2016년 융합인재교육(STEAM) 교사연구회 결과보고서
- E.S.D를 위한 식량 & 에너지 해결 방안 찾기 -
2016. 11.
혜화여자고등학교
【 2016년 융합인재교육(STEAM) 교사연구회 결과보고서 】
프로그램 구분
□ 초 □ 중 ■ 고 ■ 일반주제
■ 신규 개발
□ 일반화 자료 개발
□ 우대주제 ( ) 연구제목 E.S.D를 위한 식량 & 에너지 해결 방안 찾기
연구기간 2016. 5. 19. ~ 2016. 11. 30.
연구비 금 사백만원정(4,000,000원정)
연구 책임자
소속 혜화여자고등학교
성명 김현규
참여 연구원 김민수, 주지원, 김태준, 이동윤, 하태이
상기과제를 수행한 결과로써 본 보고서를 제출합니다.
2016년 11월 31일
연구책임자 : 김 현 규 (인)
한국과학창의재단 이사장 귀하
이 보고서는 2016년도 정부의 재원으로
한국과학창의재단의 지원을 받아 수행된 성과물임
목 차
1. 요약문(Abstract)··· 1
2. 서론··· 2
가. 연구의 필요성 및 목적 나. 연구의 범위 3. 연구 추진 내용 및 결과··· 3
가. 추진 내용 ··· 3
나. 추진 결과 ··· 5
1) STEAM 주제별 학생의 발달 상황 2) 연구 결과 4. 결론 및 제언 ··· 6
5. 참고문헌··· 6
[부록] 부록1. 현장적용 결과 요약 ··· 7
부록2. 학생 연구 결과 보고서 – 신재생 에너지를 이용한 수경재배 ··· 8
부록3. 학생 연구 결과 보고서 – 빛의 세기와 파장에 따른 식물의 생장정도 ···19
부록4. 학생 연구 결과 보고서 – 원소의 결핍에 따른 식물의 생장변화 ···28
[붙임] 붙임1. 수업지도안 ··· 42
붙임2. 정산보고서 ··· 56
2016년 융합인재교육(STEAM) 교사연구회 결과보고서
1. 요약문(Abstract)
현대 사회에서 앞으로 우리가 살아갈 때 가장 큰 문제를 생각한다면 전력난, 식량난이 될 것이다. 많은 사람들이 이것을 해결하기 위해 다양한 방법을 제시하고 실천하고 있다. 이러한 문제를 아직 직접 겪지 못한 학생들도 이 문제에 대해 인식하고 방법을 찾아 실천할 필요가 있다.
식량난의 중요한 해결책 중 하나인 수경 재배에서 그 답을 찾을 수 있을 것이다. 수경 재배 를 통하여 식물의 생장 환경을 알아보고, 조명과 자동 급액 장치를 포함한 수경 재배 장치를 지속적으로 작동시키기 위한 태양광 발전에 대해 이해하면 학생들의 문제 인식과 해결에 큰 도움이 될 것이다.
이번 연구에서 1) 식물의 효율적인 재배 방법, 2) 식물의 생장에 필요한 양분 공급 방법, 3) 신재생 에너지의 활용의 세 가지 주제를 토대로 학생들의 문제 인식과 개선 방법에 대해 알 아보고자 한다.
2. 서론
가. 연구의 필요성 및 목적
나. 연구의 범위
○ 연구의 필요성
- 최근 이슈가 되고 있는 전력난, 식량난에 대하여 학생들이 이해하고 이를 해결할 수 있는 방안을 생각해 볼 수 있는 기회를 제공할 필요를 느낌.
- 농경지의 감소로 인한 미래 사회에서 식량난을 대비하기 위해 수경 재배를 통한 과학기 술 기반의 융합적 사고(STEAM Literacy)와 지속 가능한 재배를 위한 전기 공급에 관한 문 제해결력을 함양 STEAM 프로그램을 개발
○ 연구의 목적
- 도시 농업의 필요성과 적용할 수 있는 농법과 작물에 대해 생각해 볼 수 있는 기회를 제 공한다.
- 신재생 에너지 중 학교에서 쉽게 발전할 수 있는 에너지를 생각해보고, 수경 재배 장치에 접목시킬 수 있는 방법을 생각해본다.
- 학생들이 직접 체험하고 스스로 해결할 수 있는 탐구 주제를 선정하여 탐구 능력을 신 장 시키도록 한다.
○ 연구의 범위와 내용
- 과학 교과 내에서 수경 재배에 필요한 기본 지식에 대한 내용을 STEAM을 적용하여 학생 들의 인식 증대와 체험 프로그램을 개발한다.
- 도내 인근 식물원을 방문하여 수경 재배의 다양한 방식, 수경 재배에 적용할 수 있는 식 물에 대한 내용을 체험할 수 있는 기회를 가진다.
- 기존 STEAM 과제를 발전시켜 신재생 에너지를 수경 재배 장치에 직접 적용할 수 있는 방법을 고안한다.
- 교내 수경 재배에 적합한 장치의 설계와 제작으로 결과를 얻고 이 내용을 지속적으로 활 용할 수 있도록 한다.
3. 연구의 실제 및 결과
가. 연구의 실제주제1) 신재생 에너지를 이용한 수경재배
① 태양광 발전기의 설치
: 학생들 스스로 태양광 발전기를 설치하여, 기기의 작동원리와 방식을 체득.
