제 07강. 온도계 탐구

제 07강. 온도계 탐구

교과명 : 지구영역 탐구

이면우 (춘천교육대학교)

제 07강. 기상 영역 탐구(1): 온도계 탐구

01. 수업 목표

기온을 재는 온도계의 원리를 이해하고 백엽상의 역할을 설명할 수 있다 .

02. 대표 탐구활동

나만의 온도계 만들기 (가상 실험)

03. 탐구활동 정리

기온 측정하기 , 백엽상 탐구하기

04. 과학 개념의 이해

물의 순환 , 온도, 기온, 온도계, 백엽상 05. 생각 넓히기

온도계의 역사 , 기온 측정하기

2007.10.04. 춘천기상대(옛날) 방문. 백엽상

01. 수업 목표

1. 수업 목표

기온을 재는 온도계의 원리를 이해하고 백엽상의 역할을 설명할 수 있다.

2. 현행 초등 과학 교육과정(2015)

⒄ 물의 여행

이 단원에서는 우리 생활에서 꼭 필요한 물을 소재로 하여 물이 상태 변화를 하면서 순환하는 과정을 생명 현상, 기상 현상과 관련지어 통합적으로 이해함으로써 물의 순환 현상에 호기심을 갖고 탐구하려는 태도를 기르도록 한다. 나아가 생명체에서 물의 소중함을 살펴보 고, 지구 곳곳에서 발생하는 물 부족 현상을 해결하기 위한 과학·기술·공학의 적용 사례, 적정 기술의 적용 사례 등을 조사함으로써 창의 적 문제 해결력을 기르고, 과학의 필요성을 인식하도록 한다.

•

[4과17-01] 물이 이동하거나 상태가 변하면서 순환하는 과정을 생명체, 지표면, 공기 사이에서 일어나는 다양한 현상과 관련지어 설 명할 수 있다.

•

[4과17-02] 물의 중요성을 알고 물 부족 현상을 해결하기 위해 창의적 방법을 활용한 사례를 조사할 수 있다. [탐구 활동]

• 물의 순환 과정을 알아보는 모형 실험하기

• 물 부족 현상을 해결하기 위한 방법 토의하기

㈎ 학습 요소

증산 현상, 증발, 물의 상태 변화, 물의 순환

㈏ 성취 기준 해설

•

[4과17-01] 물의 순환 과정을 물의 상태 변화, 식물의 잎을 통한 증산 현상, 증발, 구름의 생성, 강우 등과 관련지어 통합적으로 다룬 다. 지구에서 일어나는 물의 이동과 물의 상태 변화의 모습을 다양한 관점에서 다룬다. 증산 작용은 5-6학년군에서 다루기 때문에 여 기서는 증산 현상 위주로 다룬다. 세계 여러 곳에서 물이 만년설, 빙하와 같이 액체가 아닌 상태로도 존재함을 이해한다. 구름이나 안 개를 물의 기체 상태로 오해하지 않도록 유의한다.

<3-4학년군>

⒄ 물의 여행(신설) : 3~4학년군의 통합 단원으로, 우리 생활에 꼭 필요한 물이 상태 변화하면서 순환하는 과정을 생명 현상, 기상 현상과 관련지어 통합적으로 이해할 수 있도록 구성한다.

 4-2학기로 신설함(통합 주제 단원).

01. 수업 목표

출처: 2015 교육과정(교육부, 2015)

•

[4과17-02] 물 부족 현상을 해결하기 위한 과학·기술·공학적 설계의 예를 찾아봄으로써 적용된 과학적 원리를 탐색하되, 환경 오염 은 다루지 않는다.

㈐ 교수·학습 방법 및 유의 사항

• 날씨 현상, 물 부족 현상과 관련된 다양한 사진 자료나 멀티미디어 자료를 조사하고, 이를 수업에 활용하여 물의 순환이 어떻게 일어 나고, 물이 왜 소중한 지를 인식하도록 한다. 물의 순환 과정을 알아보는 간단한 실험 활동을 실시하고, 그 결과를 그림이나 글로 표 현하여 생각을 정리하게 할 수 있다.

• 물 자원을 효과적으로 이용하는 방법을 조사하고 일상생활에서 실천할 수 있도록 한다.

