'중3과학/3단원(운동과 에너지)'에 해당되는 글 2건

  1. 2020.06.13 자유낙하 가상실험 프로그램
  2. 2020.06.12 섬광사진을 이용한 운동분석 가상실험
2020. 6. 13. 18:34

자유낙하 가상실험 프로그램이다. 아래 링크에서 실험하다 왔겠지? 안 하다 왔으면 아래 링크 눌러서 실험해 보도록 해

http://sciencej.cafe24.com/html5/freefall/freefall.html

자유낙하 운동에 대해 알아볼까?

 

공기저항이 없을때 지구로 떨어지는 물체는 시간에 따른 속력변화가 일정한데 이러한 운동을 자유 낙하 운동이라고 해

위 가상실험에서 확인해 볼 수 있지. 모두 똑같이 떨어지잖아.

 

그런데 무거운것과 가벼운것을 높은 곳에서 떨어 뜨리면 똑같이 떨어진다고?

그건 교과서에나 나오는 이야기이고 실제 떨어뜨려 보면 무거운 것이 먼저 떨어진다.

 

위 가상실험에서 무거운공과 보통공을 떨어 뜨려봐 어떤게 먼저 떨어지는지, 잘 구분이 안된다고? 그럼 깃털과 보통공을 떨어뜨려봐. 물체를 좌우로 움직일 수 있으니까 나란히 놓고 떨어 뜨려도 되고, 아니면 겹쳐놓고 떨어 뜨려도 되.

 

실제로 떨어뜨려 보면 무거운 공이 빨리 떨어진다는 걸 알 수 있단다.

가상실험이 아니라 직접 경험해보고 싶으면 화장지를 하나 꺼내서 책이랑 떨어뜨려 보면 금방 알 수 있어.

그런데 왜 교과서에는 무거운 공이나 가벼운 공이나 똑같이 떨어진다고 말하지?

 

거기에는 조건이 하나 필요하지. 그건 바로 바로 바로 공기의 저항이 없다는 조건이야.

 

가상실험에서 우측 공기저항 옵션에서 진공으로 바꿔 놓고 실험해 보면, 똑같이 떨어지는 걸 알 수 있어. 공기저항이 없으면 물체의 운동은 오로지 중력에 의한 힘만 받게 되거든.

공기가 더 많아지면? 그건 가상실험에서 진공을 끄고, 대기압을 바꿔 보면서 실험해 보면 알 수 있을 거야.

 

그래도 무거운 공은 중력을 크게 받으니까 빨리 떨어질거라 생각되지 않니?

무거운 공이 가벼운 공이랑 똑같이 떨어지는 이유는 무거운공은 질량이 크기 때문에 중력이 커지지만, 무겁기 때문에 움직이기가 쉽지 않다는 거지. 그래서 결국 똑같이 떨어지게 되는 거야.

즉 질량이 2배 큰 걸 똑같이 움직이게 하려면 힘을 2배로 줘야 하겠지. 질량이 2배 커지면 중력도 2배 커진다고 . 그럼 물체의 움직임은? 이전과 같게 된다는 거지

 

무거운 공이라는 것은 사실 가벼운 공 여러개를 뭉쳐 놓은 것과 같지, 축구공 2개를 양손에 잡고 그냥 떨어 뜨려 보고, 그 다음에 축구공 2개를 실로 묶어 놓거나 본드로 붙여 놓고 떨어뜨려 봐도 떨어지는 속력은 변하지 않아.

 

자유낙하 운동은 물체의 질량과 상관이 없이 속력이 빨라지는 정도가 항상 같은 운동을 하게되는 거야. (당연히 공기저항이 없다고 가정해야지)

 

고등학교에서 나오는 문제인데, 공을 같은 높이에서 하나는 그냥 떨어 뜨리고, 하나는 옆으로 힘껏 차면 어떤 공이 먼저 떨어질까? 공기저항을 무시하면 떨어지는 속도는 중력하고만 관계가 있기 때문에 둘다 똑같이 떨어진단다. 위 가상실험에서 보통공과 보통공이동 을 진공에서 동시에 떨어뜨려 보면 알 수 있지.

아래로 떨어지는 공은 오직 중력에 의해서만 결정된다는 것을

 

 

낙하산을 폈을때와 피지 않았을때 떨어지는 속도가 다르다는 건 알고 있겠지? 그런데 만약 공기 저항이 없는 곳이라면 어떨까? 궁금하지 않니?

그래서 가상실험에 사람 모형을 추가해 놓았다. 이것도 공기저항을 바꿔 가면서 실험해 보도록 해

 

모눈종이 1칸이 5m라고 가정하고 시간에 따른 속력 그래프를 한번 그려보면,

자유낙하 운동은 시간에 따라 속력이 일정하게 빨라진다는 것도 알수 있고, 중력가속도도 구할 수 있지.

