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제1실험실 : 과발연/인과사/참과학

눈으로 보는 기압

한국과학발명놀이연구회 은석초등학교 장 찬 곤

초등학교 교육과정에 기압에 대한 내용이 나오는데, 주사기를 이용한 실습이 제시되어 있다. 학생들이

주사기를 이용한 실험으로 주사기와 나란한 양쪽 방향으로만 기압이 작용하는 것으로 자칫 잘 못 판단

하기 쉽다. 아래의 내용은 간단한 연결세트를 이용하여 기압은 모든 방향에서 작용하는 것을 눈으로 쉽

게 확인하며 실험을 할 수 있다.

1) 무엇이 필요할까요?

풍선(소, 대), 온도계, 타이어 공기주입구, 고압호스, 연결관, 드라이버, 스티로폼, 발펌프, 페트병, 페트

병 뚜껑, 가위

2) 어떻게 할까요?

(1) 페트병 뚜껑에 연결관 지름 넓이로 구멍을 뚫는다.

(2) 타이어 공기 주입구를 가위를 이용하여 고압호스 굵기에 맞게, 고무를 잘라낸다.

(3) 연결관을 페트병 뚜껑의 홈을 통과하여 고무관에 끼운 후, 드라이버로 조여준다.

(4) 연결관 세트 양쪽에 페트병과 발펌프를 연결한다.

(5) 발로 발펌프를 밟아 페트병 안에 공기를 넣어준후, 변화를 관찰하여 보자.

*** 페트병안에 공기풍선과 물풍선을 같이 넣고 공기를 넣으면 어떻게 될까?

*** 페트병안에 온도계를 넣고 공기를 넣으면 어떻게 될까?

*** 페트병안에 스티로품과 구슬을 넣고 공기를 넣으면 어떻게 될까?

*** 페트병안에 공기를 넣은후 순간적으로 공기를 빼내면 어떻게 될까?

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드라이아이스를 이용한 다양한 실험

1.드라이아이스 권총

1) 무엇이 필요할까요?

나무젓가락, 필름 통, 고무줄, 칼, 드라이아이스

2) 어떻게 할까요?

(1) 나무 젓가락 한쪽 끝에 필름 통을 대고

고무줄로 묶어 고정시킨 다음, 다른 쪽에는 반을

자른 나무 젓가락 세 개를 대고 고무줄로 감아

삼각형 모양의 손잡이를 만든다.

(2) 필름 통 속에 드라이아이스 조각을 넣고

뚜껑을 닫은 다음 과녁을 겨눈 채 20초 정도를

기다린다.

2. 슬러시 만들기

1) 무엇이 필요할까요?

종이컵, 음료수, 스푼, 빨대, 드라이아이스

2) 어떻게 할까요?

(1) 종이컵에 음료수를 ½가량 넣는다.

(2) 드라이아이스 가루를 3스푼 가량 넣고 천천히 저어준다.

3. 얼음 과자 만들기

1) 무엇이 필요할까요?

수조, 나무젓가락, 알코올, 음료수, 시험관, 드라이아이스

2) 어떻게 할까요?

(1) 시험관이나 용기에 음료수를 넣고 나무 젓가락을 꽂아준다.

(2) 수조에 드라이아이스를 넣고 알코올 붓는다.

(3) 음료수를 넣은 시험관을 수조에 넣고 30분 정도 기다린다.

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4. 춤추는 동전

1) 무엇이 필요할까요?

동전, 드라이아이스

2) 어떻게 할까요?

(1) 드라이아이스 표면에 동전을 꽂아준다.

(2) 자세히 살펴보면 동전이 소리를 내면서 떠는 것을 볼 수 있다.

5. 저절로 커지는 풍선

1) 무엇이 필요할까요?

풍선, 드라이아이스

2) 어떻게 할까요?

(1) 드라이아이스 표면에 동전을 꽂아준다.

(2) 자세히 살펴보면 동전이 소리를 내면서 떠는 것을 볼 수 있다.

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로봇 만들기하늘아이

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라인트레이서 매뉴얼

Chapter 1. 소자에 대해서 알아보자

① 저항 (Resistor)

저항기란 전류의 흐름을 억제하는(흐름을 곤란하게 하는) 기능을 가지고 있다.

저항값의 단위는 ohm(Ω:옴)이 사용된다. 그리고, 1000Ω은 1kΩ(킬로옴), 1000kΩ은 1MΩ(메가옴)이

라 부른다.

◆ 저항의 컬러코드(color code)를 읽는 방법

※[색의 순서는 무지개색인 빨주노초파남보]에서 남색이 빠진 구성임

색 깔 수 치 비 고

흑색 0 제1, 2, (3)숫자, 승수

갈색 1 제1, 2, (3)숫자, 승수, 오차

적색 2 제1, 2, (3)숫자, 승수, 오차

등색(주황) 3 제1, 2, (3)숫자, 승수

황색 4 제1, 2, (3)숫자, 승수

녹색 5 제1, 2, (3)숫자, 승수

청색 6 제1, 2, (3)숫자, 승수

자색(보라) 7 제1, 2, (3)숫자

회색 8 제1, 2, (3)숫자

백색 9 제1, 2, (3)숫자

금색 5% 오차

은색 10% 오차

◆ 저항은 4색띠 저항과 5색띠 저항이 있습니다. 정밀도가 높은 저항의 경우 6색띠 저항도 있으며 이

때 마지막 띠색은 온도 계수를 표현합니다.

(황=4),(자=7),(흑=0),(적=2)

470× 102 = 47 KΩ

정밀도(갈) = ± 1%

(갈=1),(흑=0),(등=3),(금)

10 × 103 = 10 KΩ

　 정밀도(금) =± 5%

② 트랜지스터 (Transistor)

트랜지스터는 기본적으로는 전류를 증폭할 수 있는 부품이다.

아날로그 회로에서는 매우 많은 종류의 트랜지스터가 사용되지만, 디지털 회로에서는 그다지 많은 종

류는 사용하지 않는다.

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디지털 회로에서는 ON 아니면 OFF의 2차 신호를 취급하기 때문에 트랜지스터의 증폭 특성에 대한

차이는 별로 문제가 되지 않는다.

회로 기능은 대부분이 IC로 처리하는 경우가 많다.

디지털 회로에서 트랜지스터를 사용하는 경우는 릴레이라고 하는 전자석 스위치를 동작시킬 때(릴레

이는 구동전류를 많이 필요로 하기 때문에 IC만으로는 감당하기 어려운 경우가 있다)나, 발광 다이오드

를 제어하는 경우 등이다.

◆ 트랜지스터의 리드(다리)

2SC1815의 경우

품명이 인쇄되어 있는 평평한 면을 바라보았을 때,

오른쪽 리드가 베이스

중앙의 리드가 컬렉터

왼쪽의 리드가 이미터

이다.

③ LED (Light Emitting Diode)

LED는 Light Emitting Diode의 약자로 발광 다이오드를 뜻하며 이는 화합물반도체의 특성을 이용해

전기 신호를 적외선 또는 빛으로 변환시켜 신호를 보내고 받는 데 사용되는 반도체의 일종으로 가정용

가전제품, 리모콘, 전광판, 표시기, 각종 자동화 기기등에 사용된다

◆ LED 부분별 명칭

1. 칩 (Chip)

2. 리드 프레임 (Lead frame)

3. 골드 와이어 (Gold wire)

4. 에폭시 (Epoxy)

5. 케소드 (Cathode)

6. 에노드 (Anode)

◆ LED의 특징

①발열이 거의없다.

②소비전력이 적다(저전압, 저전류로 연속 발광이 가능)

③수명이 길다(정상적인 사용방법으로 하면 반영구적인 수명)

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④발광색이 풍부하고 보기 쉽다.

⑤모양이 다른 발광체를 만들 수 있다.

⑥응답 속도가 빠르다

-최근 초고휘도의 적색 LED가 개발되어 자동차의 스톱램프, 옥외 전광게시판 등에도

사용되고 있다.

④ 광센서

1. 센서 극성 구별 방법

※긴 리드(+)

짧은 리드(-)

2. 발광센서/수광센서 구별 방법

※발광/수광의 윗부분에서 본 그림이다.

●발광센서 : 까맣게 작은 점이 있다.

●수광센서 : 까맣게 비교적 큰 점이 있다.

Chapter 2. 전기에 대해서 알아보자

① 전기(電氣)

BC 600년경 그리스의 탈레스는 호박(琥珀)을 마찰하면 ①대전(帶電)하여 가벼운 물체를 흡인하는 것

을 알고 있었다. 이것이 전기 현상의 최초의 발견인데, 이 호박을 의미하는 그리스어의 ‘엘렉트론’이 그

뒤에 전화(轉化)되어 일렉트리시티(electricity)라는 말이 유래된 것으로 전해진다. 그러나 당시는 전기와 자기(磁氣)가 반드시 구별되어 있었다고는 볼 수 없다.

전기와 자기를 명백히 구별한 것은 16세기 말 영국 엘리자베스 1세의 시의(侍醫)였던 W.길버트인데,

길버트는 자기와 마찰전기에 대해 처음으로 과학적 연구를 하였다. 그 후 프랑스의 물리학자 뒤페가 전

하에 양음(陽陰)의 구별이 있는 사실을 발견하였고, 프랑스의 토목공학자 쿨롱은 전기를 가진 물체 사이

에 작용하는 전기력에 관한 쿨롱의 법칙을 발견하였으며, 또 이탈리아의 물리학자 볼타에 의해 전지가

발명되는 등 전기 현상이 정밀과학으로서의 체계를 갖추게 되었다.

19세기에 접어들자 패러데이와 맥스웰을 비롯한 많은 과학자들이 전기를 연구하게 되어 전기에 관한

법칙이 뒤를 이어 발견되었다. 옴의 법칙, 전자기유도(電磁氣誘導)의 법칙, 전기분해의 법칙, 전류의 자

기작용(磁氣作用) 등이 그것이다. 이와 같은 여러 가지 발견은 산업혁명 후의 시장 확대에 수반되는 신

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속 정확한 통신에의 요망이나, 팽창하는 도시의 조명(照明) 문제 등과 같은 배경 하에서, 기술과 결부되

어 수많은 전기기기 발명의 모체가 되었다.

또 영국의 물리학자 J.톰슨이 발견한 이른바 전자(電子)의 존재는 원자물리학의 발전에 의한 물질구조의 규명과 연결되어, 전자공학(electronics)이라고 하는 전자의 응용분야 즉, 진공관이나 트랜지스터를 이용하는 길을 개척하기에 이르렀다. 또 현대물리학에서 전기라는 것은 물질을 구성하고 있는

②소립자(素粒子)의 속성이라 할 수 있다.

①대전: 물체가 어떤 원인에 의하여 음전하(-) 또는 양전하(+)의 양이 우세해지면, 우세한

쪽의 전기적 성질을 띠게 되는 것.

②소립자: 물질을 세분해 가면 분자 → 원자 → 원자핵 → …이라는 계열을 지나 소립자에

이른다. 이런 의미에서 소립자는 현재 가장 기본적인 입자라고 생각된다.

② 참새는 전기에 왜 강한가?

