2026年7月5日 / Last updated : 2026年7月5日 桑子 研 Science

양동이와 PVC 파이프가 스마트폰 실험실로 대변신! 소리의 공명으로 파장을 측정해보다 (기주공명 실험)

사이언스 트레이너 구와코 켄입니다. 매일이 실험입니다.

%e3%82%b9%e3%82%af%e3%83%aa%e3%83%bc%e3%83%b3%e3%82%b7%e3%83%a7%e3%83%83%e3%83%88-2016-09-09-8-19-08
이번에는 아이폰 앱 「AƒG – Audio Function Generator」를 활용해서 소리의 공명 현상을 탐구하는 실험을 소개합니다. 이 실험을 통해 학생들은 소리의 파장과 진동수 사이의 관계를 몸으로 느끼고, 나아가 계산으로 그 관계를 직접 도출해보는, 물리학의 기초를 즐겁게 배울 수 있습니다. 게다가 필요한 준비물은 전부 주변에서 쉽게 구할 수 있는 것들뿐입니다. 내일 수업에서 바로 실천할 수 있을 거예요.

소리의 공명으로 파장을 재보자!

이 실험에서는 특정 조건에서 소리가 크게 울리는 “공명”이라는 현상을 이용합니다. 공명은 파동의 성질을 이해하는 데 아주 중요한 현상입니다. 수조 속 아크릴관에서 소리를 공명시켜, 소리의 파장을 눈으로 확인하고 그 소리의 진동수를 계산으로 구해봅시다.

준비물:

  • 아크릴관: 길이 50cm 정도가 적당합니다. 철물점 등에서 800엔 전후로 구입할 수 있습니다. 안지름이 너무 크면 공명이 잘 일어나지 않으니 가는 것을 고르는 게 좋습니다.
  • 아이폰: “AƒG – Audio Function Generator” 앱을 설치한 것. (조별로 1대씩만 있으면 충분합니다. 학생들에게 미리 설치를 안내해두면 수업이 훨씬 매끄럽게 진행됩니다.)
  • 수조: 아크릴관을 세울 수 있고 물을 충분히 담을 수 있는 깊이가 있는 것.
  • 스티커 또는 유성펜: 공명점을 표시하는 데 사용합니다. 관에 붙일 수 있는 줄자가 있으면 길이를 더 정확하게 잴 수 있어 편리합니다.

실험 순서:

スクリーンショット 2015-09-30 7.47.42

  1. 앱 설치 안내: 미리 학생들에게 “AƒG – Audio Function Generator” 앱을 각자의 아이폰에 설치해두도록 알려줍니다. 집에서 실험을 진행하는 경우라면 이 단계는 생략해도 됩니다.
  2. 수조에 물 채우기: 수조에 물을 가득 채웁니다. 수면은 최대한 잔잔하게 유지합니다.
  3. 아크릴관 세우기: 수조 안에 아크릴관을 수직으로 세웁니다. 관이 넘어지지 않도록 주의하세요.
  4. 아이폰 고정 및 소리 재생: 아이폰에서 “AƒG” 앱을 실행하고 적당한 주파수(예: 400Hz~800Hz 정도)의 소리를 냅니다. 아크릴관 위쪽에 아이폰을 고정하고, 소리가 나오는 부분이 관의 입구를 향하도록 맞춥니다.
    スクリーンショット 2015-09-21 23.40.49
  5. 공명점 찾기 (1차): 아이폰을 아크릴관과 한 몸처럼 잡고 천천히 위아래로 움직여봅니다. 소리가 갑자기 커지는 지점이 없는지 귀를 기울여 잘 찾아보세요. 그곳이 바로 소리의 파동이 공명하는 “공명점”입니다.
    スクリーンショット 2015-09-21 23.41.22
  6. 공명점 표시 (1차): 소리가 가장 커지는 지점을 찾았다면, 그때 아크릴관의 수면과 관 위쪽 끝 사이의 길이를 기록합니다. 스티커를 붙이거나 유성펜으로 표시해두면 좋습니다.
  7. 공명점 찾기 (2차): 관을 계속 위아래로 움직이며 소리가 커지는 또 다른 지점을 찾습니다. 처음 찾은 공명점보다 수면이 더 낮은 위치에 있을 것입니다.
  8. 공명점 표시 (2차): 두 번째 공명점을 찾았다면, 마찬가지로 수면 위치를 표시합니다.
  9. 파장 측정: 두 공명점(스티커와 스티커 사이) 사이의 거리를 잽니다. 이 거리는 소리 파장의 정확히 절반(λ / 2)에 해당합니다. 따라서 측정한 거리를 2배 하면 그 소리의 파장 λ를 구할 수 있습니다.

