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마찰전기 겨루기(교사용)
작성일 2003-02-23 (일) 22:22
분 류 8학년
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ㆍ추천: 0  ㆍ조회: 6783      
마찰전기 겨루기(교사용)

마찰전기 겨루기(교사용)

  여학생에게 있어서 마찰전기는 일상생활에서 흔히 경험해 볼 수 있는 주제이다. 마찰전기로 인하여 특히 곤란을 당한 경험과, 그 곤란에서 벗어나기 위해 고민했었던 경험을 자극하고 그 해결 방안을 같이 찾아보는 방향으로 진행해 간다면, 여학생들은 일상 생활에서의 현상을 과학적 원리로 이해하는 능력이 향상될 것이다. 또한 조별 겨루기를 통해 조원들간의 협동심을 기를 수 있고 즐겁게 수업에 임할 수 있다.

- 여러 종류의 마찰전기를 현상을 던져주고 그 성질에 대한 이해와 설명은 겨루기를 통하여 스스로 알게 하며, 나아가서는 응용과 대안제시의 탐구능력을 키워준다.

1. 수업의 진행과 시간 배정 : 45 분 수업

1. 천장에 붙는 고무풍선

  차갑고 건조한 공기로 가득한 교실이어야 그 결과를 잘 볼 수 있다. 마찰전기는 젖은 머리카락이나 먼지 때 등을 싫어한다.
  → 풍선이 머리카락과의 마찰에 의해 마찰전기를 띠게 되고, 부도체인 천장이나 칠판에 정전기유도현상이 생겨서 오랫동안 붙어 있다.
  → 풍선이 더 오래 천장에 붙어 있으려면, 중력을 이길 만큼 적당한 크기의 충분한 마찰이 필요하다.
  → 입김만으로 정해진 시간 내에 가장 멀리 이동하려면 중력의 크기를 변화시키지 않도록 조심하면서 떨어지지 않게 이동시키는 요령이 필요하다.

2. 화장품 샘플 뚜껑에서 도는 볼펜

  볼펜 한 개만 머리카락에 마찰시키면 볼펜은 (-)전하로 대전되고, 책상 위에 세워 둔 샘플 위에 가로로 눕힌 다른 볼펜 하나는 전하를 띠고 있지 않으므로, 샘플 위의 볼펜은 당겨지면서 회전한다. 또, 볼펜 2개를 한꺼번에 쥐고 머리카락에 마찰시키면 두 볼펜 모두 같은 (-)전하를 띠게 되어 샘플 위의 볼펜은 밀려가면서 회전한다.

  → 정해진 시간 내에 더 많이 회전하려면 충분하게 마찰시켜야 만 한다. 좀더 큰 효과를 보고 싶다면, 볼펜 길이쯤의 PVC파이프를 실험실에서 쉽게 구할 수 있는 털가죽으로 마찰해도 좋다.

3. 볼펜에 끌려오는 알루미늄 캔

  빈 알루미늄캔을 수평면 위에 눕혀 두고 머리카락에 열심히 문지른 볼펜을 이 알루미늄캔에 가까이 하면 빈 알루미늄캔은 볼펜에 끌려온다. 빈 알루미늄캔은 쉽게 구할 수 있겠지만, 반드시 완벽하게 건조되어 있고 먼지 등 이물질이 없어야 한다.
  → 캔이 볼펜에 끌려오는 것은 볼펜에 생긴 마찰전기 때문이다. 전기를 띠지 않은 캔이라 할지라도 정전기 유도현상에 의해 전기를 띤 볼펜에 끌려오게 된다

4. 마찰전기로 켜는 형광등

  아주 어둡게(암막을 이용하거나 밤에 실시)한 교실에서 순모 스웨터를 입은 학생을 스티로폼 판에 올라서게 하고 시멘트 바닥에 선 다른 학생과 형광등의 양끝 전극을 잡게 한 다음, 제3의 학생이 먼저떨이로 순모 스웨터를 입은 학생의 등을 먼지를 떨듯 신나게 마찰시키면 형광등에 불이 들어온다.