<발전량 측정> <태양광 발전기 설치>
② 태양광 발전의 효율 측정
: 날씨와 시간에 따른 발전량을 측정하여, 이론적으로 제시된 발전량과 실제 발전량의 차이 를 비교.
③ 효율 계산
: 수경재배에 필요한 전력량과 실제 발전량을 비교하여 효율 계산.
개발 프로그램 요약
본 연구는 혜화여자고등학교 과학 동아리 프린키피아(화학, 생명과학, 지구과학)에 속해 있 는 1, 2학년 학생 35명을 대상으로 지속 가능 발전을 위한 식량 생산 방법을 찾기 위한 연구 로 수경 재배와 수경 재배에 사용되는 전기를 공급하기 위한 방법을 학생들이 개발할 수 있 도록 하는데 목적이 있다. 연구 초기에 학생들은 대상으로 연구 내용과 관련된 다양한 기본 지식과 체험활동을 제공하고, 그 후 실험 장치를 직접 제작하여 수경 재배를 실시한다. 그 결 과를 토대로 학교에서 지속적으로 작물을 재배할 수 있도록 필요한 자료를 수집하도록 한다.
주제2) 빛의 세기와 파장에 따른 식물의 생장정도
① 주제에 따른 실험을 설계하고, 실험에 필요한 수경 재배 장치를 설치
② 빛의 파장과 세기에 따른 식물의 생장 측정
: 식물의 생장을 측정하고, 어떤 조건에서 식물이 가장 잘 자랄 수 있는지에 대한 자료를 축 적한다.
<수경 재배 장치용 LED 설비> <차양막 설치>
주제3) 원소의 결핍에 따른 식물의 생장 변화
① 주제에 따른 실험을 설계하고, 실험에 필요한 수경 재배 장치를 설치
② 배양액(크놉액)의 성분을 조사하고, 자료를 토대로 배양액과 결핍액 제조
: 농도의 개념에 대한 수업을 통하여 각 배양액과 결핍액을 직접 제조하고, 이것을 수경 재 배 장치에 주기적으로 공급할 수 있는 계획을 수립.
③ 각 배양액, 결핍액에 따른 식물의 생장 측정
: 식물의 생장을 측정하고, 각 성분이 결핍되었을 때 식물에 나타나는 변화를 직접 관찰.
<수경 재배 장치용 앵글 조립> <배양액, 결핍액 제공 장치>
나. 연구 결과
1) STEAM 주제별 학생의 발달 상황 주제1) 신재생 에너지를 이용한 수경재배
① 신재생 에너지에 대한 이해도가 높아졌을 뿐만 아니라 지속가능 발전에 대한 이해와 관 심이 증대되어 진로를 신재생에너지와 환경공학으로 정한 학생들이 생김.
② 지구과학 수업에 지구의 에너지 단원에 대한 실질적인 체험이 됨.
주제2) 빛의 세기와 파장에 따른 식물의 생장정도
① 교과서의 내용을 직접 확인할 수 있을 뿐만 아니라 실험 방법⦁결과보다 더 효율적으로 작물을 재배할 수 있는 방법에 대해 토의하는 계기가 됨.
② 전기 설비를 직접 체험하면서 생명과학뿐만 아니라 융합 과학적 지식을 얻는 기회가 됨.
주제3) 원소의 결핍에 따른 식물의 생장 변화
① 식물의 생장에 필요한 영양 성분의 이해를 통해 미래 사회 또는 우주 환경에서 식물을 효과적으로 재배하기 위한 방법에 대해 토의해보는 계기가 됨.
② 특히 학생들이 화학 교과 내용 중 가장 어려워하는 몰과 관련된 단원에 대해 공부하며 직접 적용할 수 있어 내용의 접근이 쉬워짐.
2) 연구 결과
주제1) 실험 기간 동안 태양광 발전의 발전량은 24360W이며, 수경 재배 장치에서 필요로 하 는 전력량은 102600W로 약 24% 정도를 제공하는 것으로 볼 수 있다. 실험 기간 동안 자주 흐렸던 것을 감안하더라도 낮은 수치이기 때문에 완전히 태양광을 이용하여 수경 재배 장치 를 작동시키기 위해서는 태양광 패널의 추가 설치, 수경 재배 방식의 변경 등을 통하여 발전 량과 소모 전력량의 균형을 맞추는 것이 중요하다.
주제2) 식물이 가장 잘 자라는 빛은 단파장 중에서는 적색광이지만 청색광의 효과도 무시할 수 없기 때문에 혼합광인 주광을 이용하여 계속 재배하는 것이 옳다고 판단된다. 빛과 식물 의 거리에 따른 세기의 실험 결과로는 거리가 가까울수록 더 좋은 결과를 얻었기 때문에 차 후에 수경 재배를 진행할 때는 장치의 높이를 낮추어 빛과 식물의 거리를 가깝게 하도록 한 다.
주제3) 식물이 생장할 때 양분이 결핍됨에 따라 나타나는 결과를 눈으로 확인하였고, 차후 실험에서 크놉액을 공급할 때 효과적인 제조 방법을 고찰하여 적용하여야 한다.
4. 결론 및 제언
5. 참고문헌
이번 STEAM 교사연구회를 통하여 학생들은 지구의 환경⦁에너지 문제, 식물의 생장, 수경 재배에 대하여 학습할 수 있는 계기가 되었다.
