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빨대 이어폰(교사용)
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심화보충자료 - 9학년
작성일 2003-02-23 (일) 23:58
분 류 9학년
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영역 전류의 작용
ㆍ추천: 0  ㆍ조회: 6780      
빨대 이어폰(교사용)

빨대 이어폰(교사용)

   요즈음에는 실제로 연주되는 음악보다는 TV나 라디오를 통해 또는 테이프나 음반으로 음악을 듣게 된다.(Experience) 가요 콘서트를 가면 음악이 실제로 그 자리에서 연주되고 있음에도 불구하고 스피커에서 나오는 음악을 들어야 한다. TV나 라디오, 오디오 기기뿐 아니라 컴퓨터, 전화, 인터폰, 축하용 카드, 꽃, 심지어 장난감까지 스피커는 우리 생활 구석구석에 들어와 있다. 소리가 있는 곳에 스피커가 있다. 현대의 청소년들이 영상세대라 하지만 소리가 빠진 영상은 시시하고 썰렁할 수 밖에 없다. 소리를 재생해 내는 장치, 스피커는 9학년 (6) 전류의 작용에 나오는 전류와 자기장의 관계가 만들어 내는 기기이다. 이 활동에서는 스피커와  기본적으로 같은 구조를 가진 이어폰을 만들어 보아 스피커를 이해해 본다.
  휴대용 카세트를 보면 아예 스피커 장치 없이 이어폰만 연결하게 되어 있는 경우가 많이 있다. 그리고 근래에는 성능과 더불어 예쁜 이어폰을 선호하는 여학생들이 무척 많다. 여학생들의 관심을 끌어 낼 수 있는 활동으로 꾸며보았다.

① 스피커의 원리로부터 전류와 자기장의 관계를 이해한다.
② 빨대와 에나멜선, 자석을 이용하여 소형 스피커인 이어폰을 만들어본다.

1. 수업의 진행과 시간 배정 : 45분

가) 도입 : 10분
  개인차가 있겠지만 남학생보다는 여학생이 음악에 대한 관심이 높고 많은 여학생들이 휴대용 카세트를 들고 다니면 음악을 듣는다.  휴대용 카세트를 사용하여 음악을 들은 경험이 있는지 물어본다.(Experince) 그 때 이어폰을 사용함을 확인시키고 이어폰과 스피커가 같은 원리로 작동함을 주지시킨다.
   스피커가 어떻게 소리가 나는지 생각해 보게 한다. 학교에서 구할 수 있는 스피커를 사용하면 된다.
   스피커 앞의 촛불이 흔들리는 것을 관찰하게 한다. 촛불이 흔들림은 공기의 흔들림이 있다는 것이므로 전기신호가 스피커의 일부를 진동시킴을 알 수 있다. 결국 전기에너지를 소리에너지로 바꾸는 장치가 스피커이다. 이어폰은 소형 스피커라고 생각하면 된다. 고장난 이어폰이 있으면 그것도 뜯어서 관찰해본다. 전기와 힘 사이의 관계에는 자기장이 필요하다. 이미 배운 전기와 자기장의 관계를 복습하고 전기장과 자기장이 서로 영향을 주고 있음을 유추하도록 한다. 전류와 자기장이 서로 영향을 미치고 있음을 정성적으로 이해하도록 유도한다.

