[그림 33] 풍선 터트리는 미친 장치

주어진 재료를 활용한

6. 창의적인 골드버그 장치 만들기장철교

강원과학교육연구회

상지여자중학교

1. 루브 골드버그 장치의 개요

1) 루브 골드버그 장치(Rube Goldberg's Invention)란?

골드버그장치(Rube Goldberg's Invention)란 “가장 단순한 과제를 해결하기 위해

서 만든 가장 복잡한 기계”를 의미한다.

이 장치는 골드버그라는 사람이 이러한 아이디어를 만화로 그렸기 때문에 "골드버

그 장치"라고 부른다. 예를 들면 입을 닦아주는 기계가 있는가 하면, 지각했을 때 상

사가 눈치 채지 못하게 하는 장치도 있다.

그리고 창문을 닫는 간단한 일을 하기 위해 줄과 구슬, 도미노와 도르래, 스프링과

추, 물통과 고리 등을 교묘하게 결합한 복잡한 장치가 동원된다. 이들 장치의 각 단계

에는 고도로 정교한 물리법칙이 적용된다. 그러나 노력한 결과에 비해 그 결과는 허

망하거나 초라하다. 골드버그는 이를 두고 "최소의 결과를 얻기 위해 최대의 노력을

기울이는 인간의 놀라운 능력"이라고 정의를 내렸다.

[그림 1]은 미국의 초등학교 6학년생인 산드

라(sandra)라는 학생이 고안한 어느 장치를 약

간 변형하여 그린 그림이다.

산드라(Sandra)는 루브 골드버그

(RubeGoldberg)라는 사람이 그린 만화를 보고

서 영감을 얻어 아래와 같은 "풍선 터트리는 미

친 장치"를 설계하였다. 풍선이야 그냥 바늘로

콕 찌르면 터지게 되는데 이런 풍선을 터뜨리

기 위해 이런 복잡한 장치가 도대체 왜 필요할

까? 하지만, 그 아이디어를 들여다 보기만 하여

도 너무 재미있고 기발하며 과학적 창의성을

북돋으면서 상식을 뒤집는 역발상의 묘미가 너

무 재미있고 기발하여 탄성을 터뜨리지 않을

수 없다.

실제 예를 들어 골드버그 장치의 구조와 작동과정을 살펴보자. 작은 공을 넣어서

쥐가 들어있는 쳇바퀴를 돌리는 장치이다. 여기에는 여러 가지 발명원리와 창의력이

숨겨져 있다. 오른쪽부터 그림을 보면 다음과 같이 ㉮부터 ㉶의 순서로 작동한다.

[그림 34] 쥐를 이용해 프로펠러 돌리는 장

치

㉮ 공이 떨어진다. → ㉯ 공이 통 속을

굴러 컵에 떨어진다. → ㉰ 공의 무게로

물이 엎질러진다. → ㉱ 물이 홈통을 따

라 쏟아지며, 페트병의 날개를 돌린다. →

㉲ 페트병이 돌며 뚜껑에 연결된 벨트가

돌아간다. → ㉳ 벨트에 연결된 코르크

마개가 돌아가며, 성냥이 켜진다. → ㉴

촛불이 켜진다. ㉵ 쥐가 뜨거워 발을 구

르면 쳇바퀴가 돌아간다. → ㉶ 쳇바퀴와

연결된 기어가 돌아간다. → 맞물린 기어

가 돌아가며 벨트도 따라 돈다

미국에서는 해마다 루브 골드버그 기계 콘테스트(Rube Goldberg Machine

Contest)가 열리고 있다. [그림 3]은 2007년 대회 문제로 ‘손 안대고 오렌지 주스 짜

기’이고 [그림 4]는 골드버그 대회 홈페이지(www.rubegoldberg.com)이다.

[그림 35] 2007 National contest 주제- 손안대

고 오렌지 주스 짜기

[그림 36] 골드버그 대회 홈페이지

[그림 37] 2007 골드버그 기계 콘테스트 포스

터

[그림 38] 2007 골드버그 기계 콘테스트 최우수작

품

[그림 5] 는 2007 골드버그 기계 콘테스트 대회 장소에 붙어있는 포스터와 스폰

서 안내이고, [그림 6]은 2007년도 골드버그 기계 콘테스트에서 최우수상을 받은 작

품이다.

이 대회는 골드버그처럼 그 장치를 상상하여 그림으로 표현하는 것이 아니라, 직

접 그 장치를 만들어 내야 한다. 이 장치는 일상용품들, 잡동사니들, 기계 부품들을

역학적으로 잘 연결하거나 조립해야 한다. 그래서 대회 명칭이 "루브 골드버그 기계

콘테스트"이고 매년 퍼듀대학교에서 누가 더 황당하면서도 복잡한 기계를 만드느냐를

두고 대회가 개최되고 있다. 참고로 1996년부터 2001년까지 기출되었던 대회의 과제

는 다음과 같다.

루브 골드버그 기계 콘테스트 기출문제(1996～2001)

-1996 저금통에 동전을 집어 넣는 방법

-1997 CD 디스크를 집어넣고 작동시키는 방법

-1998 알람 시계를 끄는 방법

-1999 골프 티(받침대)를 고정시키고 티를 골프 공 위로 올리는 방법

-2000 타임 캡슐에 20세기 발명품들을 채우고 봉하는 방법

-2001 사과 껍질을 깨끗하게 벗기는 장치

루브 골드버그 장치는 아주 재미있기 때문에 학생들에게 문제해결을 하는데 있어서

고정 관념을 탈피하고 실생활 속에서 창의성을 발휘할 수 있도록 해준다. 실제 우리

나라에서도 2006년에 우주인 선발문제에 골드버그 문제가 출제

이제 골드버그 장치에 대한 이야기는 뉴욕 타임즈 같은 유명한 신문, TV, 라디오에

서 빠지지 않고 다루어 지는 주제며 용어가 되었으며, 웹스터 영어사전에도 수록되었

다. 웹스터 영어 사전에서는 골드버그장치에 대해 "극단적으로 복잡하게 수행되지만,

실제로는 간단히 처리될 수 있는 일을 우회적으로 의미하는 장치나 방법(a device or

[그림 39] 우주인 선발대회 중 골

드버그 장치 만들기

[그림 40] 루브 골드버그(Rube

Goldberg (1883-1970))

method to accomplish by extremely complex

and roundabout means a job that actually

could be done simply)"이라고 설명되고 있다.

그래서 루드 골드버그 장치라는 말은 이제 쓸

데없이 복잡하면서도 성과는 비효율적인 제도나

규제를 지칭하는 전문용어로 자리 잡았다.

2) 루브 골드버그(Rube Goldberg)란 어떤 사

람인가?

루브 골드버그의 원래 이름은 루븐 루시어스

골드버그(Reuben Lucius Goldberg)이다. 그는

1883년 샌프란시스코에서 태어났다. 퓰리처상을 받

은 미국의 만화가 루브 골드버그(1883-1970)는 온

갖 기계장치에 치여 사는 현대인의 번잡한 일상을

풍자한 만화로 유명하다. 그의 만화에는 아주 단순

한 과제를 해결하기 위해 만들어진 극도로 복잡한

기계들이 등장한다.

골드버그는 왜 이러한 만화를 그렸을까? 골드버

그는 “일을 하는 데는 두 가지 방법이 있다. 하나는

쉬운 방법 또 하나는 어려운 방법이다. 그런데 대부

분의 사람들은 놀랍게도 어려운 방법을 택한다.”고

말한다. 참 재미있는 말이 아닐 수가 없다. 공학을

공부한 그는 만화에서 아주 복잡하고 교묘한 도구나

기계 장치들을 동원하여 섬세하게 그릴 수 있었다.

그러나 그는 첨단 기술과 기계에 회의적이었다. 대부분의 기계가 어려운 일을 간단

히 처리할 수 있게 하기 위해 만들어졌지만, 더 근본적으로 들여다보면 인간들이 단

순하고 소박하게 살 수 있음에도 불구하고, 온갖 기계를 만들어 내어 오히려 복잡하

게 살려고 한다고 말하고 싶었던 것이다.

골드버그는 만화를 그렸지만, 그 만화는 많은 발명가들에게 영감을 주기도 하였다.

골드버그 장치는 단순한 작업을 될 수 있으면 어렵고 복잡하게 만드는 것이 목적이

다. 그러나 그 결과는 허망하거나 한심하기 짝이 없다. 골드버그는 이를 두고 “최소의

결과를 얻기 위해 최대의 노력을 기울이는 인간의 놀라운 능력”이라고 비유했다.

골드버그 장치는 복잡하게 살아가는 인생에 대한 골드버그의 독특한 코멘트이다.

이 복잡한 기계장치들을 따라가 보다 보면 “어? 고작 이것을 하려고 이렇게 복잡하게

만들었어.” 하며 어처구니없어 웃게 된다. 인생을 행복하게 살기 위해서 우리에게 정

작 필요한 건 가장 단순하고 간단한 생활방식 이라는 것이 골드버그의 메시지이다.

