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Ⅰ. 연구목적 및 필요성

 우리는 생활속에서 많은 종류의 용액을 사용한다. 특히, 실생활에는 소금물과 설탕물 등을 여러곳에 사용한다. 하지만, 소금물과 설탕물은 투명하기 때문에 눈으로만 보고는 이 용액의 농도가 얼마나 되는지 알지 못한다. 우리는 용액의 농도를 측정할 수 있는 방법을 연구하다가, 용수철의 단진동에는 규칙성이 있다는 것을 알게 되었고, 용수철의 단진동을 이용해서 용액의 농도를 알 수 있을 것이라고 생각하였다. 우리는 용액의 농도가 진해질수록 같은 부피속에 더 많은 용질 입자가 들어가서 용수철과의 마찰력이 더 커지고, 이러한 이유로 인해 용수철의 운동 시간과 진폭이 더 짧아질 것이라는 가설을 세우게 되었으며, 그 가설을 검증하기 위해 소금물과 설탕물의 농도를 다르게 하여 용수철의 운동 시간과 진폭 변화를 살펴보는 실험을 계획하였다. 실험 결과를 바탕으로 표와 그래프를 Microsoft Excel 2010을 이용해 만들고, 용액의 농도를 용수철의 운동 시간 및 진폭으로 구할 수 있도록 관계식을 만든다. 실생활에 이 식을 적용시키기 전에, 용액의 온도에 따른 용수철의 운동시간 및 진폭을 측정하여 온도와 용수철의 단진동 사이에는 어떠한 관계가 있는지 알아보고, 실험을 통해 나온 결론을 이용해 우리 주변의 소금이나 설탕이 있는 용액의 농도를 알아본다.

 이 실험은 용액의 농도를 잘 모르는 용액의 농도를 현재 잘 알려진 다른 방법(빛의 굴절률을 이용한 용액의 농도 측정 방법)보다 더 쉬운 방법으로 측정하는 방법을 고안하기 위해 고안되었다. 우리가 고안한 방법은 다른 방법과 비교해, 용액의 농도를 측정하기 위해 많은 지식을 필요로 하지 않기에, 더 쉽게 용액의 농도를 알아낼 수 있다고 생각한다. 예를 들어, 굴절률로 용액의 농도를 알아내는 방법이 있는데, 이것을 통해 용액의 농도를 알아내려면 스넬의 법칙을 알아야 하고, 계산이 복잡한 단점이 있다. 이에 비해, 우리가 진행하려는 실험은 덧셈과 뺄셈과 같은 단순한 사칙연산만 하면 되기에, 과학에 관심이 없고, 과학을 어려워하는 일반 사람들도 쉽게 사용할 수 있는 실생활에서 농도를 잘 알지 못하는 용액의 농도를 조금 더 쉽게 알아낼 수 있는 방법을 고안하기 위해 이 실험을 설계하였다.

 

Ⅱ. 연구기간

 4월 13일부터 8월 1일까지 실험 및 결과정리.

 

Ⅲ. 연구방법(연구과정)

1. 가설 설정

1. 소금물의 농도에 따른 용수철의 운동 시간은 일정하게 줄어들 것이며, 진폭도 일정하게 줄어들 것이다.

2. 설탕물의 농도에 따른 용수철의 운동 시간은 일정하게 줄어들 것이며, 진폭도 일정하게 줄어들 것이다.

3. 용수철의 운동은 용액의 온도와는 관계가 없을 것이다.

4. 실험결과를 토대로 만든 관계식을 통해, 우리는 실생활에서 사용하는 용액의 농도를 비교적 정확하게 측정할 수 있을 것이지만, 약간의 오차는 있을 것이다.

 

2. 이론적 배경 및 선행 연구 고찰

<이론적 배경>

 용수철 진자에서 탄성력이 복원력으로 작용하여 단진동하게 되는데, 결국 이러한 운동에너지가 에너지 보존법칙에 따라 반복 되는 것이다. 그런데, 용액 내에서 운동할 때에는 대기 중에서 운동할 때보다 더 많은 마찰력이 작용하고, 이는 용액에 용해된 용질의 양이 많을수록 증가한다. 따라서 우리의 측정방식은 용질의 농도에 따른 마찰력 증가를 이용한 것이다.

