저울을 이용한 다양한 부력 실험 탐구

부력에 대한 내용을 배운 후, 확실히 이해 했는지를 확인하기 위한 실험이다.

실제 수업시간에  윗접시 저울이나 전자 저울을 이용해서 탐구 실험해 보게 하는게 목표다.

참고로 부력이란 기체나 액체가 그 속에 들어 있는 물체를 위쪽(중력의 반대방향)으로 밀어 올리는 힘이다. 그리고 부력의 크기는 물체의 무게와 상관없고, 물에 잠긴 물체의 부피와만 상관이 있다. 당연히 물에 잠긴 부피가 클수록 부력은 커진다.

아래 문제와 같은 상황에서 어떤 결과가 나올지 실험해 보기 전에 스스로 탐구해 보게 하자. 그리고 왜 그렇게 생각하는지 적어 보게 하자. 나중에 실험을 통해서 자신의 예상이 맞는지 확인하게 할 생각이다.

먼저 윗접시 저울 양쪽에 물이 든 비이커를 올려 평형을 이루게 장치한다. 

1. 오른쪽에만 쇠공이 가라 앉아 있는 경우
    공이 무겁기 때문에 가라앉는다. 

2. 오른쪽에만 탁구공을 넣어 물위에 떠있는 경우
   공이 물보다 가볍기 때문에 물 위에 떠 있는다.

3. 오른쪽 컵에 손가락을 담그는 경우
  오른쪽 컵에 손가락을 담그면 어떻게 될까?

4. 오른쪽 쇠공은 가라앉고 왼쪽 탁구공은 물위에 떠 있는 경우
  똑같은 크기의 공이지만 오른쪽 공이 훨씬 더 무겁다는 것을 알 수 있다.

5. 무게가 다른 2개의 공이 가라앉아 있는 경우, 단 오른쪽 공이 왼쪽 공 보다 더 무거운 경우
    둘다 무거운 공이지만 오른쪽 공이 더 무겁다.

6. 무게가 다른 2개의 공이 물위에 떠있는 경우, 단 왼쪽 공이 물에 더 많이 떠 있는 경우
  둘 다 물위에 떠 있지만 왼쪽공이 더 가볍다.

7. 왼쪽 가벼운 탁구공과 오른쪽 무거운 쇠공을 물 중간에 고정시켜 놓는 경우
   단 탁구공은 철사를 이용해서 못 떠 오르게 누르고 쇠공은 실을 이용해서 천장에 묶어 둔다. 그리고 두공의 크기는 똑같다.

8. 오른쪽에만 탁구공을 컵 바닥에 묶어 중간에 띄워 놓는 경우
  가벼운 탁구공이라 물 위에 떠 오르려고 하는 걸 억지로 컵 바닥에 못 떠 오르게 묶어 놓았다. 그랬더니 컵 중간 까지만 떠서 멈춰 있다.

9. 오른쪽에만 쇠공을 천장에 매달아 중간에 띄워 놓은 경우
  가라앉은 쇠공을 실로 묶어서 중간에 떠 있도록 잡고 있는 경우

  
10. 왼쪽에는 탁구공을 컵 바닥에 묶어 중간에 띄워 놓고, 오른쪽에는 쇠공을 천장에 매달아 중간에 띄워 놓은 경우
  왼쪽 탁구공은 실이 끊어지면 위로 떠오른다. 오른쪽 쇠공은 실이 끊어지면 가라 앉는다. 

11. 왼쪽에는 탁구공이 물위에 떠 있고 오른쪽에는 같은 탁구공을 수조 바닥에 묶어 중간에 띄워 놓는 경우
  오른쪽 탁구공 실이 끊어져서 위로 떠 있는 모습이 왼쪽 탁구공이라고 생각하면 된다. 

가상실험 : 아래 윗접시 저울 부력 문제 링크를 보내 주면, 비대면 수업이나, 스마트 수업에서도 활용할 수 있다.

단 가상실험의 경우에 탁구공과 쇠공의 무게는 다르지만 크기는 같다고 가정한다. 또 공이 물에 들어가면 수면이 높아져야 하는데, 아래 링크에 있는 가상실험에서는 수면의 변화를 볼 수 없다. 수면이 조금 변했다고 가정하고 문제를 풀게 하자.
https://sciencej.cafe24.com/html5/buoyancyproblem/buoyancyproblem.html

위 링크를 주고 접속해서 직접 풀어 보게 하자. 
각각의 문제 답을 생각해 보게 하자. 또는 오른쪽으로 기울어진 문제는 몇 개가 있는지 맞춰 보게 하자.

