소형화산모형 실험 / 풍선 활용 기체수업

2019 대한민국과학교사큰모임 발표자료입니다. 다른 곳에 인용하실 때는 반드시 출처를 밝혀 주시기 바랍니다.

서울 고원초 신현진

Ⅰ. 소형화산모형 실험

1. 교과서 탐구활동

지구와 우주 분야, 고체지구 영역 4학년 2학기 4단원. 화산과 지진 3차시 화산활동으로 나오는 물질에는 어떤 것들이 있을까요?

2. 대체실험 지도안

ESC수업 모형을 적용한 과학과 교수‧학습 과정안

 

 

 

Ⅱ. 풍선을 활용한 공기의 성질 탐구

1. 공기 탐구(기체 탐구)

가. 기체

일정한 모양과 부피를 갖고 있지 않으며 용기 전체에 확산하는 성질을 갖고 있는 물질을 기체라고 한다. 흐르는 물질이라는 점에서는 기체와 액체는 유사하나 액체보다 압축하기 훨씬 용이하다. 기체와 액체의 흐르는 성질 때문에 기체와 액체를 유체라고 한다. 기체와 액체의 근본적인 차이는 분자간의 거리이다. 기체는 분자 사이의 거리가 충분하여 압력으로 쉽게 압축하여 분자간의 거리를 단축할 수 있으나 액체는 압축하여 분자간의 거리를 단축시키기 어렵다.

기체는 주위의 공간을 채울 때까지 팽창하여 용기와 같은 모양이 된다. 지구의 대기나 별에서와 같이 기체의 양이 아주 많은 때만 상호간의 만유인력이 기체의 모양을 결정한다. 또한 기체는 풍선처럼 밀폐된 용기에만 가두어 둘 수 있다.

기체 상태의 물질은 분자 간에 인력이 거의 작용하지 않아서 모양과 부피가 자유롭게 변할 수 있다. 기체 분자들은 운동 에너지가 분자 사이의 인력보다 더 크기 때문에 넓은 공간을 자유롭게 모든 방향으로 빠르게 움직이는데, 어떤 위치에서 다른 위치로 불규칙하게 움직이는 직선 운동을 병진 운동이라 하고, 기체 분자들이 질량 중심의 이동 없이 회전하여 움직이는 것을 회전 운동이라 하며, 분자를 이루는 원자들 사이에 떨림이 일어나는 것을 진동 운동이라 한다.

‘기체’란 말은 1662년 벨기에 물리학자인 헬몬트가 물질의 특수한 형태를 서술하기 위하여 처음 사용하였는데, 그리스어인 대혼란이란 단어에서 유래되었다.

모든 기체는 작든 크든 간에 가능한 모든 공간을 차지하기 위해 균등하게 팽창한다. 기체는 온도와 압력에 의해 팽창하거나 수축하는 성질이 있다. 즉, 온도가 높아지면 부피가 커지고, 온도가 낮아지면 부피가 작아진다. 또 압력이 커지면 부피는 작아지고, 압력이 작아지면 부피가 커진다. 또한 모든 기체는 무게를 가지고 있다. 기체마다 무게가 약간씩 다른데, 수소나 헬륨 같은 기체는 공기보다 가볍고, 이산화탄소나 부탄과 같은 기체는 공기보다 무겁다.

 

병진운동 회전운동 진동운동

 

나. 공기의 조성

공기는 색깔과 냄새가 없는 기체로, 보통 공기의 성분을 이야기할 때는 깨끗하고 건조한 공기의 평균 조성을 말한다. 공기는 여러 가지 성분으로 되어 있는데 질소와 산소가 공기의 99 % 정도를 차지하고, 아르곤이 0.93 %, 이산화탄소가 0.03 %를 차지한다. 이 밖에 네온, 헬륨, 크립톤, 크세논, 메탄, 수소, 일산화탄소 등의 기체들은 매우 적은 비율로 존재한다. 이런 건조 공기의 구성 비율은 장소에 상관없이 거의 일정하다. 공기 중에 들어 있는 수증기의 양은 3~4 % 로 지역이나 날씨에 따라 다소 차이가 있다.

다. 공기의 무게(기압)

기압이란 공기의 압력을 말한다. 압력은 일정한 면적에 누르는 힘으로, 기압은 지구를 둘러싸고 있는 공기가 지표면을 누르는 압력을 말한다.

공기가 지표면을 누른다는 것은 공기도 무게를 가지고 있다는 것이다. 공기가 누르는 힘은 1cm의 면적에 1 kg의 질량을 가진 물체가 누르는 힘보다 더 크다.

대기압의 크기를 정량적으로 밝혀낸 사람은 이탈리아의 과학자 토리첼리이다. 그는 한쪽이 막힌 1 m의 유리관에 수은을 가득 채워 공기가 들어가지 못하게 한 다음, 수은이 가득 차 있는 그릇에 열려 있는 다른 한쪽이 수은 속에 잠기도록 하여 거꾸로 세운 결과, 수은 기둥이 약 76 cm의 높이를 이루면서 그 윗부분에는 진공이 생겼다. 그릇에 들어있는 수은면을 누르는 공기의 힘이 유리관에서 흘러 내려오는 수은을 더 이상 빠져나오지 못하게 하는 것이다. 즉 눈에 보이지 않는 공기가 누르는 힘은 수은 기둥 76 cm가 누르는 힘과 같다.

