주사기 이용한 초간단 공기 부력 실험

부력실험을 할때 대부분 물속에서의 부력을 측정해서 보여 준다.
그런데 교과서에 나와 있는 부력에 대한 설명을 보면
부력이란 액체나 기체속에 있는 물체가 중력과 반대방향으로 떠오르려는 힘이라고 한다.
그리고 액체나 기체속에서 잠긴 물체의 부피가 커질수록 부력은 커진다

액체에 대한 실험은 많기 때문에 기체의 부력에 대한 실험을 설계해 보았다.

우선 끝이 막힌 주사기와 주사기를 잡아 늘려서 고정시킬 수 있도록 길이가 다른 나무젓가락들을 준비한다.
처음에 주사기 내부에 15ml 정도 공기를 넣은 이유는 그래야 주사기를 팽창시킬 수 있다.
(처음부터 공기가 들어있지 않은 주사기를 이용하면 팽창시키기 어렵다(보일의 법칙 때문))

그리고 소수점 둘째자리 까지 측정이 가능한 저울을 준비한다.(공기에 의한 부력차이는 워낙 작기 때문에 무게 차이가 소수점 둘째자리에서 변한다.)

나무젓가락 조각과 주사기를 모두 올려 놓고 무게를 측정하고, 나무젓가락을 주사기에 끼워 부피를 늘려가며 무게를 측정해 본다. 그럼 무게는 어떻게 변할까? (이 실험에서는 무게와 질량을 혼용해서 사용하겠다. 엄밀히 말하면 g 은 질량값이다.)

주사기의 부피를 늘려 주면 저울의 측정값이 부력때문에 작아지는 것을 확인할 수 있다.

실험결과 약 35ml 부피를 증가시키면 저울의 측정값은 약 0.04g 정도 작아진다.

이는 이론적인 값과도 거의 일치하는 결과이다.

이론적으로 26도 1기압에서 공기 1L(1000ml) 당 질량은 약 1.18g 정도 된다. 따라서 10ml 당 공기의 무게는 약 0.012g 정도가 된다.

주사기를 이용한 실험에서 35ml 의 부피가 증가하면 그 부피만큼의 공기의 무게에 해당하는 부력이 생기게 된다. 그럼 약 0.04g 정도 변화가 생긴다는 것을 알 수 있다.

부피변화가 작아서 측정값에 오차가 생길수 있다. 부피변화를 크게 할 수 있는 물체 또는 주사기 여러개를 사용하면 훨씬 더 정확한 실험이 될 것이다.

대부분 학생들은 주사기를 잡아당겨 부피를 증가시켜 놓아도 측정값이 변하지 않을 것이라 생각했다. 직접 실험을 보여주면 부력은 액체뿐만 아니라 기체에서도 생긴다는 것을 쉽게 설명할 수 있다.

부력 수업을 하고 나서 심화 문제로 제시하고 토의해 보게 하면 다양한 의견이 나온다. 토의 과정에서 부력에 대한 개념을 잡는데 도움이 된다.

간단하게 공기 무게 측정하는 방법은 아래링크 참고

https://sciencelove.com/2182

초간단 공기 무게 측정하기