제33회 울특별시학생과학발명품경진대회

원심력 정량 측정

실험 교재

작품번호

출품 부문 학습용품

2011.4.28.

학교 학년/직 성명

출품 학생 가락 학교 2학년 조 윤 신

지도 교원 가락 학교 교사 김 아

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1.제작 동기 ···············································································································1

2.제작 목 ···············································································································1

가.내가 만들고 싶은 발명품 원심력 정량 측정기······································1

나.이 실험교재에서 함께 배울 수 있는 원리 ············································1

3.작품제작 비 선행조사 ·············································································3

가.발명품 제작 계획··························································································4

나.선행 조사········································································································6

4.작품 내용 구성······························································································7

가.발명품 진행 계획··························································································7

나.선행 조사········································································································8

5.작품제작 과정······································································································9

가.1차 작품··········································································································9

나.2차 작품········································································································11

6.제작결과 활용성··························································································13

가.실용성············································································································13

나.교육과정과의 연계성··················································································14

7.참고 문헌 ············································································································16

목 차

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1.제작 동기

제31회 국학생 발명품 경진 회에서 회 에서 발생하는 원심력 측정기를 만들었습니

다.그런데 원심력 직각변환 장치가 회 하며 강선에 연결된 구에 원심력이 달되어

림 장치를 당기면 자 울에 수치가 나타나도록 하 으나 림 장치의 치에 따라 변

화가 있어서 어려움이 많았습니다.그래서 감지센서와 LED를 설치하면 더욱 정확하고

안정 으로 측정 할 수 있는 실험교재를 만들 수 있을 것이라는 생각이 들었습니다.

2.제작 목

가. 내가 만들고 싶 - 원심 량 측

1)흔들림이나 진동이 없이 안정 으로 원심력을 측정 할 수 있는 실험교재

2)원심력의 크기를 변화시키는 요인인 질량과 속력에 변화를 주면서 원심력의 크기를

한 에 알아 볼 수 있는 실험 교재

3) 학교 1학년 7단원에서 ‘등속원운동에 필요한 힘’을 배울 때 실험 찰에 도움을

수 있는 실험교재

4)고등학교 1학년 힘과 에 지 단원에서 운동법칙 에 하나인 원운동을 분석할 수

있는 실험교재

나. 실험 재에 함께 울 수 는 원리

1)등속원운동을 하려면 어떤 힘이 필요한지 확인할 수 있다.

2)원심력은 원운동 하는 물체의 질량에 의해 그 힘이 달라짐을 이해할 수 있다.

3)원심력은 원운동 하는 물체의 속력에 의해 그 힘이 달라짐을 이해할 수 있다.

4)원심력의 크기를 변화시키는 요인이 질량과 속력임을 찰하고 실험값을 달리하면

서 원심력과 질량,속력과의 계를 분석해 볼 수 있다.

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3. 준비

가. 계

1)탐구 기간 :2010년 12월 ～ 2011년 4월

2)탐구 과정

순서 항목 기간 탐구진행내용

1발명 아이디어연구 와 결정

2010.12.01~

2010.12.31

1)평소에 비한 아이디어 구상2) 에 만들었던 발명품의 아쉽고 보완해 보고 싶은 아이디어 정리3)제작과정 설정

2선행 발명조사 와 연구

2011.01.02~

2011.01.20

1)특허청 특허 자료2) 앙 과학 국 회 입상 작품3)서울과학 시 입상 작품조사4)내 작품과 같은 것은 없는지 조사5)비슷한 작품들은 어떠한 장단 을 가졌는지분석

3작품 설계제작 비

2011.01.22~

2011.01.30

1)작품 설계도를 스 치 하고 컴퓨터로 다시설계도를 작성한다.2)재료 구입검은색,흰색 우드락,1차 작품 비

4작품 제작

실험

2011.02.01~

2011.03.15

1)1차 작품 제작(우드락)2)2차 작품 제작(아크릴)

5제작 결과분석 평가

2011.03.16~

2011.03.30

여러 번의 측정 실험으로 작품이 잘 작동 하는지 검사1)정확한지 검사2)안 한지 검사3)문제 은 없는지 검사

6회

출품 비

2011.04.01~

2011.04.28

학교 회,교육청 회,서울특별시 회 비1)작품 요약서,설명서 작성

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3)이론 배경 탐구

가)힘과 물체의 운동

나)방향이 변하는 운동

구분 (가)등속원운동 (나)포물선운동 (다)진자운동

다 섬 사진

운동설명일정한 속력으로 원을그리며 움직이는 운동

비스듬히 던져 올린물체가포물선을그리는운동

실에 매달린 추가 같은길을 왕복하는 운동

속력변화 (일정하다 )(변한다 )

