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1. 실험 목표 자유낙하운동의 원리를 이해하고 아두이노를 통해 자유낙하운동의 결과를 확인하기 위함 2. 준비물 아두이노, 적외선감지 센서, 충격감지센서, LCD, 점퍼선, 브레드보드 3. 사전학습 (1) 자유낙하운동: 중력의 영향을 받는물체가 외부 힘에 영향을 받지 않고 자유롭게 떨어지는 운동이다. 공중에 있는 물체가 수직으로 아래로 가속(중력가속도)되며 속도가 증가하는 운동을 의미한다.초기 속도가 0인 물체가 진공상태에서 일정한 중력가속도 9.8m/s²를 받으며 낙하한다. 즉 자유낙하운동은 중력만이 작용하는 상태에서 발생하는 운동으로, 초기속도 없이 시간에 따라 등속적으로 가속되어 운동하는 현상이다. 자유낙하운동의 사례로 스카이다이빙, 낙하산 등이 있다. (2) 속도 계산 h = 자유 낙하 거리, t = 자유 낙하 시간 v = 자유 낙하 시간, v = 자유 낙하 속도, g = 중력 물체의 운동 시간(t)과 자유 낙하 거리(h)를 알 수 있을 때, 중력 가속도(g)를 알아야 합니다. 지구의 중력 가속도는 보통 9.8m/s²로 가정합니다. 물체의 초기 속도를 0이라고 할 때, 자유낙하운동에서 속도(v)는 시간에 비례해 증가하므로 v=gt로 나타낼 수 있습니다. (3) 중력 계산 물체가 자유낙하 할 때 물체의 위치 에너지는 모두 운동 에너지로 변하므로 ½mv²=mgh를 만 족합니다. 이 때, v=gt이므로 ½mg²t² = mgh이고, ½gt² = h, g = 2h/t²이 됩니다. 4. 실험 방법 (1) 적외선 센서를 1m~1.5m 높이의 벽에 설치합니다. 암수점퍼선을 5~6개 연장하여 사용합니다. (2) 충격 감지 센서를 적외선 센서와 수직이 되도록 바닥에 설치합니다. (3) 적외선 센서, 충격 감지 센서가 올바르게 작동 되는지 확인합니다. (4) 적외선 센서에서 충격 감지 센서가 고장나지 않도록 주의합니다. (5) 이 때 과도한 충격으로 충격 감지 센서가 고장나지 않도록 주의합니다. (6) 각 센서가 반응한 시간을 측정해 물체의 운동 시간과 중력을 구합니다. 5. 주의사항 (1) 적외선 근접 센서는 지면에서 1m ~ 1.5m 높이에 설치해야 합니다. 따라서 암수점퍼선을 5~6개 이상 준비합니다. 물체가 감지되지 않으면 가변저항을 드라이버를 이용해 왼쪽 또는 오른쪽으로 돌려 감도를 조절합니다. (2) 충격 감지 센서에 너무 과도한 힘을 가하면 센서가 고장날 수 있으므로 사용에 주의합니다. 충격이 감지되지 않으면 가변저항을 왼쪽 또는 오른쪽으로 돌려 감도를 조절합니다. 또 실험장치 설치시 충격 감지센서가 다른 물체에 닿지 않도록 설치해야합니다. (3) LCD에 문구가 출력되지 않으면 뒷면의 가변저항을 왼쪽 또는 오른쪽으로 돌려 감도를 조절합니다. 6. 실험결과 측정한 물체의 가속도는11.6m/s², 10.7m/s², 9.86m/s², 9.21m/s²으로 실험결과를 통해 사전학습을 통해 알게된 자유낙하시 물체가 받는 중력가속도 9.8m/s²와 유사한 값이 도출됨을 알 수 있습니다. 또한 물체의 가속도가 정확히 9.8m/s²가 나오지 않는 까닭으로 실험이 진공에서 진행되지 않았다는 점과 그로인해 물체에 공기저항이 가해졌으며, 또한 다른 여러 외부적 요인으로 인해 중력가속도가 정확히 9.8m/s²로 나타나지 않았다는 점을 이끌어 낼 수 있었습니다. 7. 소감 이번 실험을 통해서 아두이노, 각종 센서를 이용하여 학교에서 물리학 시간에 학습한 자유낙하운동의 원리와 프로그래밍 수업에서 배운 C언어를 함께 적용시킬 수 있는 시간을 가질 수 있었습니다. 물리학 수행평가 프로젝트로 공을 떨어트리는 영상을 찍어 컴퓨터 프로그램을 이용해 물체의 가속도, 속도 등을 그래프로 나타내는 시간을 통해 자유낙하운동과 그와 관련된 개념에 대해서 확인해 볼 수 있는 시간을 가졌었는데, 이번에는 직접 센서를 조립하고 코딩하고 물체를 떨어뜨리는 실험과정을 통해서 다시 한 번 자유낙하운동의 원리를 이해 할 수 있었습니다. 다만 실험 결과를 도출 하기 전 케이블 회로의 혼선으로 작동이 되지 않는 문제가 여러 차례 발생하여 실험 결과를 도출해 내는 데 굉장히 오랜 시간이 소요되는 어려움이 존재했습니다. 이전에 아두이노 회로를 연결해본 경험이 있어 경험이 없는 다른 모둠원들이 회로를 연결하기보다 혼자 연결하는 것이 더 진행이 빠를 것이라 생각하였는데 회로가 복잡해질 수록 회로를 연결하는 것이 어려워지기 시작했고 이 과정에서 회로 연결이 잘못되는 문제가 발생하였습니다. 회로가 꽤 복잡했기 때문에 문제 해결에도 어려움이 생겨 결국 처음부터 다시 하게 되었는데, 해결과정에서는 모둠원들과 다 함께 회로를 연결하였고, 모둠원들의 도움과 역할 분담을 통해 빠르게 문제를 해결할 수 있었습니다. 이 과정에서 모둠 활동에서 모둠원들과의 협력과 역할 분담 및 수행이 얼마나 중요한지 다시금 깨달을 수 있었으며 실험과정에서 독단적으로 행동하려 했던 제 자신을 반성할 수 있게 되는 계기가 되었습니다. 또한 장치 연결과 프로그래밍을 할 때 장치가 제대로 기능을 수행하는지 장치와 코드를 분석 및 확인하는 작업 또한 중요하다는 것을 알 수 있었습니다. 장치를 연결할 때마다 코드가 제대로 기능하는지 확인하고 다음 장치를 연결하는 것이 오류를 최소화 할 수 있고 더 효율적으로 프로젝트를 진행 할 수 있다는 점을 알게 되었습니다.