 

<선행연구 고찰>

 이 실험은 2013년 부산시 실험관찰탐구보고서대회 중등부 문제로 나온 실험으로, 이미 한번 실험을 해 본 적이 있다. 그 당시 실험하였던 결과에는 용액의 농도가 높아질수록 용수철의 운동시간이 줄어들었다.

 그때, 실험주제는 매우 흥미로웠으며, 한가지 용액만을 이용하여 실험을 진행하였기에, 당연히 더 알고싶은 사항이 많이 생기게 되었다. 과연 다른 종류의 용액에는 어떤 결과가 나타날지, 온도에 따라서는 어떤 변화가 생길지, 이것을 실생활에 적용할 수 있는지 등의 사항이였다. 또한, 용수철의 움직임을 측정할 수 있는 장비에는 초시계와 자가 전부여서 정확한 실험이 힘들었다. 이러한 애로사항을 수정하고, 더 알고 싶은 점을 반영하여 새롭게 실험을 설계하였다.

 

3. 연구 설계

<실험1,2> 소금물과 설탕물의 농도를 구하기 위한 실험

1. 500ml의 증류수와 농도가 다른 소금물과 설탕물을 준비한다.

2. 실험과정 1의 용액을 옆에 자를 붙인 메스실린더에 붓는다.

3. 스탠드에 용수철을 걸고 고정시킨 뒤 용수철에 추를 단다. 이때, 용수철이 늘어나지 않도록 한다.

4. 스탠드 아래에 실험과정 2에서 준비한 실험 대상을 올리고 용수철의 운동을 관측한다.

5. 실험을 각각 3번이상 반복한 뒤 평균을 낸다.

 

<실험 3> 용액의 온도에 따른 용수철의 운동

1. 온도가 다른 물을 준비한다.

2. 같은 농도의 용액을 실험과정 1에서 준비한 물로 만든다.

3. 실험 1의 실험과정 3에서 5의 과정을 반복한다.

 

<실험 4> 실생활에 적용하기

1. 소금과 설탕 성분이 있는 액체(용액)을 실생활에서 구한다.

2. 앞의 실험과 동일하게 장치한 다음에 실험을 진행한다.

3. 액체(용액)의 농도를 영양성분표, 원재료명 및 함량 등을 토대로 조사하고, 앞의 실험에서 측정한 값을 토대로 만든 관계식에 넣어 도출한 예상 결과값과 비교한다.

 

4. 역할 분담

실험 진행: 박성현(실험 총괄), 이동규(측정),차상민(동영상 녹화 및 실험 준비), 정해식(사진 촬영 및 실험 준비), 장혜철(실험 설계)

실험 결과 분석 및 디지털 파일 정리: 장혜철(분석 및 파일 정리), 박성현(분석 보조), 이동규(분석 보조)

보고서 및 계획서 작성: 장혜철(계획서 전체, 보고서 작성 및 완성), 박성현(이론 조사, 틀린점 수정), 차상민(더 알고 싶은점, 느낀점, 알게된 점), 이동규(더 알고 싶은 점), 정해식(더 알고 싶은 점)

지도교사: 문재현

장비: Apple Ipad with Retina Display (Ipad 4th Generation)☞동영상 녹화 및 사진 촬영, 박성현

LG Optimus 3D Cube (LG-SU870)☞사진 촬영 및 휴대용 핫스팟(노트북), 장혜철

LG Optimus EX(LG-SU880)☞사진 촬영

Samsung Galaxy Nexus(SHW-M420)☞사진 촬영, 박성현

Samsung Galaxy S3(SHV-E210)☞사진 촬영, 문재현

LG Xnote N560-YH50K☞프리미어를 이용한 분석, 엑셀 작업, 장혜철

Samsung M2 Portable 3.0 500GB (Factory Repaired)☞데이터 저장, 장혜철

연락 수단: 네이버 라인, SMS, 음성 통화, E-mail, 네이버 블로그 (ssu0920.blog.me)

 

5. 연구 방법

<실험 1> 용수철의 단진동을 이용한 소금물의 농도 측정

1. 500ml의 2.5%, 5%, 7.5%, 10% 소금(염화나트륨) 수용액과 증류수를 준비한다. (용액을 만들 때 교반기를 이용하면 편리하다.)

2. 실험을 위해 만들어진 소금물과 증류수를 각각 500ml의 서로 다른 메스실린더에 붓는다.