올라갈 때 속력감소,내려올 때 속력증가

(변한다 )진동의 심에서

속력최 ,양끝에서 ‘0’

운동의

❖ 람차❖ 회 목마❖ 회 그네❖ 쥐불놀이

< 람차>

❖ 비스듬히 로 던진농구공❖ 비스듬히 찬 축구공❖ 포로 쏘아올린 포탄❖ 수평으로 던진 물체

< 로 던진 농구공>

❖ 놀이터의 그네❖ 괘종시계의 추❖ 놀이공원의 바이킹

<그네>

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다)운동 방향만 변하는 운동(등속원운동)

① 실에 매달린 지우개는 원을 그리면서 회 하다가 실을 놓으면 원의 선방향으로

날아간다.

② 원운동을 하는 물체의 운동 방향은 빠르기에 계없이 언제나 원의 선방향이다.

③ 일정한 속력으로 원운동을 하는 지우개는 매 순간 운동 방향이 변한다.

라)구심력

① 물체가 원운동을 하는 데 필요한 힘

② 구심력의 방향:원의 심 방향

③ 구심력의 방향은 운동 방향(원의 선 방향)과 항상 수직이다.

④ 구심력의 방향은 원 궤도상에서 매 순간마다 다르다.

용수철 울에 나타나는 힘이

구심력

지구 주 를 원운동 하

는 인공 성에 작용하

는 구심력

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마)원심력:

①물체가 회 할 때 구심력과 반 방향인 회 하는 바깥쪽을 향하여 발생

하는 힘

②원심력의 방향:원의 바깥쪽 방향 (구심력의 반 방향)

③원심력의 방향은 운동 방향(원의 선 방향)과 항상 수직이다.

④원심력의 크기:회 하는 물체의 질량이 클수록 ,회 속도가 빠를수록 구심력과

원심력은 서로 커지게 된다.

⑤원심력의 실체:구심력에 응하는 원심력은 엄 히 따져서 실제로 존재하지 않

는 가상 인 힘을 표 한다. 를 들어 자동차를 타고 모퉁이를 돌때 바깥쪽으로

우리 몸이 쏠리는 것을 경험할 수 있다. 에 돌을 매달아 돌릴 때와는 달리 자동차

를 회 하는 심 쪽으로 당겨 수 있는 구심력이 존재하지 않는다. 성의 법칙에

의해 몸이 직선운동을 하려고 하지만 자동차는 계속 회 하기 때문에 몸은 회 하

는 바깥쪽으로 쏠리게 된다.이와 같은 가상 인 힘을 원심력이라고 말한다.

나. 행 사

◇ 작품 자료 검색어 :원심력

◇ 검색 사이트 :KIPRIS검색,서울과학 시 ,국립 과학

특허청 자료 검색,네이버 특허 검색 결과 유사한 작품이 없었으나 서울과학 시

입상작품과 앙과학 국 회 입상작품에서 원심력을 이용한 작품들이 있었으며

특히 회 에서 발생하는 원심력 측정기는 제 작품인데 직각변환 장치 기구를 연결하여 강선

이 림 장치를 당기면 자 울에 원심력의 값이 나타나게 하 습니다.