그러나 골드버그가 단순한 것을 복잡하게 살고 있는 어리석음을 깨우쳐주고 있지

만, 골드버그조차 가장 복잡한 표현을 택하지 않을 수 없었다. 조각가로서도 활동한

그는, 열광적인 팬들을 뒤로하고 1970년 사망하였다. 골드버그 장치 대회, 골드버그

장치우표, 우편엽서, 그리고 TV와 라디오, 잡지에서는 골드버그 특집이 그치지 않고

있다.

루브 골드버그의 만화에서 유래되어 ‘Rube-Goldberg Machine’은 그의 작품에 등

장하는 엉뚱하고 복잡한 기계장치를 말하고, ‘Rube-Goldberg Machine Contest’ 는

만화적 상상력을 현실로 옮기는데 필요한 과학적 상상력과 창의력이 핵심이며, 과학

적 소양을 키우는 교육대회로 자리잡고 있다.

[그림 9]부터 [그림 12]은 Rube Goldberg 사이트(www.rubegoldberg.com)

Artwork Gallery에 수록되어 있는 루브 골드버그의 발명 이미지 만화들이다.

[그림 9] How to Keep Shop Windows

Clean

[그림 10] Simplified Pencil Sharpener

[그림 11] Dodging Bill Collectors [그림 12] Keep You From Forgetting To Mail Your

Wife's Letter

3) 루브 골드버그 장치의 예

골드버그 장치의 각 단계에는 역학적인 과학 원리가 도입되어 사용되고, 골드버

그 장치의 구성 재료로는 생활용품이나 잡동사니, 폐품, 기계부품 등이 주로 활용

된다.

[그림 13] ‘나홀로 집에’ 영화의 한 장면

예를 들면, [그림 13]처럼 ‘나 홀

로 집에’라는 영화를 보면 집에 들어

온 도둑을 물리치기 위해 소년이 여

러 단계의 장치를 만들어 작동시켜

도둑을 쫒아내는 장면이 나온다. 도

둑이 마룻바닥을 밟으면 바닥이 흔

들려 구슬이 굴러가게 되면서 도미

노 장치를 건드리고, 그 장치에 의해

방문이 열리면서 천장에 연결된 망치가 떨어져 도둑을 쓰러뜨리게 되는 장면도 있

다. 소년은 도둑을 퇴치하기 위해 여러 단계의 창의적인 골드버그 장치를 만든 것

이다.

우리나라의 경우 세종대왕 때 장영실이 만든 ‘자격루’(물시계)가 골드버그 장

치의 원리를 활용한 좋은 예이다. 따라서 골드버그 장치의 원리는 미국보다 우리나

라에서 먼저 시작되었다고 볼 수 있다.

[그림 14] 자격루 속의 자동연속 작동

장치(골드버그 원리)

[그림 15] 골드버그 장치를 이용한 혼다 자동차의 CF장면

또한 [그림 15]처럼 혼다 자동차는 골드버그 머신 장치를 응용한 CF로 자사 기

술력의 우위를 알리는 CF를 홍보함으로써 광고효과를 극대화하기도 하였다.

이와같이 우리 주변에는 다양한 곳에서 골드버그 장치가 사용됨을 알 수 있다.

골드버그 장치부문의 요구사항은 <표 10>과 같이 크기와 단계 그리고 동력원, 재

료, 구상도, 그리고 작동방법에 대해 요구사항을 제시하였다.

1. 골드버그 장치를 설계하여 종이 울릴 수 있도록 만든다.

1) 골드버그 장치의 크기는 가로 2.5m, 세로 2m, 높이1.5m 이내로 만든다.

2) 골드버그 장치는 출발단계와 종을 치는 마지막 단계를 제외하고 초등팀은 4단

계, 중학팀은 5단계, 고등팀은 6단계 이상으로 구성하여야 한다.

3) 골드버그 장치를 제시한 단계 미만으로 제작한 경우에는 실격 처리된다.

4) 출발점의 위치, 각 단계의 과정과 원리, 종의 크기, 종이 매달리는 모양 등은 자

유롭게 창의적으로 만들 수 있다.

5) 동력원으로 전기나 모터, 건전지 등은 사용 할 수 있으나 위험한 화학약품, 압

축가스, 살아있는 동물 등은 사용할 수 없다. 단, 물을 사용하는 경우에는 바닥

에 흘리지 않도록 해야 한다.

6) 골드버그 장치를 만드는 재료는 자유롭게 선택하여 사용할 수 있다.

7) 골드버그 장치의 모양과 구조를 구상도에 그려 제출한다.〔제출서류4〕

8) 골드버그 장치 각 단계의 작동원리를 구상도의 여백에 기록한다.

2. 8분 안에 골드버그 장치를 작동시켜 종을 울려야 한다.

1) 골드버그 장치는 공연과 동시에 이루어지며 8분 안에 종을 울려야 한다.

2) 골드버그 장치의 작동은 2회까지 시도할 수 있다.

3) 골드버그 장치 작동 중에 장치에 문제가 생겼을 경우에는 손으로 건드려 진행

할 수 있으나 손을 댄 횟수에 따라 감점 처리 한다.

4) 골드버그 장치를 창의적이고 기발한 아이디어로 만들었거나, 과학적 원리나 법

칙을 많이 활용한 경우에 높은 점수를 받는다.

(1) 주변 재료를 이용한 수업

주변재료를 팀별로 미리 준비해주고 팀별로 설계를 한 후 그 설계에 맞는 재료

를 사용해서 골드버그 장치를 만들어보게 하고 실행한 후 다시 정교하게 만드는

수업방법이다. 미리 재료를 준비하므로 수업시간을 줄일 수 있다.

- 도구: 칼, 자, 톱, 전기톱, 전기 드릴 등 다수의 전동기계

- 준비물: 카프라우드 1통, 플라스틱 호스 여러개, 실, 페트병, 다양한 구슬, 목공

용본드, 파이프 반으로 자른것, 철사, 나무판(1m*1m), 각제(높이가 여

러 종류-10cm, 20cm, 30cm 각각 5개씩), 종이컵 다수 등

May?Can!팀의 작품 제작 과정

May?Can!팀의 설계과정

May?Can!팀의 골드버그 완성품

- 제작 방법

설 계 제 작 실 행

과 정 명 공의 미학

-루브 골드버그(Rube Goldberg) 장치차 시 3시간

학 습

주 제미리 준비된 재료를 이용한 골드버그 장치 만들기 장 소

태백청소

년수련관

학 습

목 표

․ 루브 골드버그 장치의 매커니즘과 과학적 원리를 이해할 수 있다.

․ 폐품(미리 준비된 재료)을 이용하여 루브 골드버그 장치를 만들 수 있다.

준비물

교 사 학 생

교수-학습과정안, 컴퓨터. ppt 자료, ICT학습자료, 실습도

구(망치, 글루건, 톱, 송곳, 드릴 등), 실습재료(합판

(900×900), 페트병, 고무호스, 파이프 반으로 자른 것, 각

목(높이 100, 200, 300 각각 5개씩), 실, 종이컵, 카프라

우드 1통, 다양한 구슬, 철사, 못, 목재용 접착제 등)

단 계학습

요소

교수 - 학습 과정학습 자료

및 유의점교 사 학 생

도입(20분)

동기유발

․ 골드버그 장치가 작동되는 동영상을 보여준다.

․ 실제 창의력올림피아드 대회에 출품했던 작품의 구상도와 실제 동영상을 보여준다

․ 동영상 자료를 본다.

․ 동영상 자료를 보고 질문을 한다.

동영상 자료

학습주제제시

ㆍ본 수업의 학습 주제 발표 폐품을 이용한 골드버그 장

치 만들기

․ 오늘 학습할 주제를 안다

과학적원리이해

․ 골드버그 장치의 매커니즘과

과학적 원리에 대하여 개략적

으로 설명하고, 자세한 내용은

미리 제작된 골드버그 ICT학습

자료를 컴퓨터로 제시한다.

․ ICT 학습자료를 본다.․ 골드버그 장치의 매커

니즘과 과학적 원리에 대하여 이해한다.

ICT 학습자료

단 계 학습요소

교수 - 학습 과정학습 자료 및

유의점교 사 학 생

전개(110분)

실습재료이해

ㆍ공구 및 실습 재료 안내(합판(900×900), 페트병, 고무호스,

파이프 반으로 자른 것, 각목(높이

100, 200, 300 각각 5개씩), 실, 종

이컵, 카프라우드 1통, 다양한 구슬,

철사, 못, 목재용 접착제 등)

․ 실습 재료를 살펴보기

․ 실습재료를 구분하기(기둥역할, 공이 굴러갈 레일역할, 고정시킬 역할)

공구 및 실습 재료(주로 폐품)

설계하기

ㆍ구상도 그리기 설명ㆍ설계도 그리기 설명

․ 구상도 그리기-과제로 부과했던 구상을 근거로 그리기․ 설계도 그리기

모눈종이 또는 A4종이, 연필을 사용하여 창의적인 내용의 구상도 및 설계도 그리기 ( 사 전 에 과제로 그려오도록 함)

만들기 ㆍ실습 재료(폐품)로 설계도에 따라 골드버그 장치 만들기 설명

․ 교사가 준비해준 폐품 재료를 이용하여 골드버그 장치 만들기

골드버그 장치 만들기 재료, 공구

정리

(5분)

학습정리

과제제시

차시예고

․ 본 수업 정리 ․ 몇 가지 단어를 제시해 골드버그 학습 후의 반응을 본다.