실험 장치를 제작하고 실험을 실시하는 과정 중에서 추가적으로 필요한 설비, 실험 실패 등 새롭게 발생하는 문제를 해결하기 위해 배우지 않았던 내용을 스스로 학습하여 기술⦁공학에 대한 이론적 접근뿐만 아니라 실제적 적용까지 실시하면서 문제 인식과 해결 능력, 사고력, 창의력, 실험 구성력이 향상되었다.
실험 결과를 토대로 조별 발표를 통해 새롭게 얻은 지식을 공유하고 정리하면서 학생들의 STEAM 교육에 대한 흥미가 크게 향상되었다.
이론적인 수업에서 끝나는 것이 아니라 자신이 직접 설계부터 최종 결과 확인까지 참여하 는 과정에서 학생들의 협력으로 이루어져 지식 증대뿐만 아니라 협동과 협력, 그리고 공동체 로서의 사회화에도 큰 영향을 끼쳐 학생들의 유대 관계가 좋아지는 인성 교육적 효과도 나 타났다.
1. 한국에너지공단 신재생에너지 센터(http://www.knrec.or.kr/knrec/index.asp) 2. 원예⦁특용작물 기술정보(제37호) (농촌진흥청 국립원예특작과학원장 허건량) 3. 식물용 LED 조명장치 (http://blog.naver.com/seong2321/220696417999) 4. 두산백과 – 크놉액
5. 고형배지경에서 급액제어 방법에 따른 오이의 수분흡수량, 광합성, 생육 및 수량(한국원예 학회지(42-1) p. 38-42 0253-6498 / 노미영, 이용범)
[부록1] 현장적용 결과 요약
<STEAM 프로그램(수업) 현장적용 요약>
구분 STEAM
프로그램명 적용 학교명 적용
학년
적용
교과(시수) 적용 기간 수혜 학생 수
1
신재생 에너지를
이용한 수경재배 혜화여자고등학교 고 1, 2
융합과학(4), 지구과학(2)
2016.
6~2016.11 11 빛의 세기와
파장에 따른 식물의 생장정도
혜화여자고등학교 고 1, 2 융합과학(4), 생명과학(2)
2016.
6~2016.11 12
원소 결핍에 따른 식물의
생장 변화
혜화여자고등학교 고 1, 2 융합과학(4), 화학(2)
2016.
6~2016.11 12
[부록2] 학생 연구 결과 보고서(1)
신재생 에너지를 이용한 수경재배
Ⅰ. 서론
석유, 석탄과 같은 화석연료 과다사용으로 인한 온실가스 배출로 오존층이 파괴되는 등 우리 생활에 심각한 피해를 주는 환경오염이 발생하고 있다. 그에 따라 환경오염 발생량을 최소화 할 수 있는 신재생 에너지가 주목받고 있는 추세이다. 그렇다면, ‘학교에서 실험을 목적으로 전기를 생산해 내기에 어떤 신재생 에너지가 적합할까?’ 고민하게 되었고, 여러 가지 신재생 에너지 중 태양광 에너지가 연구 목적에 가장 적합하다고 판단되어 태양광 발전기를 선택하게 되었다. 우리 는 태양 에너지로부터 생산해낸 전력량 계산 및 다른 전자기기와의 비교를 통해 태양광 전지판으 로 만든 전기가 온실 실험에 필요한 만큼의 전기를 공급해 줄 수 있는지 더 나아가 태양전지의 실생활에의 사용가능성 여부를 연구해보기로 하였다.
Ⅱ. 본론
1. 태양광 발전기 추가 설치 이유
현재 온실 속 전구가 필요로 하는 전기를 공급하기에, 작년도 태양광 발전기의 실제 운용 가능성 에 대한 연구 결과 1년에 총 91060.2Wh의 전력량을 생산할 수 있었던 태양광발전기가 가장 적합 하다고 판단하여 추가 설치를 하게 되었다.
2. 이론적 배경 1) 태양광 에너지
태양광에너지는 빛에너지를 전기에너지로 바꿔주는 태양전지와 축전지 전력변환장치를 통해서 광전효과를 발생시킴으로써, 전기를 직류 전기로 바꾸어 전력을 생산하는 발전 방법이며 여러 개 의 태양 전지들이 붙어있는 태양광 패널을 이용한다.
전력생산량이 지역별 일사량에 의존하고 에너지밀도가 낮아 큰 설치면적이 필요한 단점이 있 지만 공해가 없는 청정에너지이며 에너지 잠재량이 많고, 유지 및 보수가 용이하다는 것과 자동 화, 무인화가 가능하다는 장점이 있다.
2) 태양광 에너지 발전 원리 ① 광전효과(photoelectric effect)
금속표면에 한계파장보다 짧은(진동수가 한계진동수보다 큰) 가시광선ㆍ자외선ㆍX선ㆍγ선 등 의 빛을 쬐면 전자(광전자)가 튀어나오는 현상을 말하며, 이때 튀어나오는 전자의 수는 빛의 세기 에 비례한다.
광전효과는 식으로 볼 때는 하나지만 엄밀히 분류하면 몇 가지의 현상으로 분류 할 수 있다.
• 광이온화 : 알파선, 감마선 등과 같은 비교적 파장이 짧은 빛을 쪼였을 경우 기체분자의 원자가 전자를 내놓으면서 이온화 하는 현상.
• 외부광전효과 : 가장 주요한 광전효과로 초기 광전효과의 실험에서의 관측은 거의 이 영역에서 이루어졌다.
