나뭇잎 교과서

관찰과 귀납적 탐구

많이 관찰하면 규칙이 보입니다. 하지만 몇 번을 봐야 그 규칙을 믿어도 될까요? 진자를 여러 조건에서 관찰하며 귀납적 탐구를 해 봅니다.

먼저 알면 좋은 것 변인측정과 오차
본문

관찰과 귀납적 탐구

본문

진자의 주기를 초시계로 재면 잴 때마다 값이 조금씩 다르다. 1.98초, 2.05초, 2.01초…. 이 값들로 '진자의 주기는 줄의 길이에 따라 정해진다'는 규칙을 찾으려면, 몇 번을 재고 어떤 조건을 바꾸어 봐야 할까? 백조 천 마리가 모두 하얗다고 해서 모든 백조가 하얗다고 말해도 될까? 관찰을 모아 규칙을 끌어내는 탐구는 어디까지 믿을 수 있을까?

그림 1. 초시계를 누르는 반응 시간 오차(약 0.1초)가 있을 때 진자 주기를 여러 번 잰 값(점)과 평균(빨간 선), 평균의 불확도 범위(색칠). 측정을 늘릴수록 평균이 참값에 가까워지고 범위가 좁아진다.
먼저 알아야 할 것변인 통제, 측정과 오차(통합과학), 평균, 단진동의 주기(역학과 에너지).

2.1.1귀납적 탐구

여러 번의 관찰이나 측정에서 공통된 규칙을 찾아 일반적인 결론을 이끌어 내는 방법을 귀납적 탐구라 한다. 진자 실험에서는 줄의 길이, 추의 질량, 흔드는 각도를 하나씩 바꾸며 주기를 잰다. 나머지 두 가지는 처음과 똑같이 둔다. 그 결과 주기가 추의 질량과 작은 각도에는 거의 관계없고, 줄의 길이에 따라 달라진다는 규칙을 찾는다.

정리 2.1.1 귀납의 조건과 한계

귀납으로 믿을 만한 규칙을 얻으려면 한 번에 한 변인만 바꾸고(변인 통제), 같은 조건을 여러 번 반복하며, 조건의 범위를 넓게 시험해야 한다. 그래도 관찰하지 않은 경우에 대해서는 규칙이 성립한다고 확신할 수 없다.

그림 1에서 측정 횟수를 늘려 보자. 한 번만 재면 반응 시간 오차 때문에 값이 0.1초쯤 어긋날 수 있다. 측정을 4번으로 늘리면 평균의 불확도가 절반, 16번이면 4분의 1이 된다. 그래서 진자 실험에서는 한 번의 주기 대신 10번 왕복하는 시간을 재어 10으로 나누기도 한다. 반응 시간 오차가 10번에 한 번만 들어가기 때문이다.1

2.1.2검은 백조

유럽 사람들은 수천 년 동안 하얀 백조만 보아 '모든 백조는 하얗다'고 믿었다. 그런데 1697년 오스트레일리아에서 검은 백조가 발견되었다. 그래서 귀납으로 얻은 결론은 아무리 많은 관찰로 뒷받침되어도, 반례 하나로 무너질 수 있다. 따라서 과학자는 귀납으로 얻은 규칙을 가설로 삼아, 아직 시험하지 않은 조건에서 다시 확인한다.

바꾼 변인고정한 변인주기의 변화 줄의 길이질량, 각도길이가 4배면 2배 추의 질량길이, 각도거의 그대로 흔드는 각도 (작을 때)길이, 질량거의 그대로
그림 2. 한 번에 한 변인만 바꾸어야 무엇이 주기를 정하는지 알 수 있다.

2.1.3예제 풀이

예제 2.1.2

길이 1 m인 진자의 주기를 5번 재었더니 2.08, 1.95, 2.03, 1.97, 2.02초였다. 평균을 구하여라. 길이 0.25 m와 4 m에서도 재어 각각 1.0초, 4.0초를 얻었다. 길이와 주기 사이에 어떤 규칙이 있다고 귀납할 수 있는가?

평균은 \(\dfrac{2.08 + 1.95 + 2.03 + 1.97 + 2.02}{5} = \dfrac{10.05}{5} = 2.01\)초이다. 하나하나의 값은 0.07초까지 어긋나지만 평균은 이론값 2.01초와 거의 같다.