골드버그 장치의 매커니즘과 과학적 원리를 아는 대로 말해보시오.

골드버그 장치에 사용해보고 싶은 과학적 원리를 한 가지씩만 적어보세요.

․ 조별로 만들고 싶은 골드버그 장치 구상하고 필요한 재료 준비해오기

ㆍ차시학습 주제 제시 -자신이 준비한 재료를 이용하여

골드버그 장치 만들기

․ 교사의 정리를 듣고 학습내용을 정리한다.

․질문에 대답한다.

․ 제시된 과제 이해하기

․ 다음 시간에 배울 내용에 대해 알기

나누어 준 메모지에 각자 기록하고 대답하게 한다.

[붙임자료]

골드버그 작품제작도 및 설명서

소속학교 작품명

참가팀

구분 학년 성명 구분 학년 성명

팀 장 팀원

부팀장 팀원

팀 원 지도교사

작품제작도작동

순서작동과정

과학적

원 리

①

②

③

④

⑤

⑥

⑦

⑧

⑨

⑩

⑪

⑫

⑬

⑭

⑮

⑯

⑰

⑱

⑲

⑳

[붙임자료-작성예시]

골드버그 작품제작도 및 설명서

소속학교 작품명

참가팀

구분 학년 성명 구분 학년 성명

팀 장 3 강성한 팀원 3 김호석

부팀장 3 강승운 팀원 3 김호준

팀 원 3 김성운 지도교사 3 강창익

작품제작도작동

순서작동과정

과학적

원 리

※ 참고사항-과학적 원리 예시

위치에너지, 운동에너지, 지레, 도르래, 빗

면, 바운스. 트랙스위치, 리프트, 화학작용,

탄성력, 전기에너지, 마찰력, 루프, 코일, 컬

렉터, 회전력 등

① 공이 떨어진다. 위치에너지

②공이 통 속을 굴러 컵에 떨어진다.

빗면

③ 공의 무게로 물이 엎질러진다 지레

④물이 홈통을 따라 쏟아지며,페트병의 날개를 돌린다.

위치에너지

⑤페트병이 돌며 뚜껑에 연결된벨트가 돌아간다.

운동에너지

⑥벨트에 연결된 코르크 마개가 돌아가며, 성냥이 켜진다.

회전력마찰력

⑦ 촛불이 켜진다. 마찰력

⑧쥐가 뜨거워 발을 구르면 쳇바퀴가 돌아간다.

운동에너지

⑨쳇바퀴와 연결된 기어가 돌아간다.

운동에너지

회전력

⑩맞물린 기어가 돌아가며 벨트도 따라 돈다.

회전력

⑪맞물린 기어가 돌아가며 벨트도 따라 돈다.

회전력

⑫

⑬

⑭

⑮

⑯

⑰

⑱

⑲

⑳

< 2010 루브 골드버그 대회 채점 기준표 - 중등부 >

심사위원 : (서명)

심사위원 : (서명)

순

번

인적사항 득점란

순위비

고학교명 학년 성명

창의성(30점) 완성도(30점) 실행도(40점)

감

점

합

계

점수

합계제작도(10점)

과학적원리(20점)

규격(5점)

위험요소여부(5점)

제작도와

장치와의

일치여부

(10점)

재활용품

사용정도

(10점)

작동단계

(34점)

가산점(6점)

1

2

3

4

5

6

[참고자료]

1. 루브 골드버그 장치란?

루브 골드버그 장치(Rube Goldberg's Invention)란“가장 단순한 과제를 해결하기

위해서 만든 가장 복잡한 기계"를 의미한다.

이 장치는 골드버그라는 사람이 이러한 아이디어를 만화로 그렸기 때문에 "골드

버그장치"라고 부른다. 예를 들면 입을 닦아주는 기계가 있는가 하면 지각했을 때

상사가 눈치 채지 못하게 하는 장치도 있다.

그리고 창문을 닫는 간단한 일을 하기 위해 줄과 구슬, 도미노와 도르래, 스프링

과 추, 물통과 고리 등을 교묘하게 결합한 복잡한 장치가 동원된다. 이들 장치의 각

단계에는 고도로 정교한 물리법칙이 적용된다. 그러나 노력한 결과에 비해 그 결과

는 허망하거나 초라하다. 골드버그는 이를 두고 "최소의 결과를 얻기 위해 최대의

노력을 기울이는 인간의 놀라운 능력" 이라고 정의를 내렸다.

2 골드버그 장치의 구조와 작동과정

아래 그림은 오렌지 주스를 손을 대지 않고 짜내는 기계를 만드는 것이다. 여기

에는 여러 가지 발명원리와 창의력이 숨겨져 있다. 그림을 보면 A부터 O까지의 순

서로 작동한다.·

3. 골드버그 장치 구성

가. 재료의 특성 파악하기

가지고 있는 재료들의 특성을 파악하고, 어떻게 구성할 것인지를 회의

나. 구성할 골드버그 장치 스케치

기존의 자료들을 가지고 어떻게 구성할 것인지를 직접 스케치

다. 구성할 골드버그 기초 골격 세우기

기초 골격을 세워 어떻게 구성할 것인지를 직접 구성

라. 골드버그 만들기

기초 골격을 세워진 곳에 골드버그를 구성하기

마. 골드버그 장식하기

종을 칠 수 있도록 골드버그 장치를 완전히 구성하고, 시험해 보기 또한 골드버

그 주변을 장식하기

바. 골드버그 평가하기

기초 골드버그 장치의 경우에는 기존의 재료를 가지고 얼마나 창의력 있게 골드

버그를 구성했는지가 가장 중요하므로 우리들이 서로를 평가 한다

『참조문헌 : 2007 전국교원발명교육연구대회 논문, 박인수, 아주중』

7. 귀의 모형 만들기김 의

전남중등생물교육연구회(전남동부생물연구분과)

광양여자고등학교 kimyee@hanmail.net1)

A. 관련 단원 : 중학과학 2학년, 고등과학 Ⅳ. 생명 6. 자극과 반응

(1) 감각기관 - 귀

B. 탐구목표 :

1. 귀의 모형을 제작하여 귀의 구조를 이해할 수 있다.

2. 청각이 성립되는 과정과 평형감각을 이해하고 설명할 수 있다.

C. 탐구의 주안점

1. 모형을 손으로 오리고 붙이는 과정을 통하여, 귀의 구조와 각부의 이름,

기능 등을 학습 한다.

2. 귀에서 느끼는 청각과 평형감각에 대한 적합자극과 반응, 대뇌와

소뇌의 인지 관계를 이해하도록 지도한다.

3. 주변에서 일어나는 감각 반응 현상을 청각과 연결시켜 이해하도록 지도

한다.

1. 도입

1) 차에 탔을 때 차가 굽은 길 돌면 눈을 감고도 알 수 있다. 그 이유는?

(몸이 한쪽으로 쏠리는 관성을 느낄 뿐 아니라 귓속에서도 회전을 감각한다.)

2) 우주선 내부와 같이 무중력 상태에서는 기능을 발휘하지 못하는 귀의 부분은?

(평형기관 중 전정기관과 반고리관 - 따라서 무중력 혼란으로 우주 멀미를 한다.)

3) 고막이 파열되면 소리를 전혀 들을 수 없을까?

(우리 귀는 16~20000Hz 범위의 소리를 들을 수 있다. 고막은 0.1mm 두께의 질긴 막이

어서 잘 파열되지 않는다. 그러나 큰 소리나 뺨 맞을 때, 귓속을 찔릴 때 파열된다. 그

렇지만 고막이 파열되어도 60Hz 이하의 낮은 소리만 잘 안 들릴 뿐, 크고 높은 소리를

들을 수 있다. 우리가 흔히 말하는 귀머거리는 청신경의 전달 이상이다.)

2. 준비물(귀모형 2개)

귓바퀴 모형지(A4색지, 귀2개), 귀 우

드락(A4크기, 두께5mm), 받침 우드락

(12cm×3cm×3mm, 2개) 스펀지볼 3색

(Φ15mm분홍볼, Φ10mm녹색볼, Φ5mm

주황볼), 색모루(=털실철사)(길이 5cm 빨

1) 귀모형만들기 자료는 중등전남생물교육연구회의 김의 선생님(kimyee@hanmail.net) 창작품입니다. 허가 필!

강선, 8cm노랑선), 종이컵(얇은 투명수지컵), 큰 커터(칼), 스프레이 접착제, 글루건

과 수지심, 콘센트 전원선 5m

3. 탐구활동

1) 두사람씩 짝지어서 귀모형 준비물 2인분을 확인하고, 귀 모형에 이름을 쓴다.

콘센트에 글루건을 미리 꽂아 적당히 가열하여 수지 접착제를 준비한다.

2) 귓바퀴 모형지 뒷면에 스프레이 접착제를 뿌리고 A4크기 우드락에 붙인 뒤 큰

커터로 귓바퀴를 잘라낸다. 귓구멍과 보임창을 뚫어서 귓바퀴 모형을 만든다.