전류가 통하고 있는 전깃줄이나 고압 송전선에 닿는

것이 사람에게 있어서 얼마나 위험한 일인가를 모르는

사람은 없다. 이러한 전선과의 접촉은 사람에 대해서만

치명적인 것이 아니라 다른 큰 동물에 대해서도 치명적

이다. 말이나 소가 끊어진 전선에 닿았을 때 전류에 의

하여 죽어버리는 경우는 허다하다. 그런데 새들은 아주

태연스럽고 전혀 아무 일도 없이 전선에 앉는다. 이것을

어떻게 설명할 것인가? 센 전류가 새들에 대해서는 해롭

지 않다는 것을 이해하기 위하여 다음과 같은 것을 상기

하자. 전선에 앉은 새의 몸을 하나의 분기회로처럼 생각

할 수 있고 그것의 저항은 다른 분기(새의 두 발 사이의 짧은 전선)보다 거대한 것이다. 따라서 이 분기

(새의 몸)에서의 전류의 세기는 대단히 미미하며 그것이 새에게 해를 줄 정도는 아니다. 그러나 만약 날

개나 꼬리, 주둥이를 전주에 접촉하기만 한다면(어떻게 되든지 땅과만 연결이 된다면) 그의 몸을 지나서

강한 전류가 흐르게 된다. 따라서 그 전류에 의해서 새는 순식간에 죽고 만다. 새들이 고압전주의 팔에

앉아서 전류가 통하고 있는 전선에 주둥이를 문질러 닦는 것을 흔히 볼 수 있지만 전주의 팔은 땅과 절

연되어있지 않다. 이러한 것을 방지하기 위하여 고압선의 팔에 절연된 받침판을 설치하여 새들의 안전

을 보호하기도 한다.

③ 직렬연결이란?

각 전지의 ＋단자와 －단자를 순차적으로 연결하는 방법.

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④ 병렬연결이란?

전기회로에서 두 개 이상의 기기를, 단자(端子)가 공통되게 연결하는 일

(단자: 전기회로나 전기기기 등에서 전극을 접속시키는 곳에 붙이는 쇠붙이)

⑤ 직류와 교류

전류는 전류의 흐르는 방향에 따라 직류와 교류로 나뉜다. 직류는 항상 일정한 방향으로 흐르는 것을

말하며 보통 DC부르고 교류는 전류의 방향이 바뀌는 전류로 AC로 표현한다.

전기의 이용면에서 보면 전지의 충전이나 전기분해의 전원, 전자회로의 전원 등은 직류가 아니면 안

되지만 전열기나 전등은 직류나 교류라도 차이가 없다. 그러나 변압기를 사용하는 송전선이나 배전선,

회전 자기장을 발생시키는 전동기 등은 교류에 한한다.

전기의 실용화 초기에는 직류가 주가되어 도시의 배전도 일부에서는 직류가 사용되었으나 직류에서는

변압기를 사용할 수 없기 때문에 점차 교류로 확대되었다. 한편 전기를 이용하여 동력을 얻는 전동기에

는 교류 전동기와 직류전동기가 있으며 직류전동기는 교류전동기에는 없는 속도 조절이 자유롭다는 장

점이 있어 선호되었다. 그러나 교류를 직류로 만들어 주는 정류기의 발달로 직류의 사용범위는 줄어들

고 있다.

Chapter 3. 전자란 무엇인가?

① 전자의 정체는 무엇인가?

일렉트로닉스(Electronics: 전자공학) 시대, 컴퓨터 시대라는 등의 말을 우리는 자주 듣는데 이는 전자

라고 하는 것이 이미, 우리와 친근한 것임을 말해준다. 그러나 눈으로 볼 수도 없고, 만져서도 알 수

없는 전자가 확인되기까지는 오랜 시간에 걸쳐 많은 사람들의 실험과 연구가 있었다.

19세기 중반의 영국의 패러디와 맥스웰이라는 사람들은 전기를 옮기는 정체(전자)는 아직 알지 못했

으나 전기를 갖고 있는 것에는 어떠한 현상(전자기 현상)이 일어난다는 것을 알아냈다. 그러나 아직도

전자의 정체를 알 수 없는 상태이었다.

따라서 이를 좀 더 알아보기 위하여 영국의 크루크스와 톰슨은 그림1.1과 같이 극히 소량의 기체가

남아있는 유리관 양단에 금속조각을 부착하고 이것에 전압을 걸어주어 유리관내에서 아름다운 빛이 발

생하면서 방전이 일어나는 실험을 하였다. 이때 회로에 전류계를 끼워 넣어 그 바늘이 흔들리는 것을

볼 수 있었다. 즉 전류가 흐르고 있는 것이었다. 다시 말하면 진공을 통하여 전기가 흐르고 있다는 것

이 된다.

그러나, 금속 속에 전기가 흐르는 현상에 대해서도 금속의 정체를 모르고, 전기의 정체도 몰랐다. 그

렇다면 아무것도 없는 진공속의 전류를 조사하는 것이 전기의 정체를 아는 지름길이 아닐까 ? 하고 생

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각한 크루크스는 진공방전을 사용하여 진공속의 전류를 여러 가지로 조사하기 시작하여 다음과 같은 결

론을 내렸다. 즉, 전류란 마이너스의 전하를 가지고 음극으로부터 양극으로 날아가는 극히 작은 전기입

자의 흐름이라는 것이었다. 이것은 큰 발견이었다. 뒤를 이어 톰슨은 음극으로부터 튀어나온 전기입자

를 다시 전기장이나 자기장을 걸고 이것에 의한 입자의 흐름의 변화를 찾았다. 그 결과 나중에 밀리컨

의 실험을 통해 전자는 음전하 -e를 지니고 있고 그 질량은 수소 원자 질량의 1/1837밖에 안된다는 것

이 밝혀졌다.

그 후 로렌쯔는 일반적으로 원자나 분자가 진공방전에 의하여 전자를 방출한다는 것은 원자, 분자 가

운데에 어떤 형태로서 속박된 전자가 들어있음이 틀림없다고 생각하고, 금속 속을 전기가 흐른다는 것

은 금속 속에는 자유롭게 움직일 수 있는 전자(자유전자)가 있다는 로렌쯔의 전자론을 등장시켜 물질

속에 있는 전자의 모습을 남김없이 나타낸 것처럼 보였다. 그러나 약20년 후(1923 -1928 년경) 로렌쯔의

전자론에서와 같이 전자가 단순히 입자로만 생각할 수 없다는 사실이 분명해지면서 전자는 그 자체가

파동이라는 사실이 밝혀지게 된다. 이와 같이 전자는 입자의 성질과 파동의 성질을 더불어 지닌 모습의

불명확성이 있다는 것을 하이젠베르크는 불확정성의 원리라고 불리는 것으로 설명하고 있다.

즉, 우리의 입장에서 보면 전자는 알듯 알듯하나 모르는 부분이 많은 존재이며 여기에서 인간의 직

접적 자연인식의 한계가 있음을 이해할 수 있다.

② 전자의 흐름

◆ 수압과 물의 흐름

투명한 물통 두 개를 다음 그림의 (가)와 같이 유리관으로 연결하여 양쪽 수면의

높이를 같게 한다. 한쪽 물통을 그림 (나)와 같이 높이 들어올려 보자.

무엇 때문에 흐르는가?

(결과) 물이 흐르는 것은 두 물통의 수면의 높이차로 생기는 수압 때문이다. 즉, 높이의 차가 크면 수

압이 커서 물이 많이 흐르고, 높이의 차가 작으면 수압이 작아 물이 적게 흐른다.

무엇 때문에 흐르는지 말할 수 있는가?

(결과) 물의 흐름에서 수압에 해당하는 것으로, 전지 내부에 전류를 흐르도록 하는 것이 있 다

고 생각할 수 있다. 이것을 전압이라고 한다

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◆ 전압과 물의 흐름

그림과 같이 수압이 세면 물의 흐름이 세어지고, 수압이 약하면 물의 흐름이 약해진다. 마찬가지로 도

선에 흐르는 전류도 전지가 가지고 있는 전류를 흐르게 하는 능력에 따라 달라진다. 전지가 가지고 있

는 이러한 능력을 전압이라고 한다.

Chapter 5. 라인트레이서

라인트레이서란 무엇인가?

라인트레이서란 Line(선)과 Tracer(추적자)란 단어의 합쳐진

뜻으로 바닥에 그어진 선을 따라서 이동하는 매우 단순한 형태

의 로봇을 말한다. 즉 흰바닥에 그어진 검은선(또는 검은 바닥

에 그어진 흰선)을 따라가는 기계로서 산업체에서 물건을 나르

는 무인차 (無人車)에 많이 응용되고 있는 기술이다. 우리가

제작할 라인트레이서는 두 개의 모터와 4조의 센서를 사용하여

움직이는데 차체가 라인에서 벗어난 정도를 4조의 광센서를 통

하여 감지하고 감지된 error에 따라 적절히 양쪽 모터의 속도

차를 두어 계속하여 line의 중앙으로 향해 주행하도록 설계되

었다. 여기서 센서에 의해 감지된 error를 모터의 속도차로 변

환하는 방법은 제작자가 직접 jumper(두 선을 연결하거나 끊는 작은 합선도구)와 저항값을 조작하여 다

양한 주행방법을 구사할 수 있도록 되어 있다. 또 전자회로를 처음 접하는 사람이라도 쉽게 원리를 파

악할 수 있도록 기초부터 회로동작의 원리를 설명해 나가도록 하겠다.

라인트레이서의 동작원리(알고리즘)

위에서 언급하였듯이 라인트레이서는 바닥에 그어진 줄을 따라가는 로봇이다. 언뜻 보아서는 장난감

에 지나지 않는 단순한 동작의 장치라고 생각하기 쉬우나 단순한 장난감과는 다른 성격을 가지고 있다.

바로 바닥의 선을 감지한다는 '인식'의 개념이 들어가 있고 또 그 인식된 결과를 가지고 모터의 속도를

제어하는 과정에서 제작자는 로봇제작의 기본을 이해하는데 기초가 되는 지식과 감각을 익힐 수 있다.

이 라인트레서의 동작원리를 이해해 나가는데 있어서 우선은 상식적인 접근을 해보기로 한다.

첫째로 바닥에 선을 감지해야 하니 센서가 필요한데 선은 어둡고 밝은 명암의 차이로 인해 바닥과 구

분이 되니 사용할 센서는 광센서 이어야 한다. 광센서는 기본적으로 빛을 쏘고 그 빛이 반사되어져 오

는 양을 감지하여 센서 전방의 명암을 구분한다. 그리고 차체가 움직여야 하니 모터 가 있어야 하며 방

향을 틀 수 있어야 하니 두개의 모터가 필요하다. 그리고 감지된 센서의 데이터를 모터의 속도의 차이

로 바꾸어주는 회로가 이 라인트레이서의 핵심적인 동작기술이라고 할 수 있다.

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에너지 볼 만들기

인과사

모험이와 슬기는 길을 가다 고압 전신주에 ‘이 전선에는 15,000 볼트의 고압 전류가 흐르므

로 전기가 통하는 물질을 가져다 데면 위험합니다.’라고 적힌 문구를 보았습니다.

모험이 : 우와! 여기에 손을 대었다가는 통닭구이가 되겠다.

슬기 : 그런데 오빠. 우리 몸이 정말 전기가 통하기는 통하는 거야?

모험이 : 그럼! 당연하지 그렇지 않으면 저런 문구가 있겠냐?

슬기 : 에이! 그래도 눈으로 확인하고 싶다. 근데 위험하지 않을까?

모험이 : 걱정마! 오빠가 금방 만들어 줄게. 잠시만 기다려봐～～!

♥ 필요한 것들

․납땜인두, 땜납(실납 권장), 니퍼(소형)․Energy ball kit

♥ 실험하기 전 꼭 알아두어야 할 사항

․발광다이오드와 콘덴서는 극성이 있으므로 기판에 꽂을 때 주의해야 합니다. 리드선이 긴 쪽이 (+) 극입니다. 극이 바뀌면 동작하지 않습니다.

