물리학 실험 교과목 소개 (1)


유 인 석


머리말

물리학 실험 교과목은 그 중요성에도 불구하고, 많은 투자와 노력이 지속적으로 이루어져야 하기 때문에, 그 동안 만족스러운 교육이 이루어지지 못한 것이 사실이다. 그러나 학부제 등 교육 환경의 변화와 대학 내외에서의 요구에 의해 더 이상은 방치하고 있을 수가 없게 되었다. 서울대학교에서는 4년 전부터 1학년 학생들이 수강하는 물리학 실험 교과목을 개선하기 위한 노력을 기울여 오고 있다. 이러한 노력은 앞으로도 계속되어야 하겠지만, 그 동안의 경험 등을 포함하여 여기에 소개함으로써 다른 대학에서의 유사한 노력에 도움이 되고자 한다. 다만, 학교 사정에 크게 의존하는 실험 교육의 속성상 여기에 소개하는 내용은 현재의 서울대학교의 여건에서 최선일지언정 그 자체로 최상은 아닐 수 있음을 밝힌다.

1. 배경

서울대학교 물리학과에서 제공하는 물리학 실험 과목은 물리학 강의와 함께 매 학기 2000명 이상의 학생들이 수강하는 중요 교과목이다. 그러나 학교의 재정 사정 등에 기인하여 오랜 동안 실험 내용이나 장치에 만족할 만한 개선이 이루어지지 못했었다. 그러던 차에 1996년도부터 연차적으로 서울대학교 자연과학대학을 학부제로 운영하기로 결정되었고, 물리학과에서는 이를 물리학 실험 교육의 수준을 향상시키는 계기로 삼기로 하였다. 1차적으로 1995년도에 학과 예산의 큰 부분을 일반 물리학 실험실 예산으로 할당하여 대대적인 지원을 하였다. 학과의 지원은 예산상의 지원에 그치지 않고 담당 교수의 강의 부담을 면제하여 물리학 실험 개선 작업에 전념할 수 있도록 하였으며 또, 전담 조교 2명의 배정과 담당 조교들의 담당 시간을 줄여 나은 지도가 이루어질 수 있도록 배려하는 등의 전폭적인 것이었다.

이와 같은 학과의 지원 속에서 물리학 및 실험 과목의 실험 부분과 물리학 실험과목은 1996년 1학기부터 대폭적인 변화를 맞이하게 되었는데, 그 주된 내용으로는

① 조화있는 실험 교육을 위한 실험 종목의 조정

② 실험 기구의 현대화 등 실험 내용의 개선

③ 인터넷을 이용한 실험 교과목의 효율적 운영

④ 자율적인 실험 기회를 제공하기 위한 개방 실험실의 운영

⑤ 실험실마다 컴퓨터 네트웍의 설치

⑥ 전용 게시판의 설치와 운용

⑦ 매 학기 수강 학생 중에서 최우수학생과 담당 조교 표창

을 들 수 있다.

2. 실험 종목

실험 종목은 학기 중에 여러 차례 실험 기구를 교체 설치해야 하는 등의 운영상의 이유로 과거의 12종목을 정리하여 매 학기 8 종목의 실험을 하고 있으며, 특이한 것은 모든 학생들이 반드시 전 종목의 실험을 수행하도록 요구한다. 또, 단 학기 과목을 위해 8종목의 실험을 준비하였다. 이 중에는 통년 학기 실험과 중복되는 것이 4종목이 있으나, 단 학기 교과목의 특성에 맞도록 독자적인 실험을 하는 것을 원칙으로 하였다.

실험의 숫자가 적으므로 실험 종목의 선정은 특별히 신경을 써야 했으나, 기존의 보유 기기를 최대한 활용하여야 하는 제약도 받았다. 특히 수강하는 학생들에게 딱딱하게 느껴지는 실험의 제목을 다분히 희화적으로 택함으로써 학생들이 관심과 친근감을 가질 수 있도록 하였다. 이렇게 선정되어 현재 시행 중인 실험 종목은 다음과 같다.