3) 길이 5cm 색모루로 망치뼈 모형을 만든다. 색모루 한끝을 일본어 ｱ자처럼 꺾고,

다른 끝에 Φ10mm 색 스펀지볼을 글루건으로 접착한다. 이를 종이컵이나 투명한

아이스크림용 합성수지컵에 글루건으로 붙여서 귓구멍-고막 모형을 만든다.

4) 종이컵의 넓은 테두리에 글루 접착제를 칠하여 귓바퀴 모형의 뒷면에 붙인다.

5) 귓바퀴-종이컵의 아래쪽에 글루 접착제를 칠하여 길이 12cm의 받침우드락을

붙인다. 받침우드락은 중이의 유스타키오관을 표현한다.

6) 길이 8cm 색모루로 모루뼈와 등자뼈를 표현한다. 색모루의 한끝을 ⏋자로 구

부리고 그 끝에 Φ15mm 색 스펀지볼을 글루건으로 접착한다. 색모루의 다른

끝을 D(☌)자 모양으로 묶은 뒤, 접합부에 Φ5mm 색 스펀지볼을 글루건으로

접착한다. 이를 다시 L자형으로 꺾는다.⑀(그림 참조)

7) 만들어진 모루-등자뼈 모형을 받침우드락의 종이컵에서 대략 5~8cm 거리에

글루건으로 접착한다. 망치뼈의 스펀지볼과 모루뼈의 스펀지볼 간격을 닿을 듯

하게 조정한다.

8) 완성된 귀 모형에 소리를 들려주었을 때 청소골에 소리가 전달되는지를 확인한

다.

※(이 모형은 귓바퀴→귓구멍→고막→청소골로 소리가 전달되는 모형일뿐 달팽이

관 내의 소리 전달은 재현하지 못하였습니다. 달팽이관은 스펀지막대를 말아서

표현해보는 방법이 있습니다. )

4. 탐구 결과 및 토의사항

(1) 외이와 중이의 역할과 달팽이관, 전정기관에서 어떻게 감각하는가?

① 외이와 중이 : 소리(음파;공기의 진동)을 전달한다. 귓바퀴에 모아져서 들어온

소리(기체 진동)는 고막(고체 진동)에서 떨림으로 바뀌어 전달된다. 망치뼈,

모루뼈, 등자뼈의 청소골을 지나면서 음파는 증폭, 감쇄, 잡음 제거되어 달팽

이관의 난원창에 도달한다.

② 달팽이관 : 소리를 감각한다. 달팽이관은 전정계, 고실계 달팽이세관으로 구분

되고 림프로 차 있다. 달팽이세관에 있는 덮개막이 진동하면 감각모세포가 받

아들여 청신경으로 전달되고 대뇌에서 청각이 성립되도록 하는 기관이다.

③ 전정기관 : 중력 자극에 의한 위치와 기울기 등 평형 감각을 담당한다. 통남과

소낭이라는 모래주머니들라서, 움직이면 이석(청사)이 쏠리므로 감각모세포가

반응한다. 지각 중추는 소뇌이다.

(2) 반고리관에서의 회전 감각은 어떻게 느끼는가?

반고리관은 둥근 고리관 모양이며 속에는 액체인 림프로 차 있다. 살속에 묻힌

부분에는 붓 모양의 감각모세포들이 모여있다.

① 정지 : 감각모가 움직이지 않는다.(정지 관성)

② 회전 시작 : 림프의 관성으로 감각모가 몸의 움직임과 반대쪽으로 기울어 회전 감각

이 일어난다.

③ 회전 계속 : 림프가 몸의 회전과 같게 움직이므로 감각모가 기울지 않아 회전 감각은

약해진다.

④ 회전 중지 : 림프는 관성으로 계속 움직이므로 감각모는 왼쪽으로 기울고 회전이 계

속되는 것처럼 느낀다

(3) 다음은 사람의 청각이 성립되는 경로를 설명한 것이다. ( ) 안에 알맞은 말을

쓰시오. (A) 기저막 (B) 덮개막

음파가 고막을 진동시키면 이 진동은 청소골, 난원창을 거쳐 달팽이관 속의 림프

에 전해지고, 림프가 진동함에 따라 ( A )이 진동하면서 그 위에 있는 청세포

의 섬모가 ( B )에 닿아 그 자극으로 흥분이 생긴다.

(4~6) 그림은 사람 귀의 속 구조를 나타낸 것이다.

(4) 무중력 상태에서 작용하지 못하는 것의 기호와 명칭

을 쓰시오. (B 와 C - 전정기관의 통낭과 소낭)

(5) 아래 글과 관계있는 평형 감각기의 기호와 명칭을 쓰

시오. ( A - 반고리관 )

갑자기 멈추었더니, 주변의 물체들이 계속 돌고 있는 것

처럼 느껴져서 몸의 중심을 잡을 수가 없었다.

(6) 액체의 압력 변화로 자극이 전달되며 청세포가 들어 있는 곳의 기호와 명칭을

쓰시오. ( D - 달팽이관 )

5. 이론적 배경

(1) 귀의 구조

구분 명 칭 기 능

외이귓바퀴 소리(음파)를 모아들인다.

귓구멍(외이도) 음파가 들어가 전달되는 통로

중이

고막 (귀청)외이와 중이의 경계에 있는 얇은 막

으로 음파의 통로이다.

청소골

망치뼈, 모루뼈, 등자뼈의 순서로 연

결되어 있으며 고막의 진동을 증폭시

키거나 감쇄시키고, 잡음을 제거시켜

내이에 전달함

유스타키오관

(중이관)

중이와 목구멍을 연결하는 관으로 중

이와 외부압력을 같게 조절함

내이

달팽이관

전정계, 고실계, 달팽이세관로 되어

있고, 달팽이세관에는 청세포와 청신

경이 분포하는 코르티기관이 있어서

음파를 수용한다.

반고리관중력 자극에 대하여 몸의 기울어짐을

감각한다.

전정기관림프의 관성에 의해 몸의 회전을 감

각한다.

(2) 청각의 수용 과정

귓바퀴→귓구멍(외이도)→고막(귀청)→청소골→달팽이관(난원창→전정계→→→↴ ←←←←←←←달팽이세관⇊ (정원창←고실계←←←↵

[(코르티기관)기저막,덮개막→청세포(감각모)흥분]→청신경→→→대뇌

(3) 평형감각

① 반고리관 : 림프의 관성에 의해 회전을 감각함.

회전이동 놀이기구-회전그네, 회전목마, 회전 컵, 다람쥐통, 팡팡디스코, 롤러

코스터, 청룡열차, 비룡열차, 꼬마기차,

② 전정기관 : 청사가 중력에 의해 감각 세포의 털을 자극하여 위치를 감각함.

상하이동 놀이기구-드롭타워, 대관람차, 바이킹, 모노레일, 나무배타기, 미끄럼

틀, 마법의 양탄자, 눈썰매장.

6. 지도상의 유의점

1. 학생용 활동지를 색깔 있는 A4용지를 준비하여 각각 다른 색의 종이에 복사하여

주면 학습의 효율을 증진시킬 수 있다.

2. 이론과 병행하여 수업을 할 경우 2인 1조의 실험을 하여 시간을 단축할 수 있

다.

3. 귀는 청각 뿐 아니라 평형감각을 담당하는 부위임을 인식하고 청신경은 대뇌와

연결되어 있고, 평형감각에 관한 감각신경은 소뇌로 연결됨을 이해시킨다.

탐구학습보고서 2.귀의 모형 만들기

일 시 20 년 월 일 교시 학년 반 번, 성명: ( )

목 표 1. 귀의 모형을 제작하여 귀의 구조를 이해할 수 있다.

준비물

귓바퀴 모형지(A4색지,귀2개), 귀 우드락(A4크기,두께5mm), 받침 우드락

(12cm×3cm×3mm, 2개) 스펀지볼 3색(Φ15mm분홍볼, Φ10mm녹색볼,

Φ5mm주황볼), 색모루(=털실철사)(길이 5cm 빨강선, 8cm노랑선), 종이

컵(얇은 투명수지컵), 큰 커터(칼), 스프레이 접착제, 글루건과 수지심, 콘

센트 전원선 5m

탐 구

방 법

1) 두사람씩 짝지어서 귀모형 준비물 2인분을 확인하고, 귀 모형에 이름

을 쓴다. 콘센트에 글루건을 미리 꽂아 적당히 가열하여 수지 접착제

를 준비한다.

2) 귓바퀴 모형지 뒷면에 스프레이 접착제를 뿌리고 A4크기 우드락에 붙

인 뒤 큰 커터로 귓바퀴를 잘라낸다. 귓구멍과 보임창을 뚫어서 귓바

퀴 모형을 만든다.

3) 길이 5cm 색모루로 망치뼈 모형을 만든다. 색모루 한끝을 일본어 ｱ자

처럼 꺾고, 다른 끝에 Φ10mm 색 스펀지볼을 글루건으로 접착한다.

이를 종이컵이나 투명한 아이스크림용 합성수지컵에 글루건으로 붙여

서 귓구멍-고막 모형을 만든다.

4) 종이컵의 넓은 테두리에 글루 접착제를 칠하여 귓바퀴 모형의 뒷면에

붙인다.