3. 2에서 준비한 메스실린더 옆에 자를 붙인다.

4. 스탠드에 핀치 클램프를 설치한 뒤, 용수철을 핀치 클램프에 걸고 핀치 클램프에 걸린 용수철에 100g의 추를 단다. 그 뒤, 용수철의 하단부에 있는 걸이에 실을 묶고, 그 실을 위로 당겨서 용수철이 늘어나지 않도록 한다. 용수철을 당겨놓는 이유는 용수철이 늘어나지 않게 하기 위함이며, 완벽하게 준비가 된 뒤에 용수철을 단진동시키기 위함이다. 즉 실험을 위해 용수철을 우리가 원하는대로 통제하기 위해 용수철 하단부에 실을 묶어두는 것이다.

5. 실험과정 4에서 준비한 실험 장치 밑에 실험과정 3에서 준비한 실험 대상을 올린다. 추가 용액에 잠기는 부피에 따라서 실험결과가 다르게 나올수도 있으므로, 스탠드에 걸린 핀치클램프의 높이를 조절하여 추가 용수철의 단진동 중에도 용액 안에 있을 수 있도록 한다.

6. 준비가 끝났으면, 용수철을 고정시키기 위해 잡고 있던 실을 놓고, 준비한 카메라로 동영상 녹화를 시작한다. 동영상 녹화를 하는 이유는 정확한 실험과 빠른 진행을 위해 한번에 두가지의 결과를 동시에 알아보기 위해서이다. 동영상을 녹화한 뒤 Adobe Premiere Pro CC (or CS6)를 이용해 프레임별로 분석한다. (한 동영상을 분석할 때마다 진폭과 운동시간을 모두 알아낸다. 이때, 동영상을 확대해서 볼 때에도 화질 열화를 최대한 방지하기 위해 현재 우리가 사용하는 스마트폰, 태블릿 PC나 디지털 카메라에서 동영상 녹화시 지원하는 최대 해상도로 촬영한다. 최소 1920×1080 (Full HD)해상도로 촬영해야 한다. 현재, Full HD는 거의 모든 전자기기에서 지원하지만, 간혹 구형 모델인 경우에는 HD화질까지만 지원하는 경우도 있으므로 해상도를 꼭 확인하고 실험을 해야 실험 후 분석할 때 더 정확하고 빠르게 분석할 수 있다. 추가로, 프리미어는 1초보다 작은 단위를 프레임수를 이용해 나타내므로, 미리 실험에 사용되는 카메라의 초당 프레임수(FPS)를 알아둔다. 만약에 모르면, 테스트용 동영상을 10초정도 녹화한 뒤에 컴퓨터로 파일을 복사하여 세부정보 창에 들어가서 프레임수를 확인한다. (프리미어에서 프레임 수는 반올림된다.)

7. 실험과정 6를 소금물의 농도별로 3번 이상 실험을 반복한 뒤 프리미어로 분석하여 나온 결과를 Microsoft Excel에 기입하여, Average함수와 Sum함수를 이용해 진폭과 운동 시간을 계산하여 평균을 구한다.

 

<실험 2> 용수철의 단진동을 이용한 설탕물의 농도 측정

1. 500ml의 2.5%, 5%, 7.5%, 10% 설탕 수용액과 증류수를 준비한다.

2. <실험 1>과 같은 방법으로 실험을 진행한다.

 

<실험 3> 용액의 온도에 따른 용수철의 단진동 관찰

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

2. 스텐드에 핀치 클램프를 설치한 뒤, 용수철을 핀치 클램프에 걸고 핀치 클램프에 걸린 용수철에 100g의 추를 달아 놓고, 용수철 하단부에 실을 묶은 뒤, 실을 당겨 용수철이 운동하지 못하도록 한다.

3. 500ml 메스실린더 옆에 자를 붙인다.

4. 항온수조에 있는 물을 이용해 15℃, 25℃, 35℃의 설탕물, 소금물 500ml를 만든다. 이때, 농도는 5%로 한다. (단, 온도 유지를 위해 실험하기 직전에 용액을 만들어야 한다.)

5. 실험을 위해 만들어진 용액을 500ml의 메스실린더에 붓는다.

