나뭇잎 교과서

자료 수집과 표·그래프 변환

실험실에서 적은 숫자는 그대로는 아무 말도 하지 않습니다. 날마다 쓴 연구 일지를 정리해 표로 묶고, 알맞은 축과 오차 막대를 골라 그래프로 그려야 비로소 변인 사이의 관계가 보입니다. 같은 자료도 어떻게 그리느냐에 따라 보이는 것이 달라집니다.

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자료 수집과 표·그래프 변환

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공을 떨어뜨리며 0.2초마다 떨어진 거리를 연구 일지에 적었다. 표의 숫자를 시간–거리 그래프로 그리니 점들이 위로 휘어진 곡선을 그렸다. 곡선은 '시간이 지날수록 빨라진다'는 것만 말해 줄 뿐, 정확히 어떤 관계인지는 알려 주지 않는다. 그런데 가로축을 시간 대신 시간의 제곱으로 바꾸어 그렸더니 점들이 곧은 직선 위에 늘어섰다. 그 직선의 기울기에서 무엇을 알 수 있을까? 자료를 표와 그래프로 정리할 때는 무엇을 고려해야 할까?

그림 1. 낙하 거리 자료(파란 점)를 가로축 t^p에 대해 그린 그래프와 맞춘 직선(회색). p = 2일 때 점들이 가장 곧게 늘어서며 상관 계수가 1에 가장 가깝다.
먼저 알아야 할 것등가속도 운동(물리학), 일차 함수와 거듭제곱(수학), 연구 설계(연구 설계와 재료·기기 준비).

2.4.1표와 그래프

연구 일지에 날마다 적은 측정값은 먼저 표로 정리한다. 표에는 제목, 변인의 이름과 단위, 반복 측정값과 평균을 적고, 조작 변인을 왼쪽 열에, 종속 변인을 오른쪽 열에 둔다. 그다음 변인 사이의 관계를 보려고 그래프로 그린다. 연속적인 두 양의 관계는 꺾은선그래프나 산점도로, 범주끼리의 비교는 막대그래프로 그린다. 조작 변인을 가로축에, 종속 변인을 세로축에 두고, 반복 측정의 흩어짐은 오차 막대로 나타낸다.

정리 2.4.1 직선으로 바꾸기

두 양이 \(y = kx^n\)의 관계라면, 가로축을 \(x^n\)으로 바꾸어 그리면 기울기가 \(k\)인 직선이 된다. \(n\)을 모를 때는 \(\log y\)를 \(\log x\)에 대해 그리면 기울기가 \(n\)인 직선이 된다. 직선은 눈으로 판단하기 쉽고, 기울기와 절편이 물리량의 의미를 가진다.

그림 1에서 지수를 바꾸어 보자. 가로축이 시간이면(\(p = 1\)) 점들이 휘어 있고, 직선을 그어도 끝에서 어긋난다. \(p = 2\)로 시간의 제곱을 가로축으로 쓰면 점들이 직선 위에 늘어서고, 상관 계수가 1에 가장 가깝다. 이 직선의 기울기 약 4.9 m/s²는 \(\dfrac{1}{2}g\)이므로, 중력 가속도가 약 9.8 m/s²임을 알 수 있다. \(p = 3\)으로 더 키우면 거꾸로 아래로 휜다. 즉 알맞은 변환은 자료 속의 법칙을 직선이라는 가장 읽기 쉬운 모양으로 드러낸다.1

2.4.2같은 자료, 다른 그림

같은 자료라도 어떻게 그리느냐에 따라 보이는 것이 달라진다. 세로축을 0이 아닌 곳에서 시작하면 작은 차이가 커 보이고, 로그 눈금은 몇 배씩 차이 나는 값들을 한눈에 보여 준다. 반복 측정이 있으면 평균만 점으로 찍지 말고 흩어짐도 함께 보여야 차이가 의미 있는지 판단할 수 있다. 그리고 축의 이름과 단위, 그래프의 제목, 무엇을 나타낸 오차 막대인지를 반드시 적는다. 그래프는 자료를 꾸미는 것이 아니라, 읽는 사람이 관계를 정확히 보도록 돕는 도구이다.

