미래를 예측하는 공식? 후크의 법칙 실험으로 과학자의 눈을 가져보자!
사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일이 실험입니다.
이번에는 훅의 법칙에 관한 실험 방법을 소개하겠습니다. 단순해 보이는 현상 속에 숨어 있는 물리 법칙을 학생들과 함께 하나씩 밝혀 나가 보세요.
이 실험에서는 10g짜리 추를 용수철에 매달고, 그때 용수철이 얼마나 늘어나는지를 측정합니다. 중학교 1학년 학생들에게는 「정량적인 데이터를 얻는 것」과 「그 데이터를 그래프로 나타내는 것」을 연습할 수 있는 중요한 기회입니다. 단순히 숫자를 기록하는 활동이 아니라, 자신의 눈으로 관찰한 세계의 규칙을 숫자로 표현해 보는 것. 훌륭한 과학자로 나아가는 첫걸음이라고 할 수 있습니다.
이 실험은 사실 준비해야 할 것이 많지 않습니다. 실험 도구를 한곳에 모아 두고 학생들이 직접 가져가도록 하는 방식이 좋습니다. 자신의 실험 도구를 스스로 준비하는 순간부터 탐구는 이미 시작되고 있으니까요.
필요한 도구는 10g짜리 추 약 5개, 용수철, 스탠드, 자, 나무젓가락 등입니다. 측정 간격이나 어디까지 측정할 것인지 같은 「실험의 방법」조차 일부러 학생들에게 맡겨 보는 것도 재미있는 방법입니다. 위험 요소도 거의 없습니다. 저는 한 모둠에 하나씩 준비하고 있지만, 서로 의견을 주고받으며 생각을 깊게 하기에는 2명이 하나의 실험 장치를 사용하는 짝 활동을 개인적으로 추천합니다.
조금만 궁리하면 실험을 훨씬 수월하게 진행할 수 있습니다. 스탠드에 클램프를 2개 설치해 두면 하나는 자를 고정하고, 다른 하나는 용수철을 고정하는 데 사용할 수 있습니다. 클립에 나무젓가락을 끼워 두면 그곳에 용수철을 매달 수도 있습니다.
전체 모습
확대해서 보면…
측정할 때의 요령은 용수철의 전체 길이를 먼저 측정한 다음, 나중에 뺄셈을 해서 「늘어난 길이」를 구하는 것입니다. 이렇게 한 번 더 「뺄셈」을 하는 과정이 데이터가 무엇을 의미하는지 생각해 보는 계기가 됩니다.
측정할 때는 교과서에도 나오는 「눈금의 10분의 1까지 읽는다」는 원칙이 중요합니다. 이는 가능한 한 정확한 데이터를 얻기 위한 규칙입니다. 예를 들어 용수철의 늘어난 길이가 4.3cm인지 4.4cm인지를 확실하게 구별할 수 있다면 데이터의 신뢰도가 크게 높아집니다. 이렇게 「아주 작은 차이」를 소중하게 여기는 태도가 때로는 놀라운 발견으로 이어지기도 합니다.
프린트 예시:
실험 결과와 훅의 법칙
실제로 실험을 해 보면 제각각이던 숫자들이 그래프 위에서 깔끔한 직선으로 나란히 나타나는 순간이 찾아옵니다. 바로 이것이 과학의 묘미입니다! 그런데 여기서 재미있는 점이 하나 있습니다. 실험하기 전에 「용수철의 늘어난 길이는 어떤 그래프가 될까?」라고 예측하게 하면, 많은 학생들이 쉽게 답하지 못합니다.
「왠지 직선이 될 것 같은데……？」라는 막연한 생각은 있어도, 「왜 직선이 되는 걸까？」라고 물으면 설명하기가 어려워집니다. 어쩌면 어느 순간부터 갑자기 잘 늘어나지 않는 「곡선」이 될 수도 있겠지요. 바로 이런 「왜？」라는 작은 의문과 위화감이 탐구심에 불을 붙이는 연료가 됩니다.
왜 직선이 될까? 17세기 천재가 발견한 「비례」의 아름다움
훅의 법칙에 따르면 용수철이 늘어나는 길이는 매달아 놓은 추의 무게, 즉 용수철에 가해지는 힘에 비례합니다. 다시 말해 추의 무게를 2배로 늘리면 용수철의 늘어난 길이도 2배가 됩니다. 이것이 바로 「비례」 관계입니다.
이 법칙을 발견한 사람은 17세기 영국의 물리학자 로버트 훅입니다. 그는 아이작 뉴턴의 라이벌로도 유명하며, 현미경을 이용해 세포를 처음으로 관찰한 인물이기도 합니다. 훅은 용수철에 작용하는 힘과 용수철이 늘어나는 정도의 관계를 연구하여 「용수철의 늘어난 길이는 가해진 힘에 비례한다」는 훅의 법칙을 제시했습니다.
이 법칙 덕분에 우리는 「추를 10개로 늘리면 용수철은 몇 cm 늘어날까？」라는 질문에 직접 실험해 보지 않고도 계산을 통해 예측할 수 있게 되었습니다.
훅의 법칙을 더욱 탐구적으로 학습할 수 있도록 하는 방법을 다음 글에 정리했습니다. 함께 읽어 보세요.
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