․저항은 100Ω(띠색이 갈색, 검정, 갈색)이 3개, 470Ω(띠색이 노랑, 보라, 갈색)이 1개입니다.․PCB에 SP는 스피커를 연결하는 것이 아니라 도선을 연결하는 곳입니다.

♥ 이렇게 만들어요.

※ 키가 작은 부품에서 큰 부품 순으로 작업을 하는 것이 편합니다.

① 저항 R1, R3, R4에는 100Ω 저항을 꽂고 R2에는 470Ω저항을 꽂은 다음 PCB 기판을 뒤집

습니다.

② 리드선(저항에 붙어 있는 다리)를 적당히 구부린 다음

니퍼로 리드선의 끝이 PCB 기판의 하얀 금속 원을 넘

지 않게 잘라 내고 납땜을 합니다. 납땜을 할 때 납을

많이 녹으면 옆의 회로에까지 넘칠 수 있으므로 조금만

녹여 납땜을 합니다.

③ Q1, Q2, Q3에는 트랜지스터를, U1에는 멜로디 칩을 꽂

고 리드선을 잘라낸 다음 납땜을 합니다.

※ 트랜지스터와 멜로디 칩의 위치를 확실하게 확인하고

PCB 기판의 인쇄 문양과 트랜지스터와 멜로디 칩의 모

양이 일치하게 꽂습니다.

④ 콘덴서는 트랜지스터 쪽이 (+)극이 되도록 꽂고 리드선을 잘라낸 다음 납땜을 합니다.

⑤ 다음으로 고휘도 발광다이오드도 트랜지스터 쪽이(+)극이 되도록 꽂고 리드선을 잘라낸 다

음 납땜을 합니다. 보기 좋게 하려면 고휘도 발광다이오드는 조금 (3～4㎜) 높게 나오도록

합니다.

그림1. PCB 기판 앞면

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⑥ PCB 기판을 뒤집은 다음 CN1, CN3에 2핀 커넥터를 그림2와 같이 꽂고 납땜을 합니다. 커

넥터를 보면 하얀 부분과 금속 부분이 있는데, 하얀 부분이 기판의 안쪽을 향하도록 꽂습니

다.

⑦ PCB 기판의 SP1, SP2에 도선을 납땜합니다.

⑧ CN1의 커넥터에는 전원, CN3의 커넥터에는 스피커를 연결합니다.

⑨ 위쪽 케이스의 양옆에 구멍을 뚫고 도선을 밖으로 빼냅니다.

⑩ 케이스 아래쪽에 납땜인두를 이용하여 여러 개의 구멍을 뚫고 조립한 PCB 기판을 넣습니

다.

그림 2. PCB 기판 뒷면 그림 3. PCB 기판 옆면 그림 4. 에너지 볼 완성

♥ 생각해 봅시다.

1. 완성된 에너지 볼의 도선을 두 손으로 잡아 보세요. 어떤 현상이 일어나지요?

2. 두 사람이 서로 한 손을 잡고 다른 손 각각은 도선에 접촉하여 봅시다. 어떤 현상이 일어나

지요? 여러 사람이 손에 손잡고 하였을 경에도 마찬가지일까요?

3. 위와 같은 현상은 왜 일어날까요?

4. 귤과 볼펜을 준비하여 구리선에 연결하였을 때, 소리가 나는 것은 무엇입니까?

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참고자료

1. 저항이란?

물질은 자유전자의 이동에 따라 전기적인 성질을 가지게 됩니다. 자유전자가 그 물질을 통과

할 때 물질을 구성하고 있는 원자에 의해 흐름을 방해받게 되는데 이를 저항이라고 할 수 있

습니다. 전자의 이동이 전류라고 할 때 전류의 흐름을 억제하는 기능을 가지고 있는 것입니다.

2. 도체와 부도체

은이나 구리, 알루미늄과 같은 금속종류는 비교적 자유전자가 쉽게 이동할 수 있는 물질이기

때문에 전기저항이 매우 적은 값을 가집니다. 이러한 물질을 도체(Conductor)라 하며 전선 종

류로 많이 사용되어집니다. 도체의 경우는 약 10-6(Ω․m)이하의 저항률을 가집니다. 이에 비해유리, 사기, 종이, 플라스틱, 고무, 비닐 종류는 자유전자를 거의 이동시킬 수 없기 때문에 부도

체 또는 절연체(Insulator)라 하며 주로 전기 절연재료로 사용됩니다. 부도체의 경우는 1010

(Ω․m)이상의 저항률을 가집니다.

3. 트랜지스터

트랜지스터는 다이오드 2개를 접합하여 PNP형 과 NPN형으로 구분되어 지며, 증폭 및 스위

칭 작용을 하게 됩니다. 또한 트랜지스터의 극성은 에미터(E), 베이스(B), 콜랙터(C)입니다. 트

랜지스터는 크게 PNP형과 NPN형으로 구분되는데 구분되는 타입은 아래 그림과 같습니다.

4. 인체에 미치는 전류

감전사고는 전압보다는 전류와 관계가 있습니다.

우리 몸의 저항은 소금물에 젖었을 때는 약1,000Ω

에서 건조한 상태에서는 500,000Ω까지 상황에 따라

달라집니다. 오른쪽 표는 사람 몸에 전류가 흐를 때

의 효과를 보여주고 있습니다.

전류(A

)효 과

0.001 느낄 수 있다.

0.005 고통스럽다.

0.010 근육수축을 일으킨다.

0.015 근육이 마비된다.

0.070 심장에 영향을 준다.

- 265 -

분자 머리띠

인과사

이 실험은

모든 물질을 이루고 있는 원자나 분자들의 크기는 얼마나 될까? 보이지 않는 아주 작은

입자들의 세계인 원자나 분자를 1억 배로 확대시켜보면 탁구공 크기만 해서 알기 쉬운 크기가

된다. 직접 스티로폼 구(球)를 가지고 1억 배 크기의 물, 메탄, 메탄올, 에탄올 분자 모형을 만

들어 보자. 아주 재미있는 모양을 하고 있음을 쉽게 알 수 있다. 자, 1억 배의 세계를 들여다볼

까요?

필요한 것들

스티로폼 구, 스티로폼 절단기(나무, 집게 도선, 니크롬선, 스위치, 전선, 플러그), 직류 전

원 장치(9V), 집게 도선, 스티로폼용 본드, 각도 정형틀 A, 각도 정형틀 B, 구멍 뚫린 정형틀,

스티로폼용 물감(검정, 빨강, 파랑), 붓

이렇게 하세요

1. 여러 크기와 색깔의 스티로폼 구를 아래 표와 같이 준비한다.

원자 종류 지름의 크기(mm) 색깔 원자 종류 지름의 크기(mm) 색깔

수소 25 흰색 탄소 35 검정

산소 30 빨강 질소 35 파랑

2. 구멍 뚫린 정형틀과 각도 정형틀 A, 각도 정형틀 B, 스티로폼 절단기를 이용하여 스티로폼

구를 결합수에 따라 정해진 각도와 크기로 자른 뒤 스티로폼용 본드로 붙여서 원하는 분자

모형을 만든다.

⑴ 물(H2O) 분자

: 물은 산소원자 1개와 수소원자 2개가 104.5°로 결합하여 생성된다.

생물은 물이 없으면 살지 못하며, 지구 근처의 행성 중에서 물이 있는 별은 지구뿐이다.

① 산소 원자(직경 30mm 스티로폼 구)를 구멍 뚫린 정형틀에 놓고 스티로폼 절단기로 자

른다.(화상에 주의한다.)(단면 1)

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② 그림과 같이 자른 단면을 각도 정형틀 A의 빗면(A1)에 댄 상태로 다시 구멍 뚫린 정

형틀에 놓고 자른다.(단면 2)

③ 산소원자 스티로폼의 자른 단면에 핀을 꽂고 자른 부분을 제외한 나머지 부분에 빨강

색 물감을 칠하고 말린다.

④ 수소원자(직경 25mm 스티로폼 구)를 구멍 뚫린 정형틀에 끼우고 반으로 잘라낸 뒤 반

쪽 2개를 위에서 자른 산소원자의 단면 1, 2에 각각 본드로 붙인다.

⑵ 메탄(CH4) 분자: 메탄은 썩은 것에서 발생한다. 뱃속에서도 나오고, 아마존밀림에서도 발

생하며, 음식물 썩은 것에서도 나오고 있다. 가정에서 연료로 사용하고 있는 LNG gas의

주성분인 메탄은 불에 잘 타지만 냄새는 없다. 냄새가 나는 것은 가스가 새는 것을 쉽게

알 수 있도록 섞은 다른 가스 때문이다.

① 탄소 원자(직경 35mm 스티로폼 구)를 구멍 뚫린 정형틀에 놓고 스티로폼 절단기로

자른다.(화상에 주의한다.) (단면 1)

② 그림과 같이 자른 단면을 각도 정형틀 A의 빗면(A1)에 댄 상태로 다시 구멍 뚫린 정

- 267 -

형틀에 놓고 자른다. (단면 2)

③ V자 형태로 잘린 부분을 그림과 같이 각도 정형틀 B에 끼우고 다시 구멍 뚫린 정형

틀에 놓고 자른다. (단면 3)

④ 잘린 V자 부분을 그림과 같이 각도 정형틀 B에 끼우고 탄소원자의 남은 부분을 다시

구멍 뚫린 정형틀에 놓고 자른다. (단면 4)

⑤ 탄소원자 스티로폼의 자른 단면에 핀을 꽂고 자른 부분을 제외한 나머지 부분에 검정

색 물감을 칠하고 말린다.

⑥ 수소원자(직경 25mm 스티로폼 구) 2개를 구멍 뚫린 정형틀에 끼우고 반으로 잘라낸

뒤, 반쪽 4개를 위에서 자른 탄소원자의 단면에 본드로 붙여 완성한다.

⑶ 메탄올(CH3OH) 분자: 가장 간단한 알코올은 메탄올(메틸 알코올)이다. 실험실의 알코올

램프의 원료로 사용된다. 30 mL를 마시면 눈이 보이지 않게 되고, 사망에 이를 수 있는

독성이 있는 액체이다.

① 탄소원자(직경 35mm 스티로폼 구)를 앞에서와 같이 정형틀을 이용하여 4개의 단면을

- 268 -

잘라내고, 잘리지 않은 부분에 검정색 물감을 칠한다.

② 산소원자(직경 30mm 스티로폼 구)를 앞에서와 같이 정형틀을 이용하여 2개의 단면을

잘라내고, 잘리지 않은 부분에 빨강색 물감을 칠한다.

③ 수소원자(직경 25mm 스티로폼 구) 2개를 구멍 뚫린 정형틀에 끼워 반으로 잘라낸 뒤

위에서 자른 탄소원자의 단면에 3개, 산소원자의 단면에 1개를 본드로 붙인다.

④ 수소가 붙은 탄소원자와 산소원자의 남은 단면을 서로 맞붙인다.

⑷ 에탄올(C2H5OH) 분자: 보통 알코올이라 하면 에탄올을 말한다. 술에 들어있는 알코올

로서, 마셔도 죽지 않고 단지 취할 뿐이다. 많이 먹으면 역시 독이 된다. 병원에서 주사할 때

소독약으로 쓰이는데, 소독액은 에탄올에 물을 섞은 것이다. 분자 모형은 강아지 모양과 비슷

하다.

① 탄소원자(직경 35mm 스티로폼구) 2개를 앞에서와 같이 정형틀을 이용하여 4개의 단

면을 잘라내고, 잘리지 않은 부분에 검정색 물감을 칠한다.