관계직선이 되는 그래프기울기의 뜻 y = kx²y – x²k y = k/xy – 1/xk y = kxⁿ (n을 모름)log y – log xn
그림 2. 관계에 맞게 축을 바꾸면 곡선이 직선이 되고, 기울기가 물리량을 알려 준다.

2.4.3예제 풀이

예제 2.4.2

공을 떨어뜨린 뒤 0.4 s, 0.8 s, 1.2 s에 낙하 거리가 0.79 m, 3.10 m, 7.06 m였다. 가로축을 \(t^2\)으로 그렸을 때의 기울기를 처음과 끝 두 점으로 구하고, 중력 가속도를 구하여라. \(\log\)–\(\log\) 그래프로 그리면 기울기는 얼마인가?

\(t^2\)은 0.16 s²와 1.44 s²이므로 기울기는 \((7.06 - 0.79) \div (1.44 - 0.16) = 6.27 \div 1.28 \approx 4.90\) m/s²이다. 이것이 \(\dfrac{1}{2}g\)이므로 \(g \approx 9.8\) m/s²이다.

\(\log\)–\(\log\) 그래프의 기울기는 \(\dfrac{\log 7.06 - \log 0.79}{\log 1.2 - \log 0.4} = \dfrac{0.849 - (-0.102)}{0.079 - (-0.398)} = \dfrac{0.951}{0.477} \approx 2.0\)이다. 지수 2가 나와, 거리가 시간의 제곱에 비례한다는 것을 지수를 미리 몰라도 알아냈다. 즉 축을 바꾸는 것은 자료를 왜곡하는 것이 아니라, 관계의 꼴과 그 속의 상수를 함께 읽어 내는 방법이다. 그래서 연구 보고서의 그래프는 자료가 직선으로 드러나는 축을 골라 그린다.

아래 탐구 카드에서 연구 일지의 자료를 표로 정리하고, 관계가 잘 드러나는 그래프로 바꾸어 보자.

  1. 케플러는 행성의 공전 주기와 궤도 반지름 자료를 오래 들여다본 끝에 주기의 제곱이 반지름의 세제곱에 비례한다는 법칙을 찾았다. 오늘날이라면 log–log 그래프의 기울기 1.5로 바로 알아낼 수 있다.
마무리

연구 일지의 측정값은 변인과 단위를 밝힌 표로 정리하고, 관계를 보기 위해 알맞은 그래프로 그린다. 두 양이 거듭제곱 관계이면 가로축을 그 거듭제곱으로, 지수를 모르면 log–log로 바꾸어 직선을 만들고, 그 기울기와 절편에서 물리량을 읽는다. 그래서 처음 질문의 휘어진 곡선은 가로축을 시간의 제곱으로 바꾸면 직선이 되고, 그 기울기의 두 배가 중력 가속도를 알려 준다.

탐구 1

같은 자료인데 왜 그래프마다 다른 이야기를 할까?

실험 · 자료의 표현 · 그래프 고르기
자료
표현

  1. 탐구 문제실험을 마치면 숫자가 가득한 기록이 남는다. 이 숫자들이 말하는 것을 다른 사람이 한눈에, 그리고 오해 없이 알아보게 하려면 어떻게 보여 줘야 할까?
  2. 복원변인에는 이름으로 나뉘는 범주형(반, 혈액형)과 수로 이어지는 연속형(온도, 시간)이 있다. 또 정성적 자료는 말로, 정량적 자료는 수로 기록한다.
  3. 설계그래서 가로축 변인이 범주형이면 막대그래프, 연속형 두 변인의 관계를 보려면 산점도와 추세선, 시간에 따른 변화를 이어 보려면 꺾은선그래프가 알맞다. 정확한 값을 전해야 하면 표를 함께 쓴다.
  4. 분석그런데 같은 자료라도 표현 방식이 해석을 바꾼다. 범주를 선으로 이으면 반 사이에 없는 “중간값”이 있는 것처럼 보이고, 세로축을 0이 아닌 곳에서 자르면 작은 차이가 크게 보인다.
  5. 측정세 자료 각각에 네 가지 표현을 모두 적용해 보자. 반별 수면 시간에서 “세로축 0부터”를 끄면 반 사이 차이가 몇 배로 보이는지 재 보고, 용해도 자료의 튀는 점을 빼도 되는지도 생각해 보자.
  6. 오차·안전이상값은 “결과와 안 맞아서”가 아니라 기록된 이유가 있을 때만 뺄 수 있고, 뺀 사실과 이유를 보고서에 적어야 한다. 이유 없이 마음에 안 드는 값을 지우는 것은 연구 부정(변조)이다.

