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쵸코파이가 늘었다! 줄었다!(교사용)
작성일 2003-02-19 (수) 23:24
분 류 7학년
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영역 분자의 운동
ㆍ추천: 0  ㆍ조회: 9730      
쵸코파이가 늘었다! 줄었다!(교사용)

쵸코파이가 늘었다! 줄었다!(교사용)

 7학년 분자의 운동단원의 보일의 법칙 실험하기는 수식을 통해 온도가 일정할 때 압력과 부피가 반비례 한다는 사실을 아주 쉽게 배울 수 있다.  그러나 실제로 주방에서 이용되는 보존용기를 이용하여 그 현상을 직접 경험하게 되면 아주 놀라워한다.  풍선에 예쁘게 그려진 그림이 압력에 따라 다양하게 변화하는 모습이나, 다이어트 때문에 싫어한다는 쵸코파이 속의 머슈멜로우가 압력에 따른 부피의 변화로 팽창·수축을 하는 과정에서 여학생들은 깊은 호기심을 가지게 될 것이다.  특히나 근래에 들어 다양한 색깔과 모양의 풍선을 이용한 데코레이션이나 홍보, 축하 이벤트를 담당하는 회사들이 많아지면서 꼼꼼한 손길로 가꾸어 내는 환상적인 풍선예술의 세계에도 관심을 가질 수 있다.

실생활의 소재에 볼 수 있는 극적인 변화를 이용하여 보일의 법칙의 원리에 따른 압력의 변화와 부피와의 관계를 쉽게 이해 할 수 있도록 한다.

1.  수업의 진행과 시간 배정 : 45분 수업

가) 도입 : 5분

- 우리주변에서 쉽게 경험할 수 있는 내용 중에서 풍선이 하늘로 높이 올라가게 되는 여러 가지 상황을 질문을 통해 이끌어 낸다.(Experience)

◎ 놀이동산에서 가지고 노는 어린아이의 풍선
◎ 큰 이벤트성 행사(예, 각종 모임, 전국체전, 올림픽, 월드컵 등)에서 꿈과 희망을 실어 보내는 의미로 띄우는 풍선들
◎ 고양시 꽃 박람회에서 꽃씨 퍼뜨리기의 일환으로 풍선에 꽃씨 담아 하늘로 날리기 등

- 하늘로 올라간 풍선을 무한정 높게 나르다 외계로 가지 않고 일정한 높이에 도달하게 되면 외부 압력(대기압)이 작아져 풍선이 터져 버리게 됨으로 정리한다.
- 압력만을 이용하여 풍선으로 가득 찬 용기와 다이어트에 방해된다는 '쵸코파이 속의 머슈멜로우가 밖으로 가득 밀려나오게 할 수 있는가?'를 제시한다.  (exciting)

나) 탐구실험 : 30분

- 진공 압축 용기를 이용한 풍선의 부피 변화 살펴 보기

① 적당한 크기로 분 풍선을 넣고 자연스럽게 펌프를 이용하여 압력을 변화시켜보면서 적당한 방법을 찾도록 한다.(Environment) 진공압축용기는 한도움마트(주) (전화 02-3141-4001)에서구입할 수있다.
② 조원들이 서로 간단한 논의를 통해 실험에 성공하기 위한 유용한 아이디어들을 찾아내도록 한다.
③ 펌프질은 사람들마다 차이가 있으며, 그에 따라 일정한 비율로 압력이 변화하지 않는다는 사실을 강조하여, 조원들의 다른 결과를 모아 평균적인 그래프를 얻어내도록 한다.(Environment)

- 풍선을 용기에 가득 채우기

① 찾아낸 아이디어 몇 가지를 잘 조합하면 풍선이 용기에 가득 차도록 만들 수 있음을 강조한다.(Encouragement)
② 풍선이 용기에 가득 찬다는 사실은 용기내의 기체가 거의 없다는(진공) 사실이며, 그 원리를 이용할 수 있는 예를 찾아보도록 한다.

- 웃음이 가득한 스마일 쵸코파이 만들기

① 눈에 잘 보이지 않지만 압력을 이용하여 굳은 쵸코렛의 내부에 들어있는 젤상태의 물질이 팽창, 수축하도록 해 본다.(environment)
② 압력에 의해 변화하지 않는 것이 있음을 아울러 알 수 있게 한다.