5) 귓바퀴-종이컵의 아래쪽에 글루 접착제를 칠하여 길이 12cm의 받침

우드락을 붙인다. 받침우드락은 중이의 유스타키오관을 표현한다.

6) 길이 8cm 색모루로 모루뼈와 등자뼈를 표현한다. 색모루의 한끝을 ⏋자로 구부리고 그 끝에 Φ15mm 색 스펀지볼을 글루건으로 접착한다.

색모루의 다른 끝을 D(☌)자 모양으로 묶은 뒤, 접합부에 Φ5mm 색

스펀지볼을 글루건으로 접착한다. 이를 다시 L자형으로 꺾는다.⑀(그

림 참조)

7) 만들어진 모루-등자뼈 모형을 받침우드락의 종이컵에서 대략 5~8cm

거리에 글루건으로 접착한다. 망치뼈의 스펀지볼과 모루뼈의 스펀지

볼 간격을 닿을 듯하게 조정한다.

8) 완성된 귀 모형에 소리를 들려주었을 때 청소골에 소리가 전달되는지

를 확인한다.

탐 구

결 과

및

토 의

(1) 외이와 중이의 역할과 달팽이관, 전정기관에서 어떻게 감각하는가?

① 외이와 중이 :

② 달팽이관 :

③ 전정기관 :

(2) 반고리관에서의 회전 감각은 어떻게 느끼는가?

8. 전기분해와 연료전지 오상기

화학을 사랑하는 사람들의 모임

도 입

전기분해 (電氣分解 electrolysis)는 전해질 용액 또는 용융전해질에 1쌍의 전극을 넣고 직류전류를 통하여 화학반응이 일어나게 하는 과정이다. 양극에서는 음이온 생성 등의 산화가, 음극에서는 금속의 석출(析出)과 수소발생 등의 환원이 일어난다. 예를 들면 물의 전기분해에서는 양극에서 산소, 음극에서 수소가 발생하며, 염화나트륨 수용액의 전기분해에서는 양극에서 염소, 음극에서 수산화나트륨과 수소가 생성된다. 전기분해가 일어나는 전압은 개개의 화합물에 따라 다른데, 이것을 분해전압이라 한다. 전기분해에 의한 물질의 석출량과 전기량사이에는 M. 패러데이의 전기분해법칙이 성립한다. 분석(전해분석), 전기도금, 금속의 전해정련, 정해연마 등 널리 공업적으로 이용된다.

1. 목 표 1) 물을 전기분해 시켜보고 발생한 물질이 무엇인지 설명할 수 있다. 2) 염화나트륨수용액을 전기분해 시켜보고 발생한 물질이 무엇인지 설명할 수 있다. 3) 반응을 통해 화학 반응식을 완결할 수 있다.

2. 실험 시 유의 사항 1) 전류를 흐를 때 전극에서 합선이 일어나지 않도록 한다. 2) 기체 발생 시 냄새를 맡거나 불꽃을 가까이 하지 않는다. 3) 일회용스포이트에 황산나트륨 수용액을 넣을 때 기포가 생기지 않도록 주의한다.

전기분해 실험 장치Ⅰ

♠ 실험 과정(개별 실험)1. 증류수에 수산화나트륨이나 황산나트륨등의 전해질을 넣어 준비한다.2. 일회용 스포이트 2개를 준비한 후 각각에 핀을 꽂아 전극으로 사용한다.3. 핀이 꽂인 일회용 스포이트에 전해질 수용액을 가득 넣는다.4. 작은 용기에 전해질 수용액을 4/5정도 넣고 여기에 전해질 수용액이 담긴 일회

용 스포이트를 거꾸로 세운다.5. 6V 건전지에 집게도선으로 연결하고 일회용스포이트의 핀을 집게도선으로 집어

준다.6. 일회용 스포이트의 변화를 관찰한다.7. 전해질을 염화나트륨으로 바꾸고 같은 방법으로 전기분해를 해 보자.

♠결과 및 결론< 전극의 변화 >

(+)극 (-)극

물

기체발생정도

기체의 부피비

1. (+)극과 (-)극에서 만들어지는 물질은 각각 무엇인가?

2. (+)극과 (-)극에서 만들어진 물질은 각각 수용액 중의 어느 이온이 변하여 생성된 것인가?

3. 증류수에 황산나트륨과 같은 전해질을 넣는 이유는 무엇일까?

4. 물은 어떤 성분으로 이루어져 있는가?

5. 물을 이루는 성분의 구성비는 어떻게 되는가?

6. 실험결과를 바탕으로 물 분자의 분자식을 써보시오.

7. 염화나트룸 수용액을 전기분해할 때 생성되는 기체는?

8. 염화나트륨 수용액의 전기분해에서 (-)극의 액성은 어떠한가? 그 이유는 무엇인가?

9. 물과 염화나트륨 수용액의 전기분해 생성물의 차이점은 무엇인가?

10. 극을 바꿔서 전류를 흐르게 할 때 두 극의 변화는 어떻게 되는가?

11. 탈레스는 “만물의 근원은 물이다”라고 주장하였다. 실험결과를 바탕으로 그의 주장을 반박해보자.

♠ 연료전지연료전지는 일반 화학전지(예, 건전지, 축전지 등)와 달리 연료극과 공기극에 각각

수소와 공기(산소)가 공급하여 전해질과 반응하여 이온을 형성하고 전기화학반응을

일으켜 물을 형성하는 과정에서 연료극에서 전자가 생성되어 공기극으로 이동하면

서 전기를 발생시킨다.

♠ 만드는 방법1. 비장탄 2개를 (+)극, (-)극 집게전선에 연결하고 5% 황산나트륨(Na2SO4) 수용액이

담긴 비커에 서로 닿지 않게 넣는다.

알루미늄 호일로 비장탄 윗부분을 싸고 전선으로 연결한다.

2. 직류전원장치(AA형 건전지)에 비장탄의 집게전선을 (+)극과 (-)극에 맞추어 연결

하고 전압을 높인 후 기체 발생을 관찰한다.

물을 전기분해하여 발생한 수소기체와 산소기체가 비장탄의 미세한 구멍에 모

여 있다. 수소와 산소기체의 발생 부피비가 다르므로 차이점을 확인하도록

한다.

3. 기체 발생을 충분히 시킨 후 직류전원장치(AA형 건전지)에서 떼어 멜로디키트에

(+), (-)극을 맞추어 연결하고 소리가 잘나는 들어본다.

♠ 주의사항1. 비장탄은 잘 잘리지 않아 원하는 모양과 크기를 얻기 어려우므로 알루미늄 호일

로 윗부분을 싸고 전선으로 연결한다.

2. 전원장치를 사용할 때 갑자기 전원을 올리면 퓨즈가 나가거나 안전사고가 발생하

기 쉽다. 반드시 전압을 서서히 올려서 사용하고 최대 전압이 9V가 넘지 않도록

지도한다.

3. 전기 누전이나 감전에 주의한다.

알게 된 점.

알아봅시다.

1. 전기화학(electrochemistry)• 전기현상과 이에 따르는 화학변화와의 관계를 연구하는 화학의 한 분야. 전지, 전기분해, 계면(界面) 전기현상, 전기 열화학, 기체 내의 방전 외에 고체․액체․기체의 구조, 물체 내의 도전현상(導電現象), 이온화 상태 등을 연구한다. 역사적으로는 18세기 이탈리아의 L. A. 갈바니와 A. 볼타의 기전력의 개념과 전지의 발명에서 비롯되었다. 그 후 전기분해에 관한 패러데이의 법칙(1883), 아레니우스의 이온화설(1887), 강한 전해질에서의 디바이-휘켈의 이론(1923) 등이 제출되고, 또 열역학․양자역학․통계역학 등 물리학의 여러 이론과 절대반응 속도론의 발달과 더불어 전극반응 등의 연구가 진전되었다. 특히 전기화학의 원리를 응용한 분석법의 발전은 주목할 만하며, 화학의 여러 분야에서 각종 측정법에 널리 이용되고 있다. 또, 전기화학 반응을 이용한 공업 및 전기로에서 얻을 수 있는 고온을 이용하는 화학공업을 포함한 전기공업으로도 발전하고 있다.

2. 전기분해 가. 전기 분해란 무엇인가? 전기 에너지를 화학 에너지로 바꾸는 것 나. 전기분해조건 : 전기에너지, 전해질, 전극(금속) 다. 수용액의 전기 분해 1) (-)극에서의 반응 : 양이온이 끌려가 전자를 얻어 환원된다. 그러나 물보다 환원되

기 어려운 K+, Na+, Ca2+, Mg2+ 등은 물이 대신 환원되어 수소 기체가 발생한다.2H2O + 2e- → H2 + 2OH-

2) (+)극에서의 반응 : 음이온이 끌려가 전자를 잃고 산화된다. 그러나 물보다 산화되기 어려운 SO42-, NO3-, CO32-, PO43- 등은 물이 대신 산화되어 사소 기체가 발생한다.

2H2O → O2 + 4H+ + 4e-

라. 용융액의 전기 분해 : 전해질의 양이온과 음이온만 존재하므로 (-)극에서는 전해질의 양이온이 환원되고, (+)극에서는 전해질의 음이온이 산화된다.