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

7. 준비가 끝났으면, 용수철을 통제할 수 있도록 하기 위해 잡고 있던 실을 놓고, 카메라로 동영상 녹화를 시작한다. 동영상을 녹화한 뒤 Adobe Premiere Pro CC (or CS6)를 이용해 프레임별로 분석한다. 분석결과를 바로바로 Microsoft Excel에 입력한다.

8. 실험과정 4에서 7을 용액의 종류별로 3번 이상 실험을 반복한다.

9. 항온수조에 들어있는 15℃, 25℃, 35℃의 증류수를 이용해서 위의 실험과정을 반복한다.

 

<실험 4> 실생활에 적용하기

 1. 실험 3까지의 결과를 도출한다. (관계식까지 구해야 함)

소금이나 설탕이 들어가 있는 액체를 구한다. (최대한 투명한 것으로 해야 실험하기 편하다.)

 2. 실험 1,2,3과 같이 장치한 뒤 실험을 진행한다.

3. 식품의 경우 영양성분표에 있는 나트륨과 당류의 양을 조사한다. 나트륨의 경우 모두 염화나트륨으로 환산(나트륨의 분자량으로 질량을 나눈 뒤 염화나트륨의 분자량을 곱한다.)하고, 당류의 경우 원재료명 및 함량에서 단맛을 내는 향신료의 비율을 조사한 다음, 설탕이 80%이상으로 예상(예측)되는 물질인 경우 전량을 설탕으로 생각하고 실험 결과를 분석한 뒤, 실험과정 1에서 구한 관계식에 농도를 대입한 것과 실험으로 측정한 것의 차이를 알아본다.

 

<실험 중 유의사항>

1. 실험 3 외의 모든 실험에서 온도는 25℃로 한다.

2. 모든 실험에서 동일한 용수철을 이용한다.

3. 동영상 분석 후 데이터 분석을 할 때, 엑셀의 함수기능을 적극적으로 활용한다. (Sum, Average)

4. 항온수조에서 소리가 나면, 항온수조의 디스플레이 창을 확인하고 문제가 있는지 확인한다. 문제가 있으면 해결하고 난 뒤 실험을 진행한다. 대부분의 문제는 수위가 너무 낮아서 생기는 경고(LOW_LEVEL)이므로, 물을 더 넣어주면 되지만, 만약에 그렇지 않은 경우에는 전문가에게 문의한다.

5. 프리미어는 다소 무거운 프로그램이므로, 고사양의 컴퓨터를 이용한다. 또한, 프리미어는 매우 전문적인 프로그램이므로, 실험전에 기초적인 사용법을 공부해 놓으면 좋다. 만약, 컴퓨터 사양이 좋지 않아 프리미어가 정상적으로 구동되지 않으면 소니의 베가스를 이용해도 되지만, 프리미어의 UI가 더 편리하며, 조작이 더 정교하다.

6. 실험 1과 실험 2에서는 용액의 농도를 제외한 다른 조건은 모두 같게 설정하고, 실험 2에서는 온도를 제외한 다른 조건은 모두 같게 설정해야 한다.

7. 실험결과의 오차를 줄이기 위해 여러번 실험하여 평균을 낸다.

8. 프리미어를 사용하여 분석하는데 시간이 걸린다고 초시계와 사람의 눈을 이용하여 용수철의 단진동과 운동 시간을 측정하면, 오차가 많이 생기기 때문에, 귀찮더라도 꼭 동영상 분석 프로그램을 이용한다. 운동이 매우 빠른 시간 안에 끝나기 때문에 사람의 오감을 이용해서 측정을 하는데는 무리가 있다.

9. 실험의 빠른 진행을 위해 역할을 미리 분담한다. 이 실험은 간단하지만, 준비가 오래 걸리며, 모든 작업을 사람이 직접 해야하기 때문에 한사람이 혼자서 모두 하기에는 너무 힘들고 시간이 많이 걸린다.

 

Ⅳ. 연구 결과 (결론)

※ 분석을 할 때, 진폭과 주기는 용수철의 세 번째 운동까지만 측정하였고, 용수철의 운동 시간은 용수철이 운동을 완전히 멈추는 시간까지 측정하였다. 운동시간에서 운동 시작 시간을 빼서 실제 용수철의 운동시간을 구했으며, 우리가 동영상을 촬영한 Apple사의 IPad(with Retina Display)의 동영상 프레임 수가 29.970fps여서 프리미어에서는 30fps로 계산되었다. 따라서 100초당 3장의 프레임 차이가 있어서 시간에서 미세한 오차가 있을 수 있다. IPad의 AF(Auto Focus)기능이 느려서 초점을 빨리빨리 못 잡아 자의 눈금이 흐려져서 이로 인해 약간의 오차가 생길 수 있다. 실험의 오차를 줄이기 위해 3번 실험하여 평균을 낸 값을 이용하였다.

