이 실험 소개
종이를 길게 잘라 날개 두 개를 접고 종이 클립을 끼우세요. 떨어뜨리면 단풍나무 씨앗처럼 천천히 회전하며 바닥으로 내려옵니다. 무엇이 낙하를 더 느리게 만들까요? 날개를 더 길거나 짧게 만들고, 클립을 더 많이 달거나 더 두꺼운 종이를 사용해 종이 헬리콥터를 만들어 보세요. 길이를 재는 막대에서 떨어뜨리고 스톱워치로 낙하 시간을 재세요. 떨어뜨릴 때마다 기록하고 실험을 반복하세요. 한 번에 한 가지 조건만 바꾸어 각 실험이 공정한지 확인하세요.
학습 목표
- 한 가지 변인만 바꾸고 나머지는 그대로 유지하여 공정한 실험을 계획하세요
- 낙하 시간을 측정하고 표에 기록하세요
- 측정을 반복하고 평균을 구하세요
- 날개 길이와 무게가 낙하 시간을 어떻게 바꾸는지 설명하세요
- 공기 저항이 낙하하는 물체의 속도를 늦춘다는 점을 설명하세요
사용 방법
- 1날개가 8 cm이고 클립이 1개인 헬리콥터를 세 번 떨어뜨리세요. 시간이 매번 정확히 같나요? 왜 그렇지 않을까요?
- 2날개 길이만 6 cm로 바꾸고 세 번 떨어뜨리세요. 그런 다음 10 cm와 12 cm도 시도하세요.
- 3그래프를 보세요. 날개가 길어질수록 낙하 시간은 어떻게 되나요?
- 4날개 길이는 8 cm로 유지하고 클립을 0개, 2개, 3개 달아 보세요. 먼저 예측한 다음 실험하세요.
- 5프린터용 종이 대신 도화지를 사용해 보세요. 더 무거운 헬리콥터는 더 빠르게 떨어지나요, 더 느리게 떨어지나요?
- 6예측선을 켜세요. 결과가 예측선을 따르나요?
모델
가정
- 헬리콥터는 종이를 잘라 만듭니다. 폭이 3 cm인 날개 두 개와 몸통(3 cm × 8 cm)으로 이루어져 있습니다. 종이 클립 하나의 질량은 0.5 g입니다.
- 회전하는 날개는 날개 길이를 반지름으로 하는 원판처럼 작용하며, 항력 계수는 1.3입니다. 그 결과 실제 종이 헬리콥터와 비슷한 속도로 떨어집니다.
- 스톱워치 측정값에는 사람이 시간을 재면서 생기는 작은 무작위 오차가 포함되지만, 같은 헬리콥터를 같은 낙하 횟수로 측정하면 항상 같은 값이 나옵니다.
- 헬리콥터는 떨어뜨리자마자 회전하기 시작하고 공기는 움직이지 않습니다. 클립이 없는 실제 헬리콥터는 회전하는 대신 흔들리거나 뒤집힐 수 있습니다.
수업에서 해 보기
- Q1헬리콥터를 각각 한 번보다 여러 번 떨어뜨려야 하는 이유는 무엇인가요?
- Q2한 학생이 날개 길이와 클립 개수를 동시에 바꾸었습니다. 왜 이 실험은 공정하지 않나요?
- Q3한 헬리콥터의 낙하 시간이 2.4초, 2.6초, 2.5초였습니다. 평균 시간은 얼마인가요?
- Q4긴 날개에 클립이 없는 헬리콥터와 짧은 날개에 클립이 세 개 있는 헬리콥터 중 어느 것이 공중에 가장 오래 머물까요?
- Q5단풍나무와 사마라의 씨앗은 같은 원리를 어떻게 이용하나요?
자주 묻는 질문
헬리콥터는 왜 회전하나요?
떨어질 때 공기가 날개 아래에서 위로 밀어 올립니다. 날개가 서로 반대 방향으로 접혀 있기 때문에 각 날개에 작용하는 힘은 약간 옆으로 향하고, 두 힘이 헬리콥터를 회전시킵니다. 회전하는 날개는 더 많은 공기를 받아 낙하 속도를 늦춥니다.
날개가 길수록 왜 더 천천히 떨어질까요?
긴 날개는 회전할 때 더 큰 원을 그리며 공기를 가르므로 공기 저항이 커집니다. 무게도 조금 늘어나지만, 증가한 공기 저항이 더 큰 영향을 줍니다.
종이 클립은 왜 굳이 달아야 하나요?
클립은 무게중심을 낮춰 헬리콥터가 똑바로 선 채 회전하고, 빙글빙글 뒤집히지 않도록 합니다. 클립을 너무 많이 달면 무거워져 더 빨리 떨어집니다.