② 산소원자(직경 30mm 스티로폼구) 1개를 앞에서와 같이 정형틀을 이용하여 2개의 단

면을 잘라내고, 잘리지 않은 부분에 빨강색 물감을 칠한다.

③ 수소원자(직경 25mm 스티로폼구) 3개를 구멍뚫린 정형틀에 끼워 반으로 잘라낸 뒤

위에서 자른 각 탄소원자의 단면에 반쪽 수소 3개, 2개씩을 각 각 붙이고, 산소원자의

단면에는 반쪽 수소 1개를 붙인다.

④ 수소가 붙은 탄소원자들과 산소원자의 남은 단면을 서로 맞붙여 완성한다.

⑸ 암모니아(NH3) 분자: 암모니아는 시골 화장실에서 쉽게 맡을 수 있는 기체로 공기 속에

약간 있고 흙 속에서 유기물의 부패로 생성된다. 무색의 자극성 기체이며 공기보다 가볍다.

냉장고나 에어컨의 냉매제로 이용되기도 하며, 물에 잘 녹아 암모니아수를 만든다. 벌에 물

렸을 때 암모니아수를 바르기도 한다.

① 질소원자(직경 35mm 파랑색 스티로폼 구) 1개를 앞에서와 같은 방법으로 3개의 단면

이 나타나도록 순서대로 자른다.

② 수소원자(직경 25mm 스티로폼 구) 2개를 각 각 구멍 뚫린 정형틀에 끼우고 반으로

잘라낸 뒤 반쪽 수소 3개를 질소원자의 단면에 본드로 붙여 완성한다.

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⑹ 기타 분자들

[프로판] [포름알데히드] [아세트알데히드]

[에틴] [프로핀] [아세톤]

알아야 할 사실

1. 분자를 표현하는 방법으로는 분자식과 분자모형이 있다. 분자식은 분자를 구성하는 성분

원자의 원소기호와 그 갯수의 비를 기호로 나타낸 것이고 분자모형은 분자식에 맞는 기하학적 모형으

로 표현하는 방법이다.

예를 들어 수소분자는 수소원자(H) 2개로 이루어져 있는데 이를 H2로 표현한다. 같은 방법으로 산소

분자는 O2, 수증기(물) 분자는 H2O로 나타낸다.

2. 분자를 구성하는 원자들의 중심인 원자핵은 끊임없이 진동하고 있지만 평균 위치를 이용하

여 분자의 구조(또는 모양)를 나타낼 수 있다. 분자 모형에서는 원자핵의 상대적 위치와 원

자들 사이의 화학 결합이 잘 표현되어야 한다. 흔히 사용하는 공-막대 모형(ball and stick

model)에서는 결합 길이에 비례하는 막대기를 사용하여 원자핵을 나타내는 공을 연결하여

분자의 구조를 나타낸다. 원자 주위에 분포된 전자 구름의 크기에 비례하는 부피를 가진 공

을 사용하기도 한다.

3. 원자 크기에 비례하는 부분구(部分球)들을 연결 나사로 직접 연결하는 CPK 모형도 많이 사

용된다. 최근에는 컴퓨터 그래픽 기술의 발전에 따라 분자의 모양을 다양한 방법으로 형상

화하고 분자에서의 전자 분포를 함께 나타내는 방법도 개발되고 있다. 분자 모형은 분자의

물리적․화학적 성질을 이해하는 데 유용하며, 새로운 특성을 가진 분자모형을 설계하여 개발하는 데에도 많이 활용되고 있다.

4. 원자 반지름 : 원자를 구상(球狀)으로 보았을 때의 반지름.

이것은 원자의 상태에 따라 변화를 나타낸다. 결정(結晶)이나 그 밖의 원자간 거리를 실험

에 의하여 측정하여 원자의 반지름을 결정할 수 있다. 그 크기는 10-8 cm(＝1Å) 정도이다.

화학결합에 의하여 직접 결합하고 있지 않은 원자간 거리가 가장 크다.

- 270 -

5. 반데르발스 반지름 : 다른 분자들에 속하는 두 원자가 접근할 수 있는 최소거리로부터 결정

한 원자의 반지름. 원자들 간에는 반데르발스 힘이 작용하고 있으므로 이때의 반지름을 반데

르발스 반지름이라고 한다. 마찬가지로 원자가 공유결합․이온결합에 의하여 분자를 만들고있는 경우에도 각각 공유결합반지름․이온결합반지름을 정의할 수 있다. 간단한 원자의 반지름은 양자역학적(量子力學的) 계산으로도 산출할 수 있다.

서로 결합하고 있지 않은 원자들이 접근하면 전자구름 사이에 강한 반발력이 작용하기 때

문에 이들 사이의 최소거리는 결합하고 있는 원자 사이의 거리보다 상당히 커진다. 그러므로

반데르발스 반지름은 공유결합 반지름보다 훨씬 크다. 예를 들어, 염소원자의 단일결합 반지

름은 0.99 …이나 반데르발스 반지름은 1.75 …나 된다. 반데르발스 반지름은 분자 사이의 상

호작용을 다룰 때 이용된다.

원자 종류실제의 크기(Å)

(반데르발스 반경×2)1억 배 크기(mm) 모형크기 모형색깔

수소 2.2～2.6 22～26 25 흰색산소 2.8 28 30 빨강탄소 3.2 32 35 검정질소 3.0 30 35 파랑염소 3.6 36 40 살색황 3.7 37 40 노랑

6. 분자 모양은 어떻게 예측할 수 있을까?

※ The Valence Shell Electron Pair Repulsion(원자가 껍질 전자쌍 반발, VSEPR)

model :

분자모형은 중심 원자 주위에 높은 전자밀도를 가진 화학 종의 수를 근거로 결정한다.

중심원자 주위에 있는 전자들은 그들의 정전기적 반발이 최소가 되기 위한 공간적 배향

을 취하게 된다. 그러므로 우리는 VSEPR을 이용해서 비금속인 분자 또는 이온의 구조를

예측할 수 있다. 이때, 다중결합이나 고립 전자쌍을 가진 분자 또는 이온의 구조를 예측하

는데 사용할 수 있다.

→ 원자의 결합전자쌍이나 고립전자쌍들간의 반발이 그 원자를 둘러싸고 있는 원자와 원자

간의 결합각을 조정

→ 분자나 다원자 이온의 기하구조는 고립전자쌍과 결합전자쌍의 수에 의존

※ 구조를 예측하는 방법

⑴ 분자나 이온의 Lewis점 전자 구조식을 나타낸다.

⑵ 중심원자 주위의 높은 전자밀도를 가진 영역의 전체 수(결합과 비공유 전자쌍)를 계산한

다.

- 271 -

◇ 중심 원자에 있는 모든 전자가 결합 전자쌍일 경우 ◇

중심 원자 주위의 전자쌍들은 반발이 가장 적은 공간적 배향을 취한다

분자 분자 모양중심원자의

전자쌍의 수성질 입체구조

염화베릴륨

BeCl2

Cl-Be-Cl

선형(linear)분자2

비극성 분자,

기체

보란, BH3삼각평면형

(triangle)3

비극성 분자,

기체

사불화탄소, CF4사면체

(tetrahedral) 분자4

비극성 분자,

액체

오플루오르화인,

PF5

삼각쌍뿔

(trigonal bipyramidal) 5 비극성 분자

육플루오르화황,

SF6

팔면체

(octahedral)6 비극성 분자

◇고립 전자쌍을 1개 이상 가진 분자일 경우◇

중심 원자 주위의 전자쌍들 간의 반발은 고립 전자쌍-고립 전자쌍 > 고립 전자쌍-결합 전

자쌍 > 결합전자쌍 -결합 전자쌍의 순으로 나타난다.

분자 구조 및 결합각 분자모양 성질 입체모형

메탄, CH4각 H-C-H :

109.5°정사면체

결합 전자쌍- 결합

전자쌍

암모니아,NH3각 H-N-H :

107°

삼각뿔

(피라미드 구조)

고립전자쌍-

결합전자쌍 사이의

반발이 존재

물, H2O각 H-O-H :

104.5°굽은형

고립전자쌍-고립전

자쌍, 고립전자쌍-

결합전자쌍 사이의

반발이 존재

- 272 -

※ 주기율표의 족별로 정리하는 것이 좋다.

(1) 정사면체 ; 14족(대표 : C)

중심 원자 바깥에 공유 전자 4쌍이 서로 반발하여 최대한 멀리 배치하므로 정사면체 모양

으로 된다.

[예] SiH4, CCl4, SiF4...

(2) 삼각뿔(피라미드) ; 15족(대표 : N)

비공유 전자쌍은 공유 전자쌍보다 넓은 영역에 분포하므로 공유 전자쌍을 더욱 세게 밀쳐

서 정사면체일 때의 결합각보다 결합각이 약간 줄어들게 됩니다.

==> 비공유 전자쌍의 반발력이 공유 전자쌍보다 세다

[예] PH3, NF3, PCl3...

(3) 굽은 구조 ; 16족(대표 : O)

물분자는 중심 원자인 산소에 비공유 전자쌍이 2쌍 있어서 이 반발력 때문에 굽은(V자)

구조를 이룬다. 결합각은 당연히 암모니아보다 더 작다. 왜냐 하면, 비공유 전자쌍이 2쌍이

기 때문에... 또한 물분자의 경우 비공유 전자쌍이 만일 한 쌍만 있다 하더라도 굽은 구조

에는 변함없다.

[예] H2S, H2Se, SO2, O3...

(4) 직선형

① 2원자 분자 ; H2, O2 등...

② 3원자 분자 ; Be 화합물, CO2 등...

중심 원자 바깥에 공유 결합이 두 곳에 이루어져 있어서 -공유 전자 한 쌍으로 된 단일

결합이냐, 두 쌍으로 된 이중 결합이냐는 중요하지 않다- 직선형이 됩니다. 이산화탄소에

는 산소에 비공유 전자쌍이 있지만, 분자 모양에 영향을 끼치는 것은 단지 중심 원자에 있

는 비공유 전자쌍일 경우에만 그렇다.

(5) 평면 삼각형

B 화합물 중심 원자 주위에 공유 전자 3 쌍이 최대한 멀리 배치하는 방법이 평면 삼각

형(이 경우는 정삼각형)이다. Be 화합물과 함께 B 화합물도 중심 원자가 옥텟을 만족하지

못하기 때문에 다른 분자로부터 비공유 전자쌍을 받아 배위 결합을 하기도 한다.

　 [예] BH3, BF3 등...

- 273 -

빛이든 磁石이든(Light or Magnet)(V3.0)

素明女高(韓國 京畿道) 金仁洙

도입

길거리의 街路燈이 저절로 켜지고 꺼지며, 携帶폰을 열고 닫으면 불이 켜지고 꺼지는 등 빛

이나 磁石으로 作動하는 例는 우리 周邊에 흔히 볼 수 있다. 빛이나 磁石에 의해 특별하게 作

動하는 回路를 設計하여 만들어 보자.

이 활동을 하면

빛을 받든 磁石이 가까이 오면 불이 켜지는 回路를 設計하여, CdS에 비쳐준 빛의 밝기와 連

結方法에 따라 달라지는 LED의 밝기를 통해 ‘抵抗의 變化로 電壓을 變化시킬 수 있으며, 抵

抗을 直列 連結하면 각 抵抗에 걸리는 電壓은 抵抗에 비례하지만, 竝列 連結하면 각 抵抗에

걸리는 電壓은 같다’는 電氣回路의 基礎를 理解할 수 있다.