물리학 및 실험 1 [이 교과목은 자연과학부 학생들을 제외한 타 대학 재학생들을 위한 통년 교과목의 1학기 부분으로 4학점이 부여되며, 주당 3시간의 강의와 2시간의 실험으로 구성되어 있다.]과 물리학 실험 1 [이 교과목은 자연과학부 학생들을 위한 통년 교과목의 1학기 부분으로 1학점이 부여되며, 주당 2시간의 실험으로 구성되어 있다.]의 실험 종목

실험1-1. 뉴턴의사과는어떻게떨어졌는가?(뉴턴의만유인력과운동법칙)

실험 1-2. 시지프스의 고민(역학적 에너지의 보존)

실험 1-3. 당구의 역학(선운동량의 보존과 2차원 충돌)

실험 1-4. 우주선의 자세 제어 방법(각운동량의 보존)

실험 1-5. 용수철 흔들이의 운동(되돌이힘과 홑어울림 운동)

실험 1-6. 신비로운 맞춤(껴울림 현상)

실험 1-7. 파동 - 어디에서 왔다가 어디로 가는가?(파동의 발생과 전달)

실험 1-8. 에너지의 모습

(열-역학적 에너지의 보존)

물리학 및 실험 2 [이 교과목은 자연과학부 학생들을 제외한 타 대학 재학생들을 위한 통년 교과목의 2학기 부분으로 4학점이 부여되며, 주당 3시간의 강의와 2시간의 실험으로 구성되어 있다.]와 물리학 실험 2 [이 교과목은 자연과학부 학생들을 위한 통년 교과목의 2학기 부분으로 1학점이 부여되며, 주당 2시간의 실험으로 구성되어 있다.]의 실험 종목

실험 2-1. 전하와 전하 사이(쿨롱의 법칙)

실험 2-2. 등전위선(전기마당과 가우스의 법칙)

실험 2-3. 전류가 만드는 자기마당(비오-사바르의 법칙과 앙페르의 법칙)

실험 2-4. 전류와 전류 사이(로렌츠의 힘)

실험 2-5. 전자기이끎 현상(패러데이의 전자기이끎 법칙)

실험 2-6. R, L, C 흐름길(직류, 교류 및 껴울림 특성)

실험 2-7. 빛의 진행(빛의 반사, 굴절 및 편광)

실험 2-8. 에돌이발에서 생긴 일(빛의 에돌이와 간섭 현상)

*주: 현행 실험 2-7과 2-8을 묶어서 한 실험으로 축소하고, 대신 실험 2-8을 현대물리 관련 실험으로 대체할 계획임.

물리학 및 실험 [이 교과목은 자연과학부 학생들을 제외한 타 대학 재학생들을 위한 단 학기 교과목으로 4학점이 부여되며, 주당 3시간의 강의와 2시간의 실험으로 구성되어 있다.]과 물리학 실험[이 교과목은 자연과학부 학생들을 위한 단 학기 교과목으로 1학점이 부여되며, 주당 2시간의 실험으로 구성되어 있다.]의 실험 종목

실험 S-1. 뉴턴의 사과는 어떻게 떨어졌 는가? (뉴턴의 만유인력과 운동법칙)

*주: 통년 학기 실험 1-1과 동일

실험 S-2. 요요의 역학(회전운동과 관성모멘트)

실험 S-3. 물체 흔들이의 운동(되돌림힘과 홑어울림 운동)

실험 S-4. 공기 기둥에서의 떨림(껴울림 현상)

실험 S-5. 전구의 물리학(필라멘트의 전기저항과 열전달)

실험 S-6. 전기 마당과 등전위선(쿨롱의 법칙, 가우스의 법칙)

*주: 통년 학기 실험 2-2와 동일

실험 S-7. 전류가 만드는 자기마당(비오-사바르의 법칙, 앙페르의 법칙)

*주: 통년 학기 실험 2-3과 동일

실험 S-8. 빛이 있는 곳에 (빛의 전달 특성)

*주: 통년 학기 실험 2-7과 동일

3. 실험 내용

많은 수의 수강 학생 수 때문에 한 종목 당 48셋트의 기구가 필요하다. 또, 실험 중 고장나는 기기들을 즉각 대체해 주기 위한 12셋트의 보충용 기구를 포함하여 총 60셋트가 기본적으로 소요된다. 고장나는 기기의 조속한 수리 여부가 실험 교육의 성패에 중요한 한 요인이 되기 때문에, 실험 기기는 외국 제품보다는 가능한 한 국내 제품을 사용하기로 하고 또, 생산 업체로 하여금 수시로 수리를 해줄 것을 요구하였다.

