공기가 사라지면 기체의 부력이 작아진다는 것을 눈으로 보여주기 위해 개발한 실험이다.
진공용기안에 미세질량이 측정 가능한 양팔저울(http://sciencelove.com/2062)만들고 부피가 큰 스티로폼구를 넣어 양팔저울이 평형이 되게 만든다.
그리고 뚜껑을 덮은 다음 진공용기 안에 공기를 줄여나가면 부피가 큰 스티로폼구에 작용하는 부력이 작아져 스티로폼구 쪽으로 양팔저울이 기울어지게 된다.
부력은 액체뿐 아니라 기체에서도 부피가 클수록 크게 작용한다. 정확하게 말하면 부력의 크기는 물체의 부피만큼의 공기의 무게가 된다. 부력의 방향은 중력의 반대방향이 된다.
아래는 위키 백과사전에 나온 부력에 대한 설명이다.
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부력(浮力; 문화어: 뜰힘)은 물체를 액체(기체)에 넣으면 그 물체를 중력에 위로 밀어올리려는 힘이다. 유체정역학에 따르면 부력의 크기는 잠긴 물체에 의해 대체된 부피만큼의 액체(기체)무게에 해당된다. |
만약 공기를 제거해서 진공을 만든다면 물체를 밀어올리는 기체가 없기 때문에 부력은 0 이 될 것이다. 새로 제시한 실험처럼 공기를 줄여나가면 스티로폼구에 작용하는 부력이 점점 작아져 스티로폼구 쪽으로 양팔 저울이 기울어 지게 될 것이다.
처음에는 전자저울을 넣어서 공기가 줄어들수록 측정값이 증가되는 것을 보여주려고 했는데 예상과 반대결과가 나와 당황스러웠다. 다양한 방법으로 시도해 보았으나 공기를 제거할 수록 전자저울의 측정값이 작아 졌다. 이유를 몰라 당황해 하다가
나중에 전자저울만 넣고 공기를 줄여나가도 측정값이 감소하는 것을 알 수 있었다. 또 전자저울의 온도를 변화시켜도 측정값이 변한다. 따뜻해 지면 증가하고 차가워지면 감속한다. 진공용기를 감압시키는 동안 내부 온도가 떨어져 측정값이 감소하는게 아닐까 의심해 본다.
정확한 원인은 알 수 없으나 온도 변화나 압력 변화가 전자저울의 값을 바꾸는 것으로 보인다.
실패한 실험이라 지워버릴까 하다가, 학생들에게 문제로 제시하고 오류를 찾게 하면 개념을 잡는데 도움이 될 것 같아서 삭제하지 않고 살려두기로 했다. 학생들에게 이 실험을 보여주면 아무생각 없이 공기가 줄어들면 측정값이 감소하는 걸 당연하게 받아 들인다. 공기가 줄어들면 측정값이 증가한다는 걸 다시한번 설명해 주면서 부력의 개념을 확실하게 잡게 하는데 도움이 될 것이다. 따라서 학생들에게 이 실험에 오류가 무엇인지 찾아보게 하는 것도 재미있는 탐구활동이 될 것이다.
아래는 진공용기가 아니라 주사기를 이용한 기체의 부력 실험이다.
http://sciencelove.com/2271
