1. 무게와 질량
물체의 무게는 어떠한 장소에서 물체에 작용하는 중력의 크기를 말한다. 무게는 질량과 중력 가속도와의 곱이며, 장소에 따라 달라진다. 그 까닭은 장소에 따라 중력 가속도가 달라지기 때문이다. 중력 가속도는 g로 나타내며 지구의 평균 해수면을 기준으로 한 표준값은 약 9.8 m/이다. 질량의 기본 단위는 kg이다. 무게의 단위를 질량의 단위와 중력가속도의 곱셈으로 표시하면 kg x m/s2이고, 이것은 힘의 단위인 N(뉴턴)과 같다. 무게의 단위는 N 대신에 ‘kg중’을 사용하기도 하는데 여기에서 ‘중’은 중력 가속도를 의미한다. 즉 1 kg중=9.8 N이다.
2. 용수철저울
용수철은 잡아당겼다가 놓으면 원래대로 돌아가려는 성질이 있다. 이 성질을 탄성이라 부른다. 용수철로 만든 저울에 추를 걸면 추의 개수가 늘어날 때마다 용수철의 늘어난 길이도 일정하게 늘어나게 되므로 이러한 용수철의 원리를 이용하여 물체의 무게를 측정할 수 있다. 용수철저울은 무게를 잴 때에 사용하고, 질량을 잴 때에는 분동이나 다른 물체와 비교가 가능한 윗접시 저울이나 양팔 저울을 사용한다.
3. 물체의 무게를 측정하는 까닭
1) 무게에 따라 과일의 가격을 정할 때
슈퍼에서 볼 수 있는 실생활의 예로 무게에 따라 과일의 가격을 정한다. 이를 통해 무게가 일상생활에서 다양하게 활용됨을 알 수 있다.
2) 무게에 따라 택배 요금을 정할 때
우체국에서 택배 요금을 정할 때 택배 상자의 무게를 측정한다. 무게에 따라 택배 상자를 보내는 요금이 다르므로 무게를 정확하게 측정해야 한다는 것을 지도할 수 있다.
4. [과학자] 근대 과학의 아버지 뉴턴
뉴턴(1642-1727)은 영국의 작은 마을에서 태어났다. 뉴턴은 어렸을 때 혼자 있기를 좋아하고 생각하는 것을 좋아하였다. 뉴턴은 문법 학교를 졸업하고 케임브리지 대학에 입학하였지만 런던에 흑사병이 돌자 다시 고향으로 돌아가 18개월 동안 머물렀다. 이 시기에 급수, 이항식, 미적분법. 색채론, 중력 등 장차 과학 업적의 토대가 되는 많은 생각들을 정리하였다. 흑사병이 진정되자 케임브리지 대학으로 돌아온 뉴턴은 석사 학위를 받은 후 케임브리지 대학 정의원으로 활동하였다. 이후『자연 철학의 수학적 원리(1687)』를 발간하면서 중력의 법칙을 발표하였다. 이 책에서 질량은 물체가 가지고 있는 고유의 양이며, 물체의 부피와 물체를 구성하는 물질의 밀도를 곱한 양이라 개념을 정의하였다. 또, 중력의 법칙을 정의하며 물체의 운동량은 물체의 질량과 운동 가속도를 곱한 양으로 정의를 내렸다. 뉴턴은 이러한 중력의 법칙 발표로 과학 교육계에서 혁혁한 공로를 인정받아 근대 과학의 아버지로 불리게 되었다.
5. 모빌을 만들어 수평 잡기
모빌은 여러 가지 모양의 물체를 가느다란 철사나 실 등에 걸어 균형을 이루게 한 것이다. 모빌을 만들 때도 수평 잡기의 원리를 확인해 볼 수 있다.
1) 나무 막대의 가운데 부분에 실을 묶는다.
2) 나무 막대의 양쪽에 두 물체를 실로 연결한다.
3) 나무 막대에 묶은 실을 손으로 잡고 들어 올린다.
4) 수평이 맞지 않으면 한쪽 물체를 좌우로 옮기면서 수평을 잡는다.
6. 추의 무게에 따라 용수철의 늘어난 길이를 측정할 수 있는 장치
추의 개수를 한 개씩 늘릴 때마다 용수철의 길이 변화를 스탠드에 붙인 종이 자에 표시할 수 있도록 만든 장치이다. 추를 한 개씩 늘려 가면서 용수철의 늘어난 길이를 표시할 때는 용수철의 일정한 부분(용수철과 용수철 고리의 경계 부분)을 기준으로 표시해야 한다는 점을 지도한다.