적은 수의 실험을 통해서도 다양한 경험을 쌓을 수 있도록 기구의 사용이나 실험 방법 등을 배분하였다. 특히 컴퓨터를 사용한 실험의 확산 추세에 따라 전체 실험 종목 수의 반을 컴퓨터를 사용하여 측정을 자동화시키고, 데이터를 분석하는 실험으로 구성하였다. 이를 위해 서울대학교의 중앙전산원에서 퇴역한 386 컴퓨터 등 60대를 증여 받고, 286 컴퓨터 30대와 386 컴퓨터 30대를 염가에 구입하여 사용하고, 여기에 필요한 프로그램들을 자체 개발하였다. 이와 함께 학생들이 손으로 직접 측정하거나, 같은 측정을 여러 번 되풀이하여 측정 오차를 줄이는 실험도 경험하고, 그래프에 의한 데이터 처리 방법 등을 익힐 수 있도록 실험 내용을 고르게 준비하였다.

여기서 중요한 것은 실험의 내용을 정하고 학생들에게 제공할 실험 지침을 마련할 때 반드시 담당 교수가 학생의 입장에서 직접 실험을 해보아야 한다는 점이다. 간혹 머리 속에서만 생각하여 작성하거나 기성 실험서를 그냥 활용하는 경우가 있는데 이는 피해야 할 일이다.

4. 실험 교과목의 운영

실험 교과목의 운영이 원활히 되기 위해서는 실험 전반의 실시간 운영이 이루어져야 한다. 즉, 실험 기구의 사용이 항상 가능하게끔 실험 기구의 관리와 수리 및 유지가 지속적으로 이루어져야 하고, 각 실험반을 맡고 있는 담당 조교들의 역할이 매우 중요한데 이를 수시로 점검할 수 있는 체제가 갖추어져야 하며, 수강 학생들과의 자유로운 의사 소통을 통한 실험 내용의 수시 개선이 가능해야 한다.

많은 수의 실험 기구의 유지 보수를 위해서는 국내 제작한 기구의 제작 업체로부터의 고장 수리 협조와 함께 물리학 실험의 전담 직원이 필수적이다. 서울대학교의 경우 3인의 일반 물리학 실험실 전담 직원이 9개 실험실에서 사용되는 50여 종 3000여 점의 주요 실험 기구를 관리하고 있다. 이외에도 120여대의 컴퓨터의 유지 보수를 위해 컴퓨터 업체와 연간 용역 계약을 맺고 있으며, 실험용 컴퓨터 프로그램의 개발과 관리를 전담 조교 2인이 담당하고 있다.

대학원 학생들 중에서 선발되는 물리학 실험 담당 조교들은 소위 교육 조교(TA)로서 매 학기 두 실험반의 지도를 담당한다. 한 실험반은 2인 1조의 실험조가 최대 12개조까지로 구성되어 있다. 과거 3인 1조의 실험조를 편성하던 것을 2인 1조로 줄여서 겉도는 학생이 없도록 하였으며, 한 조교가 세 실험반을 담당하던 것을 두 실험반으로 줄여서 조교의 부담이 줄어든 대신 내실 있는 지도가 이루어지도록 하고 있다. 특히 한 실험조가 실험 보고서를 공동으로 제출할 수 있도록 하였고, 실험과 실험 보고서의 작성에 조원이 모두 참여하고 미리 실험 준비를 해 오도록 독려하기 위해 매 실험 시간 초에 간단한 퀴즈 시험을 보고 있다. 퀴즈 시험문제는 각 담당 조교가 출제하며, 출제한 퀴즈 문제는 지지난번 실험의 보고서 성적, 지난번 퀴즈 시험의 성적, 현 실험의 출석 상황과 함께 실험 시간 종료 후 1시간 이내에 담당 교수에게 보고하도록 하고 있다. 이 보고는 주로 인터넷 전자우편을 통해서 이루어지며, 담당 교수는 담당 조교들에게 일일이 답신을 보낸다. 학생들을 직접 대하는 담당 조교들의 의견이 중요하므로 일일 실험 상황보고 시 실험의 문제점이나 개선 사항에 대한 건의를 받는다. 또, 수강 학생들도 수시로 질문이나 의견을 공개적으로 올릴 수 있는 쪽지판을 인터넷에 설치, 운영하고 있다. 물론 전자우편을 통해서 담당 교수에게 질문이나 건의를 할 수도 있다. 이때 가능한 한 즉각 답변을 올리거나 답신을 보내는 것이 매우 중요하다. 이러한 건의나 수강 학생들의 사정에 따라서 실험의 내용을 수시로 개선하거나, 변경할 필요가 생기는데 이는 실험의 운영을 인터넷을 통해 함으로써 자연스럽게 이루어진다. 4년 전 처음 인터넷 운영을 시작했을 때는 인터넷 접속이 여의치 않은 학생들이 대다수여서 상당 기간 실험 지침서의 복사본도 준비해야 하는 불편이 따랐는데, 1999년도부터는 전적으로 인터넷을 통한 운영이 이루어지고 있다. 이를 위해서는 독자적인 서버의 24시간 운영이 바람직하다. 서울대학교에서는 PHYSLAB 이라는 이름의 pc 서버(인터넷 주소 http://physlab.snu.ac.kr)를 4년 전부터 사용하고 있다.