 

1. 연구 결과

<실험 1,2>

 

용액

회차

용수철이 첫 번째 단진동한 거리

용수철이 두 번째 단진동한 거리

용수철이 세 번째 단진동한 거리

운동 시간

증류수

1회

11.2

5.5

3.7

47.8

2회

11.6

5.7

3.7

48.0334

3회

11.3

5.6

3.6

48.2

평균

11.36666667

5.6

3.666666667

48.01113

소금 2.5%

1회

11.9

6.2

4.2

45.4

2회

11.8

6.2

4.1

48.1667

3회

11.5

5.9

3.9

46.0334

평균

11.73333333

6.1

4.066666667

46.53337

소금 5%

1회

11.8

6.6

4.3

40.2

2회

12

6.6

4.5

42

3회

11.8

6.4

4.1

43.9667

평균

11.86666667

6.533333333

4.3

42.05557

소금 7.5%

1회

11

5.5

3.6

38.7667

2회

11.7

6.1

3.9

39.8

3회

11.4

6

3.9

40.6334

평균

11.36666667

5.866666667

3.8

39.73337

소금 10%

1회

11.8

5.9

4.3

38.4

2회

11.6

6.3

4.3

37.9667

3회

11.9

6.6

4.2

36.7667

평균

11.76666667

6.266666667

4.266666667

37.71113

설탕 2.5%

1회

12.2

6.8

4.4

42.8

2회

11.6

9.2

4.4

45

3회

11.7

6.7

3.7

44.4

평균

11.83333333

7.566666667

4.166666667

44.06667

설탕 5%

1회

12.3

8.6

4.7

39.6667

2회

11.7

6.5

4.3

38.8667

3회

11

6.2

4.3

39.4

평균

11.66666667

7.1

4.433333333

39.31113

설탕 7.5%

1회

11.1

6.4

4.2

35.5333

2회

12.1

6.5

4.4

35.6666

3회

12.2

6.7

4.4

37.6334

평균

11.8

6.5333333333

4.333333333

36.27777

설탕 10%

1회

11.8

6.1

4.1

31.9

2회

11.9

6.2

4.2

32.3334

3회

11.6

6.2

4.1

33.1667

평균

11.76666667

6.166666667

4.1333333333

32.4667

 

▶ 표에서 보듯이, 용수철이 단진동한 거리와 농도는 관계가 없다. 따라서, 용수철의 운동 시간과 농도와의 관련성을 조사하여 표와 그래프로 만들었다.

 

소금물의 농도와 용수철의 운동 시간

농도 (%)

0

2.5

5

7.5

10

운동시간 (초)

48.01113

46.53337

42.05557

39.73337

37.71113

 

 

▶ 소금물의 농도와 용수철의 운동시간과의 관계를 그래프를 이용해 나타내었다. 엑셀의 추세선 기능을 활용하여 그래프를 그렸으며, 관계식은 이다. 농도가 높아질수록 운동시간은 줄어든다. 우리가 실험으로 측정한 값과 추세선(예측값)이 일치하지 않는 이유는 실험에서 오차가 생겼기 때문이다.

▶ 원래 엑셀의 표를 바로 삽입하려고 했지만, 한글과 엑셀의 호환성 문제 및 기술적 문제로 인해 엑셀의 표를 보면서 한글에서 만든 표에 일일이 값을 넣었다. 따라서 소수점 아래 숫자의 수가 다를 수 있지만, 근삿값은 모두 동일하므로 문제는 없다고 생각한다.

▶ x축은 용수철의 운동 시간, y축은 용액의 농도이다.

 

설탕물의 농도와 용수철의 운동 시간

농도 (%)

0

2.5

5

7.5

10

운동시간 (초)

48.01113

44.06667

39.31113

36.27777

32.4667

 


 

▶ 설탕물의 농도와 용수철의 운동시간과의 관계를 그래프를 이용해 나타내었다. 엑셀의 추세선 기능을 이용하였으며, 추세선과 실험 결과가 일치하지 않는 이유는 실험에서 약간의 오차가 있었기 때문이다.

