아르키메데스의 원리 가이드

개요

왜 거대한 강철 배는 바다에 뜨고 작은 자갈은 바닥에 가라앉을까요? 2000여 년 전, 아르키메데스는 욕조에서 배수량과 부력의 비밀을 발견했습니다. 이 실험에서는 '무게 측정법'을 사용하여 아르키메데스의 원리를 검증하고 부력의 크기를 결정하는 핵심 요소를 밝혀냅니다: 액체의 밀도인가요? 밀려난 부피인가요? 아니면 침수 깊이인가요?

배경 지식

핵심 개념

공식 및 유도

실험 단계

1. 1

   공기 중 무게 측정 ($G$)

   금속 블록이 액체 표면에 닿지 않았을 때 용수철 저울의 눈금을 관찰하십시오. 금속 블록의 무게 $G$를 기록하십시오.
2. 2

   밀려난 부피 탐구 ($V_{displaced}$)

   스탠드를 천천히 아래로 내리십시오. 금속 블록이 수면이 닿는 순간부터 완전히 잠길 때까지 저울의 눈금이 어떻게 변하는지 관찰하십시오. 이것은 부력의 크기와 밀려난 액체의 부피 사이에 어떤 관계가 있음을 나타냅니까?
3. 3

   침수 깊이 탐구 ($h$)

   물체가 완전히 잠긴 후, 계속해서 일정 거리만큼 아래로 내리십시오. 저울의 눈금이 변하는지 주의 깊게 살펴보십시오. 이것이 '깊이가 깊을수록 부력이 커진다'는 잘못된 직관을 반박할 수 있습니까?
4. 4

   액체 밀도 탐구 ($\rho_{liquid}$)

   깊이를 일정하게 유지하고 액체를 '소금물'(진한 소금물)로 바꾸십시오. 저울의 눈금이 작아지는 것을 발견할 것입니다. 이것은 부력이 커졌다는 것을 의미합니까, 아니면 작아졌다는 것을 의미합니까? 환경의 '밀도'는 부력에 어떤 영향을 미칩니까?

학습 목표

• 부력이 $V_{\text{displaced}}$ 및 $\rho_{\text{liquid}}$에 정비례함을 확인합니다.
• '무게 측정법'을 사용하여 부력을 계산하는 실험 기술을 습득합니다.
• '물체가 깊이 들어갈수록 부력이 커진다'는 직관적인 오해를 바로잡습니다.
• 아르키메데스 원리의 구체적인 물리적 의미를 깊이 이해합니다.

실제 적용

• 선박 공학: 선체의 빈 부분 부피를 늘려 거대한 배수량을 발생시킴으로써 10,000톤급 선박을 들어 올릴 수 있는 충분한 부력을 생성합니다.
• 잠수함: 밸러스트 탱크에 물을 채우거나 배출하여 자신의 무게를 변화시켜 부상하거나 잠수합니다(부력은 기본적으로 변하지 않음).
• 열기구: 기구 내부의 공기를 가열하여 밀도를 낮추고, 주변의 차가운 공기에 의해 발생하는 부력을 이용하여 상승합니다.
• 비중계: 부유 원리를 이용하여 다양한 액체의 밀도를 측정합니다.

일반적인 오해

추가 읽을거리

• 위키백과: 아르키메데스 원리
• 위키백과: 아르키메데스