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유리잔을 젓가락으로 때리면 소리가 난다. 이것이 유리잔의 진동이다. 즉 가만히 있던 유리잔은 외부에서 힘을 가하면 본래상태로 돌아가기 위해 진동한다. 똑같은 유리잔을 때리면 항상 같은 소리가 난다. 그 이유는 유리잔의 고유 진동수가 있기 때문이다. 소리로 유리잔을 깨뜨리기 위해서는 유리잔의 진동수를 찾아내는 것이 첫 번째 할 일이다. 유리잔을 막대기로 쳐 소리를 낸 다음 주파수를 찾는 방법이 있다. 이 방법은 소리의 지속 시간이 너무 짧기 때문에 보통의 실험 장비로는 찾기 어렵다. 다른 방법으로 유리잔 둘레에 적당히 물을 묻힌 후 손가락으로 문지르는 것이다. 삐∼∼∼∼하는 소리가 들릴 것이다. 아 소리의 진동수가 잔의 진동수다. 이제 이 소리의 진동수와 똑같은 음을 유리잔 앞에서 내보내기만 하면 된다.
유리잔의 진동수와 똑같은 소리를 만들기 위해서는 오실레이터와 오실로스코프가 필요하다. (고등학교 물리 실험실에 있는 실험기구인 오실레이터는 진동을 발생시키는 장치이고, 오실로스코프는 파형을 관측하는 장치다.) 오실로스코프를 준비하고 한 쪽 입력에는 오실레이터를, 다른 쪽 입력에는 마이크를 연결한다. 오실로스코프 표시 형식은 (XY)형식으로 맞춘다. 이것은 1번 입력으로 들어오는 신호는 X축에 2번 입력으로 들어오는 신호는 Y축에 표시해 주는 것이다. 만약 두 입력 주파수가 같다면 화면에 나타나는 그림은 원형, 타원형, 또는 직선이 될 것이다. 유리잔을 문질러 나는 소리를 마이크로 담아내면서 오실레이터를 작동시키면 화면에는 복잡한 모양의 곡선이 나온다. 오실레이터의 주파수를 미세하게 조정하다보면 화면의 곡선이 원, 타원 또는 직선으로 나타난다. 즉 오실레이터가 유리잔에서 나오는 소리와 똑같은 주파수를 가지게 된 것이다. (피아노 건반에서 제일 높은 '도' 음과 유사한 주파수를 갖는다.)
이제 유리잔을 스피커 앞에 놓는다. 오실레이터를 앰프에 연결하고 출력을 최대한 높여서 소리를 내면 유리잔은 소리와 함께 미세한 진동을 하면서… '쨍' 유리잔의 파편이 튀겨나가는 것을 볼 수 있다.
1. 학습목표
소리(공명)로 유리컵을 깰 수 있다.
2. 준비물
오실로스코프, 발진기, 앰프, 유닛, 진동수측정기, 마이크, 유리잔, 각종전선
3. 어떻게 할까요?
① 유리컵에서 연속적인 음을 얻으려면 어떻게 하면 될까요?
② 유리컵에서 나는 소리의 진동수를 어떻게 하면 측정할 수 있을까요?
③ 유리컵에서 나는 소리는 유리컵의 길이, 두께, 직경과 어떤 관계가 있 을까요?
④ 유리컵이 내는 소리와 같은 높이의 소리를 유리잔에 쪼이면 유리잔에서는 어떤 변화가 일어날까요? 또, 이를 어떤 방법으로 알아볼 수 있을까요?
⑤ 소리의 세기를 점점 세게 하면 어떻게 될까요?
4. 한 번 알아보세요
- 피아노의 "도"의 건반을 세게 치면 "레"소리가 날까요? 왜 그럴까요?
- 유리컵에 물을 담으면 소리의 높이는 어떻게 변할까요?
- 소리와 바람은 에너지를 전달합니다. 어떻게 다를까요?
- 일상에서 공명의 예를 찾아보자.
- 이 원리를 어떻게 이용할 수 있을까요?
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