1)서울과학 시 입상작품

서울 과학 시

번호 수상등 분야 작품명 출품자 소속 년도

1 특상 학습용품회 에서 발생하는 원심력 측정기

조윤신 석 등 2009

2 특상 과학완구 간이 원심력 놀이기구 이승환 원당 등 2009

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2)국립 앙과학 국 회 입상작품

앙 과학

번호 수상등 분야 작품명 출품자 소속 년도

1 학습용품 원심력 실험기 박재승 부평서

2 학습용품 원심력 실험기 문호 도곡

3 생활과학원심력을 이용한 거름망 분쇄기

김태균 구산 1998

4 생활과학원심력을 이용한 물펌 놀이기구

새한인하사부고

1996

5 과학완구간이 원심력 물놀이기구

이승환 원당 1997

6 동상 학습용품회 에서 발생되는 원심력 측정기

조윤신 석 2009

7 생활과학Ⅱ원심력을 이용하여 물과 기름을 분리장치

박혜민 2008

8 생활과학Ⅰ원심력과 흡인력을 이용한 변기류 막힘없는장치

김동선 우수 2006

9 과학완구원심력 센서를 이용한요술팽이

최유미 외연도 2004

10 학습용품 원심력 측정 실험기 김성식남기계

공고

11 학습용품원심력을 이용한 신비스런 실험기구

권상규 남참고등

4. 내용

가. 내용

압력센서에 쇠구슬을 연결시켜 모터의 구동력에 의하여 원 을 회 시키면 쇠구슬이

일을 따라 이동하면서 원심력이 발생한다.이때 압력센서에 원심력이 달되면 자회

로를 통하여 LED에 원심력의 변화에 따라 10개로 구분된 LED가 작동 되도록 회로를

만들었습니다.즉 회 이 빠를수록 힘이커지며 압력센서에 많은 힘을 가하게 된다.압력

센서에 가해지는 힘이 커질수록 LED램 의 큰 숫자에 화되므로 원심력이 커진다는

것을 확인 할 수 있습니다.

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나. 특징

1)압력센서 지지

쇠구슬에서 용수철로 달된 원심력을

감지 한다

2)회로

압력 센서에 측정된 데이터를

원심력의 크기에 따라 LED에 10개로

장착된 표시등에 불이 켜지도록한다

3)베터리 센서와 LED에 력을 공 한다

4)LED표시등

측정되는 원심력을 구별 할 수 있게

동력크기만큼 불이 켜지도록 1~10까지

설치 하 다

5)볼 스터

마찰력을 여주고 상단의 회 이

원활하게 회 할 수 있도록 수평을

유지한다

6) 일쇠구슬 상자가 좌우로 움직일수 있도록

한다

<그림 1>작품의 특징,구성 사진 설명

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5. 과

가. 1차

1)제작 과정

① 아이디어를 정리하여 검은색,흰색 우드락으로 1차 작품을 만들었습니다.

② 검은색 우드락으로 받침 를 만들고 흰색의 우드락으로 원 을 만들었습니다.

③ 쇠구술이 앞,뒤로 움직이는 것을 자를 보고 이동거리를 알 수 있습니다.

④ 일에 연결되어 있는 쇠구슬 이스가 원 의 심에 올수 있도록 고무 을 연

결하여 탄성으로 되돌아 올수있도록 설치 하 습니다.

⑤ 상단과 하단은 원기둥 막 로 연결하여 회 할 수 있도록 하 습니다.

⑥ 1차 작품을 우두락으로 만든 순서

검은색 우드락으로 받침 제작

흰색 우드락으로 상부 원 제작

가드 일 제작

원 에 원심력 달 상자가 좌.우

이동 할 수 있도록 한다

고무 설치

탄성이 좋은 고무 로 연결하여

원심력을 달하고 상자가 좌.우로

움직일 수 있도록 하 습니다

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받침 에 원 을 지지해 수

있는 지지 를 설치하 습니다

상부와 하부는 원기둥 막 를 연결

하여 회 할 수 있도록 하 습니다

원 이 회 할 수 있도록 기둥을

세웠습니다

완성된 모습

<그림 2>1차 작품 제작 순서 설명 사진

2)제작 결과

① 비록 동력없이 우두락으로 만든 완성품이지만 상했던 원리도와 비슷하게 제작

되었습니다.

② 견고한 소재로 동력을 이용한다면 상했던 작품이 탄생되리라 기 해 니다.

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나. 2차

1)제작 내용

압력센서에 쇠구슬을 연결시켜 모터의 구동력에 의하여 원 을 회 시키면 쇠구슬이

일을 따라 이동하면서 원심력이 발생한다.이때 압력센서에 원심력이 달되면 자회

로를 통하여 LED에 원심력의 변화에 따라 10개로 구분된 LED가 작동 되도록 회로를

만들었습니다.즉 회 이 빠를수록 힘이커지며 압력센서에 많은 힘을 가하게 된다.압력

센서에 가해지는 힘이 커질수록 LED의 램 의 큰 숫자에 화되면서 원심력이 커진다.

2)제작 과정

① 완성된 1차 작품을 보면서 선생님과 상의하여 구조도를 구체 으로 그렸다.

<그림 3>원심력이 달되면 쇠구슬이 좌.우로 이동 사진

<그림 4>작품의 핵심과 특징 사진

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② 100g의 쇠구슬을 이용해서 여러종류의 조건으로 실험 할수 있습니다.

③ 1차작품에서는 자를 이용 했는데 압력센서를 설치하여 원심력 변화에 따라

LED에 불이 들어와 쉽게 확인 할 수 있습니다.

④ 압력센서,회로 ,LED를 용산 자상가에 의뢰를 하 으며 문가의 도움을 받아

같이 제작 하 습니다.

⑤ 상단과 하단,볼 스터 지지 , 일등을 아크릴로 제작하 습니다.

