가우스 라이플 실험 가이드 🧲

📋 프로젝트 개요

연구 질문 (Big Question):

"How does the number of magnetic acceleration stages affect the kinetic energy and travel distance of a steel ball?"

자기장 가속 단계의 수가 쇠구슬의 운동 에너지와 이동 거리에 어떤 영향을 미치는가?

실험 유형: An Experiment (conducting a fair test to answer a question)

독립 변수: 자석 가속 단계의 수 (1단, 2단, 3단, 4단, 5단)

종속 변수: 쇠구슬의 이동 거리 (cm)

통제 변수: 자석 종류, 쇠구슬 크기, 트랙 재질, 발사 높이

🔬 과학 원리

가우스 라이플이란?

가우스 라이플(Gauss Rifle)은 자석의 인력을 이용해 쇠구슬을 가속시키는 장치입니다. 실제 무기가 아니라 운동량 보존 법칙과 에너지 전달을 보여주는 과학 실험 도구예요.

작동 원리 (한 단계)

⚪→ 🧲 ⚪⚪ ➜ ⚪ 🧲 ⚪ →⚪💨

① 구슬이 자석에 끌려 가속 → ② 자석에 충돌 → ③ 반대편 구슬이 운동량을 받아 발사

왜 더 빨라질까?

운동량 보존: m₁v₁ = m₂v₂ (충돌 전후 운동량 동일)

자석이 첫 번째 구슬을 끌어당기면서 위치 에너지가 운동 에너지로 변환됩니다. 이 에너지가 충돌을 통해 마지막 구슬에 전달되고, 단계가 많아질수록 에너지가 누적되어 더 빠르게 발사됩니다!

자석과 쇠구슬을 이용한 운동량 전달 원리

💡 왜 "가우스"라고 부를까?

독일 수학자 카를 프리드리히 가우스(Carl Friedrich Gauss)의 이름을 땄어요. 그는 전자기학의 기초가 되는 "가우스 법칙"을 발견했답니다. 자기장의 세기를 나타내는 단위도 "가우스(G)"예요!

🛠️ 준비물 체크리스트

실험에 필요한 재료들

보유 중인 재료 ✅

🧲

네오디뮴 원형 자석 보유

10mm × 2mm, 30개 (코멧)

5단계 × 자석 6개 = 사용량 예상

⚪

스틸 베어링 쇠구슬 보유

10mm, 다량 (OON)

단계당 3개 + 발사용 = 약 20개 필요

📋

포맥스판 (베이스) 보유

A3 (297×420mm), 두께 3mm, 5개

베이스 + 거리 측정판으로 활용

📏

사각 전선몰딩 보유

3호, 백색, 3개

쇠구슬 트랙(레일)으로 사용

추가로 필요한 재료 🛒

🔫

글루건 + 글루스틱 구매 필요

자석과 레일 고정용

양면테이프보다 튼튼함

📐

줄자 또는 긴 자 구매 필요

최소 100cm 이상

쇠구슬 이동 거리 측정

🥽

보안경 (안전 고글) 필수

눈 보호용

쇠구슬이 튈 수 있음!

✂️

커터칼 + 커팅매트 있으면 좋음

전선몰딩, 포맥스 자르기

부모님 도움 필요

🎨

유성 매직 / 네임펜 있으면 좋음

트랙에 눈금 표시

거리 측정 정확도 향상

📱

스마트폰 (슬로모션) 있으면 좋음

고속 촬영 기능

속도 분석용 (심화)

🔧 제작 과정

베이스 준비하기

포맥스판을 베이스로 사용합니다. A3 크기(297×420mm) 그대로 사용하거나, 필요시 약간 잘라서 정리하세요.

포맥스판 1장을 평평한 곳에 놓기
가장자리에서 약 5cm 안쪽에 트랙 위치 표시
측정용 눈금(0, 10, 20, 30cm...)을 미리 그려두면 좋아요

트랙(레일) 설치하기

전선몰딩을 잘라서 쇠구슬이 굴러갈 레일을 만듭니다.

전선몰딩을 트랙으로 활용

전선몰딩 뚜껑을 분리 (베이스만 사용)
약 30~35cm 길이로 자르기
글루건으로 포맥스판에 단단히 고정
쇠구슬을 굴려서 잘 굴러가는지 테스트!

자석 단계 배치하기

가장 중요한 단계! 자석과 쇠구슬의 배치가 실험 성공을 좌우합니다.

  [1단계 구성]
  
  발사 구슬     자석    대기 구슬들
     ⚪    →   🧲🧲    ⚪⚪
     
  ←───5cm───→ ←2cm→ ←──간격──→
  (가속 거리)  (자석)  (끝에 붙어있음)

자석은 2~3개를 겹쳐서 하나의 "자석 기둥"으로 사용
자석 기둥 오른쪽에 쇠구슬 2개를 붙여놓기
각 단계 사이 간격: 약 5~7cm (가속 거리)
중요: 모든 자석의 극성을 같은 방향으로!

⚠️ 자석 배치 팁

• 자석끼리 너무 가까우면 서로 달라붙어요 (최소 5cm 간격)
• 처음에는 2단계로 시작해서 테스트한 후 단계를 늘리세요
• 자석은 글루건으로 고정하되, 쇠구슬이 자석에 직접 닿도록!

착지 구역 만들기

발사된 쇠구슬이 떨어지는 곳을 측정하기 위한 구역입니다.