• 내부광전효과 : 반도체 등에 빛을 쪼이면 반도체에 포함된 불순물의 전자가 자유가전자 가 되면서 양공(+홀)을 만들어내며 전도도가 상승하는 현상. 이 효과는 다시 자유가 전 자와 +홀에 의해서 전도도가 상승하는 1차 내부광전효과와 이 바뀐 전자와 +홀에 의해 서 반도체 구조 자체가 변화하는 2차 내부광전효과로 나눠진다.
• 광기전력 효과 : 반도체 전체가 아닌 일부분에만 빛을 쪼였을 때 쪼인 곳과 아닌 곳에 서 전위차를 발생시키는 효과. 내부광전효과는 일부에만 쬐여도 자유가 전자들이 퍼져 나가며 반도체 전체에 같은 효과를 낳지만 이 광기전력 효과에 사용되는 특수한 반도 체는 전체로 현상이 대전되지 않고 딱 그 일부분에만 국한된다.
한계 진동수보다 낮은 진동수의 빛은 아무리 세게 비추어도 전자가 튀어나오지 않는다. 즉 약 한 세기의 빛이라도 한계 진동수 이상의 진동수를 가졌다면 빛을 쪼인 즉시 전자가 튀어나온다.
그리고 단일 진동수의 빛을 비출 때 튀어나오는 전자의 수는 쪼여 주는 빛의 세기에 비례하기 때 문에 전체 전자의 개수는 빛의 세기에 의해서 결정이 된다.
[그림 1] 광전 효과
[그림 2] 광전 효과
② 태양 전지
트랜지스터나 집적회로에서 이용되고 있는 규소(실리콘 : Si)로 대표되는 반도체 재료에 빛이 조사되면 전기를 발생하는 성질인 광전효과를 이용한 기술이다. 즉, 태양 에너지를 반도체의 광전 효과를 이용해서 전기 에너지로 변환 하는 소자이다. 우리가 생활에서 흔히 사용하는 화학전지와 는 다른 구조를 가진 것으로 ‘물리전지’라 구분하며, p형 반도체와 n형 반도체라고 하는 2종류의 반도체를 사용해서 전기를 일으킨다.
태양전지에 빛을 비추면 내부에서 전자와 정공(正孔 : 전자가 빠져나온 구멍)이 발생한다. 발생 된 전하들은 반도체 접합부에 생기는 에너지 단차에 의해 p→n으로 정공은 반대로 n→p로 이동 하여 양측의 전극에 수집된다. 이 작용에 의해 P극과 N극 사이에 전위차(광기전력)가 발생하며, 이것을 결선하면 전류가 흐르게 된다.
[그림 3] 태양전지의 원리 [그림 4] 광전 효과 과정
3) 전기
전기가 전선이나 일반 도체의 속을 흐를 때 “전류가 흐르고 있다”라고 한다. 즉, 전류(I)는 전자 라는 극히 작은 입자의 이동이다. 전류의 단위는 ‘암페어’라고 하며 기호로는 [A]를 사용한다.
물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르는 것처럼 전하 전위는 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는 데 이때 생기는 전위의 차이가 전압(V)이다. 낮은 곳보다 높은 곳에서 떨어지는 물이 더 많은 에 너지를 갖고 있듯이 전압이 클수록(전위차가 클수록) 더 많은 전기에너지를 갖고 있으며 전압이 0이면 전류가 흐르지 않는다.
직류는 한 방향으로 흐르는 전류를 의미한다. 직류 발전기는 회전자의 회전으로 전류의 방향이 바뀌는 것을 일정하게 유지하게 위해 정류자를 두고 있다. 교류는 시간의 변화에 따라 전류의 극 성이 + 에서 - 로 또 + 로 일정하게 변화하는 전류이다. 교류의 장점은 발전기 구조가 단순하고 대용량의 발전기를 만들기 쉬우며 고압의 송전으로 송진 시설과 비용을 절감하여 전기를 값싸게 공급 할 수 있다는 점이다.
[그림 5] 직류와 교류
[그림 6] 교류
열이나 전기의 이동에 존재하는, 전기의 흐름을 방해하는 저항을 전기저항(R)이라 한다. 따라서 전기저항이 크면 전류가 잘 통하지 않고 전기전도율이 낮다. 저항 값은 물질의 종류에 따라 다르 며 전기저항은 길이에 비례하고 단면적에 반비례한다. 단위는 ‘옴’ 기호 [Ω]을 사용한다.
[그림 7] 도선의 길이에 따른 저항
전력(P)은 전기가 단위 시간 동안 하는 일의 양으로 주로 전기 전자 기기의 소비 전력을 나타낼 때 사용하고 단위는 와트[W]를 사용한다. 전력량은 전기가 일정 시간동안 하는 일의 양으로 주로 소비량을 나타낼 때는 와트시[Wh]를 사용한다. 전력량W는 전력의 시간과 곱으로 구해진다.
4) 태양광 발전기 구성요소 ①인버터(solar inverter)
태양광 집전판에서 직류형태로 저장된 발전 전력을 교류로 변환시켜 실생활에서 사용할 수 있는 전기형태로 바꿔주는 설비장치로 태양광 발전 시스템을 송, 배전 전력망에 연결하기 위한 필수 제품이다.