3. 패러데이의 법칙 가. 전기 분해 할 때 생성되거나 소모되는 물질의 양은 흘려 준 전하량에 비례한다.

전하량( ) = 전류의 세기( ) ×　시간() 나. 일정한 전하량에 의해 석출되는 물질의 양은 원자량이온의 전하수 에 비례한다. 다. 1패러데이(F) : 전자 1몰의 전하량(Q), 1F = 96500C

4. 전기분해(화학Ⅱ 수준) 가. 전기분해 : 전해질 수용액(용융상태)에 전극을 꽂고 전류 통하면 ▶ 전해질이 화학변화를 일으키는 현상

나. 전기 음성도가 큰 원소 및 원자단이나 이온화 경향이 큰 금속은수용액 중에서 방전키 어려워 ▷H+이나 OH-을 대신 방전

※ 수용액 중에서 방전하기 어려운 이온 1) 양이온 : K+,Ba+2,Ca+2,Na+,Mg+2,Al+3

▶ (-)극에서 H+이 대신 방전 2H+ + 2e- → H2↑ 2) 음이온 :NO3-,F-,SO4-2,PO4-3,CO3-2

▶ (+)극에서 OH-이 대신 방전 2OH- - 2e- → H2O + 1/2O2↑

다. H2O의 전기분해 2H2O → 2H+ + 2OH-

(+극) : 2OH- - 2e-→ H2O + 1/2O2↑ (-극) : 2H+ + 2e- → H2↑

5. 전기분해에서 양적 관계 가. Faraday의 법칙. 1) 제1법칙: 전기분해에 의해서 석출되는 물질의 양▶ 통과한 전기량에 비례 2) 제2법칙: 전기량이 일정하면 석출되는 물질의 양 ▶ 그물질의 g당량에 비례 ※ 당량 = 원자량/ 원자가(이온의 전하량) ※ 전기량(Q Coulomb) = 1amp(전류의 세기) ⁓ 1sec(시간) 1F = 96,500 Coul. ▶ 1g당량 석출

6. 전기분해의 이용 가. 구리의 전기 제련 1) (+)극 : 불순물이 함유된 구리 2) (-)극 : 순수한 구리

3) 전해액 : 제련코자 하는 금속을 포함한 염의 수용액(CuSO4 등) 전기 분해하면, (+)극에서는 해당 금속의 양이온이 녹아 나오고, (-)극에서는 순수한 금속이 석출된다.

(예) 양극 : Cu → Cu+2 + 2e- 음극 : Cu+2 + 2e- → Cu (구리석출)

7. 연료전지물의 전기분해에서는 물에 전류가 흐르면 수소와 산소기체로 분해반응을 한다.

연료전지의 기본원리는 그림과 같이 물의 전기분해와 역원리로서, 수소와 산소를

전기화학적으로 반응시키면 물을 생성함과 동시에 전기를 외부로 취출하는(즉, 발

전하는) 장치이다. 수소와 산소를 계속 공급하면 연속해서 발전할 수 있으므로 발

전 장치로서 이용할 수 있다. 연료전지의 전기화학적인 반응식은 다음과 같다.

전체반응 : H 2 +12O 2 → H 2O+전기

연료극 반응 : H 2 → 2H ++ 2e -

공기극 반응 :12O 2+ 2H ++ 2e -

→ H 2O

[연료전지의 기본원리]

9. 연료전지의 기본구성연료전지의 구성단위를 셀(단전지라고도 한다)이라 하며, 셀은 (+)의 전극판(공

기극)과 (-)의 전극판(연료극)이 전해질을 포함한 층을 겹친 샌드위치와 같은 구조

를 하고 있다. 공기극과 연료극에는 수많은 세밀한 구멍이 나 있고, 여기를 외부

에서 공급된 공기 중 약 20 %의 산소가 포함되어 있으므로, 공기가 통과함에 의

해 반응이 일어난다.

수소는 전해질을 접촉하는 면까지 들어가 있어서 전자를 유리하여 수소 이온이 되

고 전자는 밖으로 나가버린다. 전해질을 통과한 수소 이온은 반대 측의 전극에서 보

내진 산소와 외부에서 전선을 통해 돌아온 전자와 반응해서 물이 된다.

이러한 전자와 이온으로 분리되는 시점이 연료 전지의 원리 중 가장 중요한 점

이다. 전자가 전선을 이동하는 것은 전류가 흐르는 것, 즉 전기가 발생하는 것이

된다. 그러나 단층의 셀에 의한 전기 발생은 많지 않다. 따라서 필요한 전기 출력

을 얻기 위해서는 직렬로 연결하게 하여 셀을 적층하고, 상하 셀 사이에는 수소와

산소의 통로를 막으면서 적층된 셀을 전기적으로 연결하는 역할을 하는 세퍼레이

터가 들어간다. 이 셀을 적층한 것을 연료전지 발전장치 중에서는 연료전지 본체

인 셀 스택이다.

9. 무아레(Moire) 무늬를 이용한 파동 학습

경북과학교사모임

석보중학교 허서구

1. 활동 목적

여러 가지 무아레 무늬를 만들어 살펴보면서 그 특성을 알아보고 무아레 무늬를 이

용한 정밀한 자와 각도기를 만들어 직접 물체의 길이와 각도를 측정하여 봄으로써 첨

단 기술도 근본 원리는 대부분 우리 주위에서 흔히 볼 수 있는 현상과 밀접한 관계가

있다는 것을 안다.

무아레 무늬는 일상생활에서 흔히 볼 수 있는 현상이며, 이 현상은 파동의 간섭

현상과 마찬가지로 무늬들이 겹쳐서 나타난다. 이로써 파동의 현상을 모형으로 이

해할 수 있다

2. 활동 내용

가. 무아레 무늬 만들기

실험목적 : 무아레 무늬를 이용하여 파동이 겹쳤을 때 다양한 모습을 관찰할 수

있다.

준비물 : 무아레 무늬가 인쇄된 필름, 밑그림

실험방법

1) 평행선 무늬의 결정

비슷한 높이의 무늬를 겹치면 어떻게 보일까? 주기가 다른 평행선 무늬를 겹쳐

서 알아보자.

2) 동심원 무늬의 결정

고요한 수면에 돌맹이를 던지면 동심원의 물결이 퍼져 나간다. 두 곳에서 출발

한 물결은 어떻게 펴져나갈까? 주기가 같은 동심원 무늬 2장을 겹쳐서 알아보

자.

3) 평행선과 동심원의 겹침

나란한 직선으로 파동이 나아가고 있을 때, 기둥이나 섬을 만나면 이곳으로부

터 동심원의 파동이 시작되어 퍼져나간다. 원래의 직선 파동과 동심원의 파동

이 만나면 어떻게 될까?

동심원 무늬와 평행선 무늬 2장을 겹쳐서 알아보자.

(여러 가지 무아레 격자)

보충설명

1) 맥놀이

명암의 큰 줄무늬가 생기는 이유는 어두운 선끼리 정확히 겹치는 곳과 어둡고 밝

은 선아 비껴서 겹치는 곳이 반복되기 때문이다. 어두운 선끼리 정확히 겹치는 곳

은 밝은 부분이고, 어둡고 밝은 선이 비껴서 겹치는 곳은 어두운 부분이다. 모아레

무늬의 주기는 P, 겹치는 두 평행선의 주기를 각가 P1, P2라 할때, 이들 사이의 관

계는 다음 식으로 주어진다.

│

│

따라서 주기가 각각 1mm, 0.9mm인 두개의 평행선이 겹쳐 졌을때, 큰무늬의 주기

P는,, 즉 9mm가 된다. 두파동이 서로 겹칠때, 머루와 마루 또는

골과 골이 만날때는 더큰 마루나 골이 생기며. 마루와 골이 만날때는 서로 상쇄되

어 없어진다, 모아레 무늬와 연결하면 작은 줄무늬의 밝은 부분이 마루, 어두운 부

분이 골에 해당하며 무아레 무늬의 어두운 부분이 상쇄되는 곳에 해당된다.

2) 구면파와 구면파의 중첩

어둡게 보이는 곳은 실제 파동이 겹쳤을 때, 서로 상쇄되어 진폭이 줄어드는

곳이다. 연결된 무아레 무늬는 모두 두 전파원까지 거리가 같은 지점들이다. 동심원

으로 퍼져나가는 두 개의 파동이 겹치면 진폭이 커지거나 작아지는 곳이 쌍곡선 형

태로 나타난다.

3) 구면파와 평면파의 중첩

어둡게 보이는 곳은 실제 파동이 겹쳤을 때, 서로 상쇄되어 진폭이 줄어드는 곳이

다. 평면파의 진행방향 쪽으로는 무아레 무늬 사이의 간격이 넓고, 진행방향에서 멀어

질수록 무아레 무늬 사이의 간격이 좁아진다. 동심원으로 퍼져나가는 파동과 직선으로

퍼져나가는 파동이 겹치면 동심원의 중심으로부터 방사선 모양의 간섭 무늬가 생긴다.