무엇이 필요할까

CdS 2개, 리더스위치 1개, LED(고휘도) 1개, 필름통 1개, 連結

도線 5cm, 電源(AA 사이즈 2개 및 + - 連結導線이 이어진 乾電

池 홀더) 3.0VDC(直流 3.0V), 가위 1개, Nd(네오디뮴) 磁石 1

개, 간단한 携帶用 레이저 1개

어떻게 할까

(1) CdS와 LED, CdS와 리더스위치를 각각 竝列 連結 한다.

(2) 竝列 連結된 두 개의 部品 묶음을 5cm 쯤의 連結 導線으로 直

列 連結하되, LED의 긴 다리(Anode, A)가 電源의 + 極에 連結될 수

있도록 주의해야 한다.

(3) 直列 連結된 두 끝을 3V 電源에 連結하되, CdS와 리더스위치를

竝列 連結한 部品 묶음의 한 쪽 끝은 CdS와 LED의 짧은 다리

(Kathode, K)를, 다른 쪽 끝은 電源의 - 極에 連結하여야 한다.

(4) 가위로 두껑 없는 필름 통을 세로로 네 번 잘라서 部品을 꽂을 틈을 네 개 만들되, 그

폭은 리더스위치 길이 보다 약간 넓게 한다.

(5) 맨 왼쪽의 틈부터 [CdS - LED의 긴 다리(Anode, A) - 電源의 (+)極을 이은 線](그림의

①), [連結 導線 - CdS - LED의 짧은 다리(Kathode, K)](그림의 ②), [CdS - 리더스위치 - 連

結 導線](그림의 ③), [CdS - 리더스위치 - 電源의 (-) 極을 이은 線](그림의 ④)을 차례로

끼우고 두껑을 닫는다.

(6) Nd(네오디뮴) 磁石을 리드스위치에 가까이하면서 LED의 밝기를 觀察한다.

(7) LED와 連結된 CdS를 어둡게 또는 밝게(레이저)하면서 LED의 밝기를 觀察한다.

(8) 리더스위치와 連結된 CdS를 밝게(레이저) 또는 어둡게 하면서 LED의 밝기를 觀察한다.

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한 걸음 더

LED 대신에 버저(buzz)나 모터(motor)를 각각 連結한다면 소리의 크기나 回轉速度의 變化가

觀察될 수 있을까?

생각 모으기

(1) Nd(네오디뮴)

磁石을 리드스위치에

가까이하여 觀察한

LED의 밝기는 CdS로

調節한 境遇 보다 아

주 다르다. 왜 그럴

까?

(2) LED와 連結된

CdS를 어둡게 또는

밝게(레이저)하면서

觀察한 LED의 밝기

를, 直列 連結과 竝列 連結의 原理 및 抵抗과 電壓의 關係로 說明 해보자.

(3) 리더스위치와 連結된 CdS를 밝게(레이저) 또는 어둡게 하면서 觀察한 LED의 밝기를, 直

列 連結과 竝列 連結의 原理 및 抵抗과 電壓의 關係로 說明 해보자.

(4) LED 대신에 버저(buzz)나 모터(motor)를 각각 連結한다면 소리의 크기나 回轉速度의 變

化가 觀察될 수 있을까?

읽을거리

(1) Nd(네오디뮴) 磁石을 리드스위치에 가까이하여 觀察한 LED의 밝기가 CdS로 調節한 境遇

보다 아주 밝다. 왜냐면 LED(약 1.8V이면 켜진다)에 거의 3V에 가까운 電壓이 걸리기 때문이

다. 그 까닭의 기초는 ‘抵抗을 直列 連結하면 각 抵抗에 걸리는 電壓은 抵抗에 比例하며, 竝

列 連結하면 각 抵抗에 걸리는 電壓은 같다’이다. 두 CdS는 같은 밝기로 밝거나 어둡다면 두

抵抗이 같다고 볼 수 있다. Nd를 리드스위치에 가까이하면 리드스위치의 抵抗이 거의 0이지

만, 그에 비해서 두 CdS의 抵抗은 아주 크다. CdS와 LED의 竝列 連結 抵抗은 CdS와 리드스위

치의 竝列 連結 抵抗보다 크고, 큰 電壓이 걸리게된 LED는 아주 밝게 빛난다. 즉, 리드스위치

에는 거의 0에 가까운 電壓이 걸리고, LED에는 거의 3V에 가까운 電壓이 걸리는 셈이 되어 아

주 밝다.

(2) LED와 連結된 CdS를 어둡게 하면 LED는 밝게 빛난다. 그 까닭의 기초는 ‘抵抗을 直列

連結하면 각 抵抗에 걸리는 電壓은 抵抗에 비례하며, 竝列 連結하면 각 抵抗에 걸리는 電壓은

같다’이다. 두 CdS는 같은 밝기로 밝거나 어둡다면 두 抵抗이 같다고 볼 수 있다. 그런데

LED와 連結된 CdS는 어둡고 리더스위치와 連結된 CdS는 밝다면, LED와 連結된 CdS는 抵抗이

- 275 -

크고 리더스위치와 連結된 CdS는 抵抗이 작다. 그러므로 CdS와 LED의 竝列 連結 抵抗은 CdS와

리드스위치의 竝列 連結 抵抗보다 크고, 큰 電壓이 걸리게 된 LED는 아주 밝게 빛난다.

(3) 리더스위치와 連結된 CdS를 레이저나 强한 빛으로 밝게 하면 LED는 밝게 빛난다. 그 까

닭의 기초는 ‘抵抗을 直列 連結하면 각 抵抗에 걸리는 電壓은 抵抗에 비례하며, 竝列 連結하

면 각 抵抗에 걸리는 電壓은 같다’이다. 두 CdS는 같은 밝기로 밝거나 어둡다면 두 抵抗이

같다고 볼 수 있다. 그런데 LED와 連結된 CdS는 어둡고 리더스위치와 連結된 CdS는 밝다면,

LED와 連結된 CdS는 抵抗이 크고 리더스위치와 連結된 CdS는 抵抗이 작다. 그러므로 CdS와

LED의 竝列 連結 抵抗은 CdS와 리드스위치의 竝列 連結 抵抗보다 크고, 큰 電壓이 걸리게 된

LED는 아주 밝게 빛난다.

(4) LED 대신에 버저(buzz)나 모터(motor)를 각각 連結한다면, LED가 어두워질 境遇 소리의

크기는 작아지고 回轉速度는 느려지고, LED가 밝아질 경우 소리의 크기는 커지고 回轉速度는

빨라질 것이다. 다만, LED는 1.8V가 되어야 켜지고, 버저(buzz)나 모터(motor)가 1.5V만 되어

도 作動되기 때문에 實驗 結果에 微妙한 차이가 있을 수 있다. 같은 種類인 두 CdS가 같은 밝

기의 빛을 받고 있다면 두 CdS의 抵抗이 같다. 이 경우 電源을

3V로 쓴다면 각각의 CdS에 1.5V씩의 電壓이 걸리게 된다. 물론

CdS와 竝列連結인 LED에도 1.5V의 電壓이 걸리게 되어 최소한

1.8V가 되어야 하는 LED는 켜지지 아니한다. 그러나, 버저

(buzz)나 모터(motor)는 1.5V만 되어도 作動하므로 소리가 나고

回轉할 수 있다.

(5) CdS(黃化카드뮴, Photo Conductive Cell의 일종)

CdS가 빛을 받으면, 光度傳體의 役割을 하는 꾸불꾸불한 모양의 黃化카드뮴에 빛 에너지가

入射되어 그 內部에 光度傳 效果가 일어나고, 꾸불꾸불한 모양의 黃化카드뮴으로 나누어진 두

電極 사이의 內部抵抗이 작아짐으로써 抵抗이 減少한다. 즉, 빛의 밝기에 따라 아주 어두울

때 1㏁ 에서 아주 밝을 때 20Ω까지 抵抗이 달라진다. 좀더 正確하게 말하면, 周圍溫度 25℃

標準 텅스텐 電球(光源의 色溫度 2856K)에서 照度 1 lx일 때 抵抗은 30 ㏀, 照度 10 lx일 때

抵抗은 4 ㏀, 照度 100 lx일 때 抵抗은 0.9 ㏀이다. 즉, CdS는 빛의 强弱을 抵抗의 强弱으로

變換하여 結局은 電流의 값을 變化시키는 電子部品이다. CdS는 마찬가지로 사용되는 포토트랜

지스터에 비해 값이 싸고 出力 電流가 크기 때문에 增幅器나 高感度의 릴레이미터 등을 必要

로 하지 아니하므로 쉽게 利用할 수 있다. CdS의 弱點은 周圍의 밝기를 連續的으로 檢出하기

때문에, 밝기가 매우 緩慢하게 變化할 境遇 그 出力도 緩慢하게 되어, LED를 點燈시키는 밝기

를 中心으로 스위치의 動作이 不安定하다는 것이다. 이 不安定한 部分을 補完하기 위하여 슈

미트回路(初步者에게는 매우 낯설고 複雜하다)를 附加하여 安定하고 確實한 스위치의 動作을

할 수 있다. 그러나, 이 實驗에서는 CdS(P201D) 2개를 直列 連結한 후 그 抵抗의 값을 빛으로

調節함으로써 스위치 動作을 安定하게 設計하였다.

(6) 리더스위치(Lead switch)

리더스위치는 强磁性體로 된 지름 2~3mm 길이 10~25mm 정도의 한 쌍의 接點이 가늘고 긴 유

리관 속에 非活性 가스와 함께 官內에 封入된 것으로 磁石의 磁力에 의해 스위치처럼 ON 된

- 276 -

다. 이때 磁石의 움직임은 리더스위치에 垂直으로 接近하든 垂平으로 接近하든 ON 된다. 이

實驗에서 使用한 리더스위치(ORD211)는 24V 0.3A 500Hz가 定格이다. 리더스위치는 應答特性이

500Hz나 되므로 動作이 매우 빨라 많이 쓰이지만 큰 電流를 ON OFF 시키는 데에는 不適合하

다. 핸드폰의 덮개, 문이 열리면 作動하게 되는 세콤 裝置 등 日常生活에서 리더스위치를 使

用하는 例는 아주 많다. 다른 磁氣센서가 增幅機能을 가진 部品과 電源까지 必要로 하는데 비

해서, 리더스위치는 一般 스위치와 같은 感覺으로 쉽게 使用할 수 있다는 것이 長點이지만,

操作에 注意를 기울이지 아니하면 쉽게 깨지는 短點도 있다.

(7) LED(發光다이오드, Light Emitting Diode)

LED는 쉽게 구할 수 있는 半導體로서 電流가 흐르면 빛을 낸다. 그 原理는 PN다이오드에서

P型(긴 다리 Anode, A)을 電源의 + 極에, N型(짧은 다리 Kathode, K)을 電源의 - 極에 連結하

여 電壓을 걸면, P型 속의 正孔과 N型 속의 電子가 PN 接合符에서 再結合하면서 빛을 내는 것

이다. LED 빛의 色이나 效率 輝度 等은 그 속에 든 Ga(갈륨)을 비롯한 여러 物質의 成分이나

造成比, 不純物의 成分이나 量에 따라 달라진다. 一般的인 發光다이오드는 底電壓 小電流(2V

정도, 1~20mA)에서 作動한다. 發光다이오드에는 赤外線 LED, 레이저光 다이오드, 可視光線

LED 等이 있다. LED는 一般電球와 달리 필라멘트를 사용하지 아니하므로 振動에 强하고 壽命

이 길다. LED는 1.8V가 되어야 作動하므로 그 回路에 걸리는 電壓의 크기를 가늠할 수 있다.