가상실험 정답 설명

선생님이 함께 정리 해 줄때는 아래 링크에 가서 정리해 주면 된다. 아래 링크에 가면 정답화면을 볼 수 있다.
https://sciencej.cafe24.com/html5/buoyancyproblem/buoyancyproblem_dab.html

직접 실험해서 정답을 찾아가도록 하면 좋다.

가능하면 실험실에서 아래 영상처럼 직접 실험해 보게 하면 좋다.

속이 비어 있는 공과 추를 이용해서 공의 무게를 조절한다
그리고 바닥에 고정시키기 위해서 컵안에 고리자석과 컵 바닥에 일반자석을 이용해서 고정시키고 직접 실험해 보게 하면 좋다.

혹시 실험이 어려운 경우에는 아래 영상을 보고 다시 문제를 풀게 해도 좋다. 

https://youtu.be/0qRTiYzGHdw

 

<결국 실험을 정리해 보면>

물에 뜨거나 가라앉는 것과 상관 없이 물에 넣어진 공의 무게 만큼 저울의 측정값은 증가한다. 이는 너무나 당연한 결과다. 물에 넣은 공의 무게가 어떤 이유로든 사라질 수 없기 때문이다.
공이나 물체가 바닥에 가라앉지 않는 경우에는 공이 물에 얼만큼 잠겨 있느냐를 이용해 공의무게를 알 수 있고, 그만큼만 저울의 측정값에 영향을 끼친다. 즉 부력의 크기만큼 무게가 증가하는 것이다. 따라서 쇠공을 천장에 매달아 놓거나, 탁구공을 강제로 물에 잠기게 했을 때, 물에 잠긴 부피가 얼마인가에 따라 무게가 결정된다.
손가락을 담그는 경우도 쇠공을 천장에 매달아 놓는 경우와 마찬가지다. 물에 담긴 손가락이 물속에서 얼만큼의 부피를 차지 하는 가에 따라 무게가 변한다.

마지막으로 탁구공을 바닥에 고정시켜서 중간에 떠 있게 하는 경우이다. 이는 탁구공이 물 위에 떠 있을 때랑 같은 무게라는 것을 알 수 있다. 억지로 물에 넣어서 커진 부력 크기와, 억지로 생긴 부력 때문에 바닥에 묶인 실이 위로 작용하는 힘이 같아지기 때문에 결국 전체적인 무게는 변하지 않는다.

학생들에게 문제를 제기하고 실험재료만 나눠 준 다음, 스스로 실험을 설계해서 11가지 문제를 해결하게 한다면 부력에 대한 개념을 확실하게 이해하는데 도움이 될 것이다. 

<참고 : 동영상에서 실험에 사용한 재료>

분리할 수 있는 계란모형 또는 투명공 플라스틱 아크릴볼(원) 4cm 짜리
추 또는 낚시용 봉돌 또는 고무찰흙
전자저울
투명 컵
고리자석과 네오디움 자석
실
실과 고리자석을 걸 수 있는 작은 고리

<추가질문> 

저울위에 컵을 올리고 물을 채운 다음 장난감배와 같은 물체를 띄우고 아래와 같은 실험을 했을 때 저울의 무게변화는?
1. 떠있던 장난감 배가 침몰한다면 무게는?
2. 장난감 배가 실고 있던 짐을 떨어뜨린 다면 무게는?
3. 물속에 있던 장난감 잠수함이 침몰한다면 무게는?
4. 얼음이 녹는다면 무게는
5. 쇳덩어리가 들어있는 얼음이 녹는다면 무게는?
6. 공기방울이 들어있는 얼음이 녹는다면 무게는?

<추가사항>

만약 전자저울이 준비되지 않는 다면 어떻게 실험할 수 있을까?

 고무줄 또는 용수철 저울에 물컵을 매달고 위 동영상에서 한 실험을 하면 됨. 이때 고무줄이 늘어나면 무게가 증가한 거고, 고무줄이 줄어들면 무게가 감소했다는 것을 알 수 있다. 학생들에게 전자저울을 준비해 주지 말고 고무줄만 재료로 준비해 주고 실험설계를 해 보라고 해도 좋을 듯 하다. 

<참고자료>

수업시간에 학생들과 추가로 해보면 좋은 헬륨풍선 부력실험

https://sciencelove.com/2275

헬륨풍선과 작은 종이컵 또는 일회용 스포이트를 이용한 부력 실험

물컵안에 얼음이 녹으면 수면 높이는?(부력이용)

https://sciencelove.com/2645

물컵 안에 얼음이 녹으면 수면 높이는? (부력 이용 문제 및 풀이)