페트병 분수를 제작하고 기체의 압력과 부피 관계를 설명해 보자

(https://tv.naver.com/v/4158496)을 시청하면서 자신이라면 어떻게 분리할 수 있을지 생각해 본다.

2. (모둠별 실험 활동 - 둘 가고 둘 남기)

7 모둠 기준으로 기체의 부피와 온도와의 관계를 살펴볼 수 있는 7 가지 주제별 실험을 준비한다.

각 모둠별 실험 주제를 하나 선택하여 실험하고 그 결과에 대해 기록 및 정리한다.

- 각각 실험을 과학적 원리로 설명하고, 이를 입자모형으로 표현하도록 정리한다.

입자의 수는 불변, 골고루 분포, 크기 일정 등

- 우리 일상적인 생활에서 샤를 법칙이 이용된 실생활의 예를 찾아보자.

열기구 속의 기체를 가열하면 열기구가 위로 떠오름 여름철에는 자동차 타이어에 공기를 적게 넣어 운행함

냉장고에서 꺼낸 밀폐 용기의 뚜껑이 열리지 않을 때, 뜨거운 물에 잠시 넣어 두면 뚜껑이 쉽게 열림 찌그러진 탁구공을 뜨거운 물에 넣으면 다시 팽팽해짐

- 샤를 법칙을 ’핵심 용어 카드‘를 이용하여 설명해 보도록 한다(모둠별 역할 분담).

(핵심 용어 : 기체, 온도, 부피, 압력, 입자모형, 운동, 충돌, 늘어난다, 줄어든다 등)

일정한 압력에서 기체의 온도를 높여주면 부피가 일정한 비율로 늘어나고, 온도를 낮추어 주면 일정비율로 감소한다. 이때 기체의 부피가 변하는 정도는 기체의 종류에 관계없이 일정하다.

- 밀폐 용기의 뚜껑이 열리지 않는 경우 해결방법 질문하기

밀폐 용기에 뚜껑을 덮어 담아 놓은 뜨거운 음식이 식으면 뚜껑이 잘 열리지 않는 문제를 해결하기 위한 방법을 질문한다.

◦ 용기를 따뜻한 물에 넣어 둔다. → 온도가 높아지므로 용기 내부에 들어 있는 공기의 부피가 늘어 [모둠 1] 풍선에 요구르트 병 붙이기

[모둠 2] 삼각플라스크 속으로 달걀 넣기 [모둠 3] 열기구(풍등) 만들기

[모둠 4] 풍선의 크기를 내 마음대로 [모둠 5] 핸드 보일러의 마술

[모둠 6] 움직이는 동전

[모둠 7] 힘을 가하지 않고 찌그러진 탁구공 펴기

(챠트의 구성) - 제목 - 핵심 내용

- 실험내용 및 과학적 원리(입자모형으로 설명하기) - 실생활 이용의 예

<준비물>

유리주사기(10mL, 피스톤이 부드럽게 움직이는 것), 고무마개, 디지털 온도계, 250mL 비커 3개, 계 산기, 연필, 자

1. 샤를 법칙 확인하기(정량 실험)

<활동 과정>

가. 250mL 비커를 3개 준비해서 각각에 실온의 물, 얼음물, 뜨거운 물을 150mL 정도씩 넣는다.

나. 주사기에 공기를 7mL 정도 담고 고무마개로 주사기 끝을 막아 밀폐한다.

다. 각각의 온도에서 주사기 속의 공기의 부피가 어떻게 변하는지 2회 정도씩 측정하여 평균값을 구 한다.

라. 물의 온도는 디지털 온도계를 이용하여 소수 첫째자리까지 정확하게 측정한다.

마. 온도에 따른 공기의 부피 팽창률을 계산하여 이론적으로 기체의 부피가 0이 되는 온도를 구한다.

<실험 결과>

가. 아래 표에 실험 결과를 기록하여 보자.

물 온도(℃) 기체의 부피(mL)

1회 2회 평균값

얼음물 0 6.67 6.69 6.68

실온의 물 20 7.17 7.19 7.18

뜨거운 물 70 8.43 8.43 8.43

나. 실험 결과표를 근거로 아래 그래프에 온도에 따른 공기부피 변화 그래프를 그려보자.

라. 위에서 구한 부피팽창률(직선의 기울기)과 0℃일 때의 공기 부피값(y절편)을 이용하여 온도(t)와 공기의 부피(V)의 관계를 나타내는 직선의 함수식을 써 보자.

y = ax + b 형태의 그래프로 보면 V = 0.0249t + 6.68 의 그래프이다.

마. 위 함수식을 이용하여 기체의 부피가 이론적으로 0이 되는 온도를 찾아보라.