スクリーンショット 2015-10-05 8.06.09

퀴즈 공기가 살짝 튀어나와 있다? “개구단 보정”의 비밀

이 실험을 하다 보면 “계산상의 파동 길이”와 “실제 관의 길이”가 미묘하게 맞지 않는 현상과 마주치게 됩니다.
어느 조에서 공명 실험을 했더니 관 입구에서 0.415m 지점에서 공명이 일어났습니다. 또 두 공명 지점 사이(반파장)를 측정해 계산해보니 파장이 0.34m라는 것을 알게 되었습니다.
이 결과로부터 관 속에 어떤 정상파가 생기고 있는지 추측하고, 개구단 보정을 구해봅시다.
힌트 파장이 0.34m라는 것은, 기본 진동(1/4파장)의 길이는 0.34 ÷ 4 = 0.085m입니다. 이번 공명점 0.415m는 0.085m의 약 5배(0.425m)에 가까운 숫자네요. 즉 5배 진동(세 번째 공명점)이 일어나고 있다고 생각할 수 있습니다.
하지만 계산상으로는 0.425m인데 실제로는 0.415m밖에 되지 않습니다. 이 차이야말로 소리가 관 출구에서 살짝 바깥쪽으로 튀어나와 진동하고 있는 만큼(개구단 보정)입니다.
0.425m − 0.415m = ???
자, 답은 몇 cm일까요? (정답은 1cm입니다!) 이렇게 실험값과 이론값을 조합하면 눈에 보이지 않는 공기의 “튀어나옴”까지 측정할 수 있다는 것, 이것이 바로 물리 실험의 묘미입니다.

음속 계산과 진동수 비교

실험을 진행하는 장소의 기온을 측정합니다. 다음으로 아래 식을 사용해 그 기온에서의 음속 v를 구합니다. v = 331.5 + 0.6t (여기서 t는 섭씨온도[℃]입니다.) 마지막으로 구한 음속 v와 측정한 파장 λ를 이용해 아래 식으로 소리의 진동수 f를 계산합니다. v = fλ 이므로 f = v/λ
이렇게 계산한 진동수와 아이폰의 “AƒG” 앱에서 설정한 소리의 진동수를 비교해봅시다. 거의 같은 값이 나올 거예요.

왜 공명이 일어날까?

이 실험은 폐관의 공명이라는 현상을 이용한 것입니다. 수면에서 음파가 반사되면서 관 속에 정상파가 만들어집니다. 정상파란 파동이 앞으로 나아가지 않고 그 자리에 멈춰 있는 것처럼 보이는 파동을 말하며, 특정한 지점(마디)에서는 거의 진동하지 않고 또 다른 특정한 지점(배)에서는 크게 진동한다는 특징이 있습니다.
이번 실험에서는 관의 입구가 “배”(크게 진동하는 지점), 수면이 “마디”(거의 진동하지 않는 지점)가 됩니다. 가장 단순한 공명의 형태는 관의 길이가 파장의 1/4일 때입니다. 그다음 공명은 3/4일 때, 그다음은 5/4일 때… 이렇게 파장의 홀수 배일 때 공명이 일어납니다.
이번에 찾은 두 공명점은 관의 길이가 λ/4와 3λ/4일 때의 공명점을 찾은 것입니다. 이 두 공명점 사이의 거리는 정확히 (3λ/4) − (λ/4) = 2λ/4 = λ/2가 되므로, 이 거리를 2배 하면 정확한 파장을 측정할 수 있습니다.

교실에서의 생생한 반응

실제로 이 실험을 해보면 학생들은 흔쾌히 톤 제너레이터 앱을 설치하고, 조별로 열중해서 공명점을 찾아냅니다. “소리가 커지는 곳이 있다!”며 환호성을 지르고, 직접 파장을 측정해서 계산으로 구한 진동수가 설정값과 거의 일치했을 때는 큰 성취감을 느끼는 듯합니다.
“스마트폰이 이런 데도 쓰이는구나!”라는 놀라움과 “우리 주변에 있는 것들이 과학과 연결되어 있다”는 발견은 학생들의 지적 호기심을 크게 자극할 것입니다. 조별로 스마트폰 1대만 있으면 충분하니 준비도 아주 간단합니다.