• 이 단원은 3-4학년군의 ‘물의 상태 변화’, 5-6학년군의 ‘식물의 구조와 기능’, ‘생물과 환경’, ‘날씨와 우리 생활’, 중학교 1-3학년군의

‘수권과 해수의 순환’, ‘식물과 에너지’, ‘동물과 에너지’와 연계된다.

㈑ 평가 방법 및 유의 사항

• 물의 순환 과정과 관련된 다양한 사례를 조사하고 정리한 결과를 평가하거나, 물의 순환과 관련된 실험 과정을 관찰 평가하거나, 물 의 순환 과정을 글과 그림으로 표현하게 하여 그 결과물을 평가할 수도 있다.

• 탐구 활동 과정에서 얻어진 결과물을 실제 자연 현상에서 예를 찾아보는 활동 등을 평가하거나 토의 과정을 통해 평가할 수도 있다. [교육과정 비틀기]

 1. 기상 영역에서 초등 아동에게 반드시 가르쳐야 할 탐구 활동과 내용이 있다면 무엇일까?.

- 어떤 탐구 활동이 가능한가?

- 어떤 개념을 교수해야 할까?

 2. 통합 주제 단원의 성격은 무엇인가?

- 내가 초등 교육과정을 선정한다면 지구과학 영역 단원 중 어떤 통합 주제 단원이 가능할까?

- 통합 주제 단원과 다른 단원의 차이점은 무엇인가?

02. 대표 탐구활동(1): 온도계 만들기

 왼쪽 그림은 최초의 온도계라 할 수 있는 공기온도계를 설명한 모식도이다.

 오른쪽 그림은 사람의 체온을 재는 체온계를 나타낸 것이다. 체온계의 구부(샘물)가 구부 러진 이유는 무엇이라고 생각하는가?

 여러분이 자유롭게 온도계를 머리 속으로 발명한다면 어떠한 온도계를 만들 것인가?

• (창의적인) 온도계 만들기[사고 실험]:

자기 나름의 온도계를 설계하고 설명해보자.

Philo’s air-thermometer(RobertFludd; Philosophia Moysaica (1638, p2)

The 165-meter Expo Thermometer [Xinhua]

02. 대표 탐구활동(1): 온도계 만들기

<예시 자료>

72155 Baker Blvd, Baker, CA 134-ft.-tall

• 온도계 이름:

• 작동법

• 장점:

• 단점:

• 참고 문헌:

• 최고 온도계

• 최저 온도계

• 습도계

• 자기 온도계

• 기압계

• 통풍(100개 의 창문)

• 백색

• 잔디밭

• 약 1.5 m

• 북쪽 창문

03. 탐구활동 정리: 기온과 백엽상(百葉箱, instrument shelter)

1.白色・・・태양열을 차단.

2.많은 문・・・통풍.

3.북향으로 열리는 문・・・직사광선 차단.

4.목제・・・열 전도율 고려

5.잔디밭 위에 설치・・・태양열 반사 차단.

_ 2007 촬영. 누워있는 백엽상!

03. 탐구활동 정리: 기온과 백엽상(百葉箱, instrument shelter)

03. 탐구활동 정리: 기온과 백엽상(百葉箱, instrument shelter)

기온이란 공기의 온도를 말한다. 기온은 같은 시각이라 할지라도 장소에 따라 달라지며, 같은 장소라 할지라도 높이에 따라 달라진다.

그러므로 기온을 측정할 때에는 일정한 조건을 갖춘 장소가 필요하다. 일정한 조건을 일부러 만들어서 기온을 측정할 수 있도록 한 것이 바로 백엽상이다.

백엽상은 우선 바람이 잘 통하는 장소에 있어야 한다. 또한 지면에서부터 반사되는 태양열을 막기 위해 잔디밭 위에 설치한다. 백엽상 의 처마와 네 벽은 나무로 만드는데, 특히 네 벽은 바람이 잘 통하도록 판자를 엇갈리게 장치한다. 또한 문을 열었을 때 햇빛이 직접 온도 계에 닿지 않도록 문을 북쪽을 향하게 한다. 그리고 백엽상의 외부는 하얀 페인트를 칠하여 외부에서 들어오는 열을 막도록 한다. 이렇게 백엽상은 하얀색을 띄기 때문에 백엽상이라는 이름이 붙었다.

