실험보고서 작성법 04: 단진자 운동의 주기(1)

이 포스트는 이공학 고등학생을 위한 과학글쓰기 특강의 내용을 재편집한 것입니다. 일반고 1학년(10학년)을 대상으로 겨울학기 2시간씩 4일 동안 진행했습니다.

아무래도 실험보고서를 어떻게 쓴다는 설명만 가지고는 이해하기 어렵습니다. 직접 실험을 해보면서 실험보고서의 각 양식이 어떤 의미를 가지는지 겪어봅니다. 실험 도구와 실험 방법이 이미 마련되어 있지만, 예비보고서 항목의 의미를 탐구하기 위해 실험 디자인부터 함께 해본다고 가정해보겠습니다. 실험을 함께 구상하는 방식이라 실험보고서 진행 순서가 실험보고서 양식 순서와 다릅니다.

예시의 괄호(())는 분류를 알아보기 편하게 하기 위해서 추가한 것입니다. 실제 실험보고서 양식에서는 제외합니다.

단진자와 주기 (실험 배경 및 이론)

그림 1. 단진자

그림과 같이 실 끝에 매달린 물체가 흔들리는 것을 진자운동이라고 합니다. 조금 더 세밀하게 표현한다면 한 끝이 고정되어 있는 실에 매달린 물체가 한 평면상에서 왕복운동 하는 것이라고 할 수 있겠습니다. 버스 손잡이나 그네, 바람에 흔들리는 커튼 등 비슷한 것들을 쉽게 찾아 볼 수 있습니다.

단진자를 조금 더 살펴봅시다. 한 쪽 최고점에서 다른 쪽 최고점을 거쳐 다시 원래의 최고점으로 돌아오는 시간, 이것을 주기라고 하겠습니다. 주기는 반복하는 운동일 때, 같은 지점에서 같은 운동방향과 같은 속도를 가지는데까지 걸리는 시간입니다. 그러므로 다른 지점을 선택해도 주기라 부를 수 있겠지만, 일단은 편하게 한쪽 최고점을 기준으로 하겠습니다. 단진자의 주기는 왕복할 때마다 바뀔까요?

실험 배경 및 이론을 정리해봅니다. 일단 우리가 다른 대상을 정의해야 합니다. 사전적 정의를 사용하는 방법도 좋지만, 여기서는 실험을 위한 조작정 정의를 주로 사용하겠습니다.

(정의 1)단진자 운동은 한 끝이 고정되어 있는 실에 매달린 물체가 한 평면상에서 왕복운동 하는 것이다. (정의 2)주기는 왕복 운동하는 물체가 한 지점에서 같은 운동방향과 같은 속도일때마다의 시간 간격을 의미한다.

주기를 결정하는 요소 (실험 목적)

단진자의 주기가 일정하다는 것을 관찰했으니, 단진자의 주기가 바뀌게 하는 요소를 생각해봅시다. 단진자를 구성하는 요소들을 관찰해보면,

그림 2. 단진자의 요소

1. 추의 무게
2. 실의 길이
3. 추를 놓는(최고점에서의) 각도, 혹은 진폭

로 생각해 볼 수 있습니다. 진폭은 한쪽 최고점에서 출발하여 다른쪽 최고점까지 이르는 거리입니다. 역시 추를 놓는 각도와 관련이 있습니다. 이 요소들이 진자의 주기에 영향을 미치는지 확인해 보려면 실험을 통해 이들 조건을 바꿔가며 진자의 주기를 측정하면 됩니다. 실험 목적은 이렇게 쓸 수 있습니다.

추의 무게, 실의 길이, 추를 놓는 각도 중 진자운동의 주기에 영향을 미치는 요소를 확인한다.

실험 배경과 이론에도 실험 목적의 근거가 되는 추가 설명을 붙입니다.

(실험 목적의 근거) 진자 운동을 결정하는 요소로 추의 무게와 실의 실이, 추를 놓는 각도를 생각해볼 수 있다. 실험은 이 요소들 중 진자의 주기에 영향을 미치는 요소를 확인할 수 있도록 고안했다.

실험 방법과 실험 도구

결론을 위해 분석이 필요하고, 분석을 위해 데이터가 필요하고, 데이터를 얻기 위해 실험을 합니다. 우선 실험 목적에 맞는 가설을 세워보면, "{요소}가 변화하면 진자의 주기도 변화할 것이다"일텐데요. 알기 쉽게 이렇게 바꿔 쓰겠습니다.

(가설) {요소}의 크기가 증가/감소하면, 진자의 주기가 증가/감소 할 것이다

이 가설에 맞는 실험 방법을 구상해보면 이렇습니다.

{요소 1}과 {요소 2}를 일정하게 하고 {요소 3}만 바꿔 주기를 측정한다.

어떤 방식으로 실험할지를 정했으니 어떤 물리량을 어떤 도구로 측정할지 정합니다. 어떤 실험장비를 쓰느냐에 따라 달라질 수 있습니다. 이 실험의 경우 추의 무게를 잴 저울, 실의 길이를 잴 줄자, 각도를 측정할 각도기, 주기를 측정할 초시계 정도가 일반적입니다. 이제 실험 방법을 설계합니다. 실험 방법은 설치, 조정, 조작, 측정으로 나뉩니다.

(설치) 1. 평평한 바닥에 스탠드를 흔들리지 않도록 고정한다.
(설치) 2. 스탠드 상단에 각도기와 진자고정장치를 설치한다.
(설치) 3. 실의 한쪽 끝을 진자고정장치에 면결하고 반대편 끝을 {50 g} 추와 연결한다.
(조정) 4. 줄자를 이용해 실의 길이를 {1 m}로 조절한다.
(조정) 5. 추를 집어 실을 팽팽하게 유지한 상태에서 각도기의 눈금을 이용해 {10 도}에 맞춘다.
(조작) 6. 추를 놓으며 초시계로 시간 측정을 시작한다.
(측정) 7. 추가 {3 회} 왕복운동 후 추를 놓았던 쪽의 최고점에 닿는 순간 초시계를 멈춰 시간을 기록한다.
(반복) 8. {추의 무게를 바꿔가며} (3) ~ (7)을 반복한다.

중괄호({})의 내용은 실험장비의 상황이나 실험 편성에 따라 바뀔 수 있습니다. 글쓰기를 중심으로 진행한다면 조별로 주어진 관찰요소에 따라 실험할 수도 있습니다. 실험 장비와 필요한 소모품을 모두 결정했다면, 이제 실험 도구를 정리하고 기록해야 합니다. 아래의 예시와 같이 정리할 수 있습니다.

(실험 장비) 높이 1.2 m 이상 스탠드, 진자 고정장치, 분동추 (50 g / 100 g / 150 g), 실 1.2 m
(측정 장비) 줄자, 각도기, 초시계

실험 방법을 결정하는 과정에서 결과를 기록하는 양식도 결정해야 합니다. 이번 실험의 경우 결과 표는 아래와 같은 양식을 쓸 수 있습니다.

추의 무게(g)	실의 길이(cm)	초기 각도(도)	주기(초)
50	100	3
50	100	6
50	100	9
...

예시는 주기를 한 번만 측정하는 것으로 하였지만, 가능한 여러 번 측정하는 것이 좋습니다.