이 實驗에서 使用한 LED(모델 TLSU156P)는 赤發光(發光波長 0.66㎛)으로 GaAlAs(갈륨 알루미

늄 비소)계이며 發光效率이 좋아 高輝度 LED이며, 그 밝기가 400mcd(밀리 칸델라)가 넘는다.

LED는 핸드폰의 배터리 充電燈, 스포츠 競技의 電光板, 電鐵驛의 案內板, 各種小型電球, 自動

車의 윙커(方向指示機), 하이마운트 스톱 램프, 브레이크 램프 等에 널리 使用된다.

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제2실험실 : 화사모/신과람/어메니티

천연 지시약을 만들자

순천 영재교육원 고문석, 보성 율어중 이경미

1. 준비물

가. 양배추, 비트, 포도껍질, 검은콩 등의 천연 색소를 가진 식물

나. 칼, 도마, 비커, 알코올램프, 삼발이, 석면 쇠그물, 샬레 등의 실험기구

다. 염산, 수산화나트륨, 증류수, 식초, 사이다, 하수구 세정제, 빨래비누 등 색 변화를 관찰할

수 있는 산이나 염기

2. 따라하기

가. 양배추나 비트 등을 잘게 썬다. (포도는 껍질을 사용하고, 검은콩은 그대로 사용한다.)

나. 잘게 썬 양배추를 비커에 넣고 양배추가 잠길 만큼의 물(증류수)을 붓고 알코올램프로

충분히 색소가 우러나올 때까지 가열한다.

다. 색소가 우러나온 양배추 물을 비커에 따라낸다.

라. 비트는 잘게 썰어 물에 담가두어 붉은 색의 물이 우러나면 비커에 따라낸다.(비트는 가

열하지 않아도 붉은 색의 물이 잘 우러난다.)

양배추 지시약 가열하는

모습양배추 지시약 거르는 모습 포도지시약 거르는 모습

마. 샬레나 비커에 각각 묽은 염산, 수산화나트륨, 사이다, 빨래 비누물 등을 따른다.

바. 양배추, 비트, 검은콩, 포도에서 우러나온 물을 위의 산이나 염기에 해당하는 용액에 조

금씩 넣고 색깔 변화를 관찰한다.

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염산(1M) 사이다수산화나트륨(1

M)비눗물

양배추 지시

약

포도 지시약

검은콩 지시

약

3. 왜 그럴까?

양배추나 비트와 같은 식물 속에 들어있는 색소는 물질의 산성도에 따라 색깔이 달라진다.

이 색소는 산성도의 변화에 예민한 붉은 색소, 파란 색소, 보라색 색소 등으로 안토시아닌의

일종이다.

안토시아닌은 물이나 알코올에 잘 녹기 때문에 쉽게 추출할 수 있다. 물에 비해 알코올은

불필요한 다른 성분들은 녹이지 않고 색소 성분만을 녹이기 때문에 색소 추출에 더욱 효과적

이다. 게다가 물로 추출한 액에 비해 더 투명하기 때문에 색깔 변화도 더욱 선명하다.

전형적인 안토시아닌은 산성에서 빨강, 중성에서는 보라, 염기성에서는 파랑이 된다. 보통

한 식물에 한 종류 이상의 안토시아닌이 존재하기 때문에 식물의 종류가 달라지면 색깔의 변

화도 달라진다. 가장 다양하고 예민한 변화를 보이는 것은 붉은 양배추 추출액으로, 실험실에

서 사용하는 지시약으로 사용해도 무방할 정도다.

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손수건을 아름답게 염색해 보자

여수 부영여고 이상균

소목을 이용한 방법

[ 염색순서 ]

수세

3회이상건 조

염색

15분염액추출2회 수세1회매염15분염액추출1회

천을 물에 적신다.(10분이상)

온도(50~60℃)

재료와 용구

손수건, 소목-20g, 명반-1g

스테인레스용기 大-3개,中-3개

계량컵, 고무장갑 등

전처리

① 손수건을 전처리한다. 40~50℃ 정도의 온수에 천을 달구어

물이 골고루 스며 들 수 있도록 주물러 준다. 이때 오래 담

가둘수록 좋다.

색소추출

② 잘게 쪼갠 소방목 20g을 물 500mL에 넣는다.

③ 1시간 끊여서 1회 염액을 추출한다.

끓을때 까지는 강한 불로 가열하고, 끓고 난 후에는 약한 불

로 약15분간 끓인다.

④ 추출액을 걸러낸다. 끓인 소목을 소쿠리에 걸러낸다

⑤ 2회 염액을 추출한다.

염액을 걸러낸다. 소목을 1회 추출할 때와 동일한 방법으로 끓인다. 추출액은 2

회분을 합치면 약 1L의 염액이 된다.

매염

⑥ 매염액을 만든다.

명반용액은 물 100mL에 명반 1g을 넣어 1%용액으로 만들어 사용한다. 물에 잘

녹지 않으므로 살짝 가열하여 완전히 녹인다. (매염제는 대략 1%용액을 사용한다.)

⑦ 매염액에서 움직여 준다.

빠른 속도로 매염액이 스며들면 얼룩이 생기기 쉬우므로 전처리 한 천을 비틀어

짜지 말고 가볍게 물기를 걷어내고 매염액에 넣어 전체에 골고루 염액이 스며들

수 있도록 약15분간 움직인다. 명반액의 온도는 40~50℃ 정도가 적당하다.

⑧ 수세한다. 천에 묻은 여분의 매염액을 흐르는 물에 잘 씻어준다.

염색

⑨ 염액을 만든다. 2회 추출액을 체에 걸러 약 500mL의 염액을 만든다.

남은 추출액은 염색의 공정에서 염색이 되는 상태를 보면서 더한다.

⑩ 염액에서 움직여 준다. 염액에서 약 15분간 움직여준다. 실크는 온도에 주의

하면서 50~60℃정도로 유지한다.

⑪ 수세한다. 염액에서 꺼내어 ⑧번과 같은 방법으로 수세한다.

단 매염 후의 수세와 염색 후의 수세용기는 별도로 한다.

⑫ 건조한다. 깨끗이 수세한 천을 가볍게 물기를 거둔 후 천의 끝을 집게로 집어

그늘에서 말린다.

⑬ 마무리한다. 천을 위에 대고 적당한 온도에서 다림질한다.

※소목은 대표적인 다색성 염재로써 끓여보면 주황색이나 화학물질과 반응이 민감

하여 매염제에 따라 명반매염은 적색, 철매염은 자색, 동매염은 적자색으로 발색

된다.

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양파껍질을 이용한 방법

[ 염색순서 ]

천을 물에 적신다.(10분이상)

염액추출1회⇒염액추출2회┴염색15분⇒수세1회⇒매염15분⇒수세1회⇒염색15분⇒수세3회이상⇒건조 ↑ │ └──────────────┘ 진한 색을 원할 경우 반복한다.

재료와 용구

면손수건 - 1장 양파껍질 - 10g 스테인레스용기 大-2개

中-2개 계량컵, 소쿠리, 체 등

양파는 줄기, 잎, 구근 모두가 다 좋은 색을 내는 염재로, 그 이용가치가 크다. 가

장 효율성이 높은 부위는 마른 껍질로 저온저장창고 선별장이나 중국음식점에 부탁하

면 많이 구할 수 있다. 먹기가 곤란한 작은 것이나 부패한 양파를 썰어 말렸다 써도

된다. 마른 껍질을 망자루에 넣어 보관하면 습기가 차지 않는 한 2-3년이 지나도 염

재로서의 가치가 있다. 양파는 항산화성 물질이 함유되어 있고 특유의 냄새가 있어서

기름이 묻는 작업복 등에 이용하면 냄새를 없애는데 좋다.

추출

① 1회 염액을 추출한다. - 양파의 껍질 10g에 1L의 물에 넣고 끓인다. 끓기

전까지는 강한 불로 가열하고, 끓은 후에는 약한 불로 약 15분간 끓인다.

② 추출액을 걸러낸다. - 끓인 양파껍질을 소쿠리에 걸러 낸다.

③ 2회 염액을 추출한다. - 염액을 걸러낸 양파껍질을 1회 추출때와 동일한

방법으로 끓인다. 추출액을 2회분을 합하면 약 2L가 된다.

전처리

④ 면손수건을 전처리 한다. - 40~50℃의 온수에 천을 넣는다.

온수가 골고루 천에 스며들 수 있도록 담구어 놓는다.

염색

⑤ 염액을 만든다. - 2회분 추출액을 체에 걸러 약10ℓ의 염액을 만든다.

⑥ 염액에서 움직여 준다. - 빠른 속도로 염액이 스며들면 얼룩이 생기기 쉬

우므로 전처리 한 천은 비틀어 짜지 말고 가볍게 물기를 걷어 내고 염액에

넣어 천 전체에 골고루 염액이 스며들 수 있도록 약15분간 움직여 준다.

⑦ 수세한다. - 천에 묻은 여분의 염액을 흐르는 물에 씻는다.

⑧ 매염액을 만든다. - 온수 1ℓ녹인 명반 10g을 넣어 잘 섞어준다. 명반의

양은 실크이 경우 물1ℓ에 대하여 1g 정도가 적당하다. 또 명반은 잘 녹지

않으므로 비커에 온수를 넣어 가열하여 녹여둔다.

⑨ 매염한다. - 염액에서 움직이는 것과 같은 방법으로 약 15분간 움직여 준다. 명반의 약은 40~50℃가 적당하다.

⑩ 수세한다. - 매염을 마친 천을 ⑦번과 같은 방법으로 깨끗이 씻는다. 진한 색으로 물들이고 싶을 경우에는 염색이 끝난 후 수세하여 건조시킨

후 ①번 공정부터 반복한다.

마무리⑪ 건조한다. - 깨끗히 수세한 천을 가볍게 물기를 거둔 후 천의 끝을 집게

로 집어 그늘에서 말린다.⑫ 마무리 한다. - 천을 위에 대고 적당한 온도에서 다림질 한다.

- 281 -

전자기타 제작

신나는 과학을 만드는 사람들

1. 목표

가. 여러 종류의 악기를 직접 만들어 연주를 할 수 있다.

나. 각 악기에서 소리가 나는 원리를 설명하고, 소리의 높낮이와 세기가 각각 파동

의 진동수와 진폭에 관계한다는 사실을 이해한다.

2. 원리

가. 전자기타에서 압전 스피커의 역할

압전 스피커는 휴대폰이나 전자 멜로디에 사용되는 얇은 스피커로, 피에조 스피

커라고도 한다. 이를 자세히 들여다보면 가운데 부분은 흰색이고 주변은 금색이나

은색으로 되어 있다. 피에조 스피커에서 소리가 나는 원리의 비밀은 스피커의 흰

부분에 감추어져 있다.

피에조(Piezo)의 어원은 그리스어인 “압력”이라는 뜻에서 유래된 명칭이다. 피에

조 일렉트릭 효과는 1800년대에 처음 발견되었는데, 이것은 크리스탈에 강한 압력

을 가하면 이 에너지가 전기에너지로 변환되면서 전기가 발생하는 현상이다. 피에

조 스피커는 이 원리를 반대로 이용한 것으로 압전성 물질인 흰 부분에 전기를 가

하면 진동이 발생한다. 즉 소리 신호를 전류로 바꿔 스피커에 흘리면 이 전류에 따

라 진동이 발생해 소리가 나는 것이다. 피에조 스피커는 고출력이나 고음질의 스피

커는 만들 수 없지만 구동에 필요한 회로를 극히 단순하게 구성할 수 있다. 또한

부피와 크기를 작게 만들 수 있기 때문에 많은 용도에 널리 사용된다.