백엽상 안에는 보통 건습구 습도계(온도와 습도를 동시에 잴 수 있음), 최고 온도계, 최저 온도계 등을 설치한다. 이때 설치된 온도계는 잔디밭에서 높이 1.5m의 위치에 둔다.

매일 우리가 들을 수 있는 일기예보에서 최고 온도나 최저 온도는 잔디밭에서 햇빛이 비치지 않는 백엽상 안 1.5m에서 잰 값을 말하는 것이다. 그렇다면 새로운 의문이 생길지도 모르겠다. 왜 하필이면 1.5m 높이에서 기온을 잴까? 그 이유는 두가지이다. 하나는 실제로 지 표면 근처에서는 땅에 의해 태양 열이 다시 복사되므로 날씨와 계절에 따라 아주 다른 값이 나온다. 그런데 1.2에서 1.5m 정도만 되면 기 온의 변화가 거의 나타나지 않게 된다. 그렇기에 공기의 온도를 나타내는 데 정당하다. 또 한가지 이유는 우리가 통상 활동하는 높이, 특 히 호흡하는 높이가 대략 1.5m정도라는 사실도 생각한 것이다. 여러분의 코까지의 높이가 대략 얼마인지 한번 재 보시라.

03. 탐구활동 정리: 알코올 온도계, 수은 온도계의 차이

온도계에 사용하는 액체가 수은이나 알코올이냐에 따라 알코올 온도계와 수은 온도계로 구분할 수 있다. 이것들의 차이는 무엇인가?

우선 우리가 흔히 볼 수 있는 빨간색의 액체는 알코올이다. 그런데 중요한 것은 알코올은 붉은 색깔을 띄지 않는다는 사실이다. 보통의 알코올은 투명하기 때문에 잘 보이지 않으므로, 여기에 빨간색 색소를 넣어 잘 보이도록 한 것이다. 그러므로 혹시 파란 색의 액체가 있 는 온도계가 있다면 이것 역시 알코올 온도계라고 보아도 좋다. 왜냐하면 수은은 색소를 섞을 수가 없으며, 수은의 색 자체가 은과 같은 금속의 색깔로 잘 보이기 때문이다. 알코올과 수은 온도계의 차이는 온도계 안에 들어가 있는 액체의 차이임을 알 수 있다. 그런데 왜 서 로 다른 액체를 사용하는 것일까?

그것은 각각의 장단점이 있기 때문이다. 우선 수은은 영하 40^oC 부근(정확하게는 -39^oC)에서 얼기 때문에 아주 추운 지방에서는 온도계 로서 적당하지 않다. 즉 영하 30^oC 정도만 되더라도 점성(끈끈해지는 정도)이 강해지므로 온도 변화를 정확하게 나타내기 힘들다. 반면에 알코올은 영하 100^oC 부근(정확하게는 -97.8^oC)에서 얼기 때문에 상당히 추운 지방에서도 사용할 수 있다. 그런데 문제는 알코올은 78^oC 만 되면 끓어서 기체가 된다. 그러므로 기온이 높은 곳에서는 정확한 온도를 측정하기 어렵다.

또 다른 점은 온도에 따라서 수은의 부피는 일정하게 변하는 데 반하여 알코올은 변화하는 비율이 달라진다. 그러므로 정확한 온도를 측정하기 위해서는 알코올보다 수은으로 만든 온도계가 더 좋다. 이러한 차이 때문에 보통 체온과 같이 정확한 온도를 알기 위한 것으로 는 수은 온도계를 사용한다. 또 아주 중요한 차이는 알코올은 비교적 싼 값에 살 수 있지만, 수은은 비싸다는 것이다. 아울러 수은은 맹독 성이 있으므로 온도계를 다룰 때 깨뜨리지 않도록 조심을 해야 한다. 그리고 보다 세밀히 관찰하면 수은 온도계는 온도계 기둥에서 위로 볼록하지만 알코올 온도계는 위로 오목한 모양이 되는 것을 볼 수 있다. 그것은 알코올과 수은의 성질이 다르기 때문이다. 그러므로 눈금 을 읽을 때는 눈금의 직각 위치에서 정확히 읽어주어야 정확한 온도를 알 수 있다.