②콘트롤러
전류의 역방향흐름과 과충전을 방지하기위한 장치이다. 해가 비치지 않는 낮에는 배터리에서 태 양광 패널로 전류가 거꾸로 흐르는 경우가 생길 수 있고, 배터리가 만충전이 된 상태에서 태양광 패널로부터 계속적으로 전압이 인가되면 배터리의 전압이 과도하게 높아져 내부 전해질 속의 물 이 분해되어 가스가 발생하고 증류수의 손실 및 폭발의 위험이 생기며 배터리의 수명이 단축될 수 있다. 이와 같은 상황에서 반도체 2극소자를 직렬로 연결해 오직 한 방향으로만 전류가 흐르 도록 조절하고 전류의 흐름을 차단해 폭발을 막아주는 역할을 하는 것이 바로 콘트롤러 이다. 일 부는 과방전과 과부하를 차단하기도 한다.
이밖에도 태양광 패널, 지지대 등이 있다.
[그림 8] 저항의 성질
[그림 9] 전력 계산법 [그림 10] 전력량 계산법
[그림 11] 태양광 인버터
[그림 12] 충전 콘트롤러
3. 가설설정
우리가 직접 설치한 태양광 발전기로 온실 속 식물재배에 이용되는 전구에 필요한 전력을 생산할 수 있다.
4. 탐구설계 1)연구 방법
①태양광 발전기를 설치하고, 설치 후 배터리와 컨트롤러에 전선으로 연결한다.
②등교 시 한 번. 석식 전·후 한 번 하루 동안 충전된 전기의 양을 측정한다.
③약 한 달간 측정을 계속한다.
④한 달간 측정한 데이터를 취합하여 분석 후 통계를 낸다.
⑤수집된 데이터를 바탕으로 태양광 발전기의 효율성을 따진다.
2)준비물
100W 태양전지판 6개, 12V 30A 컨트롤러, 500W 인버터, 병렬연결 커넥터, MCA 커넥터 6m 전 선, 전구(200W) 12개,12V 100A 배터리, 패널 연결용 MCA 6개, 전지판 앵글 지지대 구성품
3)배치도
두 가지 방식의 배치도를 고안해보았다.
[그림 13] 배치도 1 [그림 14] 배치도 2
두 가지의 배치도 중 배치도-1을 선택하였는데, 그 이유는 다음과 같다.
①통행을 방해하지 않도록 전선을 배치하고, 비에 최대한 노출을 줄이기 위해 전선의 대부분을 처마 밑에 배치
②전선을 최대한 적게 쓰고, 태양광 발전기에서 인버터사이의 전선의 길이를 최소화
4)설치과정
①앵글 조립(지지대)
·20cm 앵글로 두 개를 연결하여 긴 앵글로 만든다.
·앵글을 A자형으로 2세트를 만든다.
·볼트는 4개정도로 고정한다.
②앵글과 100W 전지판 연결
·전지판 한 장을 지면에 놓은 후, 위에 앵글을 놓고 볼트로 연결한다.
·이때 앵글의 끝부분을 10cm정도 띄운 후, 전지판을 볼트로 연결한다.
·첫 번째 전지판을 연결했다면 앵글 지지대를 뒤집어 지면에 바로 세운다.
·지지대가 흔들리지 않도록 가로대를 대어준다.
·두 번째 전지판을 첫 번째 전지판 윗부분에 올려놓는다.
·볼트로 전지판과 앵글을 부착한다.
·세 번째 전지판도 동일하게 부착한다.
·전지판 +와 -케이블을 구분하여 3개의 전지판을 병렬로 연결한다.
5) 주의사항
① 전선에 물이 닿지 않도록 주의한다.
② 태양광 전지판을 30° 기울여서 설치한다.
③ 태양광 전지판을 깨끗이 유지한다.
④ 모듈이 손상되면 발전량에 큰 손실이 생기므로 외부충격을 가하지 않는다.
⑤ 지시된 설계도를 통해 올바른 방법으로 설치한다.
⑥ 안전사고가 발생할 수 있으므로 모듈 뒷면의 백시트의 손상에 유의한다.
⑦ 모듈에 연결된 전선의 상태를 확인한다.
⑧ 그늘을 피하고 남향으로 설치함으로써 온전히 햇빛을 받을 수 있도록 한다.
⑨ 태양광 발전 모듈은 특성상 산성과 알칼리성 제품에 손상이 가능하므로 지하수의 사용을 금 하고, 수돗물을 사용한다.
⑩ 모듈표면의 온도가 올라가면 발전효율이 떨어지므로, 모듈표면온도를 낮추는 작업이 필요하 다.
