위하 여 실험 장치에 실험과정을 녹화 및 촬영 할 수 있는 장치를 설치하고 실험과정을 확 실히 보고 알기 위하여 촬영한 영상이 컴퓨터 모니터에 실시간으로 보내질 수 있도록 하였다.

제작한 낙하장치는 다음과 같은 독창성을 가지고 있다.

l 원통형 아크릴을 이용하여 구조를 실린더 형태로 간단이 하여 누가라도 제작 할 수 있게 제작하였고 그리고 아크릴 안에 떨어뜨림으로써 스펀지나 라텍스 등의 충격 완화장치가 있는 곳에 떨어뜨려 충격이 완화되도록 제작하였으며 또한 실험장치의 지름과 원통형 아크릴과의 지름에 차이를 크게 두어 자유낙하 할 때의 마찰을 최대 한 줄여서 짧은 높이에서도 중력가속도를 재현하도록 개발 하였다.

l 휴대폰과 wifi무선전송방식을 이용하여 무중력 상황을 효율적으로 관찰하며 실시간 으로 전송할 수 있도록 고안하여 학생들의 흥미를 유발 할 수 있게 제작하였다.

l 타깃 장착

이중나선 구조의 형태의 타깃 연결 장치를 선택함으로써 타깃의 탈부착을 용이 하게 하여 실험타깃이 달라져도 공통적으로 타깃을 부착할 수 있도록 설계하였다.

둘째, 수은의 둥근 모양 관찰을 비롯한 총 8가지의 주제에 대하여 무중력실험을 고안하였다 l 무중력상태가 되면서 수은의 표면에 표면장력만 작용하면서 수은이 구 형태가 되었

다.

l 무중력상태가 되면서 모래가 아래로 떨어지지 않고 그대로 정지하였다.

l 무중력상태가 되면서 중력의 반작용인 부력이 사라져 탁구공이 고무줄의 탄성력에 의해 아래로 내려갔다.

l 무중력상태가 되면서 공기가 대류 할 필요가 없어져서 불꽃이 솟아오르지 않고 퍼 져갔다.

l 무중력상태가 되면서 자기력과 중력간의 힘의 평형이 깨져 상대적으로 자석이 더 위로 갔다.

l 무중력상태가 되면서 물에 중력이 작용하지 않아 구멍에서 물줄기가 나오지 않게 되었다.

l 무중력상태가 되면서 구심력역할을 하던 중력이 없어져서 구슬이 그릇 밖으로 튀어 올라갔다.

l 무중력상태가 되면서 물체의 무게가 0이 되었다.

l 결과적으로 무중력상태를 직접 관찰함으로써 보다 쉽게 이해 할 수 있게 되었다.

□ 교육적 기대효과

본 연구에서 제작한 무중력현상관찰 낙하장치는 교실수업개선을 위한 과학교구로써 다음과 같은 독창성을 가지고 있다.

1. 원기둥형 아크릴통을 도입하여 낙하장치구조가 매우 단순하며 낙하장치의 가장 큰 어려움이라고 할 수 있는 충격문제를 공기저항 방식의 완충방법을 도입하여 낙하장치 제작이 용이하여 일선 학교의 교실환경에서 사용이 적합한 과학교구로써 제작 보급될 수 있다.

2. 스마트폰과 wifi무선전송방식을 이용하여 무중력 상황을 모니터로 실시간으로 전송 받음과 동시에 휴대폰을 원격조종하여 실험의 촬영 및 녹화를 용이하게 하여 학생 누 구든지 실험을 쉽고 간편하게 하여 무중력실험에 대한 흥미를 높일 수 있도록 제작하 였다.

3. 병 뚜껑 잠금 방식인 나선 구조 형태의 타깃 연결방법을 고안함으로써 실험종류와 실험타깃 모양이 달라져도 통일적으로 타깃을 부착할 수 있는 낙하장치부를 설계하였 다.

이 실험기구를 일선학교에 보급되면 학교라는 공간에서도 무중력실험을 스마트폰으로 보다 쉽고 간편하게 실험을 하고 또한 타깃을 만들어 쉽게 부착할 수 있어 궁금점이 드는 실험을 스스로 개발하여 직접 시도할 수 있음으로 해서 학생들이 보다 쉽게 무중 력에 일어날 수 있는 물리현상들을 이해 할 수 있을 것이라고 예상된다.

□ 사후 개선 사항

l 수조사용(공기저항 감속) 충격방지 낙하장치 제작(4차)

그림9. 공기저항사용 새로 개발 중인 낙하장치(좌) 실험장치 개략도, (우) 제작 장치 테 스트

우리는 앞의 실험장치보다 더욱 효율적인 충격완화방법을 찾다가 공기저항을 이용한 충격완화 방법을 찾아내게 되었다. 거의 크기가 같은 수조가 서로 딱 맞게 들어가면서 공기저항으로 충격을 완화하는 장치를 만들게 되었다. 또한 이 장치는 아크릴 원통과 달리 실험 장치를 꺼낼 필요 없이 그 자리에서 실험 장치에 타깃을 설치할 수 있다.

일선 학교에 보급될 수 있으려면 낙하시 수조와 파이프간의 마찰을 최소화 하여 낙하 가속도 값을 9.0m/s² 이상 크게 유지해야 하도록 조금의 개선사항을 수행중이다.

l 특허출원 신청 및 과학교구 등록

“스마트기기를 이용한 무중력현상 낙하관찰 실험교구” 명칭으로 특허출원 신청을 완료 하였으며 일선학교에 보급하기 위해서 과학교구 등록을 진행 중이다.

5. 참고문헌

1. 오필석 유시욱 이석영 배미정 손정우 소영무 이봉우 최선영 최승규 (2011) 고등학교 과 학. ㈜천재교육,

2. 김영민 김익균, 김성원, 박병윤, 정병훈, 박종원, 김재권, 권경필 (2011) 고등학교 물리I.

㈜교학사,

3. 곽성일, 류상호, 김대규, 안종재, 이옥수, 김재혁, 남경식, 김익수 (2011) 고등학교 물리I.

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4. 김영민 김익균, 김성원, 박병윤, 정병훈, 박종원, 김재권, 권경필 (2011) 고등학교 물리Ⅱ.

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5. 곽성일, 류상호, 김대규, 안종재, 이옥수, 김재혁, 남경식, 김익수 (2011) 고등학교 물리Ⅱ.

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6. 조오근(2004). 놀이기반탐구(PBI) 상황에서 물리탐구 학습 자료의 개발 및 적용. 부산대 학교 박사학위 논문.

7. 국립중앙과학관 홈페이지 전국과학전람회( http://www.science.go.kr/) 8. 모비즌(스마트폰-pc연결) 웹페이지 https://www.mobizen.com/

9. 한국등록실용신안공보 제0456430호 : 무중력 실험 장치 10. 한국등록특허공보 제1376384호 :드롭타워 낙하물 감속 장치