⑥ 모터로 1000RPM의 회 을 조 할 수 있도록 설치 하 습니다.

⑦ 완성된 발명품

<그림 6>완성된 발명품 사진

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6. 결과

가. 결과

1)쇠구슬의 질량에 따른 원심력의 크기 측정 (회 수 300rpm )

→ 쇠구슬의 질량이 커질수록 LED램 불이 많이 들어 와 원심력이 크게 작용함

을 쉽게 확인 할 수 있다.

번호 쇠구슬의 질량(g) LED에 불이 들어온 갯수

1 70 2

2 100 4

3 150 7

2)쇠구슬의 속도에 따른 원심력의 크기 측정 (100g일 경우)

→ 쇠구슬의 회 속도가 커질수록 LED램 불이 많이 들어 와 원심력이 크게 작

용함을 쉽게 확인 할 수 있다.

번호 회 수(rpm) LED에 불이 들어온 갯수

1 100 1

2 200 2

3 300 4

4 400 6

5 500 10

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나. 용한 실험 통해 알 수 는 것

1)등속원운동을 하려면 어떤 힘이 필요한지 확인할 수 있다.

2)원심력은 원운동 하는 물체의 질량에 의해 그 힘이 달라짐을 이해할 수 있다.

→ 질량이 클수록 램 의 불이 많이 켜지며 원심력의 크기가 증가됨을 알 수 있다.

3)원심력은 원운동 하는 물체의 속력에 의해 그 힘이 달라짐을 이해할 수 있다.

→ 속력이 증가할수록 램 의 불이 많이 켜지며 원심력의 크기가 증가됨을 알 수

있다.

4)원심력의 크기를 변화시키는 요인이 질량과 속력임을 찰하고 실험값을 달리하

면서 원심력과 질량,속력과의 계를 분석해 볼 수 있다.

다. 과 비

구분 기존작품 내가 만든 발명품

작품의 견고성▶흔들림이 계속 될 경우

험하다

▶아크릴로 무게감 있게

제작되었다

작품의 안정성 ▶흔들림이 강하다 ▶안정성이 보인다

소음발생 ▶소음이 많다.▶소음발생을 이지

못했다

작품의 크기 ▶보호 가 있어 매우 크다 ▶ 크다

원심력의 크기▶원심력이 발생하는

모습만 볼수 있다.

▶질량이나 회 수에 따라

원심력의 변화를 쉽게 확인

원심력의 크기 확인 ▶ 확인하기 어렵다 ▶ LED로 쉽게 확인

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6. 과 용

가. 실용

1)기존의 학습용 원심력 측정기는 단순히 원심력이 작용하는 모습을 찰 할 수 있

는 반면 이 작품은 원심력의 크기가 변화 되는 것을 LED 램 를 통해 쉽게 알 수

있다.

2)질량과 회 속도를 다양하게 셋 하면서 원심력의 크기변화를 실험해 볼 수 있

다.

3)단순히 원심력을 느끼는 실험에서 간단한 작동법 으로 원심력의 크기를 실험해 볼

수 있다.

나. 과 과 연계

1) 중학 1학 과

7단원 힘과 운동에 향만 변하는 운동 등 원운동 울 에는 등

원운동 키는 심 느껴 보는 것 그쳤지만 통해 그 크

를 측 해 볼 수 다.

2) 고등학 1학 과

물리단원 “원운동 해 보 ” 에 원심 키는 에 량과

실험 통해 한눈에 알아 볼 수 어 해하 어 운 심 과 원심

원리를 쉽게 해하고 할 수 다.

3)과학 태도 흥미증진

용하여 학생들 어 워하는 심 과 원심 단편 지식 각

나열하는 학습 아닌 다양한 변 통해 달라지는 실험값 얻 과학

흥미증진에 여 할 수 다.

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7. 참고 문헌

1.뉴턴이 들러주는 만유인력이야기 정완산 2005 자음과모음

2.운동 끝없는 공간이동 김태일 2006 동아사이언스

3.알기쉬운 생활 속의 물리 물리교재편찬 원회 2000 한승

4.21세기 학생백과 과학Ⅰ 1997 서울문화사

5.21세기 학생백과 과학Ⅱ 1997 서울문화사

6.21세기 학생백과 실험 찰Ⅰ 1997 서울문화사

7.21세기 학생백과 실험 찰Ⅱ 1997 서울문화사

8.기계문화의 발달사 이건호 1992 유림문화사

9.동아 원색세계 백과사 2000 동아출 사

10.강동발명 강동교육청발명교실 2007 강동교육청

11.재학습 발명연재단교육교재 2008 한국청소년발명 재단