5.자료해석 날짜 (월/일)
날씨 (운량, 단위:할)
일출/일몰
시간 발전된 시간 전력량 오전 (Wh)
전력량 오후 (Wh)
누적 전력량
(Wh)
9월 26일 비(9.0) 6:15/18:15 12 192 144 336
9월 27일 구름(7.8) 6:15/18:14 11:59 416 192 944
9월 28일 흐림(10.0) 6:15/18:14 11:59 182 136 1262
9월 29일 비(9.8) 6:15/18:14 11:59 188 140 1590
9월 30일 비(9.9) 6:15/18:14 11:59 186 162 1938
10월 3일 구름 많음→
흐림(7.0) 6:20/18:05 11:45 240 196 2374
10월 4일 맑음(7.0) 6:21/18:04 11:43 496 464 3334
10월 5일 태풍(6.0) 6:22/18:02 11:40 130 422 3886
10월 6일 맑음(1.9) 6:22/18:01 11:39 992 704 5582
10월 7일 비→구름 많
음(8.4) 6:23/18:00 11:33 206 178 5966
10월 10일 흐림(7.0) 6:25/17:55 11:30 242 152 6360
10월 11일 구름 많음
(8.1) 6:26/17:54 11:28 228 160 6748
10월 12일 구름(6.6) 6:26/17:53 11:27 494 456 7698
10월 13일 구름(8.4) 6:28/17:51 11:23 216 180 8094
10월 14일 맑음(1.4) 6:29/17:50 11:21 1008 928 10030
10월 17일 흐림(4.9) 6:31/17:46 11:15 562 478 11070
10월 18일 맑음(4.8) 6:32/17:45 11:13 592 430 12092
10월 19일 맑음(4.4) 6:33/17:44 11:11 620 502 13214
10월 20일 구름많음
(8.0) 6:34/17:43 11:09 210 196 13620
10월 21일 흐림(8.9) 6:35/17:41 11:06 166 142 13928
온실에서는 하루 24시간 사용하는 전구(12v LED바 - 70W 및 주광색, 적색, 청색, 녹색전구 각 각 5W 3개씩 총 60W)로 시간당 130W와 하루 15분씩 총 1시간 사용하는 모터(30W 10개)로 300W를 매일 사용해 왔다. 즉, 하루에 총 3420W의 전기를 소모하는 것이다. 이론적으로 태양광 패널 한 개로 최대 100W의 전력을 생산할 수 있는데 발전기 한 개에 3판씩 달려있고 올해 추가 설치를 했기 때문에 총 600W의 전력을 생산 할 수 있다. 이를 통해, 이동 중에 발생하는 손실량 을 제외한다고 해도 전기를 충분히 충당할 수 있다는 결론을 얻을 수 있다.
태양광발전기 생산 전력량필요한 전력량
× 을 하면, 우리가 직접 설치한 태양광 발전기가 약 한 달간 생산 해낸 총 전력이 온실 속 실험에서 필요로 하는 총 전력량에 몇 퍼센트의 확률로 기여를 했는지 계산할 수 있다. 다시 말해, 에너지 효율을 구할 수 있다.
Ⅲ. 결론
1)연구 결론
본론의 <표 1>에 의하여 30일 기준 태양광 누적 전력량은 24360W라는 것을 알 수 있다. 그러 나 우리가 측정한 날씨 상황(흐림, 구름 많음이 대부분을 차지함)을 고려해볼 때 1년에 더 많은 전기를 생산해 낼 수 있을 것이라고 예상된다. 하지만, 전력 소비량(3420W × 30일)은 102,600W 로 계산되었다. 여기서 에너지 효율은
× 일
로 계산하면 23.7…%, 약 24%이다. 따라서 우리가 예상한 에너지 효율보다 턱없이 부족한 수치가 나왔다. 또한, 이렇게 생산한 전기가 전선 을 지나는 도중 발생하게 되는 전력손실까지 고려해 보았을 때, 이보다 더 낮은 효율을 가졌다고
10월 24일 구름(9.1) 6:38/17:38 11 174 120 14222
10월 25일 구름(5.5) 6:38/17:37 10:59 418 296 14936
10월 26일 구름(5.6) 6:39/17:36 10:57 418 326 15680
10월 27일 흐림(7.0) 6:40/17:35 10:55 242 152 16074
10월 28일 흐림(8.6) 6:41/17:34 10:53 196 128 16398
10월 31일 흐림→구름
많음(5.9) 6:44/17:30 10:46 540 216 17154
11월 1일 구름 조금
(0.5) 6:45/17:29 10:44 1074 750 18978
11월 2일 맑음(0.0) 6:46/17:29 10:43 1128 664 20770
11월 3일 맑음(2.0) 6:47/17:28 10:41 1020 760 22550
11월 4일 맑음(0.0) 6:48/17:27 10:39 1128 682 24360
할 수 있다.(사계절 중 맑은 날이 가장 많은 가을과 겨울에 이 실험을 하면 실험 결과 계산되는 효율이 증가할 것이다.) 즉, 태양광 발전기는 여러 장점을 가지고 있지만 현재 기술력으로는 그 에너지 효율성이 턱없이 부족하다.
이 연구결과를 바탕으로 앞으로는 태양광 발전기의 효율을 높이는 방안을 찾는 것이 필요함을 깨닫게 되었다. 그래서 우리는 태양전지의 효율을 늘릴 수 있는 방안을 간단히 생각해 보았는데, 지지대를 광센서를 이용하여 더욱 유동적으로 움직일 수 있게 한다면 더 높은 효율로 전기를 생 산해 낼 수 있을 것이다.
Ⅳ. 연구 후기
- 1208 남예원
태양광 에너지를 주제로 과제연구대회 준비를 하면서 평소에는 아무런 관심이 없었던 신재생에 너지에 대해 관심을 가지게 되었다. 알고 있던 단순한 지식에 몰랐던 것들이 살을 붙이며 즐겁게 이해할 수 있었다. 이 대회를 준비하면서 나는 본론 부분을 맡아서 하게 됐는데, 결과를 내기 위 해 매주 목요일 마다 오후에 발전기에 연결된 컨트롤러에서 전압, 전류를 측정했다. 준비기간에 많이 신경을 쓰지 못하여 오히려 방해가 된 것 같기 때문에 앞으로 이런 기회가 온다면 절대 이 행동을 반복하지 않을 것이다. 신재생에너지에 많은 관심을 갖게 되어서 좋았다.
