KR200298488Y1 - 중력장 내에서의 물체 운동 모형실험 장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 경사진 2차원 평면에서 구슬을 가속도 운동을 하도록 하는 실험장치에 관한 것으로서, 보통 고등학교 물리교과 교육과정에서 '가속도 운동' 또는 '중력장 내에서의 물체의 운동'을 학습할 때 이용된다.

본 실험장치는 경사면 위에 흰색화면을 붙치고, 흰색화면 위에서 자석(磁石)구슬을 구르게 한다. 자석구슬이 흰색화면 위를 구르면서, 흰색화면에 자석구슬의 운동경로선을 그린다. 학생들은 흰색화면에 그려진 운동경로선을 관측하여 자석구슬의 가속도 운동을 학습한다. 그려진 운동경로선은 자석지우개로 지울 수 있다. 또, 본 실험장치에는 신호감지센서와 운동시간측정장치은 자석구슬의 운동시간을 측정할 수 있다. 운동경로선과 신호감지선이 교차하는 점을 이용하여 위치-시간의 관계를 측정하고, 속도와 가속도를 계산하는 방법을 학습한다.

본 고안은 운동 변위(變位)와 속도가 너무 커서 학교 교실에서 쉽게 실험할 수 없는 '중력장 내에서의 물체의 운동'을 경사면에서 자석구슬이 구르는 운동으로 모형실험을 할 수 있다.

Description

중력장 내에서의 물체 운동 모형실험 장치{Imitation experiment equipment of particle motion in a gravitation field}

선행 기술로서 학교에 공급되어 있는 '비탈면에서 수레 운동' 실험장치와 '자유낙하운동'실험장치들은 1차원 직선 위에서 기록타이머와 종이테이프를 이용하여 물체의 운동을 관측하는 것이다.

본 고안은 도 1과 같이 경사면(12)에서 자석구슬(11)을 굴러 가속도 운동을 하도록 하는 실험장치로서 보통 고등학교 물리교육과정에서 '가속도 운동' 또는 '중력장 내에서의 물체의 운동'을 모형실험 학습할 때 이용된다. 본 고안에서는 기록타이머와 종이테이프를 사용하지 않고 물체가 운동한 자취를 운동경로선(20)으로 나타나게 하고, 운동시간측정장치(14)를 이용하여 물체의 운동시간을 직접 관측한다. 본 고안은 운동 변위(變位)와 속도가 너무 커서 학교 교실에서 쉽게 실험할 수 없는 '중력장 내에서의 물체의 운동'을 모형실험한다.

경사면(12) 윗쪽의 흰색화면(a)에 자석구슬(11)이 가속도 운동을 하면서 구르면, 흰색화면(a)에 자석구슬(11)의 운동경로선(20)이 그려진다. 학생은 운동경로선(20)으로부터 물체 운동모습을 확인한다. 흰색화면(a) 옆에 다수의 신호감지센서(15)를 일정한 간격으로 부착하여 자석구슬(11)의 운동 시간을 구간별로 측정한다. 운동경로선(20)과 신호감지선(19)이 교차하는 점을 이용하여 물체의 위치와 시간을 관측한다. 운동경로선(20)은 자석지우개(18)로 지운다.

본 고안은 고등학교 물리교과교육과정에 있는 '가속도 운동' 실험과 '중력장 내에서 물체의 운동'을 모형실험하는 장치이다.

본 실험장치는 경사면(12) 위에 흰색화면(a)을 붙치고, 흰색화면(a) 위에서 자석(磁石)구슬(11)을 구르게 한다. 자석구슬(11)이 흰색화면(a) 위를 구르면서, 흰색화면(a)에 자석구슬(11)의 운동경로선(20)을 그린다. 학생들은 흰색화면(a)에 그려진 운동경로선(20)을 관측하여 자석구슬(11)의 가속도 운동을 학습한다. 그려진 운동경로선(20)은 자석지우개(18)로 지울 수 있다. 또, 본 실험장치에는 신호감지센서(15)와 운동시간측정장치(14)은 자석구슬(a)의 운동시간을 측정할 수 있다. 운동경로선(20)과 신호감지선(19)이 교차하는 점을 이용하여 위치-시간의 관계를 측정하고, 속도와 가속도를 계산하는 방법을 학습한다.