위 함수식의 V값에 0을 넣었을 때의 t값을 구하면 된다.

t = -6.68 / 0.0249 = -268.3(℃) 이 값은 -273.15℃와 약간의 오차가 있다.

Tip! 주사기의 피스톤에 그리스를 발라두어 피스톤이 최대한 매끄럽게 움직이도록 한다.

① 뜨거운 물과 찬물을 준비한다.

② 오줌싸개 인형을 뜨거운 물에 담근다. 이때 기포가 나오는데, 기포가 완전 히 다 나올 때까지 담근다.

③ 다시 더운물에서 꺼내어 찬물에 30초 정도 담근다.

④ 찬물에서 꺼낸 인형에 뜨거운 물을 붓는다.

⑤ 오줌싸개 인형이 오줌을 싼다.

1. 각 단계별로 오줌싸개 인형이 오줌을 싸는 원리를 기체의 온도와 부피, 압력과의 관계로 설명해 보 자.

- ②단계:

- ③단계 : - ④단계 : - ⑤단계 :

2. 실험 결과를 ‘샤를의 법칙’과 연관 지어 설명해 보자.

- 온도가 높아지면 오줌싸개 인형 안에 있는 공기의 부피가 늘어난다.

- 온도가 낮아지면 오줌싸개 인형 안에 있는 공기의 부피가 줄어든다.

활동 2. 직접 제작한 오줌싸개 인형을 이용한 게임하기(개인별)

1. 주위에 있는 PET병 이나 알루미늄 캔 등으로 직접 오줌싸개 인형을 만들어 물줄기를 더 멀리 오 래 내보낼 수 방법을 알아보자.

- 뚜껑이 닫힌 빈 병 안에 누가 물을 더 많이 넣을 수 있을까?

병(캔) 속의 공기를 많이 뺀 곳은 거의 진공상태로 많은 물을 저장할 수 있다.

- 어떻게 하면 물줄기를 더 멀리 오래 내보낼 수 있을까?

내부와 외부의 압력 차이가 클수록 멀리 보낼 수 있다.

< 실험 내용 >

- 준비물: 오줌싸개 인형, PET병, 알루미늄 캔, 알루미늄 테이프, 송곳, 비커, 전기포트, 사인펜, 자 - 다양한 재질의 PET 병과 알루미늄 캔 이용

- 다양한 모양과 크기의 PET 병과 알루미늄 캔 이용

- 다양한 구멍의 크기에 따른 물의 나가는 길이와 시간 비교

< 주의 사항 >

PET 병이나 알루미늄 캔 속의 공기의 양에 따라 물이 나가는 양이 달라지므로, 서로 다른 재질로 비교하는 실험을 할 때, 병이나 캔 안에 물을 가득 채우고 일정한 양의 물(2 컵)을 덜어내어 각자의 오줌싸개 인형 안에 들어있는 공기의 양을 똑같게 맞춘 후 비교 실험할 수 있도록 한다.

2. 다른 모둠에서는 평가 기준에 맞춰서 평가한다(평가표 작성, 심사 방법 토의).

아래 평가 기준 참조

3. 발표가 끝났으면 모둠별로 제작한 작품(오줌싸개 인형)을 탑처럼 쌓아서 위에서 뜨거운 물을 부어 모두 동시에 물이 나갈 수 있도록 작동해보자(기념사진 촬영).

(예시) 로마의 트래비 분수

4. 계절에 따른 타이어 압력의 변화와 그 이유를 ‘샤를 법칙’과 연관 지어 생각해 보자.

- 겨울철에는 여름철과 달리 기온과 도로 표면의 온도가 낮아지므로 타이어 안의 공기 온도도 낮다.

타이어 안 공기의 양이 일정할 때, 온도가 낮을수록 부피가 작아지므로 타이어 내부의 압력이 낮 아진다(공기의 부피는 작아지지만, 타이어의 용량은 크게 변하지 않는다).

< 평가표(예시) >

평가 기준 모둠별 평가(자기 모둠 제외)

1 2 3 4 5 6

모둠원들이 협력하여 프로젝트를 잘 수행 하였는가?

작품 발표 시 과학적인 원리를 잘 이해하 고 설명하였는가?

다른 학생들의 질문에 대한 답변을 성의 있게 잘 하였는가?

작품의 완성도가 높고 맥락에 맞게 스토 리텔링이 잘 되어 있는가?

총점

최우수 모둠(자기 모둠 제외) 이유

그림 1. 과학창의재단 직문직답 초성퀴즈

그림 2. 참가자 입장(네이버 렌즈 활용)

그림 3. 팀별 퀴즈 게임

활동 2. 기체의 압력이 생기는 이유는 뭘까?