확인조건이 달라지면

학급별 휴대 전화 사용 시간(1반 3.1시간, 2반 3.3시간, 3반 3.2시간)을 발표하려 한다. 가장 알맞은 표현은?

탐구 2

기포 수를 세어 적은 표를 어떤 그래프로 바꿔야 관계가 드러날까?

실험 · 자료의 변환 · 축 고르기 · 오차 막대
가로축
점
오차 막대
선

모식 실험이다. 검정말을 탄산수소 나트륨 용액에 넣고 램프 거리 d를 바꿔 가며 1분 동안 나온 기포 수를 센다. 빛의 세기는 1/d²에 비례한다고 가정했고, 빛이 아주 강하면 광합성이 포화되도록 했다. 기포를 세는 값은 정수이고 우연한 흩어짐이 있다.

  1. 탐구 문제램프를 가까이 댈수록 검정말에서 기포가 많이 나온다. 연구 일지에 거리마다 세 번씩 센 기포 수가 적혀 있다. 이 표에서 "빛의 세기와 광합성 속도의 관계"를 한눈에 보여 주려면 어떻게 그려야 할까?
  2. 복원점광원에서 나온 빛의 세기는 거리의 제곱에 반비례한다. 그래프의 가로축에는 조작 변인(또는 그것을 변환한 값), 세로축에는 종속 변인을 놓는다.
  3. 설계표는 거리마다 한 줄, 반복 측정값을 나란히 적고 평균과 표준편차 칸을 둔다. 열 이름에는 단위를 적는다. 그래프로 옮길 때는 ① 무엇을 가로축으로 할지 ② 평균만 그릴지, 개별 값도 보일지 ③ 흩어짐을 어떤 막대로 보일지 ④ 점을 이을지, 직선을 맞출지를 고른다.
  4. 분석d를 가로축으로 하면 곡선이라 관계를 말하기 어렵다. 가로축을 1/d²(빛의 세기에 비례)로 바꾸면 빛이 약한 쪽에서 점들이 직선에 놓이고, 빛이 강한 쪽에서는 직선 아래로 처진다. 직선 구간의 기울기가 "빛의 세기 한 단위당 광합성 속도"이고, 처지는 구간은 다른 요인(CO₂, 효소)이 속도를 제한하기 시작한 곳이다.
  5. 측정가로축 셋을 차례로 고르고 직선 맞춤의 결정계수 r²를 비교해 보자. 오차 막대를 표준편차에서 표준오차로 바꾸면 막대 길이가 몇 배가 되는가(반복 3회)? 축 이름을 끄면 이 그래프만 보고 무엇을 알 수 없게 되는가?
  6. 오차·안전오차 막대가 무엇인지(표준편차, 표준오차, 신뢰구간)를 범례나 캡션에 밝히지 않으면 읽는 사람이 해석할 수 없다. 표준편차는 개체의 흩어짐, 표준오차는 평균의 불확실성을 나타낸다. 측정점이 셋뿐인 거리에서는 둘 다 거칠게 추정된 값이다. 램프가 물을 데우면 온도도 함께 바뀌므로, 물이 든 비커를 사이에 두어 열을 막고 뜨거운 전구에 손을 대지 않는다.

확인조건이 달라지면

온도를 5 °C 간격으로 바꾸며 효소의 반응 속도를 다섯 번씩 재었다. 속도는 어느 온도까지 오르다가 그 뒤 급히 떨어진다. 가장 알맞은 표현은?

읽기 3

연구 일지에는 무엇을 적고, 표는 어떻게 만들까?