우리가 제작한 전자기타는 피에조 원리를 이용한 것이다. 즉 팽팽하게 당긴 줄을

튕기면 줄이 진동하고 이 진동이 압전 소자에 압력을 가해 전류를 발생시킨다. 이

때 발생한 전류는 컴퓨터 스피커에 의해 다시 소리 신호로 바뀌게 되는 것이다.

나. 실제 전자기타에 이용되는 피에조(Piezo)픽업

기존의 일렉트릭 기타용 픽업의 원리는 현의 진동이 야기하는 자기장의 변화를

픽업이 받아들여 증폭시킨 것이다. 그러나 최근에는 피에조 픽업 방식을 이용하기

도 하는데, 이는 현의 압력을 받아들여 이를 증폭시키는 원리로 기타의 울림을 확

장시킨다. 피에조 픽업은 마그네틱 픽업보다 더욱 선명하고 또렷한 음질을 재현하

는 것으로 알려져 있기 때문에 어쿠스틱 기타용 픽업 재료로 각광받고 있다. 초기

형태의 피에조 픽업은 세라믹 재질로 만들어졌기 때문에 사실적인 어쿠스틱 기타

울림과는 거리가 멀었으나, 최근에는 코-폴리머(Co-Polymer)라는 플라스틱 타입의

신소재를 개발하여 기존의 세라믹 재질의 피에조 픽업보다 감응속도를 늦춤으로서

더욱 어쿠스틱한 느낌을 잘 표현해 준다.

- 282 -

다. 전자 기타의 음정 표시

피아노 건반에는 도에서 시까지 7개의 흰 키와 5개의 검은 키가 있으므로 합치

면 12개의 소리를 낼 수 있다. ‘도․레․미․파․솔․라․시’는 7개의 흰 키에 배당돼 있다. 이 ‘도레미파…’라는 음계는 어떻게 정해진 것일까.

피아노에서 ‘도’와 그 다음 높은 ‘도’는 주파수가 2배가 차이가 난다. 이것이 ‘1옥

타브’이고 8도 음정이라고 한다. 이 2배의 주파수 폭을 나눠 ‘도레미파…’에 배당하

는 일을 ‘음율’이라고 한다.

음율은 역사적으로 여러 차례 변화되어 왔다. 그 시대의 음악이나 연주 스타일에

따라 사용하는 음의 조합이 다른데, 이 조합에서 듣기 좋은 음향을 만드는 음율이

어야 하기 때문이다. 현대에는 2배의 주파수 차를 정확하게 12등분해서 배당한다.

이를 ‘평균율’이라고 한다. 이 경우 ‘도’의 높이를 1로 하면 ‘레’는 1.122, ‘미’는

1.260, ‘파’는 1.335, ‘솔’은 1.498, ‘라’는 1.682, ‘시’는 1.887이 된다. 어중간한 수치라

고 생각되겠지만 계산기로 계산하면, ‘미’의 1.260 나누기 ‘레’의 1.122는 1.122로 ‘도’

와 ‘레’의 비율과 꼭 같다는 것을 알 수 있다.

자연장음계 도 레 미 파 솔 라 시 도

진동수의 비 1 9/8 5/4 4/3 3/2 5/3 15/8 2

현의 길이의 비 1 8/9 4/5 3/4 2/3 3/5 8/15 1/2

현의 길이가

40cm일 때40 35.5 32 30 26.6 24 21.3 20

현의 길이가

47cm일 때47 41.8 37.6 35.3 31.3 28.2 25.1 23.5

3. 준비물

가. 전자기타 세트(나무 막대, 낚싯줄, 나비너트, 피에조 스피커, 잭이 달린 리드선,

인쇄된 종이자, 둥근 나무 조각, 음계용 스티커)

나. 순간접착제, 절연 테이프, 가위, 간이 스피커

4. 과정 및 방법

가. 나무 막대를 책상 위에 놓는다. 이 때 나무 막대에 뚫린 큰 구멍을 자세히 보면

나무 막대의 가운데에 있지 않다. 구멍 뚫린 쪽을 몸에서 먼 곳에 놓는다.

나. 나무 막대에 자가 인쇄된 스티커를 붙인다. 스티커는 10cm짜리 4개와 7cm짜리

1개가 있는데, 작은 구멍이 있는 곳에 7cm 스티커를 먼저 붙이고, 나머지 10cm

스티커를 차례로 붙인다.

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다. 나무 막대에 뚫려있는 작은 구멍에 낚싯줄을 끼우고 단단히 묶어 고정시킨다.

라. 구멍으로부터 47cm인 지점에 둥근 나무 조각을 순간접착제로 단단히 붙인다.

[과정 다]

[과정 라]

마. 압전 스피커의 뒷면에 양면테이프를 붙인 다음, 둥근 나무 조각에 걸치도록 하

여 나무 막대에 붙인다.

바. 잭이 달린 리드선을 나무 막대의 끝 구멍에 끼운 다음 선을 두 가닥으로 가지런

히 정리한다.

사. 리드선에서 나온 두 가닥의 선과 압전 스피커의 선을 연결한다.

아. 두 선이 접촉되지 않도록 주의하면서 절연테이프로 단단하게 감는다.

자. 줄의 전체 길이를 측정하고(47cm) 다음의 표를 이용하여 각 지점에 ‘도․레․미․파․솔․라․시․도’의 스티커를 붙인다. 이 때 길이의 기준은 피에조 스피커의 끝이다.

[과정 사][과정 바]

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자연장음계 도 레 미 파 솔 라 시 도

진동수의 비 1 9/8 5/4 4/3 3/2 5/3 15/8 2

줄의 길이의

비1 8/9 4/5 3/4 2/3 3/5 8/15 1/2

줄의 길이가

47cm일 때47 41.8 37.6 35.3 31.3 28.2 25.1 23.5

차. 나무막대의 큰 구멍에 나비너트를 끼운다. 나비너트에 낚싯줄을 감고 팽팽하게

당긴 다음 너트를 단단하게 조인다.

카. 미니 잭을 앰프가 달린 스피커에 꽂고 줄을 퉁겨 소리가 잘 나는지를 확인한다.

타. 각자가 만든 전자기타로 연주한다.

5. 유의점

가. 둥근 나무 조각을 붙일 때 순간 접착제는 조금만 바르고, 순간 접착제를 바른

후 1분 정도 말린 후 붙인다.

나. 자가 인쇄된 스티커는 작은 구멍이 뚫린 곳에 7cm 스티커를 먼저 붙여야 하고,

자가 인쇄되지 않은 스티커의 여분은 자 아래에 겹쳐지도록 한다.

다. 낚싯줄은 나비너트에 시계 방향으로 감아 나비너트를 조일 때 낚싯줄이 팽팽해

지도록 한다. 이 때 너무 세게 조이면 낚싯줄이 끊어지므로 너무 팽팽하게 당기

지 않도록 주의한다.

라. 전자기타는 컴퓨터의 사운드카드에 연결할 수도 있고, 컴퓨터용 스피커에 직접

연결할 수도 있다. 전자기타를 컴퓨터용 스피커에 직접 연결하기 위해서는 별도

의 연결잭이 필요하다.

6. 생각해 보자

- 285 -

가. 전자기타에서 줄의 길이와 소리의 높낮이 사이에는 어떤 관계가 있는가?

나. 전자기타에서 소리가 나는 원리를 설명해 보자.

- 286 -

생활 과학

부산고등학교 교사 김옥자

1. 여는 글

“생활 속의 과학” 언제부턴지 우리 과학교사들에게 강조되어진 용어이다. 실생활과 멀리

떨어진 이론 중심의 과학이 학습자에게 어렵고 딱딱하게 다가가 학습 의욕을 떨어지게 한다는

우려에서 나온 말일 것이다. 때로는 “놀이 속의 과학”이라 하여 “여럿이 함께 즐겁게 노는 것.”

이라는 “놀이”의 특성을 살려 다함께 신명나게 놀면서, 과학을 보다 쉽고도 재미있게 배우게

해보자고 말하기도 한다. 아무튼 그럼 왜 우리는 과학을 이렇게까지 가르쳐야 하는 걸까?

현대 사회는 과학 기술의 발전을 바탕으로 아주 빠르게 변하고 있다. 그래서 과학과 기술을

무시한 채 사회 발전을 기대할 수 없을 만큼 과학의 위치와 그 역할이 커졌음도 사실이다. 하지

만 우리는 그동안 과학 기술의 선두 주자에 끼어야 한다는 강박관념 속에 과학 기술의 발전만

을 강조한 나머지, 과학을 올바로 이해하고 과학적 소양을 갖춘 사람을 길러 내는데는 소홀히

하였다. 아울러 자본의 논리로만 치닫는 현대 사회의 분위기와 맞물려 미래의 주역들이 될 지금

의 청소년들이 이공계열 진학을 기피하는 현상까지 낳고 있다. 갈수록 전문화되고 세분화되는

과학 기술의 내용을 받아들이고 앞서간 이론들을 따라잡아 기술 경쟁력을 높인다는 미명 하에

우수한 두뇌 집단을 만드는 데만 더 큰 신경을 서 왔는데, 그래서 과학은 갈수록 몇몇 엘리트들

의 독점물로 변하고 많은 사람들로부터는 멀어져 왔는데, 이제는 그 몇몇 엘리트들조차도 과학

을 기피하는 현상을 빗고 있는 것이다. 이는 과학이 대중으로부터 멀어진다는 것과 아울러 과학

이 보다 극소수의 사람에게 독점되고 있다는 것의 이중적인 문제를 유발한다. 이유야 어디에 있

든 이렇게 과학이 대중으로부터 멀어지고, 소수 몇 사람에게 독점되는 현상은 결코 바람직하지

못한 위험한 일이다. 대부분의 시민들이 과학 본연에 대한 이해가 부족한 상태에서 과학과 밀접

해지는 사회는 과학이 과학자들 자신에 의해서 뿐만 아니라, 과학을 응용하는 사람이나 국가 지

도자들에 의해 남용 또는 오용되어 환경파괴와 더불어 인류에게 큰 재앙을 가져다 줄 수 있을

뿐만 아니라, 반환경성의 경향이 짙은 과학의 부산물들은 그 내용 자체가 인류를 선택의 여지없

는 막다른 골목으로 몰아 넣을 수 있기 때문이다. 그러므로 다가올 미래 사회의 주인공에게 과

학의 성격과 역할을 바르게 가르친다는 것은 더 없이 중요한 일인 것이다.

그러므로 미래 과학 만능의 세상을 살아갈 시민은 과학이 무엇인지를 바로 알고, 과학을 합

당하게 지원하고 과학의 오ㆍ남용을 알아차릴 수 있고, 현명하게 판단할 수 있는 일정 수준의

과학적 소양을 가져야 한다. 이러한 미래 시민들의 과학적 소양을 키우는 대중과학교육, 생활과

학교육 운동의 토대를 교육 현장에 마련하는 것이 과학교육의 시급한 과제라 생각한다. 이에 과

학을 보다 쉽고, 보다 재미있게 풀어서 아이들에게 다가가게 하자는 것이 “생활 과학”의 진정한

뜻일 게다.

2. 쉽고 재미있는 과학으로서의 어메니티 과학실험

이제 과학은 몇몇 사람들의 전유물이 아닌 모두에게 다가갈 수 있는 과학이어야 하고, 그리

고 올바른 자연관을 갖는 과학적 소양을 길러 주는 과학교육, 나아가 자연의 순환성을 인정하고

자연에 순응하는, 그래서 자연을 사랑하고 자연과 조화로운 삶을 꾸려갈 수 있는 그런 과학으로

나아가야 한다.