참고 사이트 : http://www.bu.edu/smec/lite/moire/

나. 무아레 자와 각도기 만들기

1) 무아레 자 만들기

실험목적 : 무늬의 변화를 길이와 연결시키는 과정에서 무아레 무늬를 이용한 무

아레 자와 각도기를 만들어 짧은 길이와 작은 각도를 측정할 수 있다.

준비물 : 무아레 자 세트(큰 줄무늬 종이판, 작은 종이판, 작은 줄무늬), 딱 풀, 돋

보기, 무아레 각도기가 그려진 투명용지, 아일렛

실험방법 :

1) 작은 종이판 제작: 아래의 그림에 표시된 아들자 덮개의 A 부분을 떼어낸 후

한 곳에 놓아둔다. 그 다음 아들자의 A 부분을 아들자 덮개의 A 부분과 겹치

도록 하여, 딱풀로 붙인다. (주의!: 이 때, 아들자의 투명한 부분의 여백의 폭이

아들자 덮개와 일치하도록 한다.)

2) 아들자 덮개의 접히는 부분을 접어서 어미자에 감싼 다음, 아들자 덮개의 양끝

을 딱풀로 붙인다. 이때, 아들자가 어미자를 따라 움직일 수 있도록 하여야 한

다.

3) 아들자의 기준선을 어미자의 0눈금 선과 일치시킨다. 이때 아들자 위의 가장

검은 칸 앞에 0이라고 쓰고, 나머지 9개의 칸에 1～9의 숫자를 시계 방향으로

돌아가며 표시한다.

4) 과정 1)에서 A 부분을 떼어내고 난 나머지 조각을 접어서 아래 그림과 같이

붙인 다음, 아들자를 쉽게 움직일 수 있도록 손잡이로 이용할 수 있다.

☞ 아들자의 구조: 아들자는 아래 그림과 같이 전체 적으로 10개의 사각형에 직선

무늬의 격자가 그어져 있다. 각각의 사각형에서 무늬는 서로 1/10mm 씩 어긋나게

시작하고 있다. 따라서 아들자를 어미자 위에서 1mm 움직이면, 아들자와 어미자

가 겹쳐서 만들어진 짙은 무늬가 사각형을 한바퀴, 즉, 10칸을 모두 돌게 된다.

보충설명

무아레 자를 이용한 길이 측정하기

(1) 측정하고자 하는 물체의 끝점을 어미자의 0점에 위치시킨다.

(2) 아들자의 모서리를 다른 끝점에 정확히 위치시킨 다음 눈금과 무늬를 보고 길

이를 읽는다.

*.여러 가지 그림을 실제로 측정하여 보자. 만약에 자의 눈금이 6mm를 넘어섰고,

네번째 사각형이 검게 변했다면 이 물체의 길이는 6.4mm이다.

2) 무아레 각도기 만들기

- 원리

(a)기존각도기,(b)어미각도기(89.5등분),(c)아들각도기(90등분),(d)완성각도기

180도를 어미각도기는 89.5등분 아들각도기는 90등분을 한다. 원으로 했을 때 어미

각도기는 179등분 아들각도기는 180등분이 된다. 이두각도기의 한 칸의 차이로 인

한 무아레 무늬의 주기는

에 의해서N2-N1=1 이면 무아레 무늬의 주기 W는 360o가 된다. 이

경우에 주기 P2인 격자가 한 주기만큼 이동하면 무아레 무늬는 주기 W만큼 즉,

360o회전하게 된다. 그럼 다시 이 원을 반원으로 생각했을 때 아들 격자를 1° 움직

였을 때 무아레 무늬는 180°가 이동하게 된다.

- 측정방법

① 측정하고자 하는 각도의 기준선과 기준 점에 기준 각도기, 어미 각도기, 아들 각

도기의 기준점을 일치시킨다.

② 기준각도기는 고정시키고 우선 어미각도기와 아들각도기를 측정하고자 하는 각

도의 자연수 부분의 위치에 일치시킨다.

③ 기준각도기와 어미각도기를 고정시키고 아들각도기를 측정하고자 하는 선에 일

치 시킨다.

④ 기준각도기와 어미각도기가 일치하는 1°단위의 값은 읽고, 검은 무아레 무늬가 생

기는 부분의 중간부분이 어미각도기의 안쪽에 0.1°단위에 일치하는 값을 읽으면 된다.

참고사이트 : http://www.moire.kongju.ac.kr

다. 무아레 키트 만들기

실험목적 : 무아레 무늬를 이용하여 나비의 모습이나 달리는 퓨마의 모습을 만들어

본다.

준비물 : 전개도 1장, 격자무늬가 있는 필름지 1장, 나비가 인쇄된 종이 1장

실험방법

1. 전개도의 점선 부분을 전부 접어준다.

2. 전개도를 펼쳐 ③ 부분에 풀칠을 하여 ③과④를 붙여준다.

3. ④와⑤ 사이의 점선 부분을 접고 ⑥을 왼쪽으로 접은 후 ②에 있는 갈고리에 맞

춰 끼워 주고 홈에 끼워준다

4. 나비(퓨마) 그림을 오려 ⑥의 사각형에 맞춰서 붙인다.

5. 격자무늬의 필름을 ②에 있는 선에 맞춰서 스카치테이프로 고정시켜 준다.

6. ①을 아래로 내려서 접어주고 스카치테이프를 이용하여 옆과 아래에 붙여준다.

7. ③과 ④를 오른쪽으로 덮어주면서 나비가 잘 날아가는지 확인해 본다.

참고사이트 : http://www.olympusmicro.com/primer/java/moire/

보충학습

무아레(Moire)란 단어는 프랑스인들이 고대 중국에서 수입된 비단 위에 나타나는

'물결무늬'를 일컬었던 말로, 요즘에는 두 개 이상의 주기적인 물결무늬가 겹쳐져

생기는 간섭무늬(interference fringe)를 지칭하는 단어로 사용됩니다.

맥놀이 현상이란 주파수가 비슷한 두 개의 파동이 서로에게 영향을 미쳐 두 주파

수의 차이에 따라 주파수 폭이 일정한 주기로 변하는 것을 말합니다. 보신각종을

쳤을 때 뒤로 갈수록 종소리가 커졌다 작아졌다 하면서 여운을 남기는 것을 그 예

로 들 수 있습니다. 타종되는 종의 부위와 두께가 정확하게 일치하지 않기 때문에

종을 쳤을 때 유사한 두 개 이상의 음이 발생하게 되는 것입니다. 서로 비슷한 주

파수를 가진 소리들은 상대방 주파수에 상쇄와 보강을 일으켜 일정한 주기를 형성

하게 됩니다. 바로 이 주기에 따라 종소리가 커졌다 작아지는 것처럼 들리게 되고, 두

주파수가 일치하게 되면 이러한 현상은 사라집니다.

무아레 현상은 맥놀이 현상이 시각적으로 발생하는 것으로, 일정한 간격을 갖는 물

체 사이에 발생하는 간섭무늬를 말합니다. 다시 말하면 무아레 현상이란 일정한 패

턴을 가진 여러 무늬가 겹치면서 새로운 무늬를 만들어내는 현상을 말하는 것입니다.

위의 경우 직선과 직선무늬가 만나면서 새로운 직선무늬가 생겼고, 직선과 원무늬

가 만나면서 타원 및 쌍곡선무늬가 생겼습니다.

얇은 천의 올이 서로 겹치면서 만들어내는 무아레 무늬. 인쇄나 방송에서는 원래

의 모습을 왜곡시키는 천덕꾸러기로 대접 받지만, 짧은 길이를 축정하거나 자동차

나 비행기의 편평한 정도를 알아내는 데 까지 이용되고 있습니다.

무아레 무늬를 이용하면 여러가지 재미있는 현상을 관찰할 수 있습니다. 안 보이

던 표범도 보이게 할 수 있고, 여러 색깔의 판이 움직이게 할 수도 있습니다. 또 움

직이는 모습도 만들 수 있습니다. 아무 것도 보이지 않는 줄무늬판을 서로 겹쳐보

면 갑자기 표범이 나타나는 것을 볼 수 있습니다. 1개의 판을 90도 회전시켜서 다

시 살펴보면 배경에 줄무늬가 생기고 무늬가 없는 표범이 나타나게 됩니다. 갑자기

표범이 나타나는 이유는 무엇일까요. 그 비밀은 그림에 그려진 줄무늬의 방향에 있

습니다. 표범이 그려져 있는 줄무늬판의 경우 그림의 안쪽은 수평선이, 바깥쪽은 수

직선이 그어져 있고, 이 그림 위에 수평선 줄무늬를 겹치면 작은 각으로 겹치는 안

쪽에만 무아레 무늬가 생기고, 큰 각으로 겹치는 바깥쪽에는 무아레 무늬가 생기지

않습니다. 노랑, 초록, 빨강, 파란색 선이 그려진 사각형 줄무늬판 위에 흑백으로 이

뤄진 줄무늬판을 겹쳐서 흑백판을 한 쪽으로 이동시키면서 어떤 모습이 나타나는지

살펴봅시다. 빨강, 초록, 노랑, 파란색으로 이뤄진 작은 사각형이 큰 사각형 내에서

움직입니다. 검은 평행선이 한 가지 색깔의 선만 남기고 나머지 선은 가려버리기

때문에 위치에 따라 색깔이 한 가지만 나타나게 됩니다. 무아레 무늬를 이용하면

동영상을 만들어볼 수 있는데, 2쌍의 날개가 그려진 나비 그림 위에 흑백의 줄무늬

판을 한쪽으로 이동시키면서 어떤 모습이 나타나는지 살펴봅시다. 줄무늬판이 이동

하면서 나비는 날개를 위아래로 흔들게 됩니다. 어떻게 이런 일이 일어날까요. 이것

은 평행선의 위치에 따라 보이는 날개 가려지는 날개가 있기 때문이고, 연속해서

움직이는 동영상을 볼 수 있는 이유입니다.