5. 기타

수강 학생들은 학기 안에 정해진 8가지의 실험 종목을 순서에 따라서 모두 실험하고 정해진 시간(다음 실험 시작 시간)안에 실험조별 실험 보고서를 제출하도록 되어 있다. 실험을 했더라도 실험 보고서를 제출하지 않으면 실험에 결석한 것으로 간주되며, 1회라도 결석을 하면 실험 성적(강의와 합해서 성적이 부여되는 경우 300점 만점에 75점 해당)이 0점 또는 D이하가 되고, 2회 이상 결석을 하면 과목 전체 성적이 F로 처리되는 등 매우 엄중하다. 대신에 부득이하게 결석한 학생들을 위해서 2주마다 보충 실험 기간을 설정하여 보충 실험으로 정규 실험을 대신할 수 있는 기회를 마련해 놓고 있다. 또, 이때는 정규 실험에 참석한 학생들도 추가로 더 실험을 할 수도 있다. 개선 초기에는 따로 개방 실험실을 설치하여 학생들이 자율적으로 활용할 수 있도록 하였으나, 참여율이 낮고 학교의 공간 부족으로 인해 현재는 거의 없어지다시피 하여 아쉽다. 수강 학생들과 담당 조교들의 의욕을 고취시키기 위하여, 매 학기 수강 학생 중에서 최우수 학생과 담당 조교를 선발하여 표창하는 제도를 실시하고 있다.

앞으로 8회에 나누어 그 동안 개발한 실험 종목들을 역학, 파동, 열, 전자기, 빛 등 몇 개의 그룹으로 묶어서 개발에 얽힌 얘기와 진행 상황, 그리고 앞으로 개선되었으면 하는 점들을 기술하려고 한다. 자세한 실험 지침은 인터넷(http:// physlab.snu.ac.kr)으로 볼 수 있으며, 이에 대한 문의는 전자우편(isyu@phya.snu.ac.kr)으로 가능하다.


빛살문 검출기(photogate timer)와 역학 실험

1. 배경

물리학 실험을 개선하기 위한 작업으로 맨 처음 시도한 것이 빛살문 검출기를 실험에 도입한 것이다. 이전의 실험이 측정의 정밀도가 부족했고, 이점이 학생들의 흥미를 잃게 한 부분이라고 판단하여, 비교적 손쉽게 원하는 정밀도를 얻을 수 있는 시간 측정기에 첫 번째의 투자가 이루어졌다. 이 빛살문 검출기는 나중에 설명할 흔들이의 측정에도 사용되는 등 24종목의 현행 실험 종목 중에서 6종목의 실험에 사용되고 있으므로 그 유용성이 매우 크다고 할 수 있다.

4년 전 당시에 국내에서도 기성 제품이 일부 과학 기기 제조 업체들에 의해서 개발되어 있었다. 한국물리학회에서 출판한 기기 구매 정보지(buying guide)를 통해서 한 제조 업체(세계 과학사)에 연락을 했고, 가격이 적당하여 60대를 구매하기에 이르렀다. 다만, 측정 시간의 분해능을 0.1 ms와 1 ms로 선택할 수 있도록 하고, 기억(memory) 기능을 추가할 것을 요구하였다. 이것이 SG-1122 모델이다. 처음 납품된 일부 빛살문 검출기들은 시간을 제대로 읽지 못하는 등 어려움도 있었으나, 제조 업체의 협조로 수정한 뒤 무난히 사용할 수가 있었다.