사실, 과학적 엘리트를 양성하는 것도 몇몇 소수의 무리들을 영재교육 프로그램에 집어넣어

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둠으로써 이루어지는 것은 아니다. 과학에 대한 일반인의 관심과 친숙함의 폭이 넓게 확산된 대

중 과학의 확산이야말로 진정한 의미의 과학 엘리트를 양산할 수 있는 토양이 될 수 있다.

‘종합적인 쾌적함’을 의미하는 어메니티(Amenity)는 ‘사랑과 생명을 품고있는 환경실천 사상’

이다. 이와 같은 사상을 과학적 소양교육에 접목하여 휴머니즘을 바탕으로 한 과학, 기술을 인

간이 컨트롤할 수 있는 그런 참된 과학을, 학교 현장에서 교육할 수 있도록 그 기틀을 마련해

보고자 꾸민 ‘어메니티 과학실험’을 소개한다.

1) 어메니티 과학실험이란?

`물, 불, 바람, 흙, 지렁이와 함께 하는 과학활동 - 어메니티 과학실험

어메니티(Amenity)란?

어메니티........

어메니티는 인간이 느끼는 쾌적하고 안락한 느낌을 말합니다.

어메니티 사상은 18세기 영국에서부터 시작되었습니다. 급격한 산업화로 도시의 환경이 오염되고 노

동자들의 주거 환경도 더럽고 인간이 살기에 적합하지 못한 것이 대부분이 되었습니다. 이러한 환경을

개선하고자 나온 사상이 어메니티입니다. 즉 사람이 살기 좋고, 살고 싶은 환경을 만들자는 것이 어메니

티 운동의 출발입니다.

오늘날의 어메니티 사상 또한 인간이 살기에 쾌적하고 기분 좋은 환경을 만들고자 하는 기본 뜻을 이

어가고 있습니다. 덧붙여 인간이 살기 좋은 환경은 생태계의 모든 생물이 다같이 살기 좋은 환경이라는

생각도 더해졌습니다. 결국 어메니티 사상은 인간과 자연이 조화를 이룬 환경을 만들자는 것입니다.

어메니티 과학이란?

어메니티 과학은 어메니티의 눈으로 과학을 바라보고자 하는 겁니다. 오늘날의 자연 파괴의 책임은

여러 부분이 과학이 책임이라고들 합니다. 반성 없는 과학, 인간 중심의 과학이 만들어 낸 비극이 오늘

날의 자연파괴라고들 합니다.

하지만 참 과학은 자연을 사랑하고, 그 자연과 인간과의 관계를 알고 서로간의 조화를 이루어 가는

방법을 찾아가는 과정이라고 생각합니다. 어메니티 과학은 과학교육 프로그램 속에 이러한 생각을 담고

있습니다.

어메니티 과학실험이란?

‘어메니티 과학의 큰 뜻은 자연과의 사랑을 이끌어 내는 것입니다.

사랑의 시작은 그 대상에 대한 관심이고,

그 관심의 시작은 내 곁에 그 대상이 있음을 알 때 생겨납니다.

어메니티 과학실험은 ‘자연이 우리 곁에 있다.’는 것을 확인하는 과정입니다.

그 첫째가 자연 속으로입니다.

자연 속으로 가서 자연을 있는 그대로 느끼는 과정입니다. 현장학습과 체험학습, 생태기행을 강조합니

다.

그 둘째가 이야기 속으로입니다.

지금 우리 곁에 있는 이 자연은 이 순간 싹튼 것이 아닙니다.

지금 우리 눈에 비치는 이 자연의 모습도 전부라고 할 수 없습니다.

현재의 자연이 있기까지의 역사와 현재의 자연의 모습 뒤에 숨어있을 자연의 본 모습에 대해 앞서 살

아 온 선조들의 이야기를 듣고 자료를 모으는 과정입니다.

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그 셋째는 실험 속으로입니다.

앞서 관찰, 조사한 내용을 내 손끝에서 조작적인 방법으로 파헤쳐 보는 분석적인 과정입니다. 비록 자

연의 일부에 지나지 않는 것들이지만 직접 품어보고 만져보는 확인 과정입니다.

실험대 위에 올려진 비커 속의 물은 이미 물의 전체 모습이 아닌 물의 파편에 불과합니다. 이 한

조각의 물의 특성만으로도 우리는 물의 특별함에 놀랍니다. 하물며 생명력 있는 전체로서의 물의 본성

은 얼마나 위대할까요? 이 위대한 자연이 바로 우리 인류의 본향임을 알리고자 하는 것이 어메니티 과

학실험의 숨은 의지입니다.

2) 어메니티 과학실험의 내용

어메니티 과학은 자연을 탐구하여 자연을 닮고자 하는 과학이다. 이것은 과학의 본 모습이

기도 하다. 자연은 상호경쟁을 기반으로 하고 있는 체계가 아니라 상호조화를 바탕으로 운행되

는 체계이다. “자연은 우리의 가장 뛰어난 스승이다. 우리는 자연의 법칙을 따라 가려고 해야지,

그것을 정복하려고 해서는 안 된다.”며 “우리 인류가 파멸로부터 벗어나기 위해서는 분석적이고

경쟁적인 세계관에서 벗어나 종합적이고 조화로운 세계관을 추구해야만 한다.”는 빅터 샤우버거

의 생각을 배워 실천하자는 것이 어메니티 과학의 근본 취지이다. 그러므로 ‘어메니티 과학’이

하는 일은 인간과 자연과의 조화, 즉 자연과의 사랑을 이끌어 내는 것이다. 사랑의 시작은 그

대상에 대한 관심이고, 그 관심은 내 곁에 그 대상이 있음을 알 때 생겨나므로, ‘어메니티 과학

실험’은 물, 불, 바람, 흙, 지렁이가 우리 곁에 있음을 확인하는 ‘어메니티 과학실험’으로부터 시

작한다.

어메니티 과학실험은 자연의 기본 소재를 크게 물질(입자)과 에너지(場)으로 나누고, 물질은

기체 상태의 , 액체 상태의 , 고체 상태의 으로 3주제로 나누고, 에너지는 인

간이 발견한 제 1의 힘인 중력을 으로, 제 2의 힘인 , 그리고 , ,

로 5주제로 나누었다. 여기에 관찰자인 과 이 모든 자연이 공존하는 상태의 상징으

로 이라는 2주제를 더하여 총 10개 주제를 두고 있다. 이 10가지 주제를 또 다시 ‘자연을

찾아서(확인 실험)’, ‘별난 친구 자연(특성을 찾는 실험)’, ‘자연 속에서(이용하는 실험)’의 세 영

역으로 나누어 이를 실제로 체험할 수 있는 구체적인 실험들로 꾸며 놓은 것이 어메니티 과학

실험의 내용들이다. 그리고 이러한 주제 마당에다 덧붙여 특별 마당으로, 과학에 흥미와 깊이를

더할 욕심으로 마당을, 또 자원의 재활용 등으로 환경문제에 더욱 관심 갖게 하며, 연

장 다루기 등을 통하여 신변처리 능력을 기를 의지로 마당을 보태었다. 아래 는

‘01부산 어메니티 과학실험 한마당’행사 때 소개된 어메니티 과학실험의 예들이다.

01부산 어메니티 과학실험 한마당

모 꼬지

한마당자연을 찾아서(확인) 별난 친구 자연(특성) 자연 속에서(이용)

담당 비고

1 공기 여기에 공기가 있다 공기는 천하 장사 공기가 있기에

2 물 물아 나오너라 별난 친구 물! 끼리끼리 녹인다

3 흙지구는 왜

납작한가?

흙은 물을 씻는

비누

알루미늄캔으로

백반을

4 힘 힘이 보인다. 중력을 이긴다.마음으로 그리는 그림

책

5 전자기 전기가 보인다. 직류와 교류 내가 만든 건전지

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6 불 불 만들기 연소의 모든 것 불 꽃 놀이

7 빛 빛을 찾아서 빛의 성질 빛이 있기에

8 소리 소리의 발생 소리의 전달 소리의 광장

9 숲생명의 60～70%는

물!숲 속 둥지 생명 나무 만들기

10 사람 내 몸 알기나는 야 범죄

수사관

나의 두 손으로

지구를..

3) 어메니티 과학실험에서 강조하는 것들

① 존재의 확인

토끼가 용궁의 거북이를 만나려면?

▣ 준비물 : 페트병, 페트병 깔때기, 이쑤시개, 밑 뚫린 페트병, 송곳, 수조, 풍선, 빨대, 바

가지, 컵 등.

▣ 실험 과정

-. 페트병에 풍선을 밀어 넣고 풍선 주둥이로 페트병 입구를 감싼다.

이 풍선을 불어 보자. 어떻게 하면 불 수 있을까?

-. 페트병 위에 깔때기를 꽂고 공기가 들어가지 않게 꼭 막는다.

이 깔때기에 물을 부어보자. 어떻게 하면 물이 내려갈까?

-. 송곳을 불에 달구어, 페트병 아래쪽 같은 높이에다 이쑤시개로 막을 수 있을 정도의

구멍을 빙 돌아가 며 여러 개 뚫는다. 위쪽 주둥이 가까이에도 한 개의 구멍을 뚫는다.

그리고 이쑤시개를 꽂아 이 구멍들 을 모두 막는다. 이 병에다 물을 담고 뚜껑을 꼭 막

는다. 준비 완료!!

이제, 이 병을 수직으로 세우고 아래쪽 이쑤시개 1개를 뽑아 보자. 물이 새어 나오는

가?

이번에는 뚫린 구멍의 반대쪽 이쑤시개 하나를 뽑아 보자. 이어서 아래쪽 이쑤시개 모

두를 뽑아보자.

어떻게 하면 물이 나올까? 위쪽 이쑤시개를 뽑았을 때, 물이 나오는 까닭은?

-. 거북이 모형을 만들어 수조 바닥에 붙인다. 그리고 휴지로 토끼 모형을 만들어 페트병

뚜껑에 담는다. 수조에 물을 담고 그 물 위에 토끼 모형을 띄운다. 어떻게 하면 이 토끼

를 물에 젖지 않고 용궁의 거북 이를 만나게 할 수 있을까?

-. 나의 날숨을 컵에 모아보자.

-. 주스를 빨아먹을 수 없는 빨대를 만들어 보자.

▣ 왜 그럴까?

② A=B이고, B=C이면, A=C이다

늘어난 고무줄이 열을 받으면?

▣ 준비물 : 나무젓가락, 고무밴드, 봉 달린 핀, 야쿠르트 빨대 조각, 전기테이프, 가위.

▣ 실험 과정

-. 나무 젓가락(두 짝 붙어 있는 그대로)의 양끝과 가운데쯤에 전기 테이프로 두어 번 감

는다.

-. 빨대를 2cm 정도 잘라 가운데쯤에 핀을 꽂는다. 핀 끝이 반대편에 조금 빠져나오도록

꽂는다.

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-. 고무밴드를 나무젓가락에 길이로 걸쳐놓는다.

-. 빨대 꽂힌 핀을 나무젓가락의 가운데 전기테이프와 그 위를 지나는 고무밴드 사이에

수평 되게 놓는다.

-. 그리고 엄지손가락으로 눌러서 빨대 양옆의 고무줄을 번갈아 가면서 당겨 보자. 빨대

는 어느 방향으로 회전하는가? 고무줄이 늘어나는 방향으로 회전하는가, 줄어드는 방향

으로 회전하는가?

-. 정확하게 관찰하였으면, 이제 사진처럼 빨대의 한쪽 방향을 선택하여 그 