04. 기본 개념(1): 물(H

²

O)의 특성과 상태 변화

• 숨은열, 서림열, 잠열, 潛熱

(

latent heat)

• 상태 변화

Ice

Water Snow

• Why does ice float in water?

• How is this important for the earth’s climate?

• 육각수는 우리 몸에 좋을까?

출처: www.piercecollege.com/offices/weather/water.html

04. 기본 개념(1): 물(H

²

O)의 특성과 상태 변화

04. 기본 개념(2): 물의 순환, 물수지

자연, 5-1. 3. 날씨의 변화, 86쪽. (제5차 교육과정)

• 오른쪽의 그림은 바다에서 구름이 생성되어 육지로 이 동하고, 육지에만 비를 뿌리는 것처럼 보인다.

• 이렇게 그린 이유는 무엇일까?

파렌하이트(Gabriel Daniel Fahrenheit, 1685-1736)의 중국 음역어 화륜해 특(華倫海特)에서 유래한 말이다. 1720년경에 처음으로 제안한 온도의 단 위를 말한다. 파렌하이트는 물이 어는 온도와 끓는 온도 사이를 180 등 분해서 온도 단위를 정했는데, 물이 어는 온도를 0 도로 한 것이 아니라, 그 당시로서 사람이 만들 수 있는 가장 차가운 온도인 소금물이 어는 온도 를 0 도로 정했다. 그렇게 하다 보니 순수한 물이 어는 온도는 0 도가 아 니라 32 도가 되었고, 끓는 온도는 212 도가 되었다. 이 온도를 파렌하이 트의 이름을 따서 F로 표시했다.

셀시우스(Anders Celsius, 1701-1744) 의 중국 음역어 ‘섭이수사(攝爾修斯)’

에서 유래한 말이다. 1742년에 처음 제안한 것으로 요즘은 전세계적으로 가장 많이 통용되고 있다. 1기압하에서 얼음의 녹는점을 100 ℃, 물의 끓는 점을 0 ℃로 하여 그 사이를 100등분하여 한 눈금의 온도차를 1 ℃로 했다.

그러다가 반대로 어는점을 0 ℃ 끓는점을 100 ℃ 바꾸었다.

04. 기본 개념(3): 온도 체계-섭씨와 화씨

(왼쪽) 파렌하이트, (오른쪽) 셀시우스

04. 기본 개념(4): 기온 재기

The Celsius (Centigrade) Scale

• Anders Celsius invented his temperature scale in 1742.

• Using a mercury thermometer, the Celsius scale consists of 100 degrees between the freezing point (0° C) and boiling point (100° C) of pure water at sea level air pressure.

• The definition of centigrade: Consisting of or divided into 100 degrees.

• Celsius's original scale was reversed to create the centigrade scale.

• The term "Celsius" was adopted in 1948 by an international conference on weights and measures.

과학. 3-1-4. 1. 기온, 바람, 구름, 비. 128-129쪽. (2007 교육과정)  2007 교육과정에는 기온에 대한 설명이 있다. 2009 교육과 정부터는 단원을 축소하면서, 기온에 대한 설명이 없다. 이에 대한 자신의 의견은?

04. 기본 개념(5): 옛 교과서 탐색(제5차 교육과정, 1987-1992)

자연. 3-1-4. 날씨. 72-73. (제5차 교육과정)

• 우리의 감각(오감)은 믿을 만 한가?

• 손의 느낌은 달라지는가?

그 이유는 무엇인가?

<어른들 말씀>

우물물이 참 좋았어,

여름에는 아주 시원했거든.

그런데 한 겨울에는 우물물이 따뜻해?

 이 말씀은 사실일까?

 그렇다면, 그 이유는 무엇일까?

 그렇지 않다면 어떻게 어른들에게 설명해야 할까?

04. 기본 개념(5): 옛 교과서 탐색(제5차 교육과정, 1987-1992)

자연. 3-1-4. 날씨. 78-79. 74쪽. (제5차 교육과정) • 온도계를 잡는 방법도 아주 중요하다!

• 눈 높이 역시 중요하다. 그 이유를 설명해보자.

04. 기본 개념(54): 옛 교과서 탐색(제7차 교육과정, 1997-2007)

과학. 3-1-4. 온도재기. 46-47. (제7차 교육과정)

• 온도계를 직접 만들어 보자. 어떠한 도 구를 사용하면 좋은가?