실험 기구 개발 비하인드: 손수 만든 실험에서 탄생한 KW-1

사실 이 “손수 만든 공명 실험”이 계기가 되어, 교재 회사 나리카와 함께 기주공명장치 “KW-1” 개발을 돕게 되었습니다. 마침 나리카 사이언스 아카데미(NSA)에서 제가 양동이에 PVC관을 붙여 실험하는 모습을 나리카 직원분이 보시고 “이걸 좀 더 쉽게 쓸 수 있게 만들 수 없을까” 생각하셔서 개발에 나서주셨다고 합니다.
참고로 이 장치의 이름 “KW”는 농담 삼아 제 성 “구와코”에서 따온 것이라고 하네요. 소소하게 손수 만든 실험이 뜻밖의 형태로 본격적인 교재로 이어지는, 그런 만남 역시 과학의 재미 중 하나라고 생각합니다.

【開発】バケツと塩ビパイプから生まれた発明 気柱共鳴装置KW-1誕生秘話

문의 및 의뢰 안내

과학의 신기함과 재미를 좀 더 가까이에! 집에서 할 수 있는 즐거운 과학 실험과 그 요령을 알기 쉽게 정리하고 있습니다. 여러 가지로 검색해보세요!
・”과학 이야기 노트”의 내용이 책으로 나왔습니다. 자세한 내용은 이쪽
・운영자 구와코 켄에 대해서는 이쪽
・각종 의뢰(집필・강연・실험 교실・TV 감수・출연 등)는 이쪽
・기사 업데이트 소식은 X에서 확인하세요!

과학 이야기 채널에서 실험 영상도 만나보세요!

７月のイチオシ実験！

夏でプシュッと爽やか実験！

小型で持ち帰れるよ！ペットボトルロケットを作ろう！

テレビ番組監修・イベント等のお知らせ

書籍のお知らせ

  • ７月16日発売　『高校入試 分解問題集 理科』（学研）…難しい問題も小さな問題に分解することで、問題を解くことができます。そんな分解の技術が身につくように深く関わりを持って作りました。
  • 『大人のための高校物理復習帳』（講談社）…一般向けに日常の物理について公式を元に紐解きました。特設サイトでは実験を多数紹介しています。※増刷がかかり６刷となりました（2026/02/01）
    スクリーンショット 2014-07-05 0.43.51
  • 『きめる!共通テスト 物理基礎 改訂版』（学研）…　高校物理の参考書です。イラストを多くしてイメージが持てるように描きました。授業についていけない、物理が苦手、そんな生徒におすすめです。特設サイトはこちら。

各種SNS（更新情報をお届け！）

【日本語】X(Twitter)／instagram／Facebook　【英語】BlueSky／Threads

Explore

  • 楽しい実験…お子さんと一緒に夢中になれるイチオシの科学実験を多数紹介しています。また、高校物理の理解を深めるための動画教材も用意しました。
  • 理科の教材… 理科教師をバックアップ！授業の質を高め、準備を効率化するための選りすぐりの教材を紹介しています。
  • Youtube…科学実験等の動画を配信しています。
  • 科学ラジオ …科学トピックをほぼ毎日配信中！AI技術を駆使して作成した「耳で楽しむ科学」をお届けします。
  • 講演 …全国各地で実験講習会・サイエンスショー等を行っています。
  • About …「科学のネタ帳」のコンセプトや、運営者である桑子研のプロフィール・想いをまとめています。
  • お問い合わせ …実験教室のご依頼、執筆・講演の相談、科学監修等はこちらのフォームからお寄せください。

 

 

카테고리
Science
Science

Previous article

위는 왜 자기 자신을 녹이지 않을까? 170년 전 폭발 사고가 알려준 놀라운 사실（영상 「인체 소화의 신비」）New!!
2026年7月4日
Science

Next article

‘중화’가 만든 마법의 뿌연 빛깔, 석회수와 이산화탄소의 의외의 화학 반응New!!
2026年7月6日