  →  형광등에 불이 들어오는 까닭은 스티로폼 판 위에 선 학생과 시멘트 바닥에 선 다른 학생 사이는 축전기가 되어 마찰에 의한 전하들이 많이 모이고, 그 전하들이 방전되면서 형광등에 불이 켜지는 것이다. 형광등에 더욱 밝은 불을 켤 수 있으려면, 충분하게 마찰시켜야 하며 마찰되는 두 물체(순모 스웨트와 먼지떨이)의 대전서열이 멀어야만 한다.

다) 조별 대항 : 20분

  시간 상 모든 항목을 조별대항하기 어려우면 각 조마다 자신 있는 항목을 신청 받아 같은 종목을 신청한 조끼리 그 종목에 대해 겨루기를 할 수 있다.

※ 교사 시범 : 알루미늄 호일과 OHP필름을 이용한 축전기

시간의 여유가 있다면 다음과 같은 시범을 보인다.

  건조하고 먼지가 없는 깨끗한 책상 위에 OHP필름 3장과 OHP필름 크기보다 약간 작게 자른 알루미늄 호일 2장을 OHP필름 + 알루미늄 호일 + OHP필름 + 알루미늄 호일 + OHP필름의 차례로 알루미늄 호일끼리는 접촉되지 않도록 주의하면서 공기가 들어가지 않도록 밀착시킨다. OHP필름의 양끝을 잡고 둥글게 말고, 다이너마이트 심지처럼 안쪽 호일은 위로 조금 나오게 하고, 바깥쪽 호일은 아래로 조금 나오게 한다. 털가죽에 충분하게 마찰시킨 PVC 파이프를 안쪽 호일의 조금 나온 끝에 가까이하는 작업을 수 십 번 반복 시켜 볼까요?

  다이너마이트 같이 둥글게 말은 축전기를 든 제1학생, 아래에 나온 호일을 잡은 제2의 학생, 위에 나온 호일을 잡은 제3의 학생, 그 밖에 제4의 학생, 제5의 학생 등을 연결하면 어떤 반응이 나타날까요? 만약 제2의 학생과 제3의 학생 사이에 형광등을 연결하였다면 어떤 반응이 나타날까요?

 → 이 축전기에 모이는 마찰전기는 '알루미늄 호일 사이의 간격'과 '알루미늄 호일의 면적'과는 각각 어떤 관계가 있을까요?

  알루미늄 호일끼리 접촉시키지 않고 밀착시킨 이 축전기에 모이는 마찰전기는 <알루미늄 호일의 면적/알루미늄 호일 사이의 간격>에 비례한다.

평가 기준

평가척도

평가

실험 1

 고무풍선이 1분 이상 붙어 있다.

1

 고무풍선이 1분 이내에 떨어졌다.

0

실험 2

 볼펜이 돌아간다.

1

 볼펜이 돌아가지 않는다.

0

실험 3

 알루미늄캔이 볼펜을 따라 움직인다.

1

 알루미늄캔이  볼펜을 따라 움직이지 않는다.

0

실험 4

 형광등에 불이 켜진다.

1

 형광등에 불이 켜지지 않는다.

0

① 마찰전기에 관한 실험들

4가지 실험 이외에도 마찰전기를 이용한 재미있는 실험에는 '비닐제기 띄우기'(재료: 비닐노끈, 털가죽, PVC막대), '비눗방울이나 풍선 띄우기', '사람 몸에 전기 흘리기' 등이 있다. 앞에서 소개한 '4. 마찰전기로 켜는 형광등'에서 한쪽을 사람이 잡는 것이 아니라 땅과 접지를 시키고 먼지떨이를 가지고 마찰을 발생시키는 사람도 신체의 일부분을 땅과 접지 시키면 어떨지 연구해 봄직하다.

② 마찰전기의 생성 조건

마찰전기가 가장 잘 생길 수 있는 조건은 충분한 마찰과 가능한 한 먼 대전서열, 그리고 차갑고 건조한 공기가 필요하다. 정전기의 발생은 습도와 깊은 관계가 있다. 습도가 낮을수록 정전기 발생이 잦으며, 습도가 높으면 정전기 발생이 감소한다. 그 이유는 물이 전하를 띠는 입자들을 빠르게 전기적으로 중성 상태로 만들기 때문이다. 여름보다 습도가 낮은 겨울철에 정전기 발생을 자주 볼 수 있는 이유다.