그후 전원 아답터를 없애고 전원 장치를 본체 내에 내장시켰으며, 특히 컴퓨터를 사용한 실험의 시작과 함께 컴퓨터와 연결이 가능하도록 수정되었다. 실험 기구의 확장 사업으로 한국 과학전자 산업사에서 빛살문 검출기 60대를 추가로 제작하였다. 이것이 KSC-6600 모델이다.

이 빛살문 검출기를 써서 수행하는 실험 종목 중에서 물체의 낙하 운동과 관련된 세 종목을 소개하면 다음과 같다.

2.실험 1-1. 뉴턴의 사과는 어떻게 떨어졌 는가 ? (뉴턴의 만유인력과 운동법칙)

(1) 실험 목적

이 실험에서는 지구 중력에 의해 낙하하는 물체의 속력을 측정하여 운동법칙을 찾아내고 만유인력, 쓸림힘과의 관계를 탐구한다. 특히, 빛살문 검출기(photogate detector)로 물체가 어떤 위치에 도달하는 시간이나 속력을 측정하는 방법과, 컴퓨터를 이용하여 측정한 데이터를 처리하는 방법을 배운다.

(2) 실험 장치 및 방법

-빛살문 검출기 - SG 1122 또는 KSC 6600 모델 (1)

-2 cm 간격으로 검고 투명한 눈금이 매겨진 플라스틱 자 (1)

-컴퓨터(386) (1)

-고무판 (1)

-1 m 자 (1)

-추 (40 g, 1)

-낙하산 (1)

-실타래 (1, 공용)

-칼 (1, 공용)

-3½" 디스켓 (1, 각자 준비)


대체적인 실험 방법은 빛살문 사이로 검은 띠무늬 눈금이 매겨진 플라스틱 자를 떨어뜨리면 빛살문은 검은 띠무늬를 통과하는 시간을 컴퓨터에 알린다. 이때 가능한 한 플라스틱 자의 맨 아랫부분이 빛살문 검출기의 빛살 바로 위에서 정지한 채로 있다가 가만히 수직으로 떨어지도록 한다. 컴퓨터 화면에는 시간에 따른 자의 낙하 거리(사실은 각각의 검은 무늬에 의해서 빛살이 가로막히기 시작하는 시각들 사이의 시간)가 측정되어 그래프로 나타난다. 또, 데이터에 최적 맞춤을 시킨 2차 곡선 y = a0 + a1 x + a2 x2과 그 곁수(coefficient) a0, a1, a2 및 맞춤이 잘된 정도를 나타내는 Chi(χ) 값들이 나타난다.

다시 시간에 따른 속도가 계산되어 화면에 나타나고, 최적 맞춤이 된 직선 y = a + bx와 곁수 a, b의 값 및 곁수 a와 b의 불확실성 사이의 상관 곁수인 r이 주어진다.

이들 방법으로 5번 이상 측정하여 중력 가속도 g의 평균값과 표준편차를 구한다. 다음에는 플라스틱 자를 빛살문 검출기의 빛살로부터 30 cm∼50 cm 떨어진 높이에서부터 떨어뜨리면서 먼저의 방법으로 측정하여 무엇이 달라지는가 살펴본다. 또, 실로 플라스틱 자에 추를 매달아 측정을 반복한다. 추를 매달면 자의 가속도가 증가하는가 판단하고 그 이유를 알아낸다. 낙하산과 같이 공기저항을 크게 받는 물체를 실에 묶어서, 플라스틱 자에 매달아 측정하여 위에서 측정한 것과의 차이점을 살핀다.

(3) 실험종목의 개발에 따른 뒷이야기

이 실험 종목은 성공적이라고 할 수 있다. 학기초에 첫 물리학 실험을 하는 학생들에게 비교적 간단한 실험 내용을 자동화된 측정 방법으로 실험하는 경험은 신선감을 줄 수 있는 것 같다. 다만, 실험이 너무 자동화되어 있어서 빛살문 검출기나 컴퓨터가 무슨 일을 하는지 잘 이해시킬 필요가 있으며, 또 많은 학생들이 데이터 처리 프로그램을 다룰 줄 몰라 당황해 하거나, 중복된 그래프를 2­30장씩 보고서에 첨부해 제출하는 등의 문제를 일으키기도 했다.

