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눈에 보이지 않는 위치에너지를 눈에 보이려고 한 실험이 예정된 결과를 향한 짜맞추기식 실험으로 전락했다. 그러다 보니 실제 결과와 다른 엉뚱한 그래프가 교과서의 한 장을 장식하게 됐다.

중학교 3학년 학생들은 학기초면 제일 먼저 '일과 에너지'라는 단원을 접한다. 늘 접하던 일과 과학적인 일을 구분하기도 쉽지 않은 터에 갑자기 등장하는 운동 에너지와 위치에너지의 존재는 난감함을 더해준다. 이러한 어려움을 도와주기 위해 교과서에는 실험이 등장한다. 물론 실험을 모두 한다고는 볼 수 없지만 최소한 실험의 결과를 외우면서 이론에 한발 다가서려고 노력한다.

이러한 실험 중에 위치에너지 측정과 관련된 결과 그래프가 오류를 범하고 있음을 확인했다. 결과적으로 실험에서 학생들에게 가르치려고 했던 것은 위치에너지가 질량에 비례하고 물체가 놓인 높이에 비례한다는 것이다. 이것은 틀린 내용이 아니다. 단지 이러한 결과를 보여주려고 했던 실험장치가 부적절했다는 얘기다. 따라서 여기서는 교과서에 제시된 실험장치로 얻을 수 있는 결과 그래프를 그려봄으로써 실험장치와 무관한 그래프 제시를 비판하고자 한다. 대부분의 교과서에는 (그림1)과 같은 실험장치를 해두고 추가 떨어지면서 금속관이 이동한 거리와 추의 높이에 따른 이동거리를 측정하도록 한다. 그리고 추의 질량(M)과 금속관(m)이 이동한 거리는 원점을 지나는 1차 직선 그래프로 나타냈다. 하지만 실제 실험 결과는 그렇게 나타나지 않는다. 이를 실험상의 오차로 보기 어렵다. 왜냐하면 이론적인 값도 그렇지 않기 때문이다.

이 실험은 질량 M인 물체가 마찰력 f에 의해 일에너지로 전환되는 문제로 중요한 것은 일에너지를 계산할 때 마찰력과 중력을 모두 고려해야 한다는 점이다. 여기서 조건은 M>;>;m, f>;(M+m)g로 '마찰력은 실험 중 일정하다고 본다'는 말이 들어 있어야 한다.

우선 충돌 직전의 에너지는 Mgh, 충돌 후 M, m이 이동하며 한 일에너지는 W = FxS = [f-(M+m)g]S이다.

충돌 직전의 에너지가 충돌 후 모두 일에너지로 전환했다고 보면 Mgh=[f-(M+m)g]S이다.

따라서 S=$\frac{hM}{f/g-(m+M)}$이다.

이는 금속관이 이동한 거리 S가 추의 질량 M에 단순히 비례하지 않음을 보여준다. 이것을 그래프로 그리면 (그림2)와 같은 그래프를 얻을 수 있다. 즉 교과서에서 제시된 추의 질량과 이동거리 그래프는 잘못된 것이다. 이것을 바탕으로 개정되는 제 7차 교육과정에서는 이러한 실험장치가 아닌 위치에너지의 개념을 제대로 설명할 수 있는 실험이 제시되길 기대한다.