▶ 소금물에 비해 설탕물이 농도에 의한 변화가 더 심했다. 기울기가 더 급하게 나타났다.

▶ 설탕물의 농도와 용수철 운동시간과의 관계식:

▶ x축은 용수철의 운동시간, y축은 용액의 농도를 나타낸다.

▶ 엑셀에서 모든 작업을 하였으며, 표는 엑셀과 한글의 호환성 및 기술적 문제로 인해 일일이 수치를 옮겨 적었다. 그래프는 그림으로 저장한 뒤, 한글에서 다시 불러내었다.

 

<실험 3>

 

용액

회차

용수철이 첫 번째 단진동한 거리

용수철이 두 번째 단진동한 거리

용수철이 세 번째 단진동한 거리

운동 시간

증류수 15

1회

12

7

4.6

48.7333

2회

11.6

6.6

4.3

47.8333

3회

11.9

6.6

4.5

47.8667

평균

11.83333333

6.733333333

4.466666667

48.14443

증류수 25

1회

11.2

5.5

3.7

47.8667

2회

11.6

5.7

3.7

48.0334

3회

11.3

5.6

3.6

48.2

평균

11.36666667

5.6

3.666666667

48.03337

증류수 35

1회

11.7

6.5

4.4

49.6667

2회

11.1

6.9

4.7

48.7333

3회

11.3

6.4

4.4

48.4333

평균

11.36666667

6.6

4.5

48.94443

소금 15

1회

11.7

6.4

4.2

38.5667

2회

11.2

6.1

4

36.3

3회

11.8

6.4

4.3

36.6333

평균

11.56666667

6.3

4.166666667

37.16667

소금 25

1회

11.8

6.6

4.2

40.2

2회

12

6.6

4.5

42

3회

11.8

6.4

4.1

43.9667

평균

11.86666667

6.5333333333

4.266666667

42.05557

소금 35

1회

11.6

6.4

4.3

44.7667

2회

11.5

6.5

4.2

45.3334

3회

11.6

6.6

4.3

43

평균

11.56666667

6.5

4.26666667

44.3667

설탕 15

1회

11.8

6.3

4.2

39.5333

2회

11.6

6.6

4.4

40.4

3회

11.9

6.5

4.3

42.9

평균

11.766666667

6.466666667

4.3

40.94443

설탕 25

1회

12.3

8.6

4.7

39.6667

2회

11.7

6.5

4.3

38.8667

3회

11

6.2

4.3

39.4

평균

11.66666667

7.1

4.33333333

39.31113

설탕 35

1회

N/A

6.3

4.2

N/A

2회

10.6

4.8

3.2

44.6667

3회

11.2

6.9

4.7

45.1333

평균

11.4

6

4.0333333333

44.9

 

▶ 설탕 35℃ 1회에서 N/A는 IPad의 카메라가 누르면 바로 반응하는 기능(제로 셔터랙)이 없어서 앞부분이 녹화되지 않아 생긴 오류로, 2회, 3회의 결과를 이용해 평균을 냈기 때문에 약간의 오차는 있어도 실험에 큰 영향을 미치지는 않는다.

 

용액의 온도와 운동시간

온도 (℃)

15

25

35

증류수 안에서의 용수철 운동 시간 (초)

48.14443

48.03337

48.94443

소금물 안에서의 용수철 운동 시간 (초)

37.16667

42.05557

44.3667

설탕물 안에서의 용수철 운동 시간 (초)

40.94443

39.31113

44.9

 



 

▶ x축은 온도, y축은 운동 시간이다. 소금물이 가장 온도에 민감하며, 증류수가 가장 민감하지 않다.

▶ 엑셀의 추세선과 실험결과가 일치하지 않는 이유는 약간의 오차가 있었기 때문이다.

▶ 증류수와 온도사이의 관계식은이고, 소금물과 온도사이의 관계식은 이며, 설탕물과 온도사이의 관계식은 이다.

