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광섬유 네온사인(교사용)
작성일 2003-02-19 (수) 20:33
분 류 7학년
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광섬유 네온사인(교사용)

광섬유 네온사인(교사용)

  빛의 성질을 이해하기 위한 7학년 교과내용의 심화과정으로 '물 속에서 전반사 관찰하기'가 있다. 본 활동은 전반사 현상을 이용한 다양한 활동을 통하여 여학생들이 전반사 현상을 올바르게 이해하게 하고, 우리 주변에 전반사 현상을 이용한 다양한 기술이 개발되어 있음을 확인하고, 우리가 학습하는 과학적 지식이 첨단 기술에 이용되고 있음을 알게 한다.

물줄기의 레이저 빛 관찰을 통하여 전반사를 알고 광섬유로 글씨를 써서 장식품을 만들 수 있다.

1.  수업의 진행과 시간 배정 : 45 분 수업

가) 도입 : 5분

- 내시경 속의 빛은 어떻게 구부러진 관을 따라 끝까지 전달될 까요?
- 통신의 혁명이라는 광통신에 이용되는 광섬유는 무엇인가요?
- 물 속과 광섬유에서 빛이 전달되는 과정을 실험하고 전반사를 응용해 빛을 발하는 글씨를 써보는 작업을 협동하여 만들어 본다는 것을 강조한다.(Environment)

나) 탐구 실험 : 15분

- 물줄기 속의 전반사 관찰 실험

* 조원을 나눠 실험을 한다.
* 페트병의 뚜껑을 막아 물이 구멍으로 빠져 나오지 않을 때의 레이저 빛의 모습과 뚜껑을 열어 물줄기가 새어나올 때의 레이저 모습을 비교한다.
* 빛이 직진하지 못하고 휘는 것과 이유를 학생들이 찾아낸다.
* 물줄기 속의 빛의 모습을 광섬유 속의 빛의 전달모습과 연관지을 수 있어 생각하도록 한다.

- 광섬유를 이용한 글씨 장식품 만들기 : 15분

* 학생들이 모둠별로 정한 방법을 써서 만들고 글씨나 그림을 창의적으로 디자인하도록 격려한다.(Encouragement)
* 만들어진 작품을 앞에 전시하고 가장 잘 만들어진 작품을 학생들의 투표로 뽑아본다. (Experience)

다) 결과 정리 및 토의 : 10분

- 생각 모으기(광섬유 중간에 빛이 새어나오게 하는 방법)에 대해 토론하고 기록한다.

* 각자 의견을 내고 기록한 뒤 마지막에 자신의 의견을 다시 정리하여 기록한다.

평가 기준

평가척도

평가

만들어진 광섬유 장식품이 빛이 나는가?

빛이 나고 글씨나 그림을 알아볼 수 있음

A

빛은 나지만 글씨나 그림을 알아볼 수 없음

B

빛이 나지 않음

C

① 물줄기 속의 전반사를 관찰하는 실험을 할 때, 페트병을 뚜껑이 있는 것으로 구해 밑바닥에서 5㎝되는 곳에 송곳으로 구멍을 뚫어 놓는다. 페트병의 구멍은 미리 뚫어 놓으면 안전사고를 예방할 수 있다.
② 물을 가득 담고 뚜껑을 닫은 후 레이저 빛을 구멍에 비추되 반대쪽에서 물을 관통하여 구멍에 들어가도록 비춘다. 레이저를 구멍에 맞추고 고정시키면 좋다.
③ 페트병의 마개를 열고 물이 나오면서 레이저 빛이 물줄기를 따라 꺾이는 것을 관찰한다. 그 다음 광섬유에 레이저 빛을 쏘아 빛이 중간에 새어나오지 않고 광섬유를 따라 끝까지 전달되는 것을 관찰한다. 두 과정을 비교하며 물줄기가 휘어지고 광섬유를 따라 빛이 끝까지 전달되는 것은 내부에서 전반사가 일어나는 것임을 강조한다.
④ '광섬유를 이용한 글씨 장식품 만들기'를 할 때, 되도록 광섬유에서 빛이 새어 나오게 하는 방법은 학생들이 토론과정에서 깨우칠 수 있도록 한다.
⑤ 만들기 과정은 ㉠광섬유에 사포, 수세미, 칼등을 이용해 거칠게 표면을 만들어 빛이 중간에 새어나올 수 있도록 만들고 ㉡글씨나 그림을 광섬유를 이용하여 만들고 빛을 쏘아 넣는 것이다.

⑥ '한걸음 더' 해답

- 물줄기를 따라 빛이 휘어지는 이유는 빛이 물줄기 내부에 들어가서 나오지 못하고 내부 속을 계속 전반사하기 때문이다.

- 광섬유는 빛이 중간에서 새어나오지 못하지만 물줄기는 광섬유처럼 표면이 균일하지 못하므로 중간 중간에 새어나오게 된다. 광섬유에서 중간에 빛이 새어나오게 하려면 표면이 균일하지 못하도록 거칠게 만들어주면 된다.

⑦ 광섬유란?