나) 탐구 실험 : 20분 - 빨대 이어폰 제작
* 비교적 쉽게 구할 수 있는 재료들을 이용하여 이어폰을 만든다.(Exciting)
- 테이프는 종이 테이프가 좋다.
- 에나멜선은 지름 0.3mm-0.5mm정도면 되는데, 보통 문구점에서 파는 정도의 굵기면 된다. 빨대에 감아야 하므로 너무 굵은 것을 구입하지 않도록 주의한다.
- 빨대는 슬러쉬용 빨대의 굵기 정도면 된다.
- 라디오에 꽂아 보기 위해서 이어폰 잭은 따로 구입하여 전선과 악어클립을 미리 연결해 놓아야 한다. 보통 사용하는 이어폰은 안쪽의 전선이 매우 가늘어서 이용하기 어렵다.
- 제작과정에서 자석이 빨대의 중앙에 왔는지 확인하는 방법은 자석을 붙이는 반대쪽의 빨대 구멍으로 살펴보면 된다.
- 에나멜선은 촘촘히 감는다. 에나멜선은 60cm-1m정도면 충분하다. 코일의 폭이 너무 넓어지지 않도록 주의하며 다 감은 후에는 에나멜선을 한 번 묶어주어 풀리지 않게 한다. 에나멜선의 끝부분을 사포로 문질러 에나멜을 벗겨내도록 한다. 이어폰을 귀에 꽂을 수 있도록 하기 위해서는 빨대의 끝에 고무관을 0.5-1cm정도 길이로 자른 것을 끼워주면 귀에 꽂는데 무리가 없다.
- 소리가 잘 들리지 않는 경우 에나멜선을 많이 감도록 도움말을 주고 다시 제작하도록 격려한다. ( Encouragement)

다) 평가 : 5분
- 라디오와 멜로디에 연결하여 소리가 들리는지 확인한다.

라) 결과 정리 및 토의 : 10분
- 생각모으기에 대해 모둠끼리 토론하고 기록한다.(Environment)
   자석이 셀수록 에나멜선을 많이 감을수록 소리를 잘 들을 수 있다.
   또한 이 실험에서 소리를 잘 들을 수 있는 조건 중의 하나는 '각 전선의 연결부분의 접촉이 잘 되어 있는냐'이다. 그러므로 전체 회로를 꼼꼼히 잘 살펴볼 필요가 있다.
- 한 걸음 더 넘기
   이어폰의 기본원리는 플레밍의 왼손법칙으로 설명할 수 있는 자기장 내에서 전류가 흐르는 도선은 힘을 받는다는 것이다. 따라서 각종 모터를 이용한 물건들이나 전화기의 수화기 등을 예로 들 수 있다.

평가 기준

평가척도

평가

이어폰을 잘 만들었는가?

라디오에 연결하였을 때 소리가 잘 들린다.

A

라디오에 연결하였을 때 소리가 들리기는 하지만 잡음이 많다.

B

라디오에 연결하였을 때 소리가 전혀 들리지 않는다.

C

  t_09_06_i01.gif간단히 만들 수 있는 스피커는 우리가 만든 이어폰과 똑같은 구조를 갖는다. 종이컵 바닥 가운데에 자석을 놓고 그 주위에 코일을 감는 방식이다. 사실, 대개의 스피커를 보면 코일과 자석이 들어있는 공통점을 발견할 수 있다. 그러나 실제의 스피커는 그보다는 조금 복잡하게 생겼다. 현재 많이 사용되는 것은 거의 동전형이다. 동전형은 자기장 내의 전선에 전류를 흘려 보내면 전선이 힘을 받아 운동하는 현상을 이용한다. 스피커는 왼쪽 그림처럼 가볍고 가는 전선을 코일 모양으로 감아서 합성지 등으로 만든 진동판에 붙이는데 영구 자석에 의해 강력한 자기장이 형성되어 있다. 우리가 만든 이어폰은 코일 대신 자석을 진동판에 붙여놓은 형태이다.
  한편, 휴대 전화의 보급으로 효율성이 뛰어난 스피커의 필요성이 높아졌다. 휴대 전화 등에는 압전 스피커가 많이 사용된다. 이것은 자석과 코일 대신 압전 소자라고 하는 전압에 의하여 신촉하는 재료를 이용한 것이다 압전 스피커는 회로 기술이 미숙하고 큰 전기 신호를 만드는 것이 어렵던 시대에, 음질은 나쁘지만 효율성이 뛰어나 널리 사용되었다. 그러다가 신재료가 나오고 설계 기술의 발전으로 음질이 개선되어 효율 좋은 고성능 스피커로 다시 등장하였다. 압전 스피커는 얇아서 벽걸이 스피커 등에 씌고, 의료용 초음파 발생장치에도 널리 쓰인다.