라. 생활 속 진공

진공은 물질이 전혀 존재하지 않는 공간을 의미하지만, 실제로는 이렇게 만들기는 매우 어렵기 때문에 1/1000 mmHg 정도 이하의 저압을 가리킨다. 이런 진공은 생활용품에서 과학 기술 전반에 응용되고 있다. 가정에서 진공포장을 하여 음식물을 보관하면 미생물이 번식을 하지 못한다. 그래서 그 안에 들어 있는 음식물은 신선도가 오래 지속된다. 진공은 첨단 제품의 부품으로 들어가는 반도체를 생산할 때도 유용하게 사용되는 기술이다. 반도체는 미세한 먼지에도 불량품이 만들어진다. 공기 속에는 여러 가지 작은 먼지와 세균들이 있기 때문에 진공상태에서 작업을 해야 한다.

공기가 희박해지면 낮은 전압에서 방전을 쉽게 일으킬 수 있다. 이것은 전자가 낮은 압력에서 먼 거리를 이동하므로 기체 분자를 전리 시킬 수 있는 충분한 에너지를 얻기가 쉽기 때문이다. 이것을 이용한 것이 진공관인데, 백열등이나 형광등도 이런 진공관에 해당한다.

한편 많은 나라들이 인공 태양을 만들어 에너지를 얻으려는 노력을 하고 있다. 이때 1억 ℃ 이상의 높은 온도를 만들어야 하는데 이 정도의 고열을 받는 물체는 모두 녹아버릴 것이다. 그래서 이때에도 진공 상태를 이용하여 열을 차단해 준다. 진공 상태가 되면 열을 잘 전달하지 못하는 특징이 있기 때문이다. 보온병에도 진공 공간이 있는데, 열전달을 차단해 주는 역할을 한다.

 

<진공이 이용되는 구체적인 예>

  1. 첨단산업 : 반도체, FED(디스플레이 장치의 일종)
  2. 미래산업 : 우주항공, 핵융합, 신소재 개발
  3. 산업응용 : TV브라운관, 보온병, 램프, 냉동기
  4. 의약, 화학, 식품 : 의약품 생산, 식품보관, 진공건조식품, 진공증류
  5. 첨단산업 : 가속기, 표면분석장치, 질량분석

2. 풍선 활용 활동

가. 교과서 연계

3학년 1학기 1. 우리생활과 물질 11차시 기체에 대해 알아볼 때와 2학기 3.액체와 기체 7차시에서 기체가 공간을 것을 알아볼 때 활차지하는 용할 수 있는 자료로 풍선탱탱볼 만들기와 풍선화살 만들기를 소개하고자 한다.

3학년에서 풍선을 이용한 만들기는 지도하기 어려운 점이 많다. 풍선을 불거나 묶는 것도 어려워하는 학생들에게 강아지 등의 모양을 만들게 하기는 어렵지만 간단한 풍선화살을 만들어 놀이 활동을 한다면 목표에 도달하면서도 흥미로운 수업으로 이끌 수 있다. 풍선탱탱볼은 교사용 시범활동으로 동기유발에 활용하기 좋다. 6학년 1학기 4.여러가지 기체 1차시 도입 활동에서 활용하거나 2차시 공기 빠짐에 활용할 수 있다. 풍선 탱탱볼에서 바깥 풍선과 안쪽 풍선의 공기빠짐을 함께 관찰하면 더 흥미롭게 탐구할 수 있다.

나. 풍선탱탱볼 만들기

교사 시범용 활동으로 활용하기 좋으며 만드는 과정을 보여주며 학생들과 질문을 주교받으며 공기의 이동과 공간 차지함을 이야기 나눌 수 있다.

풍선 탱탱볼 만들기에서 알아 볼 수 있는 과학적 지식은 다음과 같다.

  • 일정량의 공기가 들어 있는 풍선의 부피를 줄이면 풍선 안의 압력이 높아진다.
    (큰 풍선 안에 5인치 풍선을 넣으면 풍선이 쪼그라들게 된다.)
  • 공기는 압력이 높은 곳에서 압력이 낮은 쪽으로 이동한다.
    (풍선 안의 공기는 풍선의 탄성에 의해 눌러지게 되어 압력이 높아져 밖으로 빠져나가려고 한다. 하지만 안에 들어 있는 작은 풍선 주입구를 막아주면 풍선끼리의 밀착력 때문에 바람이 새어 나가지 않는다.)
  • 공기가 움직이는 모양
    (풍선 펌프로 공기를 넣는 방향에 따라 풍선 안의 작은 풍선의 움직임이 달라진다.)

다. 풍선 화살 만들기

 

【아트 풍선(요술풍선,막대풍선) 만들 때의 주의 할 점】

  1. 바람을 불기 전에 꼬리를 몇 cm 남길 것인지를 결정한다. (만들려는 모양에 따라 꼬리의 길이가 각각 다르기 때문이다.)
  2. 바람을 불고 나서 조금(10 % 가량) 바람을 빼주는 것이 좋다. (그렇지 않으면 너무 탄탄하여 터지게 된다.).
  3. 손톱이 너무 길거나 날카로우면 잘 터진다.
  4. 풍선과 풍선을 꼬아줄 때 마찰이 많으면 잘 터진다.
    약간 당기면서 돌려준다.
  5. 한번 바람이 들어갔다가 빠진 풍선은 꼬아 만들기가 어렵다.
    따라서 단번에 만들도록 한다.
  6. 풍선을 꼬아줄 때는 3 ~ 4차례 돌려 주셔야 풀어지지 않으며 돌려 줄 때는 늘 왼손으로는 잡고 오른손으로는 돌리되 시계 방향으로 돌려준다.

(풍선화살 머리부분과 날개 부분 도안)

 

라. 공기 관련 재미있는 활동

1) 비닐장갑 세우기

2) 풍선 헬리콥터

3) 내가 날린 장풍의 무게는?

4) 공기가 없으면 모양이 변해요? 진공 상태에서 변하는 초코파이

5) 공기대포로 촛불 끄기

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