이 실험 소개
블록을 용수철저울에 매달아 넘침 용기 안으로 내립니다. 블록이 들어가면 저울의 눈금이 내려가고 액체가 받침 컵으로 흘러넘칩니다. 저울에서 줄어든 무게는 항상 컵에 담긴 액체의 무게와 같습니다. 이것이 아르키메데스의 원리입니다. 재질과 액체, 블록의 크기를 바꾸며 물체가 뜨거나 가라앉는 요인을 알아보세요.
학습 목표
- 공기 중 무게와 액체 속에서의 저울 눈금의 차이로 부력을 측정합니다
- 부력이 밀려난 액체의 무게와 같음을 확인합니다
- 블록이 완전히 잠긴 뒤에는 부력이 깊이가 아니라 잠긴 부피에 따라 커진다는 것을 확인합니다
- 블록의 밀도와 액체의 밀도를 비교하여 블록이 뜰지 가라앉을지 예측하세요.
사용 방법
- 1알루미늄 블록을 공기 중에 놓고 용수철저울로 무게를 읽으세요.
- 2블록을 조금씩 아래로 끌어내리면서 저울의 눈금, 부력, 받이 컵을 관찰하세요.
- 3블록이 완전히 잠긴 뒤에도 계속 내리세요. 그래프에서 어떤 힘이 일정하게 유지되는지 살펴보세요.
- 4나무와 왁스를 여러 액체에 넣어 보고, 줄이 느슨해져 블록이 뜨는 깊이를 찾아보세요.
모델
가정
- 블록은 밀도가 균일한 단단한 정육면체이며, 들어가는 동안 수평을 유지합니다.
- 넘침 용기는 주둥이까지 액체로 가득 차 있으므로, 받이 컵에는 블록이 밀어낸 액체가 정확히 담깁니다.
- 액체는 정지해 있고 모든 깊이에서 밀도가 같습니다. 표면 장력은 무시합니다.
- 줄과 저울 고리에는 질량이 없으며, g = 9.8 N/kg입니다.
수업에서 해 보기
- Q1알루미늄 블록의 무게는 공기 중에서 13.2 N이고 물속에서 8.3 N입니다. 이 블록이 밀어내는 물의 부피는 얼마인가요?
- Q2블록이 완전히 수면 아래에 잠기면 왜 저울의 눈금이 더 이상 변하지 않나요?
- Q3왁스는 물에 뜨지만 에탄올에는 가라앉습니다. 밀도를 이용해 그 이유를 설명하세요.
- Q4아크릴은 물에는 가라앉지만 소금물에는 뜹니다. 아크릴의 어느 정도가 수면 위로 나와 있나요?
자주 묻는 질문
더 깊은 곳에 있는 물체는 더 큰 부력을 받나요?
아니요. 깊이가 깊어지면 압력이 커지지만, 물체의 윗면에 작용하는 압력도 커집니다. 윗면과 아랫면을 미는 힘의 차이는 그대로이므로, 완전히 물속에 잠긴 물체가 받는 부력은 깊이에 관계없이 같습니다.
무거운 강철 배는 왜 물에 뜨나요?
배의 선체는 많은 양의 공기를 둘러싸는 큰 공간을 만들기 때문에 배 전체의 평균 밀도는 물보다 낮습니다. 배는 자기 무게와 같은 무게의 물을 밀어낼 때까지 가라앉습니다.
블록의 질량이 부력에 영향을 주나요?
아니요. 부력은 잠긴 부피와 액체의 밀도에만 좌우됩니다. 질량은 그 힘이 블록을 떠받치기에 충분한지를 결정할 뿐입니다.