다) 결과정리 및 토의 : 10분

진공용기 내의 압력의 변화에 따른 풍선과 쵸코파이의 부피 변화가 나타나는 이유에 대해 서로의 의견을 들어보고, 이 결과를 토대로 기체의 부피와 압력과의 관계를 말해보자.  

평가 기준

평가척도

평가

압력과 부피의 관계를 이해하는가?

압력 변화에 따른 쵸코파이의 부피 변화를 설명할 수 있고 이를 토대로 기체의 부피와 압력과의 관계를 설명할 수 있다.

A

압력 변화에 따른 쵸코파이의 부피 변화만 설명할 수 있다.

B

둘 다 설명 할 수 없다.

C

① 쵸코파이는 포장되어 있는 것을 사용하면 봉지가 터지는 것을 볼 수 있고, 포장을 제거한 후 사용하면 속의 머슈멜로우가 심하게 팽창/ 수축하는 것을 아주 재미있게 살펴 볼 수 있다.
② 풍선의 주둥이 부분을 공기가 배출되는 입구 쪽으로 세우거나, 입구부분에 종이를 부착하여 공기 구멍이 유지되도록 하면 풍선이 팽창하면서 입구를 막는 현상을 예방할 수 있다.
③ 풍선에는 자기가 좋아하는 예쁜 그림을 그리면 되겠지만, 다른 한 쪽에는 정사각형을 그려 넣는 것이 크기의 변화를 확인하는 데에 도움이 된다.(풍선의 모양을 이용 생쥐, 두더쥐, 돼지얼굴 등을 그려도 재미가 있다.)
④ 처음 사용하고자 할 때 뚜껑의 실리콘 패킹 부분에서 공기가 새는 경우가 있으나, 패킹에 물을 살짝 발라서 이용하면 이를 예방할 수 있다.  물론 피스톤과 배출구 사이에도 물을 살짝 바르면 훨씬 효과적이다.
⑤ 풍선의 크기는 용기 크기의 1/2정도가 되도록 한다.
⑥ 압력의 변화에 따른 크기를 측정하기 위해서는 사각형을 그린 쪽이 한쪽 면으로 붙어 있도록 넣어주면 측정하기 쉽다.( 10회당 0.5mm 정도 변화함)

◎ 질문에 대한 답

① 정량적인 관계를 알아보려면 자를 이용하여 정사각형을 그려 넣는 것이 좋다. 물론 풍선의 부피 팽창이 모든 면에서 균일하게 일어나지는 않고 사람마다 다른 결과가 나오므로 비례정도만 확인해주면 된다.  하지만 펌프질 횟수(압력과 반비례)와 부피와의 관계이므로 압력과 부피와는 반비례한다는 보일의 법칙의 개념이 틀리게 인식되도록 하여서는 안 된다.
② 용기내의 부피변화 :  펌프질 → 용기내의 압력 [감소] →부피 [팽창] → 에어코크 개방 → 용기내의 압력[증가] → 부피 감소
③ 용기내의 압력이 감소한 상태에서 잠김고리를 열어도 뚜껑이 열리지 않는데,  이는 용기 내는 거의 진공상태이므로, 외부의 대기압이 강하게 작용하여 뚜껑이 열리지 않게 된다.(마그데부르크의 반구와 같음 원리)

◎ 읽을거리 더하기

가. 잠수병

다이버에서 흔히 나타나는 잠수병(감압병)은 혈액 속에 녹아든 질소기체가 밖으로 빠져나가는 속도보다 더 빠르게 다이버가 물 밖으로 빠져나오게 되는 경우 혈액 중에서 질소기체가 기화되면서 혈액순환의 장애를 일으키는 병이므로 보일의 법칙의 예라기 보다는 "용해도가 작은 기체의 경우 가해준 압력과 기체의 용해도가 비례한다"는 「헨리의 법칙」의 예로 더 합당하다.