도 1은 세로방향경사 상태에 있는 본 고안의 전체 사시도

도 2는 자석구슬 단면도

도 3-a는 경사면 사시도

도 3-b는 경사면의 가-가' 방향 단면도

도 3-c는 경사면의 a-a' 방향 단면도

도 4는 가로방향경사 상태에 있는 본 고안의 전체 사시도

도 5는 포사발사대 사시도

도 6은 수평발사대 사시도

도 7은 자석지우개 사시도

도 8-a는 신호감지센서 전자회로도

도 8-b는 리셋스위치 전자회로도

도 8-c는 타이머 전자회로도

도 8-d는 LCD(액정화면) 전자회로도

<<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>>

a-흰색화면11-자석구슬

12-경사면13-받침대

14-운동시간측정장치15-신호감지센서

16-포사발사대17-수평발사대

18-자석지우개19-신호감지선

20-운동경로선 (20-a:자유낙하, 20-b:수평으로 던진 물체)

21-경사받침목22-다수 자극들

31-아랫판32-윗판

33-내부공간34-자석지우개손잡이홈

41-수준기42-다리

51-경사홈52-고정핀

53-고정판54-받침판

55-회전축56-각도눈금

57-고정판 이동축61-경사홈

62-고정판63-높은 곳의 구멍

64-낮은 곳의 구멍65-흰색화면 부분의 구멍

71-자석72-스펀지

73-자석지우개손잡이

본　고안은　도 1과 같이　자석구슬(11), 경사면(12),　받침대(13), 운동시간측정장치(14), 신호감지센서(15), 포사발사대(16), 수평발사대(17), 자석지우개(18)와 경사받침목(21) 등으로 구성되고 신호감지선(19)과 운동경로선(20)이 표시된다.

본 고안은 수평상태의 받침대(13)에 경사면(12)을 설치하고, 경사면(12) 위에 흰색화면(a)을 부착한다. 흰색화면(a)은 자석구슬(11)이 운동경로선(20)을 그리는 곳이다. 포사발사대(16)와 수평발사대(17)는 경사면(12)에 설치되어 자석구슬(11)을 운동시킨다. 이 발사대들은 자석구슬(11)의 처음속도 크기와 운동방향을 조절할 수 있다. 흰색화면(a) 옆면에 부착된 신호감지센서(15)와 운동시간측정장치(14)는 자석구슬(11)의 구간별 운동시간을 측정한다. 자석구슬(11)의 운동경로선(20)와 신호감지선(19)이 교차하는 점을 이용하여 물체의 위치와 시간을 관측하는 실험한다. 운동경로선(20)은 자석지우개(18)로 지운다.

흰색화면(a)은 자석구슬(11)이 직접 구르면서 실험을 하는 면으로서 경사면(12) 위쪽에 부착한다. 흰색화면은 자석이 가까이 접근하면 내부의 철가루가 자석 쪽으로 이동하여 검게 변하는 성질을 가지고 있다. 흰색화면의 이러한 성질을 이용하여 자석이 부착된 펜으로 어린이들이 글자연습을 하는 칠판('쓰기박사'(주)영실업(http://www.youngtoys.co.kr/), 또는 '매직보드' 등)이 개발되어 시중에 판매되고 있다. 본 고안에서는 자석펜이 아닌 자석구슬(11)이 흰색화면(a) 위를 구르면서 검은 점으로 운동경로선(20)을 그린다.

1. 자석구슬

흰색화면(a)에서 직접 운동하는 물체로서 자석(磁石)구슬(11)은 자극 한 쌍(N극과 S극)이 아닌, 도 2와 같이 다수(多數)의 자극(22)을 가져야 한다. 자석구슬(11)에 자극이 한 쌍이면, 자석구슬(11)의 자극과 자성체(磁性體)인 흰색화면(a) 사이에 하나의 힘이 작용하고 이 힘은 자석구슬(11)의 한 곳에만 인력(引力)이 작용하여 구르는 운동에 영향을 준다. 자석구슬(11)에 자극(22)이 여러 쌍이면, 자석구슬(11)의 자극(22)들과 흰색화면(a) 사이에 여러 개 힘이 작용하고 이들 힘들의 합력은 흰색화면(a)에 수직항력을 증가시키나 구르는 운동에는 영향을 주지 않는다.

자극이 N극과 S극 한쌍 아닌 다수의 자극(22)을 가진 자석구슬(11)을 제작하는 방법에는 2가지가 있다.

도 2와 같이 구슬에 다수의 자극(22)을 만드는 방법으로 지름　약 １㎝인　구(球)의　표면에　지름　１㎜，깊이　２㎜인　구멍을　약　５０개　정도를　만들고,　그 속에　작은 자석을　넣어　제작한다. 이렇게　제작된　자석구슬(11)은　다수의　자극(磁極)(22)이　구슬　표면에　고르게　분포되어　있다．

본드자석(Bonded Magnet)을 이용하는 방법으로 자석분말(Ferrite 분말과 희토류(Nd, Sm) 분말 등)과 플라스틱 또는 고무를 섞어 압축하여 다수의 자극(22)이 고르게 분포된 구슬형태 자석을 만든다.

