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1. 탐구 주제

 용수철의 운동을 이용하여 소금물과 설탕물의 농도를 측정한 뒤, 관계식을 찾아내어 보고 실생활에 응용하기


2. 탐구 동기

 영재원 첫수업 물리시간때, 단진동에 관한 수업을 듣게 되었다. 그때, 단진동이 매우 규칙적이라는 것에 대해 알게 되었는데, 규칙적인 용수철의 단진동을 이용해 우리가 실생활과 화학실험에 많이 사용하는 소금물과 설탕물의 농도를 측정할 수 있을 것이라 생각하였다.


3. 실험의 필요성 및 탐구 목적

 용수철의 단진동이 규칙적이라는 것을 알고 나서 진행한다. 이 실험을 통해, 농도를 모르는 용액의 농도를 용수철의 단진동을 통해 정확하게 측정할 수 있다. 이를 위해, 용액과 용수철 운동 사이의 관계를 관찰하고, 관찰 결과를 Microsoft Office Excel을 이용해 추세선을 포함한 그래프를 만들어, 용수철 운동의 진폭 및 운동시간과 용액 농도간의 관계식을 알아낼 것이다. 더 나아가, 생활 속의 소금이나 설탕이 들어가 있는 액체 물질의 소금이나 설탕 함량을 알아내고, 그것이 포장지나 영양 성분표에 적혀 있는 그것과 같은지 알아본 뒤, 만약에 다르면 그 이유는 무엇인지를 알아내는 것으로 실험을 마무리 할 것이다.


4. 탐구 내용 및 방법

<실험 1> 용수철의 단진동을 이용한 소금물의 농도 측정

 1. 200ml의 서로 다른 농도의 소금물을 4세트와 증류수 한 컵을 준비한다. 이때, 소금물 농도는 5%, 10%, 15%, 20%로 맞춘다.

 2. 실험을 위해 만들어진 소금물과 증류수를 각각 200ml의 서로 다른 플라스틱 메스실린더에 붓는다. 플라스틱 메스실린더를 사용하는 이유는 용수철이 단진동을 하는 중에 추와 메스실린더가 부딛혀 깨지는 사고를 미연에 방지하기 위해서이다.

 3. 2에서 준비한 플라스틱 메스실린더 옆에 자를 붙인다.

 4. 스텐드에 핀치 클램프를 설치한 뒤, 용수철을 핀치 클램프에 걸고 핀치 클램프에 걸린 용수철에 100g의 추를 달아 놓고, 용수철이 늘어나지 않도록 누군가가 잡고 있는다.

 5. 실험과정 4에서 준비한 실험 장치 밑에 실험과정 3에서 준비한 실험 대상을 올린다. (이때, 용수철의 추가 실험 중에도 완전히 물 속에 잠겨 있도록 높이를 조절한다.)

 6. 준비가 끝났으면, 용수철을 잡고 있던 손을 놓고, 카메라로 동영상 녹화를 시작한다. 동영상 녹화를 하는 이유는 정확한 실험과 빠른 진행을 위해 한번에 두가지의 결과를 동시에 알아보기 위해서이다. 동영상을 녹화한 뒤 Adobe Premire Pro CC (or CS6)를 이용해 프레임별로 분석한다. (한 동영상으로 진폭과 운동시간을 모두 알아낸다. 실험의 실패 확률을 줄이기 위해 다른 각도에서 카메라 2대로 동시에 촬영한다. 프리미어에 있는 트림모니터 기능을 적극적으로 활용하여 분석의 효율성을 높이고, 정확성도 향상시킨다. 정확한 실험을 위해 동영상 확대가 불가피하므로, 가급적이면 Full HD (1920X1080)이상의 해상도로 촬영한다.)

 7. 실험과정 6를 소금물의 농도별로 3번 이상 실험을 반복한 뒤 평균을 낸다.

 8. 결과를 Microsoft Office Excel에 기입한다.

 

<실험 2> 용수철의 단진동을 이용한 설탕물의 농도 측정

 1. 200ml의 서로 다른 농도의 설탕물을 4세트 준비한다. 이때, 설탕물의 농도는 5%, 10%, 15%, 20%로 맞춘다.

 2. 실험을 위해 만들어진 설탕물을 각각 200ml의 서로 다른 플라스틱 메스실린더에 붓는다.

 3. 2에서 준비한 플라스틱 메스실린더 옆에 자를 붙인다.

 4. 스텐드에 핀치 클램프를 설치한 뒤, 용수철을 핀치 클램프에 걸고 핀치 클램프에 걸린 용수철에 100g의 추를 달아 놓고, 용수철이 늘어나지 않도록 누군가가 잡고 있는다.

 5. 실험과정 4에서 준비한 실험 장치 밑에 실험과정 3에서 준비한 실험 대상을 올린다.

 6. 준비가 끝났으면, 용수철을 잡고 있던 손을 놓고, 카메라로 동영상 녹화를 시작한다. 동영상을 녹화한 뒤 Adobe Premire Pro CC (or CS6)를 이용해 프레임별로 분석한다.

 7. 실험과정 6를 설탕물의 농도별로 3번 이상 실험을 반복한 뒤 평균을 낸다.

 8. 결과를 Microsoft Office Excel에 기입한다.

 

<실험 3> 용액의 온도에 따른 용수철의 단진동 관찰

 1. 항온수조에 온도를 15℃, 25℃, 35℃로 세팅해 놓은 뒤, 물을 충분히 부어 준다.

 2. 항온수조에 있는 물을 이용해 15℃, 25℃, 35℃의 설탕물, 소금물 200ml를 만든다. 이때, 농도는 5%로 한다. (단, 실험하기 직전에 용액을 만들어야 한다.)

 3. 항온수조에 있는 맹물을 실험하기 직전에 200ml를 측정하여 비커에 옮겨 놓는다. (2~3의 과정은 실험하기 직전에 수행한다. 즉, 한 실험이 끝난 뒤 다른 온도의 용액으로 실험해야 할 때 만든다.)

 4. 실험을 위해 만들어진 용액을 200ml의 플라스틱 메스실린더에 붓는다.

 5. 4에서 준비한 플라스틱 메스실린더 옆에 자를 붙인다.

 6. 스텐드에 핀치 클램프를 설치한 뒤, 용수철을 핀치 클램프에 걸고 핀치 클램프에 걸린 용수철에 100g의 추를 달아 놓고, 용수철이 늘어나지 않도록 누군가가 잡고 있는다.

 7. 실험과정 6에서 준비한 실험 장치 밑에 실험과정 5에서 준비한 실험 대상을 올린다.

 8. 준비가 끝났으면, 용수철을 잡고 있던 손을 놓고, 카메라로 동영상 녹화를 시작한다. 동영상을 녹화한 뒤 Adobe Premire Pro CC (or CS6)를 이용해 프레임별로 분석한다.

 9. 실험과정 6을 용액별로 3번 이상 실험을 반복한 뒤 평균을 낸다.

 

<실험 중 유의사항>

 1. 실험 3 외의 모든 실험에서 온도는 20℃로 한다.

 2. 모든 실험에서 동일한 용수철을 이용한다.


4. 예상되는 결과

 1. 농도가 높아질수록 용수철 및 추와 용액과의 마찰이 커져서 진폭의 변화가 더 커질 것이며, 운동 시간도 짧아질 것이다.

 2. 온도와 단진자 운동은 관련성이 없을 것이다.



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