나뭇잎 교과서

가설·모형과 탐구 설계

뜨거운 차는 "일정한 빠르기로" 식을까요, "뜨거울수록 빨리" 식을까요? 두 가설은 처음 몇 분 동안 거의 같은 값을 예측합니다. 어떤 측정 계획을 세워야 둘 중 어느 것이 맞는지 가를 수 있을까요?

먼저 알면 좋은 것 변인 통제열의 이동직선 맞춤
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가설·모형과 탐구 설계

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80 °C의 물을 컵에 담아 실온 20 °C인 교실에 두었다. 한 학생은 물이 일정한 빠르기로 식는다고 생각하고, 다른 학생은 처음에는 빨리 식다가 실온에 가까워질수록 천천히 식는다고 생각한다. 처음 10분 동안 두 가설은 거의 같은 온도를 예측한다. 그렇다면 둘 가운데 무엇이 맞는지 알려면 몇 분 동안, 얼마나 정확하게 재야 할까? 실험을 하기 전에 그것을 미리 정할 수 있을까?

그림 1. 뉴턴 냉각 법칙(파랑)과 일정한 빠르기로 식는다는 가설(주황). 두 가설은 처음 10분 동안의 온도가 같도록 맞추었다. 측정 구간(색칠한 부분)을 늘릴수록 두 예측이 크게 갈라진다.
먼저 알아야 할 것열의 이동과 열평형(통합과학), 지수 함수(수학), 데이터에서 탐구 문제 찾기(데이터에서 탐구 문제 찾기).

2.2.1가설과 모형

가설은 '무엇이 왜 그렇게 되는가'에 대해 시험할 수 있게 세운 잠정적인 답이다. 그리고 가설을 수식이나 그래프로 나타내어 구체적인 값을 예측하게 만든 것이 모형이다. 뉴턴은 물체가 식는 빠르기가 물체와 주변의 온도 차에 비례한다고 생각했다. 온도 차가 크면 열이 빨리 빠져나가고, 차이가 줄면 천천히 빠져나간다. 따라서 온도 차는 시간이 지날수록 같은 비율로 줄어드는 지수 함수를 따른다.

정리 2.2.1 뉴턴 냉각 법칙

처음 온도 \(T_0\)인 물체를 온도 \(T_s\)인 곳에 두면 \(t\)분 뒤의 온도는 \(T(t) = T_s + (T_0 - T_s)\,e^{-kt}\)이다. \(k\)는 그릇의 모양과 재질, 바람 등에 따라 정해지는 상수이다. 온도 차가 반으로 줄어드는 시간은 늘 \(\dfrac{\ln 2}{k}\)로 같다.

그림 1에서 측정 시간을 바꾸어 보자. \(k = 0.05\)/분으로 두면 물은 10분 뒤 약 56 °C가 되고, 일정한 빠르기 가설도 이 값에 맞추면 1분에 약 2.4 °C씩 식는다. 10분까지 재면 두 예측의 차이가 가장 커도 약 1.5 °C라서, 온도계의 오차가 ±0.5 °C이면 가리기 빠듯하다. 그런데 30분까지 재면 일정한 빠르기 가설은 25분 무렵에 실온에 닿는 반면 뉴턴 법칙은 아직 33 °C를 예측해 13 °C 넘게 벌어진다.1

2.2.2실험 전에 정하는 것

탐구 설계는 실험을 하기 전에 무엇을, 얼마나 오래, 얼마나 자주, 얼마나 정확하게 잴지를 정하는 일이다. 두 가설의 예측이 측정 오차보다 크게 다른 조건을 찾아야 실험이 답을 줄 수 있다. 그래서 먼저 두 모형으로 예측을 계산해 보고, 그 차이가 가장 커지는 구간을 측정 범위에 넣는다. 그리고 컵의 크기, 물의 양, 주변 바람처럼 결과에 영향을 줄 수 있는 변인은 일정하게 통제한다. 이렇게 하면 실험이 끝난 뒤 '자료가 부족해 판단할 수 없다'는 일을 줄일 수 있다.

변인이 실험에서정하는 까닭 측정 범위0분부터 40분까지두 예측이 크게 갈리는 구간 측정 간격1분마다곡선의 모양을 알아볼 만큼 통제 변인컵, 물 200 mL, 바람 없음k를 일정하게 유지
그림 2. 탐구 설계는 가설을 가릴 수 있는 측정 조건과 통제할 변인을 미리 정한다.

2.2.3예제 풀이

예제 2.2.2

80 °C의 물이 실온 20 °C에서 10분 뒤 50 °C가 되었다. 뉴턴 냉각 법칙이 맞다면 20분 뒤와 30분 뒤의 온도는 각각 얼마인가? 일정한 빠르기 가설로는 각각 얼마인가?

뉴턴 법칙에서는 온도 차가 10분마다 같은 비율로 줄어든다. 처음 차이 60 °C가 10분 뒤 30 °C로 반이 되었으므로, 20분 뒤에는 15 °C 차이로 35 °C이고, 30분 뒤에는 7.5 °C 차이로 27.5 °C이다.