2. 경사면

도 3-a과 같이 경사면(12)에는 흰색화면(a), 포사(砲射)발사대(16), 수평발사대(17), 자석지우개(18) 등이 설치되어 있다. 도 3-b와 3-c와 같이 경사면(12)는 아랫판(31)과 윗판(32)으로 만들어지며 아랫판(31)과 윗판(32) 사이에는 높이 2cm의 내부공간(33)을 만든다. 내부공간(33)에는 자석지우개(18)이 설치된다. 아랫판(31)은 튼튼한 나무판자로 만들고 윗판(32)은 흰색화면(a)을 고정시킬 수 있으면서 자석지우개(18)의 자기력을 흰색화면(a)에 작용할 수 있는 얇은 판자(두께 2mm 아크닐판)로 만든다. 흰색화면(a)이 부착된 윗판(32) 양쪽 가장자리에 자석지우개손잡이홈(34)을 만든다. 신호감지센서(15)는 흰색화면(a)의 양쪽에 일정한 간격으로 설치하고 신호감지센서(15)가 설치된 곳에 신호감지선(19)를 표시한다. 이 신호감지선(19)은 운동시간 측정의 기준선이다.

포사(砲射)발사대(16)는 도 1과 같은 세로방향경사 상태에서 '비스듬히 던져 올린 물체의 운동 모형실험'을 할 때 자석구슬(11)을 발사하는 것이다. 도 1과 같은 세로방향경사는 받침대(13)와 경사면(12)의 정면 반대쪽에 경사받침목(21)을 끼워 만든다. 도 5와 같이 포사발사대(16)는 경사홈(51)과 고정핀(52)과 고정판(53)과 받침판(54)으로 구성되어 있다. 받침판(54)은 경사면(12)에서 포사발사대(16)를 수평으로 설치한다. 포사발사대(16)는 경사홈(51)의 끝부분에 있는 회전축(55)에 의해 받침판(54)과 연결되어 회전할 수 있다. 자석구슬(11)의 발사방향은 포사발사대(16)의 각도눈금(56)으로 알 수 있다. 고정판(53)은 이동축(57)을 따라 위 아래쪽으로 움직이고, 같은 간격의 고정핀(52)에 의해 고정된다. 고정판(53)은 자석구슬(11)을 정시시키고 있다가 고정핀(52)으로부터 들어올려지면, 자석구슬(11)은 경사홈(51)을 따라 아래로 굴러 발사된다. 자석구슬(11)의 처음속도는 고정판(53)에 의한 자석구슬(11)의 높이에 의해 조절된다.

수평발사대(17)는 도 4와 같은 가로방향경사 상태에서 '수평으로 던진 물체의 운동 모형실험(20-a)'과 '자유낙하운동 모형실험(20-b)'을 할 때 자석구슬(11)을 발사하는 것이다. 도 4와 같은 가로방향경사는 받침대(13)와 경사면(12)의 왼쪽에 경사받침목(21)을 끼워 만든다. 도 6과 같이 수평발사대(17)는 경사홈(61)과 고정판(62)으로 구성되어 있다. 경사홈(61)은 자석구슬(11)이 굴러 내려 발사되도록 홈이 만들어져 있다. 고정판(62)에는 3개의 구멍이 있는데, 자석구슬(11)을 이 구멍으로 고정시키고, 들어 올려 발사시킨다. 고정판(62)의 3개의 구멍은 높은 곳(63)과 낮은 곳(64)과 흰색화면(a) 부분(65)에 위치하고 있으며, 자석구슬(11)을 고정시키는 구멍의 높이로 수평으로 굴린 자석구슬(11)의 처음속도를 조절한다. 높은 곳의 구멍(63)과 낮은 곳의 구멍(64)은 자석구슬(11)의 수평방향 처음속도를 크게 또는 작게 한다. 높은 곳의 구멍(63)과 낮은 곳의 구멍(64)은 수평으로 던진 물체의 운동 모형실험을 한다. 흰색화면(a) 부분에 위치하는 구멍(65)은 자석구슬(11)의 수평방향 처음속도를 '0'이 되게 하므로 자유낙하운동 모형실험을 한다.