포맥스판 2~3장을 트랙 끝에서 이어붙이기
0cm, 10cm, 20cm... 100cm까지 눈금 표시
밀가루나 모래를 얇게 뿌리면 착지점 확인 쉬움 (선택)

단계별 조립 과정

테스트 및 조정

실제로 작동시켜보고 문제점을 수정합니다.

1단계부터 시작해서 구슬이 잘 발사되는지 확인
구슬이 트랙을 벗어나면 레일 높이 조정
자석이 움직이면 글루건으로 더 단단히 고정
문제없으면 단계를 하나씩 추가

🧪 실험 방법

실험 설계

실험 번호	자석 단계 수	시행 횟수	측정 항목
실험 1	1단계	5회	이동 거리 (cm)
실험 2	2단계	5회	이동 거리 (cm)
실험 3	3단계	5회	이동 거리 (cm)
실험 4	4단계	5회	이동 거리 (cm)
실험 5	5단계	5회	이동 거리 (cm)

실험 절차

준비: 보안경 착용, 트랙 수평 확인, 쇠구슬 배치
발사: 트랙 시작점에서 쇠구슬을 살짝 굴리기 (밀지 않고 놓기만!)
측정: 발사된 마지막 구슬이 멈춘 지점까지 거리 측정
기록: 데이터 시트에 거리 기록
반복: 같은 조건에서 5회 반복 → 평균 계산
변경: 자석 단계 수를 바꿔가며 1~5 반복

💡 공정한 실험(Fair Test)을 위한 팁

매번 같은 시작점에서 같은 방식으로 구슬 놓기
구슬을 "밀지" 말고 "놓기"만 하기
실험 중간에 자석 위치 건드리지 않기
이상치(너무 크거나 작은 값)가 나오면 메모해두기

데이터 기록 시트

실험 데이터 기록하기

단계	1회	2회	3회	4회	5회	평균
1단계	__cm	__cm	__cm	__cm	__cm	__cm
2단계	__cm	__cm	__cm	__cm	__cm	__cm
3단계	__cm	__cm	__cm	__cm	__cm	__cm
4단계	__cm	__cm	__cm	__cm	__cm	__cm
5단계	__cm	__cm	__cm	__cm	__cm	__cm

⚠️ 안전 주의사항

실험 안전 수칙

🚨 반드시 지켜야 할 안전 수칙

보안경 필수 착용! 쇠구슬이 예상치 못한 방향으로 튈 수 있어요
얼굴/눈 방향으로 발사 금지! 항상 안전한 방향으로
작은 아이나 반려동물 주의! 쇠구슬은 삼키면 위험해요

⚠️ 네오디뮴 자석 주의사항

손가락 끼임 주의: 자석끼리 강하게 붙어서 손가락이 끼일 수 있어요
전자기기 멀리: 신용카드, 스마트폰, 시계에서 15cm 이상 거리 유지
심장 박동기 위험: 심장 박동기 사용자는 자석 취급 금지
깨지기 쉬움: 네오디뮴 자석은 부딪히면 깨질 수 있어요

실험 전 체크리스트

보안경을 착용했나요?
주변에 깨지기 쉬운 물건은 치웠나요?
발사 방향에 사람이나 동물이 없나요?
바닥에 여분의 쇠구슬이 굴러다니지 않나요?
자석 근처에 전자기기가 없나요?
부모님께 실험한다고 말씀드렸나요?

📊 예상 결과 및 분석

가설

"자석 가속 단계의 수가 증가하면, 쇠구슬의 최종 이동 거리도 증가할 것이다."

예상 결과 그래프

이동거리(cm)
    │
100 ┤                          ★
    │                     ★
 80 ┤                ★
    │           ★
 60 ┤      ★
    │ ★
 40 ┤
    │
 20 ┤
    │
  0 ┼────┬────┬────┬────┬────┬────
       1    2    3    4    5   단계 수

결과 분석 포인트

비례 관계: 단계 수와 거리가 정비례하는지?
효율 감소: 단계가 많아지면 증가폭이 줄어드는지? (마찰, 에너지 손실)
최적 단계: 몇 단계가 가장 효율적인지?
오차 원인: 왜 같은 조건에서도 결과가 다른지?

결론 작성 가이드

💡 좋은 결론 쓰는 법

가설이 맞았는지/틀렸는지 명확히 쓰기
데이터(숫자)로 증거 제시하기
예상과 다른 점이 있었다면 이유 분석하기
다음에 개선할 점이나 추가 연구 주제 제안하기

🎤 발표 준비

완성된 가우스 라이플

전시물 구성 (A3 규격)

가우스 라이플 본체: 포맥스판 + 트랙 + 자석 (작동 시연 가능)
결과 그래프: 단계별 이동 거리 막대그래프 또는 꺾은선그래프
사진/영상: 실험 과정 사진, 슬로모션 영상 (QR코드로 링크)

예상 질문 & 답변

예상 질문	답변 포인트
왜 이 실험을 선택했나요?	물리학(운동량, 에너지)을 직접 보여주고 싶었어요
무한히 단계를 늘리면 무한히 빨라지나요?	아니요, 마찰과 에너지 손실 때문에 한계가 있어요
실제 무기로 쓸 수 있나요?	이건 교육용이에요. 실제 무기는 전자석과 엄청난 전력이 필요해요
어떤 어려움이 있었나요?	자석 간격 조절, 구슬이 트랙을 벗어나는 문제 등

📚 참고 자료

Wikipedia: Gaussian Gun
YouTube: Gauss Rifle 실험 영상들
물리학 개념: 운동량 보존 법칙, 운동 에너지, 자기력