③ 산업체에서의 정전기의 피해 사항

산업체에서 정전기는 아주 커다란 문제를 일으키기도 한다. 발화점이 낮은 유류를 운반하는 유조차의 경우 간단한 스파크만으로 불이 붙을 수 있으므로 세심한 주의가 필요하다. 따라서 유조차 뒤에는 금속체인을 달아 정전기가 아스팔트로 흘러나가도록 하고 있다. 첨단 기술 분야에서 일하는 전자 기술자들은 전기 회로를 설계, 검사, 수리할 때 정전기를 없애기 위해 더욱 세심한 주의를 기울여야 한다. 반도체 회로의 부품은 아주 민감해서 정전기적인 방전에 의해 파손될 수 있다. 실제로 자기기억장치의 데이터 손실은 상당부분 정전기에 의한 것으로 알려져 있다. 그래서 전자 기술자들은 정전기가 쌓일 만한 저항이 큰 물체들을 주변에 놓지 않는다. 그리고 회로 부품들을 다룰 땐 소매와 양말에 접지 선이 달린 특수한 옷을 입거나 손목의 밴드를 접지 된 표면에 연결시켜서 전하가 쌓이면 바로 방전되도록 한다. 즉 정전기가 없는 환경을 만들기 위해 또 하나의 과학이 필요한 것이다.

A. 섬유 유연제

우리가 입고 있는 옷은 대개 화학섬유로 만든 옷이어서 마찰로 인한 정전기 발생이 심하다. 옷에 발생하는 정전기를 방지하기 위하여 빨래를 헹굴 때 주로 '섬유유연제'를 많이 사용한다.

섬유는 물 속에 들어가면 음(-) 전하로 대전된다. 섬유린스의 역할은 음(-) 전하를 띠고 있는 섬유에 양(+) 전하를 띠는 섬유유연제를 흡착시켜 전기적으로 중화시키는 원리다. 섬유유연제는 빨래에 세제가 남지 않게 깨끗이 헹구고 사용해주어야 효과가 좋다. 그 이유는 세제가 물 속에서 음(-) 전하를 띠기 때문에 양 전하를 띠는 섬유유연제와 상호 작용하여, 섬유유연제가 섬유를 중화시키는 역할이 감소되기 때문이다.

B. 우리 생활에 유용한 정전기

일상생활에서 불쾌감을 주는 정전기가 유용하게 쓰이는 경우도 있다. 가정에서 많이 쓰이는 포장용 랩이 그 하나. 식품 포장용 폴리에틸렌막이 물건에 달라붙는 이유 중 하나가 바로 정전기다. 랩이 물건에 달라붙는 이유는 랩을 쫙 잡아당겼을 때 막이 감겨 있던 부분과 떨어지면서(마찰의 효과) 정전기를 띠기 때문이다. 사무실과 학교에서 많이 사용하는 복사기도 정전기의 특성을 이용한 것이다. 오늘날의 정전기식 복사기는 1938년 미국의 물리학자 체스터 칼슨에 의해 발명됐다. 복사기의 드럼은 정전기를 띠고 있고 실리콘 분말과 같은 물질로 얇게 코팅돼 있다. 원본의 빈 공간, 즉 흰 부분은 밑에서 쏘아 올린 빛을 드럼에 반사시켜 정전기를 제거한다. 원본의 검은 부분은 빛을 반사하지 않기 때문에 드럼의 정전기는 그대로 남는다. 이렇게 정전기가 남아 있는 부분은 토너라는 검은 분말을 흡인해 복사지 위에 영상을 만들어낸다. 또 굴곡이 심한 복잡한 면이나 넓은 면적에 고루 도료를 칠하는 정전도장(塗裝)도 정전기를 이용한 방법. 전기나 가스기구, 기계부품, 완구 등을 도장하기 위해서 10만V의 직류 전압을 걸어 정전기를 유도해 놓고 도료를 내뿜으면 고루 흡착된다. 이렇듯 정전기는 불쾌감을 주기도 하지만 생활에 도움이 되는 야누스적인 얼굴을 지니고 있다.

   
이름아이콘 김진숙
2009-05-04 11:10
감사합니다.^^
   
이름아이콘 rsuxefh
2011-02-21 17:00
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2011-02-26 21:57
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2011-03-03 14:23
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