자석지우개(18)는 흰색화면(a)에 그려진 자석구슬(11)의 운동경로선(20)를 지우는 것이다. 자석지우개(18)는 경사면(12)의 아랫판(31)과 윗판(32) 사이의 내부공간(33)에 설치되어 있다. 도 7과 같이 자석지우개는 자석(71)과 스펀지(72)와 자석지우개손잡이(73)로 구성된다. 자석(71)은 흰색화면(a)에 그려진 운동경로선(20)에 자기력을 작용하여 지우는 역할을 한다. 스펀지(72)는 스펀지의 탄성력으로 자석(71)을 경사면(12) 윗판(32)과 접촉하도록 한다. 2개 자석지우개손잡이(73)는 자석지우개손잡이홈(34)을 따라 평행하게 이동시키면서 운동경로선(20)을 지운다.

도 1과 도 4와 같이 받침대(13)는 본 실험장치를 수평으로 유지시킨다. 받침대(13)에는 수평을 확인하는 수준기(水準器)(41)와 수평을 맞출 수 있게 높이 조절이 가능한 다리(42)가 4개 부착되어 있다.

3. 운동시간측정장치

운동시간측정장치(14)는 신호감지센서(15)와 타이머와 LCD(액정화면)와 스위치로 구성되어 자석구슬(11)의 운동시간을 측정한다. 흰색화면(a) 옆부분에 약 5cm 간격으로 설치된 신호감지센서(15)는 도 8-a와 같이 적외선 발광다이오드와 수광다이오드로 구성되어 있다. 신호감지센서(15)는 자석구슬(11)이 신호감지선(19)에 도달하면 전기신호를 타이머에 전달한다. 리셋스위치는 시간을 초기화시키고, 도 8-c와 같이 자석구슬(11)이 첫 번째 신호감지선(19)이 있는 곳을 지나면 타이머는 시간을 측정하기 시작하여, 자석구슬(11)이 두 번째 신호감지선(19)이 있는 곳을 지나면 타이머는 처음부터 두 번째까지 운동한 시간을 측정한다. 그리고 자석구슬(11)이 세 번째 신호감지선(19)이 있는 곳을 지나면 타이머는 처음부터 세 번째까지 운동한 시간을 측정한다. 위와 같은 방법으로 타이머는 각 위치까지 자석구슬(11)이 운동한 시간을 측정한다. 도 8-d와 같이 구성된 LCD는 측정한 운동시간을 표시한다.

이상에서 설명한 본 고안은, 본 고안에 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 고안의 기술적인 사상을 벗어나지 않는 범위에서 여러 가지 치환 및 변경이 가능하므로 전술한 실시 예 및 첨부한 도면에 한정된 것은 아니다.

1차원적인 직선 위에서 물체운동의 경우 학생들은 속도와 가속도로 운동상태를 쉽게 이해하고 그 결과를 쉽게 받아들인다. 그리고 직선으로 운동하는 실험을 할 수 있는 장치들은 여러 종류가 개발되어 학교에 공급되고 있다. 그러나 2차원적인 평면에서 물체운동과 중력장 내에서의 물체운동을 실험할 수 있는 장치들이 아직 개발되지 않아 학교에 공급되지 않고 있다.

본 고안은 '평면에서의 가속도운동 실험'과 '중력장 내에서의 물체운동 모형실험'과 같은 2차원적인 물체의 운동을 흰색화면(a)에 그려진 운동경로선(20)으로 관찰하고, 운동경로선(20)과 신호감지선(19)이 교차하는 점을 이용하여 위치와 시간을 측정하고, 속도와 가속도를 계산할 수 있다.

'중력장 내에서 물체의 운동을 모형실험 장치'를 이용하여 물체의 운동경로선(20)을 직접 관찰하게 함으로서 자연현상에 대해 친숙해지고, 직접 측정한 위치-운동시간 값들을 이용하여 속도와 가속도를 구하는 함으로서 자연현상의 이해력을 증대시킨다.

또 본 고안은 운동범위가 크고 운동시간이 짧아 실험이 불가능한 '중력장 내에서의 물체운동 실험'을 가능하게 한다.

Claims (1)

1. 중력장 내에서의 물체운동 모형실험장치 제작에 있어서,

   다수의 자극(磁極)(22)들이 고르게 분포된 구슬형태의 자석구슬(11)과; 흰색화면(a)을 경사지게 하여, 자석구슬(11)이 2차원적인 가속도운동을 하면서 흰색화면(a)에 운동경로선(20)을 그리도록 하는 경사면(12)과; 자석구슬(11) 처음속도 크기를 발사대에서 자석구슬(11) 높이로 조절하고, 자석구슬(11) 처음속도 방향을 발사대 방향으로 조절하는 발사대(16)와; 자석구슬(11)의 운동경로선(20)과 신호감지선(19)이 교차하는 점을 이용하여 위치와 운동시간을 측정하는 운동시간측정장치(14);를 특징으로 한, 중력장 내에서의 물체운동 모형실험 장치.