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힘의 세기 비교하기준비물 |
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실험과 관찰 |
1. 찰흙을 두께가 일정하게 하여 찰흙 판 위에 놓는다. 2. 구슬을 30cm 높이에서 떨어뜨린다. 3. 구슬을 60cm 높이에서 떨어뜨리고 30cm 높이에서 떨어뜨렸을 때와 차이점을 비교해 본다. 4. 질량이 다른 두 개의 구슬을 같은 높이에서 떨어뜨리고 차이점을 비교해 본다. |
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왜 그럴까요? |
쇠 구슬이 찰흙 위에 남긴 자국을 보세요. 구슬의 질량과 떨어지는 높이에 따라 자국이 달랐지요. 왜 그런지 한번 알아볼까요?
모든 물체는 질량이 있습니다. 그리고 질량이 있는 물체에는 지구가 끌어당기는 힘(지구 중력)을 작용하구요. 물체에 작용하는 지구 중력의 크기를 그 물체의 무게라고 합니다.
힘은 물체의 모양을 바꾸거나(변형) 물체의 운동 상태를 바꿉니다. 물체의 운동 상태는 운동의 방향과 빠르기를 말합니다. 지면에서 떨어진 곳에서 물체를 놓으면, 지구 중력 때문에 아래로 떨어집니다. 떨어지는 동안 지구 중력이 계속 작용하므로, 물체가 떨어지는 빠르기가 점점 커집니다.
이 실험에서 힘을 받는 찰흙은 운동을 하지 않습니다. 따라서 구슬이 떨어지다가 찰흙에 닿아 힘을 주면 찰흙의 모양이 변합니다. 이 실험은 구슬의 질량과 떨어지는 높이를 변화시키면서 찰흙의 모양이 변하는 것을 관찰하고, 그것을 바탕으로 힘의 크기를 비교해보는 것입니다. 두 경우를 비교할 때 구슬이 떨어지면서 찰흙에 힘을 주는 시간은 같다고 가정합니다.
먼저 구슬의 질량에 따라 찰흙에 작용하는 힘이 어떻게 달라지는지 살펴봅시다. 무거운 쇠 구슬이 떨어지다 멈출 때 더 깊고 선명한 자국을 남깁니다. 따라서 구슬의 질량이 클수록 찰흙에 작용하는 힘이 더 크다는 것을 알 수 있습니다,
코달이와 개상이가 걸어가면서 남긴 발자국 처럼요.
같은 질량의 쇠 구슬을 서로 다른 높이에서 떨어뜨려도 힘이 달라집니다. 높은 곳에서 쇠 구슬을 떨어뜨리면 낮은 높이에서 떨어뜨릴 때보다 더 선명한 자국이 남았습니다. 더 높은 곳에서 떨어질수록 찰흙에 닿기 직전의 속력이 더 큽니다. 따라서 찰흙에 닿기 직전의 속력이 크면 찰흙에 주는 힘도 더 커진다는 것을 알 수 있습니다.
정리하면 어떤 물체가 운동하다가 멈추면서 다른 물체에 힘을 가할 때, 물체의 질량이 클수록 물체의 속력이 클수록 다른 물체에 큰 힘을 작용합니다.(힘을 작용하는 시간이 같다고 가정할 때)
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