일상생활에서 볼 수 있는 응용

○ 햇빛이 비치는 날 모기장이나 커튼 등이 겹쳐져 있으면 물결무늬가 생기는 것

○ 줄무늬 옷을 입고 촬영한 사진이나 일정한 간격의 구조물을 촬영했을 때 무지개

빛이 나타나는 모습

○ TV시청 중에도 종종 줄무늬가 강한 양복 등의 복장을 한 출연자 모습

○ 과학자들은 무아레 무늬를 이용해 아주 짧은 길이를 측정합니다. 두 장의 줄무늬

를 겹친 다음, 어느 한 장을 이동시키면 밝은 곳과 어두운 곳이 서로 겹쳐서 어

둡게 되는 부분의 위치가 달라집니다. 이때 무아레 무늬가 이동하는 것처럼 보이

게 되는데, 이동하는 줄무늬가 한 주기 움직여 가면 처음 출발했을 때와 똑같은

모양으로 겹치기 때문에 무아레 무늬도 처음과 같은 모양이 됩니다. 겹쳐진 줄무

늬 중 어느 한쪽이 한 주기 이동해가면 무아레 무늬도 한 주기 움직인다는 것을

알 수 있습니다(과학동아 1998년 9월호 사이언스파티 참고).

○ 무아레 무늬는 물체 표면의 편평도를 측정하는데 사용됩니다. 물체의 높낮이를

등고선으로 나타낼 수 있기 때문에 자동차나 비행기 표면의 편평도나 체형 이상

등을 손쉽게 알아낼 수 있습니다. 실제로 무아레 무늬를 이용해 척추 이상을 파

악하기도 합니다.

○ 무아레 무늬는 그림을 스캔할 때 화질을 떨어뜨리는 원인이 되기도 합니다. 책을

인쇄할 때 색깔은 망점이라고 하는 작은 색점을 촘촘히 찍어서 나타내는데, 고해

상도로 스캔하면 각 색점이 겹쳐서 무아레 무늬를 만듭니다.

○ 무아레 무늬는 컬러 인쇄물에서도 나타납니다. 컬러로 인쇄된 자료를 보기 위해

서는 한 종이에 4개의 필름판(C, M, Y, K)을 인쇄해야 모든 색깔을 다 나타낼

수 있는데, 이 때 겹치는 각 망점에 의해 무아레 무늬가 나타날 수 있습니다. 따

라서 실제 인쇄할 때는 이를 피하기 위해 각 색깔 필름 망점의 각도를 서로 다

르게 출력해서 무아레 무늬가 생기지 않도록 합니다.

○ TV 모니터에서도 무아레 무늬를 볼 수 있습니다. 특히 가는 줄무늬가 화면에 있

으면 그 주위로 무아레 무늬가 생깁니다. 모니터에는 색깔을 나타내기 위한 빨

강, 초록, 파랑의 세가지 화소가 있는데, 이 세 화소의 위치가 조금씩 다르기 때

문에 이들 화소가 만드는 상은 약간 어긋나게 됩니다. 이 상들이 겹쳐져서 무아

레 무늬를 만드는 것입니다.

○ 만원 지폐의 한쪽에는 동심원이 아주 촘촘히 그려져 있습니다. 이 때문에 컬러

복사나 스캔을 하면 무아레 무늬가 나타나서 위조된 지폐임을 쉽게 알 수 있게

되는 것입니다.

3D 사진 찍기 3D 사진 보기

10. 3D 사진 만들기 류화수

보인고등학교

이게 뭘까요?

평면에 표현된 사진을 입체적으로 볼 수 있다.

준비물

디지털카메라 2대, 삼각대 2개, 사진 용지(4×6), PVC

필름지(빨강, 파랑), 안경틀 종이, 노트북, 프린터, 셀로판 테이프

해볼까요?

① 한명씩 지정된 장소에서 다양한 포즈로 사진을 찍는다.

② 스테레오 포토 메이커 프로그램을 이용하여 적청 합성 사진을 제작한다.

③ PVC 필름지를 이용하여 적(좌)청(우) 안경을 만든다.

④ 프린터기를 이용하여 사진 용지에 합성 사진을 출력한 후 적(좌)청(우) 안경을 쓰고 관찰한다.

3D 사진(보인고) 3D 사진(잼버리 참가 학생)

입체 안경 도안

3D 전갈자리 3D 사자자리

입체 안경 도안

추가 활동 - 3D 별자리 만들기

* 스테레오 포토 메이커(Stereo Photo Maker) 프로그램 사용법

프로그램 다운 및 설명 (http://danbis.net/8850)

① stphmkre.exe를 실행

② File - Open Left/Right Images

③ 메뉴바 - Color Anaglyph - Auto Alignment

④ 방향키를 움직여 위치 변경 가능

⑤ File - Save Stereo Image

⑥ File - Make Animation GIF로 저장하면 안경이 필요없는 3D 가능

더 알아보기

3D 디지털 카메라 뉴스 http://www.ebuzz.co.kr/content/buzz_view.html?ps_ccid=86007

입체 영화

입체의 정의

선과 같이 길이만 존재하고 표현할 때 1차원이라 한다. 사각형은 선에서 발전하여 넓이를 가지고

있다. 이렇게 넓이를 가지고 있는 면을 우리는 2차원이라 한다. 이러한 1차원, 2차원의 세계는

우리 눈에 실제적으로 보이지는 않는다. 왜냐하면 우리 눈에 보이는 세계는 모든 것이 3차원으로

이루어졌기 때문이다. 3차원이란 넓이를 가지고 있는 면에서 한 단계 더 발전하여 깊이를 가지고

있는 것이다. 1차원이나 2차원을 볼 때는 한쪽 눈으로 보나 두 눈으로 보나 보이는 내용에 있어

서 별 차이가 없다. 하지만 3차원의 세계는 선과 면 이외에 깊이가 있어 한쪽 눈으로 볼 때와 두

눈으로 볼 때는 상당한 차이가 나게 된다. 입체란 이렇게 가로, 세로, 높이 세 개가 어우러져 이

루는 모양이 된다.

입체를 보는 시각

보통의 영화는 한쪽 눈으로 보는 것(영화 촬영시에 한대의 촬영기로 촬영하는 것)과 같이 거리

감각이 존재하지 않는 것인데 반하여 입체영화는 화면과의 거리는 느껴지지 않고 오직 화면에 구

성되어 있는 영화장면이 마치 창을 통하여 보고 있는 것처럼 완전한 거리감이 생기게 된다. 입체

영화를 촬영하려면 두 대의 촬영기로 우리 눈이 양쪽 눈으로 물체를 바라볼 때처럼 좌 우 동시에

촬영을 한다. 촬영한 두개의 필름은 좌우로 약간의 차이를 보이게 되는데 이 두 장면의 그림 사

이에 검은 종이를 세우고 왼쪽 그림은 왼쪽 눈으로 오른쪽 그림은 오른쪽 눈으로 동시에 보게 되

면 입체로 보이게 된다.

입체영화의 원리

일반 입체영화에서는 빛의 성질 중에서 편광이란 성질을 이용하고 있다. 빛은 사방으로 진동하면

서 진행하다가 편광물질을 지나게 되면 한 방향으로만 진동을 하게 되는데 진행 도중 현재의 진

행방향과 직각으로 놓인 편광물질을 만나면 더 이상 진행하지 못하게 된다. 영화의 영사기 앞에

편광판을 삽입하면 그 편광판의 편광방향으로만 진동하는 빛이 영사 스크린에 비춰지게 되는데

그와 직각방향의 편광안경을 착용하고 보면 보이지 않고 영사기의 편광판과 같은 방향의 편광안

경으로 보면 보이게 된다. 이와 같이 영사기와 안경에 편광판을 설치함으로써 좌우 두 눈은 다른

영상을 볼 수 있다.

입체영화의 발전사

입체영화의 효시는 1935년 미국의 MGM이 내놓은 오디오스코픽스 방식의 영화(단편)였다. 그 후

필름 표면에 청색화상, 뒷면에 적색화상을 가진 한 개의 프린트와 한 대의 영사기로 역시 파랗고

빨간 색안경을 쓰고 보는 방식도 등장하였다. 1952년 미국에서 특수한 대형 스크린영화인 시네라

마가 출현하였으며, 각 영화사가 그와 비슷한 상영효과를 재래식 영사기로 실현시키기 이전인

1953년 3-D라고 하는 새로운 이름으로 내추럴비전방식을 출현시켰고 잇달아 입체 컬러영화가

제작 공개되었다.