 

<실험 4>

 

용액

회차

계산 추정치

실제 운동시간

생생우동

(소금 1.49%)

1회

46.65596

42.5667

2회

40.6333

3회

41.6667

평균

41.62223333

매실 액기스 희석액

(설탕 49.26%)

1회

-28.503226

28.3333

2회

30.7667

3회

33

평균

30.7

립톤 복숭아맛

(설탕 4.95%)

1회

40.103255

44

2회

43.5667

3회

38.6

평균

42.05556667

 

▶ 생생우동 국물이 추정치와 실제 운동시간에서 5초 정도의 오차가 생기는 이유는 생생우동의 국물이 보통 라면과는 달리 액상스프를 이용하기 때문이다. 또한, 라면 국물에는 소금 외에 다른 성분도 들어가 있기 때문이다.

▶ 매실 액기스 희석액에서 계산 추정치와 실제 운동시간의 차이가 큰 이유는 매실 액기스는 시중에 판매되고 있는 것이 아닌, 집에서 제조한 것이기 때문에 레시피에 맞게 제작했다고 해도 약간의 오차가 있을 수밖에 없으며, 매실과 설탕의 질량비가 1:1이지만, 매실의 즙만 물에 들어갔으므로, 매실액기스에 있는 설탕은 더 많을 것이다. 하지만, 우리가 이 비율을 정확하게 알지 못해 추정치를 사용했기 때문에 오차가 크다. 또한, 넣은 설탕이 모두 녹았다는 보장이 없이, 매실의 과육에 붙어서 실질적인 설탕 함량이 더 줄었을 가능성도 있다.

▶ 립톤 복숭아 맛의 계산 추정치와 실제 운동시간이 비슷한 이유는 립톤은 가루로 이루어져 있는 고형차이고, 립톤에서 단맛을 내는 성분의 99%가 설탕이였기 때문에, 원재료명 및 함량에 적혀 있는 당류에서 99%를 곱해 설탕의 양을 다른 용액들보다 비교적 정확하게 알아냈기 때문이다. 그럼에도 불구하고, 약간의 오차가 있는 이유는 설탕 외에 다른 물질이 들어가 있기 때문이다.

 

2. 결론

1. 소금물의 농도에 따른 용수철의 운동 시간은 일정하게 줄어들었으며, 진폭은 농도에 따른 변화가 없었다.

소금물과 용수철의 운동시간간의 관계식은 이다.

2. 설탕물의 농도에 따른 용수철의 운동 시간은 일정하게 줄어들었으며, 진폭은 농도에 따른 변화가 없었다.

설탕물과 용수철의 운동시간간의 관계식은 이다.

3. 용수철의 운동은 용액의 온도와는 관계가 있었다. 소금물이 가장 온도에 민감하게 반응하였다.

소금물의 온도와 용수철의 운동시간간의 관계식은 이다.

설탕물의 온도와 용수철의 운동시간간의 관계식은 이다.

증류수의 온도와 용수철의 운동시간간의 관계식은 이다.

4. 실험결과를 토대로 만든 관계식을 통해, 우리는 실생활에서 사용하는 용액의 농도를 비교적 정확하게 측정할 수 있었으며(매실 액기스 제외), 모든 용액에서 약간의 오차는 있었다. (위의 연구결과 참조)

 


Ⅴ. 알게된 점, 더 알고싶은 점 및 느낀점
용액의 농도가 높아지면, 용액의 마찰력이 커져서 용액 안에서의 운동을 방해한다는 것을 이번 실험을 통해 알게 되었다. 이번 프로젝트로 화학이 우리의 생활에 가까이 있다는 것을 알았다. 또한, 단진동이라는 물리적인 냄새가 나는 실험을 화학에 접목시키면서 과학의 분야는 서로 독립된 분야가 아닌, 하나로 엮여 있는 것이라는 것을 알게 되었다. 또한, 우리가 스스로 인내심을 가지고 실험을 끝까지 해냄으로 인해, 하면된다는 자신감을 얻게 되었다. 다음에는 용수철이 용액에 담긴 부피에 따른 용수철의 단진동에 대해 더 연구하고 싶으며, 또한, 용수철 대신 진자를 이용하면 어떤 결과가 있을지도 궁금하다.

 

 

Ⅵ. 참고 문헌 및 사이트

2013학년도 부산과학고영재교육원 교수 학습자료 중학교 2학년 과학 (자료번호: 부산과학고 2013-1702-2), 부산과학고영재교육원, 2013, 단진동 003~008쪽



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