 

그리고 위 실험에서 설명한 것처럼 자유낙하하는 물체는 질량과 관계없이 속력이 빨라지는 정도가 일정하다는 것도 알 수 있단다.

 

정말로 공기가 없는 진공이라 공기저항이 없다면 똑같이 떨어질까?

BBC에서 실험한 영상이 있네. 이것도 한번 보도록 해.

 

 

 

Posted by 민서아빠(과학사랑)

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2020. 6. 12. 09:06

섬광사진을 통해 운동을 분석하기 위한 가상실험 프로그램이다.

아래 링크에서 가상실험 하다 왔겠지? 안 했으면 아래 링크를 눌러 가상실험을 함께 하면서 내용을 살펴 보도록 해.

http://sciencej.cafe24.com/html5/stroboscope/stroboscope.html

 

<운동분석>

  어떤 물체가 운동할 때 속력이 빠른지, 느린지, 또는 속력이 변하는지 변하지 않는지 어떻게 알 수 있을까?

운동을 분석하는 가장 고전적인 방법이 섬광사진(stroboscope)을 이용하는 방법이야.

 

깜깜한 암실에서는 아무것도 안보이는데 일정한 시간 간격으로 섬광을 발생시키면 불이 들어오는 순간만 사진에 촬영이 되거든. (위 가상실험에서는 불이 꺼졌을때도 공이 보이는데, 사실은 불이 꺼져 있는 동안은 공이 보이지 않아.)

위 가상실험에서 해 보면 알겠지만, 그래서 공의 위치가 일정한 시간간격으로 사진에 남게 된단다.

 

이제 우리는 운동을 분석할 수 있게 되었어. 경로가 남아 있으니까.

어디보자. 운동이 빨라지면 공의 간격이 넓어 진다는 것도 알 수 있고, 공의 간격이 일정하면 등속운동이라는 것도 확인 할 수 있게 된거지.

또 중력이 작용하는 곳에서는 공이 아래로 떨어질때 시간이 지날수록 일정한 비율로 점점 빨라진다는 것도 공의 간격을 분석해보면 알아낼 수 있었지. 

가상실험을 하면서 아래에 위치한  옵션들을 이것 저것 바꿔 가면서 확인해 봐.

운동시작 하기 전에 드래그해서 축구공의 위치를 바꿀 수 있는 건 알고 있겠지?

 

<가상실험에서 이런걸 고민하면서 실험해 봐>

 
1. 섬광사진이 어떻게 촬영되는지 그 이유는?
2. 섬광사진 터지는 시간이 변하면 똑같은 운동이라도 화면에 보이는 공의 갯수가 변할까? 그 이유는?  그럼 다른 운동일까?
3. 속력이 일정한 등속운동인지 어떻게 알 수 있지? 또 어떤 운동이 더 빠른지 어떻게 알 수 있지?
4. 중력효과를 넣어서 교과서에 나오는 것처럼  포물선 운동이나 자유낙하 운동을 만들어 보자. 그리고 왜 그런 모양이 되는지 생각해 보자. 

  아래 옵션처럼 바꾸고 공의 위치를 맨 아래로 내려 놓은 다음 운동을 시키면 포물선 모양의 운동이 만들어 지지. ^^

5. 그리고 여러가지 운동을 시켜 보고, 서로 비교해 보면서 어떤공통점이 있고, 어떤 차이가 있는지 생각해 보자.  
최근에 한 실험의 흔적이 남아 있기 때문에  5개까지 운동을 비교해 볼 수 있어.

 

<추가질문 - 조금 어려울수도 있어>

가상실험에서 배경에 있는 한칸의 간격은 몇 m 일까?

위 가상실험에서 중력이 작용할 때 중력가속도는 얼마일까? 구해낼 수 있을까?

 

요즘은 기술이 좋아져서 암실이 아닌 곳에서도 카메라의 연속촬영 기능을 이용해서 운동을 분석하기도 한단다. 위 가상 실험에서 암실체크를 끄고 해 볼 수 있지.

 

이건 선생님이 스마트폰에 있는 앱을 이용해서  직접 촬영해 본 운동분석 영상이야.  속력이 변하는지 안변하는지 알 수 있겠니?

 

뭐 이거까지 알 필요는 없겠지만, 참고로 불이 켜지는 시간을 조절할 수 있는 섬광을 이용하면 빠르게 돌아가는 선풍기 날개 회전수도 알아낼 수 있다. 어떻게 알아낼 수 있냐고? 그건 선생님이 촬영한 영상을 한번 봐.

이건 섬광사진의 원리에 대한 설명이니까 자세한 내용은 몰라도 되. 관심있는 사람만 보도록.... ^^

 

Posted by 민서아빠(과학사랑)

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