* 참고자료
  '97 동경 청소년 과학제전
  일본음향학회편, 전영석역 「톡톡 튀는 소리의 세계」, 아카데미서적

미국에서 떠오르는 한국인 물리학자 서은숙 박사

t_09_06_i02.gif   우리나라의 한 여성 물리학자가 우주의 신비를 파헤칠 우주선(宇宙線)연구에서 주목할 만한 인물로 떠오르고 있다. 재미과학자인 서은숙(37·메릴랜드대 연구교수) 박사가 바로 그다. 1997년 11월 미국 클린턴 대통령이 주는 젊은 과학자상을 받아 더욱 유명해졌다.  우주선은 광속에 가까운 속도로 우주공간에서 날아오는 강력한 에너지를 가진 입자들이다. 서 박사가 고안한 우주선 검출기는 미국항공우주국이 오는 2000년 1월 남극대륙에서 너비 150m의 잠실운동장 만한 풍선에 실어 지상 40㎞ 상공까지 올려보내, 약 열흘 동안 우주에서 날아오는 고에너지 입자들을 탐색하게 된다. 또한 서 박사는 세계 최대 규모의 거대 과학프로젝트인 국제우주정거장에 2004년 싣게 될 우주선 검출기도 제안해 놓고 있다. 그가 제안한 검출기(ACCESS)는 가장 유력한 후보들 가운데 하나여서, 실현될 경우 우주왕복선에 실려 우주에 쏘아 올려지게 된다. 서 박사는“우주 어디에선가 지구에서 입자가속기로 도저히 만들어 낼 수 없는 강력한 에너지의 입자들이 가속돼 날아오고 있다”며“이들 입자의 성질과 에너지 등을 정확히 측정해, 근원을 찾는 것이 현재 진행중인 실험의 목적”이라고 설명한다. 우주공간에서 어떻게 이들 입자가 가속되는지 그 원리를 알 수 있게 되면, 우주의 구조와 진화과정도 쉽게 이해할 수 있게 된다는 것이다. 우주선, 즉 가속된 입자들은 가까운 태양에서 날아오는 것과 초신성 폭발과 같이 강력하게 폭발하고 있는 별에서 날아오는 것 등으로 나뉜다.

 “아무리 강력한 초신성 폭발이라 하더라도 1천조 전자볼트 이상으로 입자를 가속시킬 수는 없다는 것이 현대 물리학의 설명이다. 그런데 지구에는 이보다 훨씬 높은 에너지로 가속된 입자들이 날아오고 있어, 물리학계의 큰 수수께끼로 등장하고 있다.”

  그녀는 “이들 고에너지 입자들의 정확한 정체를 밝혀내는 것이 이번 실험의 목적”이라고 설명한다. 하지만 우주에서 날아온 1차 우주선은 지구 대기권의 산소·질소와 충돌해 2차 우주선을 생성하면서 원래 지니고 있던 성질이 변한다. 대기권 바깥에서 실험을 해야 하는 것도 바로 이 때문이다. 그러려면 우주왕복선이나, 풍선에 검출기를 실어 우주공간으로 보내야 하는데, 이때 결정적인 것이 검출기의 무게이다.  서 박사가 고안한 우주선 검출기는 가벼우면서도 고에너지 입자들까지 측정할 수 있어 이에 적합하다. 이 검출기의 제작에는 서울대 물리학과 김선기 교수도 참여하고 있다. 서 박사는 지난 86년 미국 유학길에 올라 루이지애나주립대에서 우주선물리학을 전공하고, 나사의 고다드 스페이스 플라이트 센터와 메릴랜드대에서 연구원 등으로 일해왔다. 서 박사처럼 여성이면서 고대 물리학과 동기생인 미국 캘리포니아대 김영기 조교수는 소립자물리학 분야에서 두각을 나타내고 있어, 국내 물리학계는 30대에 국제 무대에서 맹활약을 벌이는 두 여성 물리학자에게 큰 기대를 걸고 있다.

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한겨레신문 98.05.04

   
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2011-02-26 19:22
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