컴퓨터를 사용하지 않고 빛살문 검출기만을 써서도 실험을 할 수가 있다. 이때는 낙하하는 물체로 3½" 디스켓이나 비슷한 크기의 플라스틱 판을 사용하면 된다. 사용한 빛살문 검출기에서는 적외선 빛살을 이용하므로 검은 물체(일부 검은 색 테이프 포함)도 적외선을 잘 통과시킬 수 있으므로 주의해야 한다.


3.실험 1-2. 시지프스의 고민 (역학적 에너지의 보존)

(1) 실험 목적

지구의 중력 하에서 운동하는 물체의 운동에너지와 퍼텐셜에너지 사이의 변환 관계와 역학적 에너지의 보존을 살펴보고 쓸림에 의한 효과를 탐구한다. 이 실험에서는 직선 궤도를 굴러 내리는 고무공과 쇠공을 빛살문 검출기를 사용하여 측정한다.

(2) 실험 장치 및 방법

-빛살문 검출기 - SG 1122 또는 KSC 6600 모델 (1)

-직선 궤도 (1)

-원형 궤도 (2조가 공동 사용)

-고무공 (1)

-쇠 공 (1)

-1 m 자 (1)

-공을 받는 플라스틱 그릇 (1)

-직선(원형) 궤도용 놓임대(스탠드)(2)

-마이크로미터(micrometer) (2, 공용)

-팔 저울 (2, 공용)


대체적인 실험 방법은 실험대로부터 높이 h인 곳에서 기울어진 직선 궤도를 구르기 시작한 공이 높이가 h1과 h2인 곳의 두 빛살문 사이를 통과하는데 걸리는 시간 △t를 측정한 뒤 역학적 에너지가 보존되는 경우와 비교하는 것이다. 각 높이 h에 대해서 5번 이상씩 측정하여 △t의 평균과 표준편차를 구하고, 8가지 이상의 높이 h에 대해 조사한 다음 그래프로 시간 △t와 높이 h 사이의 관계를 구한다. 측정 결과로부터 공의 운동에너지의 증가량과 퍼텐셜에너지의 감소량 사이의 관계를 판단한다. 쇠공을 사용하여 위에서의 실험을 되풀이한 다음, 고무공과의 차이를 설명한다. 또, 원형 궤도를 붙여서 쇠공이 처음 구르기 시작하는 높이를 적당히 취했을 때, 다시 되돌아 올라오는 높이를 측정하여 역학적 에너지를 감소시키는 쓸림힘의 효과를 살펴본다.

(3) 실험종목의 개발에 따른 뒷이야기

이 실험 종목은 과거에 사용하던 원형 궤도를 쓰되 빛살문 검출기를 써서 측정의 정밀도를 높이도록 실험을 변형시킨 것이다. 이 실험은 공의 돌기(회전)운동이 결부되어서 운동에너지에 돌기 운동에너지를 포함시켜야 하므로, 학기초에 실험을 하는 학생들에게는 해석이 다소 어려운 문제가 있다. 또, 두 빛살문 사이를 지나는 시간 △t 대신에 두 빛살문을 지날 때의 공의 속력 v1과 v2를 측정해서도 실험을 할 수가 있다.

특히 쇠공을 써서 실험을 한 경우 기울어진 각이 크면 쇠공은 미끄러지면서 구르게 된다. 미끄러지는 쇠공이 미끄러지지 않는 고무공보다 더 빨리 떨어지기 때문에 실험을 하는 학생들에게는 이것이 작은 놀라움이 되며, 그 이유를 알아내려고 애쓰는 것 같다. 아쉬운 점은 공이 미끄러지는 것을 직접 확인할 수 없다는 것인데, 이는 비디오 카메라를 사용하여 촬영한 다음 화면을 분석하면 공의 나란한 속도와 함께 각속도도 알아낼 수 있어 더 좋은 실험이 되리라고 생각한다.

위 그림과 같이 공의 바닥이 궤도에 닿는 것이 아니기 때문에 여러 가지 크기의 쇠공을 써서 실험하거나 속이 빈 공을 써서 차이를 알아내고, 또 궤도의 기울어진 각을 다르게 하여 공이 미끄러지기 시작하는 경우를 찾아내는 것도 훌륭한 실험이 될 수 있다. 다만 이 실험을 할 때 공을 실험실 바닥에 떨어뜨려 잃어버리기가 쉽고, 궤도가 흔들려 실험에 영향을 줄 수가 있으므로 유의하여야 한다. 대부분의 실험은 직선 궤도만으로 가능하므로 기구를 보유하고 있지 않은 경우에는 제작도 용이하리라고 생각한다.

