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물리 · 고1-고2

아르키메데스의 원리 (부력)

F_b = ρ_f·V·g

다양한 물체를 여러 유체에 넣어 부력을 측정하고, F_b = ρ_f·V·g 공식을 검증하며 뜨고 가라앉는 조건을 탐구합니다.

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학습 목표

  1. 아르키메데스의 원리(부력 = 배제한 유체의 무게)를 이해한다
  2. 부력 공식 F_b = ρ_f·V·g의 각 변수 역할을 설명할 수 있다
  3. 물체와 유체의 밀도 비교로 뜨고 가라앉는 조건을 판별한다
  4. 실험 데이터와 이론값을 비교하여 오차 원인을 분석한다

실험 변인

독립변인유체 밀도g/cm³ (0.8–1.2)
종속변인부력N (0–5)
통제변인물체 부피cm³ = 100

사전학습 자료

아르키메데스의 원리

물체를 유체에 넣으면 물체가 밀어낸(배제한) 유체의 무게만큼 위로 뜨는 힘(부력)을 받습니다.

F_b = ρ_f · V_잠긴 · g

ρ_f: 유체 밀도, V_잠긴: 잠긴 부피, g: 중력가속도

뜨고 가라앉는 조건

ρ_물체 < ρ_유체 → 뜬다 (부력 > 중력) ρ_물체 = ρ_유체 → 중립부력 (부력 = 중력) ρ_물체 > ρ_유체 → 가라앉는다 (부력 < 중력)

같은 물체도 유체 밀도에 따라 뜨거나 가라앉을 수 있습니다.

실험 절차

  1. 시뮬레이터에서 물체의 재질과 크기를 선택한다
  2. 공기 중 무게를 측정한다기록: 공기 중 무게(N)
  3. 물속에 넣어 겉보기 무게와 부력을 측정한다기록: 물속 무게(N), 부력(N)
  4. 유체를 바꿔가며(식용유, 물, 소금물) 부력 변화를 관찰한다
  5. 부력 공식 F_b = ρ_f·V·g로 이론값을 계산하고 비교한다

시뮬레이터 체험

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학습 확인 문제

Q1 부력의 크기는 무엇에 의해 결정되나요?

정답: 물체가 배제한 유체의 무게

아르키메데스의 원리: 부력 = 물체가 밀어낸 유체의 무게 = ρ_f · V · g

Q2 같은 물체를 물과 소금물에 넣으면?

정답: 소금물에서 부력이 더 크다

소금물의 밀도가 물보다 크므로 F_b = ρ_f·V·g에서 부력이 더 큽니다.

Q3 철로 만든 배가 물에 뜨는 이유는?

정답: 배 전체의 평균 밀도가 물보다 작아서

배 내부의 빈 공간(공기) 때문에 전체 평균 밀도가 물보다 작아져 뜹니다.

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