일정한 빠르기 가설에서는 10분마다 30 °C씩 떨어지므로 20분 뒤 20 °C에 닿고, 그 뒤로는 실온보다 낮아질 수 없으니 30분 뒤에도 20 °C이다. 20분 뒤 두 예측은 15 °C나 차이 나므로, 오차가 ±0.5 °C인 온도계로도 쉽게 가릴 수 있다. 따라서 이 실험은 적어도 20분 넘게 재도록 설계해야 한다. 실제로 재어 보면 물은 뉴턴 법칙에 가깝게 식는다.

아래 탐구 카드에서 냉각 실험을 직접 설계하고, 두 가설의 예측을 측정 자료와 견주어 보자.

  1. 법의학에서는 시신의 체온이 이 법칙에 가깝게 떨어지는 것을 이용해 사망 시각을 어림한다. 다만 옷, 몸집, 주변 온도에 따라 \(k\)가 달라 오차가 몇 시간에 이를 수 있다.
마무리

가설을 모형으로 나타내면 구체적인 값을 예측할 수 있고, 서로 다른 가설의 예측이 측정 오차보다 크게 갈리는 조건을 찾아 실험을 설계한다. 뉴턴 냉각 법칙과 일정한 빠르기 가설은 처음 몇 분 동안은 비슷하지만 시간이 지날수록 크게 벌어진다. 그래서 처음 질문의 식어 가는 물은 적어도 20분 넘게 재야 두 가설을 확실히 가릴 수 있고, 그 시간은 실험 전에 모형으로 미리 정할 수 있다.

탐구 1

어떤 측정 계획이라야 두 가설 가운데 하나를 고를 수 있을까?

실험 · 가설과 모형 · 탐구 설계 · 컵 속 물의 냉각 (모식)
컵
온도계

계획을 정하고 측정해 보세요. 처음 물 온도는 약 80 °C, 실내 온도는 20 °C입니다.

가설 1(직선)의 어긋남
—
가설 2(지수)의 어긋남
—
측정 횟수
—

어긋남은 측정값과 맞춘 선의 차이의 제곱 평균 제곱근(°C)이다. 냉각 상수는 컵 종류에 따라 정한 모식값이고, 물의 증발과 컵 자체의 열용량은 무시했다.

  1. 탐구 문제카페에서 받은 뜨거운 음료는 어떤 규칙으로 식을까? 가설 1은 일정한 빠르기(매분 같은 온도)로 식는다는 것이고, 가설 2는 주위와의 온도 차가 클수록 빨리 식는다는 것이다. 두 가설은 컵을 고르고, 마시기 알맞은 때를 정하는 데 서로 다른 답을 준다.
  2. 복원가설은 검증할 수 있는 잠정적인 답이고, 모형은 가설을 식이나 그림으로 나타내 수치를 예측하게 만든 것이다. 가설 1의 모형은 T = T₀ − rt(직선), 가설 2의 모형은 T = T실내 + (T₀ − T실내)e−kt(지수 곡선, 뉴턴의 냉각 법칙)이다. 지수 곡선은 같은 시간이 지날 때마다 실내 온도와의 차이가 같은 비율로 줄어드는 곡선이고, \(e\)는 약 2.718인 수이다(지수함수는 대수, \(e\)는 미적분Ⅱ에서 자세히 배운다).
  3. 설계조작 변인은 시간, 종속 변인은 물의 온도, 통제 변인은 물의 양, 처음 온도, 실내 온도, 컵, 온도계를 넣는 깊이이다. 그래서 설계에서 가장 공들일 곳은 두 모형의 예측이 갈리는 구간을 재는 것이다. 처음 몇 분 동안은 지수 곡선도 거의 직선이라, 그 구간만 재면 어느 가설도 버릴 수 없다.
  4. 분석측정값에 두 모형을 각각 맞춘 뒤, 측정값과 선의 어긋남을 온도계의 우연 오차와 비교한다. 한 모형의 어긋남이 오차 수준이고 다른 모형은 훨씬 크면, 큰 쪽의 가설을 버린다. 둘 다 오차 수준이면 이 자료로는 판정할 수 없다.
  5. 측정머그컵으로 5분 동안 재 보고, 판정이 되지 않으면 측정 기간을 늘려 판정이 처음 가능해지는 기간을 찾자. 종이컵, 보온병으로도 같은 일을 하고, 필요한 기간이 왜 컵마다 다른지 설명해 보자. 기간은 그대로 두고 측정 간격만 줄이면 판정이 가능해지는가?
  6. 오차·안전측정 횟수를 늘리는 것보다 어디를 재느냐가 더 중요할 때가 많다. 보온병처럼 아주 천천히 식으면 1시간을 재도 지수 곡선이 직선처럼 보인다. 실제 실험에서는 증발, 뚜껑, 저어 주기 여부가 결과를 바꾸므로 함께 통제한다. 끓는 물은 화상 위험이 있으니 손잡이가 있는 용기와 장갑을 쓰고, 유리 온도계로 물을 젓지 않는다.

확인조건이 달라지면

실내 온도가 20 °C가 아니라 75 °C인 방(사우나 체험관)에서, 80 °C의 물로 같은 실험을 한다면 두 가설을 가르기 위한 측정 계획은 어떻게 달라질까?

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