- 1209 노혜경
보고서의 본론의 내용 중에서 연구 내용과 방법에 대해 모둠원과 적었다. 연구 내용을 요약하 고 한 달 동안 해왔던 연구 방법을 순서대로 나열해서 적었다. 연구 전에는 학교의 조그만 태양 열 발전기로 과연 연구가 될까 싶었다. 하지만 연구 후에 태양광 발전기의 전기 생산 방법과 효 율성에 대해 알게 되었다. 다만 연구 과정에 있어서 덜 적극적이었던 내 태도를 반성하게 되었다.
- 1603 김민진
이번 연구로 태양광 발전에 관한 지식을 많이 쌓게 되었다, 태양광 발전을 위한 준비물부터 태 양광 발전의 원리, 태양광발전 시 주의사항이나 전지판 관리방법 등 태양광에 대해 전반적인 지 식을 쌓을 수 있었다. 그리고 연구 전에는 태양광 발전의 효율성을 실감하지 못했는데 한 달간 꾸준히 모든 태양광 에너지로 전구에 지속적인 전기를 공급하면서 효율적이고 경제적이라는 생각 을 했다. 특히 자연에서 얻는 에너지를 사용한다고 생각하니 뿌듯하였다. 연구를 하면서 각자 맡 은 역할에 책임감을 느꼈고, 다 같이 머리를 맞대고 연구를 하면서 협동심도 기르게 된 것 같다.
이번 연구에서 매주 화요일 오전에 태양광 전지판에 생산된 전력량을 측정했고 보고서 본론 부분 에 해당하는 자료를 수집하여 내용을 정리하였다. 이번 연구로 태양광 발전과 그에 대한 전반적 인 내용들을 확실히 알게 된 것 같다. 그리고 앞으로 태양광 에너지뿐만 아니라 다른 여러 신재 생에너지에 대해 더 알고 싶다는 생각을 했다.
- 1616 손혜림
이번 과제 연구 때 알아보고 적용해 본 것은 태양광 발전기였다. 이전에 몰랐던 태양광 발전기 의 원리, 다른 신재생 에너지와 다른 점 그리고 이 태양광 발전기를 사용했을 때의 효율성을 알 수 있게 되어 매우 뿌듯하였다. 이 과제 연구에서 맡은 역할은 일주일에 한 번씩 태양광 발전기 의 전압, 전류 등을 측정하고 보고서 본론에서 배치도를 그리는 것이었다. 하지만 이 과제연구기 간에 다른 대회나 행사가 많아 시간이 없어 많이 참여하지 못하고 또 이것으로 오히려 내가 해가
된 것 같아 모둠원에게 미안하였다. 이를 계기로 모둠 활동에서 나의 역할을 충실히 해야 된다는 것을 더욱 인지할 수 있었고 또 더욱 열심히 하기로 다짐도 해보았다.
- 1806 김가연
신 재생에너지를 수업시간에 많이 배우기도하고 실생활에서도 많이 들어보았지만 막상 직접 태 양광 전지판을 설치하고 전력을 측정하여 전력량을 계산한다고 하니 걱정만 앞섰다. 하지만 실험 을 시작하면서 언니, 선생님께 질문도 하고 자료조사도 하면서 잘 못한다고만 생각하던 전기내용, 그 중에서도 전력량계산에 대해 알게 되었다. 그리고 보고서를 쓰는 방식(형식), 그래프(표)만드는 방법 등도 언니들을 통해 배웠다. 처음과 달리 모르는 것을 조사하고 질문하는 과정이 재미있었 고 덕분에 적극적으로 실험에 참여하려고 노력하게 된 것 같다.
- 1827 황지애
연구 전에는 신재생에너지는 사회 과목에서만 필요한 것인 줄 알았는데 과학에서도 신재생에너 지가 중요하다는 걸 깨닫게 되었다. 연구 전에는 대충 알기만 하고 자세히는 알지 못했던 태양광 과 태양열의 차이점, 광전효과 등에 대해 보다 더 자세히 알게 되었다. 동아리에서 다 같이 준비 한 과제 연구인만큼 협동심과 자기가 맡을 일에 대한 책임의식을 가지는 것이 중요하다는 걸 알 았다. 그 점에서 내가 맡은 일을 완벽하게 하지 못한 게 아쉽다. 연구의 목적을 전구에 전기를 공 급함으로써 태양광발전의 효율성을 알아보는 것이었는데 내가 맡은 일은 일주일에 한 번, 수요일 등교 때 전압, 전류를 체크하는 것이었다. 과제연구는 생각보다 더 할 일도 많고 준비해야 할 것 도 많았지만 뿌듯했고 내년에는 좀 더 열심히 하기로 생각했다.
- 2520 이지혜
요즘에 신재생에너지가 떠오르고 있다는 사실은 알고 있었지만, 자세하게 어떤 신재생에너지가 있고, 어떤 원리를 이용하여 전기를 생산하는지에 대해 알지 못했다. 그랬기에 처음 시작은 조금 막막하기도 하였으나 조사를 할수록 신기하고, 다양한 신재생에너지를 알아볼 수 있어서 좋았고, 직접 태양광 발전기를 설치해봄으로써 아주 특별한 경험을 할 수 있었다. 또한 광전효과와 전기 에 대한 이해를 하는데 많은 시간이 걸렸다. 그래서 그것들을 이해했을 때의 성취감과 뿌듯함이 상당했다. 신재생에너지가 앞으로 더 발전하여 미래에는 석유걱정 없는 세상이 되었으면 하는 생 각이 들도록 하는 연구였다.