• 직접 만든 온도계로 기온을 측정할 수 있는가?

04. 기본 개념(5): 옛 교과서 탐색(제7차 교육과정, 1997-2007)

과학. 3-1-4. 온도재기. 48-49. (제7차 교육과정)

• (막대)온도계를 바르게 사용하는 방법 이 있는가? 그 이유는 무엇인가?

• 온도계를 이용하여 여러 곳의 온도를 직접 측정해 보자.

 적외선 온도계와 막대 온도계로 측정 한 온도(기온)에는 차이가 나타나는가?

05. 생각 넓히기(1): 내가 만든 온도계

< 건강 반지 온도계>

• 작동법

손가락에 끼운 후, 자신의 체온 변화에 따른 반지의 색깔 변화를 관찰한다.

• 장점: 휴대성이 편리하며, 관찰이 용이하다.

• 단점: 주관적으로 판단해야하며, 정확한 온도를 알기 어렵다.

출처: 2019년 2학기. 윤리교육과 학생 작품

<초콜릿 온도계>

위 그림을 보면, 10도~15도 칸에 놓여있는 초콜릿은 녹아 액체 상태로 존재하고, 25도

~40도의 초콜릿들은 고체 상태로 존재한다. 따라서 이 온도계가 존재하는 장소의 온도는 20도~25도 임을 알 수 있다.

같은 원리로 초콜릿의 온도 범위를 세분화시키면 더 정확한 온도를 구할 수 있다.

출처: 2019년 1학기, 음악교육과 학생 작품.

05. 생각 넓히기(2): 역사적인 온도계 찾아보기

Early air thermoscope of Galileo and Sanctorius; consists of a glass bal lwith air (A),stem filled with mostly air and partially a liquid(B), and a flask receptacle filled with a colored liquor (C) such as wine.(1832 Edinburgh Encyclopaedia, reference 15).

갈릴레오 온도계는 오늘날 장식품으로도 많이 사용 되고 있다. 역사적으로 온도계가 어떻게 발명되었고, 어떻게 발전되었는지 조사하여 발표해 보자.

05. 생각 넓히기(2): 액정 온도계 이용하기

초등학교 과학 수업에서는 왼쪽 그림과 같은 액정 온도계가 자주 사용된다. - 일단 안전하다.

- 간편하게 사용할 수 있다.

- 어떤 장점이 있는가? 또한 액정 온도계의 원리를 알아보자

감온성(感溫性)이란 온도를 느끼는 성질을 말한다. 영어로 표현하면 thermochromic 이다. 이는 열을 의 미하는 thermo와 색을 의미하는 chromic의 합성어로 열에 따라 색이 변한다는 뜻이다.

이러한 성질을 이용하면 감온성 액정(TLC, thermochromic liquid crystal)을 만들 수 있다. 즉 빛이 입사할 때 온도에 따라 반사된 색상이 달라지는 특성을 이용한 센서이다.

액정(liquid crystal)은 막대기 모양의 분자 결합상태를 하고 있지만, 이것이 향하는 방향에 질서가 있어 결정과 같지만 위치는 액체처럼 움직일 수 있기에 액체 결정(줄여서 액정)이라는 말을 붙였다.

액정은 특정 온도 이상에서는 방향의 질서도 없어져서 순수한 액체가 되고, 온도가 내려가면서 방향에서 의 질서가 생긴다. 그리고 온도를 더욱더 내리면 액체가 응고하는 것과 같이 위치의 이동도 없어지는 순수 한 고체가 된다. 순수 액체와 고체 사이의 중간단계를 액정이라 한다.

이러한 현상은 1888년 오스트리아의 식물학자 프레드릭 라이니처(Frederick Reinitzer, 1857-1927)가 식물 에서 콜레스트롤의 기능을 밝히는 과정에서 벤조산 콜레스테릴(cholesteryl benzoate)에서 처음 발견하였 다.

액정이란 이름은 라이니처가 그 당시에 온도제어시스템 장치를 갖춘 편광현미경으로 많은 실험을 했던 독일의 과학자 레만(Otto Lehmann, 1855-1922)에게 시료를 보내 레만이 관측한 결과, 아래 그림과 같이

“액체처럼 유체의 성질을 가지면서도 고체처럼 광학적인 성질을 갖는다”해서 명명되었다.