나. 진공 용기의 주방에서의 유용성

① 압력이 작아질수록 부피가 커진다면 용기 내에 절임을 하고자 하는 물질을 담았을 때 압력을 작게 하면 부피가 팽창하면서 내용물 사이의 빈 공간이 많이 생기게 될 것이고,  그 때 다시 압력을 크게 해주면 양념이 내용물 사이사이로 빠르게 흡수되어 들어가게 된다. 예) 갈비를 양념에 재울 때, 야채를 소금에 절이고자 할 때
②  내부의 압력이 낮아지면 용기내부는 거의 진공상태와 같게 되고 그러면 외부 대기압이 용기 뚜껑을 강하게 밀게 되어 잠금 장치를 해제하여도 뚜껑이 열리지 않게 된다. 따라서 이런 방법을 이용하면 산소로 인하여 음식이 쉽게 상하거나(산화), 구운 김 등을 보관하면 습기로 눅눅해지는 경우를 예방 할 수도 있다.

다. 쉽게 만나지만 위험한 풍선

① 놀이동산에서 쉽게 구입하는 알루미늄 풍선을 지하철내에서의 감전사고의 위험이 있으며, 요즈음에는 거의 안전한 헬륨가스를쓰지만 값이 비싸므로 일부 악덕 업자들이 수소기체를 사용하여 폭발사고를 일으키는 경우가 종종 있다.
② 대규모 행사시에 풍선을 날리는 것이나 꽃씨 날리기 때의 고무 풍선도 멀리 떨어진 바다의 거북이나 고래한테는 치명적인 요인이 될 수 있다고 한다. 특히 "꽃씨날리기"등 환경 친화적인 행사에 고무풍선을 사용하여 환경을 해친다면 행사의 취지를 살리기는커녕  도리어 안 하는 것보다 못한 결과를 가져올 수 있으므로, 고무 풍선을 대량으로 날려보내는 일은 삼가야 할 것이다.   실제로 나가노 동계올림픽 개회식 때에는 종이로 만든 종이학 풍선을 이용하였으며, 외국에서는 종이 풍선이 널리 보급되고 있다.

해녀(잠녀)의 특수기량

사람들이 제주 해녀를 주목하는 까닭은 갸날픈 여인이 거친 바다에서 무자맥질한다는 이색적 직종이라는 점에도 있지마는, 요컨대 그 무자맥질을 썩 빼어나게 치른다는 점이다.  제주 해녀들은 보통 수십 15??20피트에서 물질하지만 필요할 경우에는 재래의 해녀복을 입고도 물 속 70피트(21m)까지 들어간다. 해산물을 캐기 위해 무자맥질하는 일을 수십 회 되풀이하는데. 한번 무자맥질하는 시간은 어림잡아 30초, 물 속 깊이 드나드는 시간이 약 15초, 해산물을 캐는데 약 15초를 바친다. 그러나 해녀가 바다 속으로 깊이 잠수 해 내려 갈수록 더 높은 수압을 받게 되는데 이 수압에 의해 제일 먼저 반응이 오는 곳이 귀의 고막이다. 외부의 압력이 증가하면 고막은 안쪽으로 휘게 되며 압력이 감소하면 반대로 고막이 바깥쪽으로 팽창하게 되는데, 이 때 아픔을 느끼게 된다. 차를 타고 높은 산을 오르거나 내려올 때, 비행기가 급히 상승하거나 하강하는 경우에도 이와 같은 경험을 할 수 있다. 귀는 유스타키오관이라 부르는 가는 관으로 코와 통해 있는데 이 유스타키오관이 귀의 안과 밖의 압력을 조절해 준다. 이와 같이 외부의 압력과 귀 속 공간의 압력을 같이해 주면 고막은 제자리로 돌아가고 아픔도 없어진다. 이것을 귀의 압력균형이라 부르며 귀의 압력 균형은 침을 삼키거나, 턱을 움직이는 방법으로 할 수 있다. 만약 귀의 압력균형을 하지 못하고 계속 잠수해 내려가면 고막이 터지는 수도 있다. 제주 해녀 역시 일반 다이버와 같이 수압에 의한 여러 가지 병에 쉽게 노출되어 있다. 1986년 제주의료원의 조사 자료에 의하면 1438명의 해녀 중 77.9%가 관절통을 19.7%가 호흡기 질환을 알고 있었다고 한다.

   
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