읽기 · 연구 일지 · 원자료 · 표와 그래프의 규칙

석 달 뒤 보고서를 쓰다가 "3회차 값은 왜 이렇게 낮았지?"라는 질문이 생겼다고 하자. 그날 무슨 일이 있었는지 알려 줄 수 있는 것은 그날 쓴 연구 일지뿐이다.

1연구 일지에 적을 것

날짜와 시각, 기록한 사람

페이지마다 번호를 매기고 날짜와 기록한 사람의 이름을 적는다.

조건은 실온, 사용한 기기와 그 설정, 시약의 농도와 만든 날, 시료 번호이다.

원자료

계산하기 전의 값을 그 자리에서 바로 적는다. 평균만 적고 개별 값을 버리면 나중에 다시 계산할 수 없다.

계획과 달랐던 일

전구가 꺼졌다, 용액을 쏟았다, 측정자가 바뀌었다. 이상값을 나중에 판단할 근거가 된다.

생각과 다음 계획은 결과를 보고 떠오른 생각, 고칠 점이다.

틀린 값은 지우지 않고 한 줄을 그어 읽을 수 있게 남긴 뒤 옆에 고친 값과 이유를 적는다. 종이 일지는 쪽을 찢지 않고, 전자 일지는 수정 기록이 남는 방식으로 쓴다. 사진이나 센서 파일은 파일 이름을 일지에 적어 연결한다. 일지는 실험이 정직하게 이루어졌다는 증거이기도 하다.

2일지에서 표로

거리기포
404, 4, 2
1031.33
20cm약 14

고칠 점은 단위가 열 이름에 없고 칸마다 다르다는 것, 원자료와 평균이 섞이고 순서가 뒤죽박죽이라는 것, 자릿수가 들쭉날쭉하고 무엇을 잰 표인지 제목이 없다는 것이다.

표 1. 램프 거리에 따른 검정말의 기포 발생 수 (1분, 25 °C)
거리 (cm)1회2회3회평균 ± 표준편차 (개/분)
1033303131.3 ± 1.5
2013151414.0 ± 1.0
404423.3 ± 1.2

조작 변인을 첫 열에 차례로, 반복은 옆으로, 단위는 열 이름에 한 번만 적는다.

표의 값은 측정의 정밀도에 맞는 자릿수로 적는다. 기포를 정수로 셌다면 평균은 소수 첫째 자리 정도면 충분하다. 31.3333처럼 계산기가 보여 준 자리를 모두 옮기면 그만큼 정밀하게 잰 것처럼 보인다.

3표에서 그래프로

보여 주려는 것알맞은 그래프
연속형 두 변인의 관계 (온도와 용해도)산점도, 이론이 있으면 맞춤 곡선
시간에 따른 변화 (하루의 기온)꺾은선 그래프
범주 사이 비교 (품종별 수확량)막대그래프 (세로축 0부터) 또는 개별 값을 찍은 점그림
한 변인의 분포 (반 학생들의 키)히스토그램, 상자 그림
전체에 대한 비율 (대기 성분)띠그래프 (항목이 적을 때 원그래프)

그래프에는 번호와 설명(그림 1. …)을 아래에 붙이고, 두 축에 이름과 단위를, 오차 막대가 있으면 무엇인지를 적는다. 여러 계열은 범례와 모양으로 구분해 흑백으로 인쇄해도 알아볼 수 있게 한다.

판단그래프는 자료를 "예쁘게" 꾸미는 일이 아니라 변인 사이의 관계를 정직하게 전하는 일이다. 축을 잘라 차이를 부풀리거나, 맞지 않는 점을 빼고 그리거나, 3차원 효과로 막대 크기를 왜곡하면 읽는 사람이 잘못 판단한다. 원자료는 보고서 부록이나 일지에 남겨, 누구든 그래프를 다시 그려 볼 수 있게 한다.

확인조건이 달라지면

실험 중 2회차에 온도계를 떨어뜨려 다른 온도계로 바꿨다. 그 뒤로 값이 조금씩 높게 나온다. 연구 일지 처리로 가장 알맞은 것은?

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