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Scientific Experiments

The controlled study of real world phenomena.

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과학적 실험

스케이트보드

스케이트보드를 타고 램프에서 쏜살같이 내려오는 것은 매우 짜릿한 일이다. 램프의 경사도가 클수록 속도가 더 빨라진다. 램프의 경사도 이외에 스케이트보드의 속도에 영향을 주는 것은 무엇인가? 이를 알기보기 위해서는 실험을 해보아야 한다. 

실험이란 무엇인가?

실험(experiment)은 특정 변인에 대한 조절된 과학적 연구이다.  변인(variable)은 여러 값을 가질 수 있는 요인이다. 예를 들어, 램프에서 떨어지는 물체의 속도가 한 변인이 될 수 있고 램프의 경사도도 다른 변인이 될 수 있다. 

실험 변인

모든 실험에는 최소한 2개의 변인 즉 조작변인과 반응변인이 포함되어야 한다. 

  • 조작변인(manipulated variable)은 연구자가 변화시킬 수 있는 변인으로 이는 독립변인(independent variable)이라 불리기도 한다.
  • 반응변인(responding variable)은 연구자가 변화시킨 조작변인의 값에 따라 변화하는 변인으로 이는 종속변인(dependent variable)이라 불리기도 한다.

'튀는 공'이라는 다은 비디오에서 조작변인과 반응변인을 어떻게 확인하는지 알아보자.:

http://www.youtube.com/watch?v=Tsqg-43Gk8c&NR=1&feature=endscreen (9:21)

Q: 램프를 내려오는 물체의 속도에 무엇이 영향을 주는지를 찾는 실험에서 무엇이 반응변인이 되나? 또 이는 어떻게 측정할 수 있나?

A: 물체의 속도가 반응변인이 된다. 이는 초시계를 사용하여 간접적으로 측정할 수 있다. 램프의 위에서 아래까지 떨어지는 시간을 측정하면 속도를 알 수 있다. 시간이 짧게 걸릴수록 램프를 내려오는 속도가 빠르다. 

Q: 램프를 내려오는 물체의 속도에 영향을 줄 수 있는 변인은 무엇인가? 

A: 이 변인에는 램프에 관련된 변인과 물체에 관련된 변인이 있을 수 있다. 램프에 관련된 변인의 예로는 램프의 경사도가 있다. 또 물체에 관련된 변인으로는 그 물체가 어떻게 움직이는가 즉 램프를 구르는가 또는 미끄러지는가 등이 있다. 이들 변인들은 연구자에 의해 변화가 가능하며 따라서 이들 중의 하나를 조작변인으로 선택할 수 있다. 

실험적 조절

아래 그림과 같은 실험에서 나무토막을 램프에서 미끄러지게 한다고 가정해보자. 램프의 경사도를 조작변인으로 정했다. 이 경사도가 나무토막이 램프 아래로 미끄러지는데 걸리는 시간에 어떤 영향을 주는지를 측정하고자 한다. 이를 위해 한 램프가 다른 램프보다 경사도가 큰 두 램프에서 두 나무토막으로 실험을 하여 어느 나무토막이 더 빨리 바닥에 도착하는지를 측정했다. 두 램프 중 하나는 아주 매끄러운 나무로 만들어졌고 다른 하나는 표면이 거친 나무로  만들어졌다. 아래 그림에서와 같이 거친 나무로 만든 램프를 더 경사지게 하였다. 그리고 두 개의 나무토막이 동시에 램프를 내려가게 했고 경사도가 작고 매끄러운 면을 가진 램프의 나무토막이 먼저 바닥에 떨어졌다. 이러한 실험 결과는 경사도가 큰 램프의 나무토막이 더 빨리 떨어질 것이라 기대했던 실험자에게는 놀라운 일이 될 것이다.

Q: 이 결과는 무엇을 설명하는가?

A: 다른 모든 조건이 같았다면 경사도가 큰 램프의 나무토막이 먼저 떨어졌을 것이다. 문제는 다른 조건이 똑같지 않았다는 것이다. 램프는 경사도가 다를 뿐 아니라 표면의 매끄러운 정도가 달랐다. 표면이 거친 램프의 경사도가 큼에도 불구하고 표면이 매끄러운 램프의 나무토막이 더 빨리 떨어졌다. 

이 실험은 실험의 조절이라는 다른 중요한 면을 예시해준다. 조절(control)이란 실험결과에 영향을 끼치지 않도록 그 값을 일정하게 유지하는 변인이다. 앞의 램프 실험에서 램프 표면의 매끄러움을 조절해야 하며 이를 위해 램프는 똑같은 재료로 만들어야 한다. 실험의 조절의 예를 보기 위해 다음 사이트의 비디오를 보라. 이는 앞에서 본 '튀는 공'의 후속편이다.

http://www.youtube.com/watch?v=LeqOQQRzCfo&NR=1&feature=endscreen (5:44)

Q: 또 다른 어떤 변인이 램프실험에 영향을 줄 수 있을 것으로 생각하는가? 이들 변인은 어떻게 조절할 수 있나?

A: 다른 변인으로는 나무토막에 관련된 것들이 있다. 표면이 매끄러운 나무토막이 거친 나무토막보다 빠르게 램프를 내려갈 것이다. 이 나무토막을 똑같은 재료로 만들면 조절이 가능하다.

요약

  • 실험이란 특정 변인을 연구하기 위해 조절된 실험이다. 변인이란 여러 값을 가질 수 있는 요인이다.
  • 실험에는 최소한 2개의 변인 즉 조작변인과 반응변인이 포함되어야 한다. 
  • 조절변인이란 실험결과에 영향을 끼치지 못하도록 그 값을 일정하게 유지하는 변인이다.

용어

  • 조절변인(control): 실험에서 특정 변인의 값을 일정하게 유지시켜 실험결과에 영향을 주지 않도록 한 변인.
  • 실험(experiment): 제한된 수의 변인으로 하는 조절된 과학 연구.
  • 조작변인(manipulated variable): 과학실험에서 연구자에 의해 변화되는 요인으로 이를 독립변인이라고도 한다. 
  • 반응변인(responding variable): 실험에서 변화가 기대되는 또는 조작변인의 변화에 반응하는 요인으로 이를 종속변인이라고도 한다.

연습

다음 사이트에서 램프를 미끄러져 내려오는 가상실험을 하고 아래의 질문에 답하라.  y-축에서 Ypos (출발 지점에 대한 물체의 상대적 위치)를 선택하고, x-축에서 시간(물체가 움직이기 시작할 때부터의 시간)을 선택하라. 조절에서  delta T 이외의 한 변인을 선택하여 자신의 조작변인으로 사용하라. 다른 변인을 조절하고(고정시키고) 조작 변인을 변화시키며 이것이 어떻게 램프의 물체 움직임에 영향을 끼치는지 관찰하라. 

http://www.physicslessons.com/exp3b.htm

  1. 이 실험의 조작변인과 조절변인은 무엇인가?
  2. 반응변인은 무엇인가?
  3. 조작변인의 값을 증가시킴에 따라 반응변인이 어떻게 변했나?

복습

  1. 실험이란 무엇인가?
  2. 실험의 조작변인과 반응변인을 구별하라.
  3. 실험에서 변인의 조절이 왜 중요한가?

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