7. 가정용 저울, 체중계, 용수철저울
물체의 무게에 따라 용수철의 길이가 일정하게 늘어나는 성질을 이용한 가정용 저울, 체중계, 용수철저울 등이 있다. 이 저울들의 내부에는 용수철이 들어가 있다.
8. 생활 속 용수철의 다양한 쓰임
사람들은 옛날부터 용수철을 여러 가지 용도로 사용해 왔다. 예를 들어 쥐를 잡을 때 쓰는 쥐덧에 용수철을 사용하였는데 용수철이 늘어난 상태로 유지하도록 걸쇠를 걸어 놓았다가 쥐가 쥐덫을 건드리면 걸쇠가 풀리면서 용수철이 원래 모양으로 되돌아와 쥐를 잡아 둔다. 용수철은 침대나 자동차, 기계 장치에도 사용되어 사람이나 물체를 충격으로부터 보호해 준다. 침대나 자동차에 사용되는 용수철은 사람들이 침대에 눕거나 차에 타고 있을 때 편안하게 해 준다. 여러 가지 기계 장치에 사용되는 용수철은 기계가 빨리 닳지 않도록 해 준다. 장난감이나 시계의 태엽 등의 물건에도 용수철이 사용되는데 용수철을 감았을 때 용수철이 풀리는 힘으로
물건이 작동하게 한다. 완력기와 같이 힘을 주었을 때 늘어난 용수철이 다시 돌아가려는 성질을 이용하여 여러 가지 운동 기구를 만들기도 한다.
9. 무게와 질량
• 무게는 지구가 물체를 끌어당기는 힘의 크기를 말하고 질량은 물체를 이루는 물질의 양을 말한다. 무게를 나타낼 때는 힘의 크기를 나타내는 단위인 ‘N’(뉴턴)，g중’(그램중), ‘kg중’(킬로그램중)을 사용하고, 질량을 나타낼 때는 ‘g’(그램)이나 ‘kg’(킬로그램)을 사용한다.
• 무게는 지구가 물체를 끌어당기는 힘의 크기로 지구 안에서도 장소에 따라 조금씩 변하지만 질량은 장소에 따라 변하지 않고 어느 곳에 있든지 항상 똑같다.
• 무게를 잴 때는 용수철저울과 같이 지구가 물체를 끌어당기는 힘의 크기를 절 수 있는 저울을 사용하고 질량을 잴 때는 수평 잡기의 원리를 이용한 윗접시저울과 분동을 사용한다.
10. 용수철저울의 특징
• 용수철저울은 물체의 무게를 측정하기 위해 물체를 고리에 걸어야 하는 불편함이 있고 무게 측정에 대한 정밀함이 떨어지나, 저울의 크기가 작아 이동하면서 간편하게 사용할 수 있으므로 최대 측정 범위를 넘지 않는 물체의 무게를 잴 때 사용된다. 그리고 용수철의 늘어나는 정도가 중력에 비례한다는 원리를 적용하여 중력의 크기를 측정할 때도 이용한다.
• 용수철저울은 지구의 중력을 적용하여 무게 눈금이 매겨져 있다. 그런데 하나의 물체도 지구의 어느 위치에서 측정하느냐에 따라 중력이 바뀐다. 예를 들어 높은 산 위와 땅굴에서 같은 물체의 무게를 측정할 때 무게가 다르게 측정될 수 있다. 그러므로 용수철저울은 지구상의 고도나 측정 위치에 따라 조금씩 오차가 생길 수 있다.
•용수철저울은 보통 과학실에서 필통, 풀, 지우개 등 가벼운 물체의 무게를 측정할 때 사용하며 용수철의 종류에 따라 100g중, 200g중, 500g중, 1,000g중, 2,000g중, 5,000g중 등 측정할 수 있는 무게가 정해져 있다. 용수철저울에 표시된 최대 눈금보다 무거운 물체를 걸면 용수철이 너무 많이 늘어나서 물체의 무게를 정확하게 측정할 수 없다. 그러므로 용수철저울의 최대 눈금을 확인하여 측정하고자 하는 물체의 무게를 잴 수 있는 용수철저울을 선택하여 사용해야 한다.