2-1. 고무풍선에 기체를 불어 넣으면 풍선이 부풀어 오른다. 왜 그럴까?

- 기체 분자 수 증가

- 기체 분자들이 풍선 벽에 충돌하는 횟수 증가 - 풍선 속 기체의 압력 증가

- 풍선의 부피 증가

2-2. 공기를 넣고 입구를 묶은 풍선은 왜 더 이상 부풀어 오르지 않는 것일까?

- 풍선 속 기체의 압력이 변화가 없음

가정 : 중심벽은 풍선이고, 분자와 충돌할 때 마다 조금씩 뒤로 밀려난다.

3-1. <하늘 위로 올라가는 풍선은 어떻게 될까?> 확인하는 방법은?

- 풍선화면으로 이동한다.

- 왼쪽과 오른쪽에 기체분자 10개를 채워 넣어 중심벽이 중심에 오게 한다.

- 왼쪽에 분자를 하나씩 감소시키면서 중심벽이 왼쪽으로 이동해 가는 것을 보여준다.

- 하늘로 올라갈수록 공기 분자가 적어진다는 것을 설명한다.

3-2. <진공에서 풍선은 어떻게 될까?> 확인하는 방법은?

- 왼쪽에 있는 기체 분자를 모두 제거한다. 그럼 중심벽은 언제까지 이동할까?

- 충돌횟수가 같아질 수 없으므로 무한정 이동한다. 그러다 보면 언젠가는 터진다.

3-3. <풍선의 크기를 지금보다 크게 하려면 어떻게 하면 될까?> 가능한 방법을 모두 말해보자.

- 풍선 안의 분자의 충돌횟수를 증가시킨다.

- 풍선 안쪽의 기체 분자수를 늘린다.

- 온도를 높여 풍선 안쪽의 분자의 운동속도를 빨라지게 한다.

활동 4. <분자의 운동>프로그램 <탁구공화면>에서 다음 상황에 맞게 조작해 보자.

5-1. 보일의 법칙 “ 같은 온도에서 기체 부피(V)는 압력(P)에 반비례한다. ”

5-2. 압력과 부피 그래프 “ 압력이 2배가 되면 부피는 1/2배로 줄어든다. ”

5-3. 온도와 부피 그래프 “ 온도가 올라가면 분자 운동이 활발해져서 부피가 증가한다. ”

6-2. 우주선(로켓) 구상도를 그려보자.

내가 만든 우주선의 이름은 :

구상도 그리기

6-3. 최적의 발포비타민과 물의 비율을 찾아보자.

6-4. 우리 모둠의 기록은?

1차 m cm

2차 m cm

3차 m cm

1. 우리 모둠이 달걀을 깨뜨리지 않고 삶기 위해 한 방법은 무엇이며, 어떤 이유로 그렇게 하였는지 설 명해보자.

달걀을 깨뜨리지 않고 삶기

위해 한

방법

1) 조리하기 전에 계란을 실온 상태에 놔두기.

2) 안에 갇힌 공기를 빼내어 깨질 확률 줄이기.

3) 물에 소금이나 식초를 넣어주자.

이유

계란이 깨지는 이유는 껍질 내부의 공기가 열로 인해 부피가 커지기 때문이다. 그리고 부피가 커진 공기로 인해 계란 내부의 압력이 증가하면 다공성 껍질의 약한 부분을 깨 뜨리고 밖으로 탈출하게 된다. 따라서 이 과정에 급속하게 일어나는 것을 방지하기 위 해 미리 계란을 실온 상태로 만들어놓는 것이 중요하다. 계란이 서서히 실온으로 돌아 갈 때까지 기다리고 싶지 않다면 조리하기 전에 뜨거운 수돗물에 몇 분간 넣어놓는 것 도 방법이다. 계란을 냄비에 넣기 전에 계란 아래쪽을 압정 등으로 찔러 내부에 갇힌 공기방울을 빼낸다. 이 공기방울이 바로 삶는 과정에서 밖으로 탈출해 계란을 깨뜨리는 주범이다. 소금물은 계란 흰자가 더 빨리 굳게 도와주며 껍질이 조리 과정에서 깨지면 작은 틈새를 막아주기도 한다. 계란에 식초를 넣으면 계란 흰자가 더 빨리 응고하게 돼 도중에 껍질이 갈라져도 그 틈새를 막아준다. 나중에 껍질을 까기가 쉬워진다.

2. 우리 모둠이 깨뜨리지 않고 삶은 달걀의 개수는 몇 개이며, 만일, 깨진 달걀이 있다면 그 이유가 무 엇이라고 생각하는가?