 빛을 전달해주는 도선을 광섬유라 한다. 보통의 광섬유의 굵기는 20-500㎛정도이어서 10개를 모아 겨우 0.2㎜가 되는 정도이다. 아주 굵은 경우라면 샤프 연필의 심 굵기 정도가 된다. 이러한 광섬유는 빛을 전달하는데 지장이 없으나 기계적인 강도가 약하므로 보강재나 비닐 등을 위에 덧씌워 실제 사용하게 되는데 이렇게 만든 것을 광케이블이라고 한다. 광섬유를 만드는 물질은 유리와 플라스틱이 쓰이는 데, 플라스틱 광섬유는 거리가 가까운 통신에 쓰이게 되며 거리가 멀면 유리로 된 광섬유를 이용한다.
  어떻게 해서 빛은 광섬유 밖으로 나오지 않고 코어 내부를 따라 전송이 가능할까? 코어와 클래드는 모두 유리이거나 플라스틱이지만 코어와 클래드는 굴절률이 다르다. 빛은 일반적으로 굴절률이 높은 매질에서 낮은 매질로 진행할 때 굴절과 반사가 일어나는데 임계각을 넘어서면 경계면에서 모두 전반사하게 된다. 광섬유는 코어의 굴절률이 클래드의 굴절률보다 1%정도 높게 만들어지므로 결국 코어와 클래드의 경계면에서 전반사가 일어나 빛은 외부로 나가지 않고 코어 내부에서만 반사를 계속하면서 전달되는 것이다.

 

 1. 광섬유란?

광섬유는 이중유리로 되어있다. 빛이 안쪽에서 바깥쪽으로 비취면 전반사가 일어난다. 빛이 경계 면에서 밖으로 나가지 못하고 전부 반사되는 것이다. 이러한 현상이 연속되면 빛이 한쪽에서 다른 쪽으로 전달되게 된다. 빛이 비닐관 속에 들어 있는 광섬유를 따라서 진행하여 다른 끝에 전달되기 때문에 마치 광섬유 끝에 조그만 불이 켜져 있는 것처럼 되는 것이다. 만일 광섬유가 균일하지 못하면 중간에 새어나가는 빛이 많아 광섬유의 끝 부분이 아닌 중간 부분에서도 빛을  볼 수 있다.

2. 통신의 역사

광통신, 광케이블 어디선가 많이 듣던 말 아닌가요? 최신의 빠르고 정확한 통신을 이야기할 때 우린 광통신을 이야기한다. 그러나 통신의 역사를 보면 광통신은 전기가 발명되기 훨씬 전부터 존재했다. 우리나라의 경우를 보면 봉수제도가 도입된 것이 고려 의종 때(1149년)로 기록되어 있으므로 전화가 처음 선을 보인 고종 황제 때와는 비교가 안되게 오랜 역사를 갖고 있다. 조선시대에는 전국을 잇는 광통신의 네트워크인 봉수망을 갖추었으니 역사만 비교하면 광통신은 전기통신의 먼 조상인 셈이다.
  현재의 광통신은 빛만으로 간단한 내용을 전달하는 것이 아니라, 다양한 정보를 빠르고 정확하게 빛과 전기통신을 이용해 전달하는 것이다. 광통신이 어떻게 이루어지는지 살펴보면 우선 보내고자 하는 정보를 전기정보로 변환하고, 전기신호는 빛(광신호)으로 변하여, 광섬유를 통해 원격지까지 전송된다. 받는 곳에서는 반대로 빛(광신호)를 전기신호로 바꿔 정보를 보거나 들을 수 있게 된다. 현재의 이러한 광통신을 가능하게 해준 것은 광섬유의 개발에 힘입은 것이다. 기존에 사용하던 구리선은 전기저항이 있어 중간에 잃어버리는 정보가 생기게 되지만 광섬유는 전반사로 중간에 잃어버리는 양을 최소화하였다. '빠르고 정확하게' 이것은 광섬유가 해낼 수 있는 것이다.

3. 다이아몬드와 여자

  다이아몬드 또는 금강석이라고 불리는 광물은 현재 가장 비싼 보석들 중에 하나이고 많은 여성들이 가지고 싶어하는 것이다.  금강석이 한 개인의 손에서 빛나기까지는 수 십억년 전에 지구 깊숙한 곳에서 엄청난 열과 압력으로 결정이 생성되었고 그것이 채굴되어 적어도 몇 개의 대륙을 건너면서 수 백명의 손을 거쳐야 한다. 많은 시간과 많은 사람의 손을 거쳐서 다이아몬드는 찬란한 빛을 발산하게 된다.

  연마하기전의 다이아몬드 원석은 보잘것없는 자갈과 다를 바가 없기 때문에 특별하게 눈에 들어오지도 않는다. 이 원석에 숨겨진 찬란한 아름다움을 드러내는 것은 귀금속 가공사의 몫인 것이다. 연마하는 가공사의 솜씨가 금강석을 최고의 보석으로 등장시키게 되는 셈이다. 다이아몬드의 빛나는 광채는 빛이 다이아몬드 내부에서 계속 전반사하여 광채를 내도록 표면을 여러면으로 깎았기 때문에 나온다. 연마를 잘못하면 빛이 외부로 굴절되어 금강석 내부로 들어가 한 곳으로 모여 다시 반사하지 않고 밖으로 나가버려 금강석이 가지고 있는 찬란한 빛 반사 능력을 감소시킨다.
  최근 유망한 직업 중에 보석을 가공하고 보석과 잘 어울리는 장신구들을 가공하는 귀금속가공기능사, 보석을 아름답게 만드는 보석디자이너가 있다. 여성들의 섬세하고 감각적인 손길이 필요한 직업이라 앞으로 많은 여성들이 도전해 볼만한 직업이 아닐 수 없다.

   
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2011-01-28 02:23
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