길이가 0.25, 1, 4 m로 4배씩 커질 때 주기는 1, 2, 4초로 2배씩 커졌다. 그래서 '주기는 길이의 제곱근에 비례한다'고 귀납할 수 있다. 하지만 세 조건만 시험했으므로, 0.01 m처럼 아주 짧거나 큰 각도로 흔들 때에도 성립하는지는 다시 확인해야 한다. 실제로 각도가 크면 주기가 조금 길어진다.

아래 탐구 카드에서 진자를 여러 조건에서 관찰하며 몇 번을 관찰해야 규칙을 믿을 수 있는지 직접 따져 보자.

  1. 이렇게 여러 번 반복해 평균을 내면 우연한 오차는 줄지만, 초시계가 늘 조금 빨리 가는 것 같은 한쪽으로 치우친 오차는 줄지 않는다. 그런 오차는 다른 측정 도구와 비교하여 찾는다.
마무리

귀납적 탐구는 여러 관찰에서 공통 규칙을 찾는 방법으로, 변인을 하나씩 통제하고 반복 측정하여 평균을 내며 조건의 범위를 넓게 시험할 때 믿을 만해진다. 그래도 반례 하나로 무너질 수 있어 규칙은 가설로 다시 확인한다. 그래서 처음 질문의 답은 '정해진 횟수는 없다'이다. 반복할수록 평균이 정확해지지만, 시험하지 않은 조건까지 확신하려면 새로운 조건에서 다시 확인해야 한다.

탐구 1

몇 번을 관찰해야 규칙을 믿을 수 있을까?

실험 · 귀납적 탐구 · 진자의 주기
가로축

사람이 초시계를 누르는 반응 시간 때문에 한 번 잴 때 ±0.1초쯤 오차가 생긴다. 그래서 10번 왕복한 시간을 재서 10으로 나눈다. 그래프 가로축을 바꿔 가며 주기와 관계있는 변인을 찾아보자.

  1. 탐구 문제그네는 세게 밀어도, 무거운 어른이 타도 비슷한 박자로 흔들리는 것 같다. 진자가 한 번 왕복하는 시간(주기)은 무엇에 따라 달라질까?
  2. 복원귀납은 여러 개별 관찰에서 공통된 규칙을 끌어내는 방법이다. 이때 한 번에 한 변인만 바꾸고 나머지는 그대로 두어야(변인 통제) 무엇이 원인인지 가려낼 수 있다.
  3. 설계조작 변인 후보는 실 길이, 추 질량, 처음 각도 세 가지이고, 하나를 바꾸는 동안 다른 둘은 고정한다. 그런데 주기는 짧아서 한 번만 재면 반응 시간 오차가 크므로, 10번 왕복 시간을 재서 나눈다.
  4. 분석재어 보면 질량과 작은 각도는 주기를 거의 바꾸지 않고, 길이가 길수록 주기가 길다. 가로축을 √L로 바꾸면 점들이 원점을 지나는 직선에 놓인다. 즉 관찰에서 끌어낸 규칙은 T ∝ √L이고, 이론식은 T = 2π√(L/g)이다.
  5. 측정먼저 길이만 바꿔 다섯 번 이상 재고, 다음에는 질량만, 그다음에는 각도만 바꿔 보자. 각도를 40° 넘게 키우면 “각도와 무관하다”는 규칙이 여전히 맞는지도 확인해 보자.
  6. 오차·안전작은 각도만 관찰하고 “진자의 주기는 각도와 무관하다”고 일반화하면 큰 각도에서 틀린다(60°에서는 약 7% 길어진다). 이것이 귀납의 한계로, 관찰을 아무리 많이 해도 아직 보지 않은 조건에서까지 규칙이 맞는다는 보장은 없다. 흰 백조를 수천 마리 보았어도 검은 백조 한 마리가 “모든 백조는 희다”를 무너뜨린다.

확인조건이 달라지면

한 학생이 길이와 질량을 동시에 바꾸며 다섯 번 재었더니 주기가 달라졌다. 이 자료로 내릴 수 있는 결론은?

AI 출제 문항연습문제 풀어보기26문항
Esc

↑↓ 고르기Enter 열기