4.실험 S-2. 요요의 역학 (회전 운동과 관성모멘트)

(1) 실험 목적

이 실험에서는 쓸림이 비교적 적은 회전 원판에 추의 무게로 돌림힘을 가하고, 돌림힘에 의해 가속되는 원판의 회전운동을 조사하여 돌림힘과 각가속도 사이의 관계, 회전 원판의 관성 모멘트, 그리고 중력 퍼텐셜에너지와 회전 운동에너지 사이의 교환 등을 이해한다. 또, 빛살문 검출기로 회전운동 각속도를 측정하는 방법과, 컴퓨터를 이용하여 측정한 데이터를 처리하는 방법을 배운다.

(2) 실험 장치 및 방법

-컴퓨터(286) (1)

-1 cm 간격으로 검고 투명한 눈금이 매겨진 플라스틱 자(추의 역할도 할 겸 낙하 속도를 측정하는데 쓰인다.) (1)

-추 (2)

-고무판 (1)

-1 m 자 (1)

-팔 저울 (1, 공용)

-실타래 (1, 공용)

-칼 (1, 공용)

-3½" 디스켓 (1, 각자 준비)


(3) 실험 종목의 개발에 따른 뒷이야기

이 실험 종목은 기존의 회전 원판을 이용하되, 과거에는 스톱워치를 사용하여 추가 떨어지는데 걸린 시간만을 측정하던 것을 검은 띠무늬가 칠해진 자와 빛살문 검출기를 사용하여 떨어지는 과정에서의 시간에 따른 속도의 변화를 측정할 수 있게 하였고 또, 측정의 정밀도를 높였다. 측정 결과를 컴퓨터로 분석하여 화면에 직접 그래프와 최적 맞춤 곡(직)선으로 나타내게끔 하였다. 학생들의 흥미를 유발시키기에는 충분하나 실험이 너무 자동화되어 있어서 빛살문 검출기나 컴퓨터가 무슨 일을 하는지 잘 설명할 필요가 있다.

컴퓨터를 사용하지 않고 빛살문 검출기만을 써서도 이 실험을 할 수가 있다. 이때는 추가 낙하하는 두 위치(높이)에 빛살문 검출기의 두 빛살문을 위치시키고 추가 낙하하는 시간을 측정한다.

맺는 말

빛살문 검출기를 사용한 낙하 운동과 관련된 세 종목의 역학 실험을 소개하였다. 정밀 시간 측정이 가능한 빛살문 검출기를 도입함으로써 실험의 정량화를 꾀할 수 있었으며, 이미 언급한 대로 빛살문 검출기는 흔들이에 관한 실험에도 사용되는 등 그 활용도도 높아서 매우 만족스럽게 사용하고 있다. 한 걸음 더 나아가 빛살문 검출기를 컴퓨터와 연결시켜 측정과 데이터 표시 및 분석을 자동화함으로써 학생들의 흥미를 유발시키고 실험 시간을 단축할 수 있었다. 지면의 제약 때문에 상세한 실험 내용을 설명하지 못했는데 관심이 있는 분들은 인터넷(http://physlab.snu.ac.kr)으로 수강 학생들에게 안내되고 있는 실험 지침서를 참조하기 바란다. 또, 데이터 처리용 컴퓨터 프로그램은 C 언어로 서울대학교 일반물리학 실험 전담 조교들이 자체 작성한 것으로, 교육용으로 원하는 이들에게는 무상으로 제공할 수 있다. 필요한 이들은 전자우편(isyu@snu.ac.kr)으로 문의 바란다. 다음에는 선운동량과 각운동량의 보존에 관한 실험으로 서울대학교에서 개발한 두 종목의 실험들에 대해서 이번보다는 조금 더 자세히 설명하려고 한다.

유인석 교수는 미국 노스웨스턴대학교 이학박사로서 미국 듀크대학교 연구원을 거쳐현재 서울대학교 물리학과 교수로 재직 중이다. 또한 95년부터 서울대학교 일반물리 학 실험의 개선 작업을 주관하고 있다 (isyu@phya.snu.ac.kr)