- 2521 임홍윤
연구를 시작하기 전 나는, 작년에 태양광 발전기의 운용 가능성을 연구하였을 때 알 수 있었던 발전기의 많은 장점과 다른 신재생 에너지와 견주어 봤을 때에도 뛰어났던 태양전지의 효율성을 믿고 적어도 30%는 기여하지 않았을까 예상했었다. 그래서 한 달간 꾸준히 측정한 결과 나온 4%
라는 수치는 정말 충격적이었다. 그래도 직접 참여한 이 연구 덕분에 드디어 평소에 항상 궁금했 던 ‘이렇게 장점이 많은데 왜 대대적으로 이용되지 않을까?’에 대한 의문이 풀린 것은 정말 뿌듯 하고 자랑스럽다. 태양전지의 효율성을 높이는 것이 현재 우리나라 국책사업이기도한 만큼 계속 높아지고 있는 추세를 이어 신재생 에너지 관련 연구에 더욱더 많은 지원과 발전이 있기를 간절 히 바란다.
- 2526 한지혜
1학년때에 이어 2학년 때에도 태양광 전지판을 사용하여 과제연구대회에 참가하게 되었다. 1학
년때는 언니들이 부탁하는 일들을 하면서 과제연구에 참가하였는데 이번에는 내가 능동적으로 후 배들한테도 이것저것 시키고 하면서 느낌이 너무 새로웠다 이번에는 발전된 전기를 온실에 있는 전구에 보내 얼마나 사용할 수 있고 에너지 효율이 어떠한지 알아보았다. 그러나 흐린 날들이 너 무 많아서 우리가 원했던 결과가 도출되지 못해 아쉬웠고, 이 연구를 할 때 제대로 된 정보들을 배우고 시작해야 하는데 그러지 못해서 시간이 좀 더 걸린 것 같다. 비록 보고서를 작성하는 과 정이 그렇게 순탄하지는 못했지만 동아리 부원들 모두 같은 주제를 가지고 공부하고 연구해가면 얘기를 하는 과정에서 협동심도 키우게 된 것 같아서 매우 뿌듯했다. 그렇지만 이러한 결과가 도 출되는 과정에서 자연의 힘을 빌려 발전하는 과학기술이 더욱 발전해야 한다는 사실을 다시 한 번 깨닫게 되었다.
- 2610 윤혜민
평소 태양광에너지에 관해 들어보거나 곳곳에 발전기가 설치되어 있던 것을 본 적은 있지만, 직접 사용해 보지는 못했었다. 하지만 이번 과제연구를 통해 접하게 되었다. 태양광 발전기를 사 용하기 위해서 원리, 용어, 사용방법 그리고 전력량 계산 같은 것들을 조사하거나 공부했고, 또 모르는 부분은 조원들이나 선생님께 물어보거나 책을 찾아보기도 했다. 아침저녁으로 발전량을 측정하면서 에너지가 모아지는 것이 신기했고, 또 그 에너지로 온실 속 전구에 전력을 공급해 주 는 것도 신기했다. 비록 많은 양의 에너지를 공급해 주진 못했지만, 우리가 직접 설치한 태양광 에너지를 온실에 공급한다는 것 자체가 정말 뿌듯했다. 앞으로 화석연료를 대체할 신재생에너지 가 더욱 더 연구, 개발되었으면 좋겠고 나도 한 번 연구해 보았으면 좋겠다는 생각도 해보았다.
이번 과제연구를 통해 진짜 많은 것을 배운 것 같다.
- 2621 정지윤
작년 과제연구 때도 태양광에너지를 주제로 연구했었는데, 이번 년도에도 같은 주제로 연구 하니 어려움 없이 광전효과, 태양전지의 원리를 이해할 수 있었다. 작년에는 설치 위주로 연구 를 진행해서 맛보기 식으로 태양광 에너지를 조사했지만, 이번에는 조금 더 깊이, 전기에 관해 서도 알아볼 수 있었다. 원리를 조사하고 발전기에 모인 전기를 측정해서 분석하는 건 작년과 똑같은 방식이었지만 이번 년엔 소극적이었던 작년과 달리 진지하고 자발적으로 연구에 임했던 것 같다. 모인 자료를 정리하고 직접 보고서를 써 보면서 협동력의 중요성을 알게 되었고, 발전 된 전기의 효율성을 분석해보며 아직 태양광 에너지가 실생활에 적용되기에는 무리가 있다는 것, 태양광 에너지 뿐 만 아니라 아직 효율이 떨어지는 많은 신재생 에너지들이 기술적으로 더 발전 되어 미래에는 석탄 석유 등 화석연료로 인한 지구온난화 걱정이 없어졌으면 하는 생각도 해보았다. 처음엔 어렵고 막막하기만 했던 과제연구였지만 동아리원이 다 같이 힘을 합쳐 끝내 고 나니 뿌듯함이 크다.
[부록3] 학생 연구 결과 보고서(2)
빛의 세기와 파장에 따른 식물의 생장정도
Ⅰ. 서론
1. 동기 및 문제제기
생물 심화 동아리 메타에서는 작년 과제연구 발표대회 때에 크놉액의 비율에 따라 식물의 생장 정도를 비교했었던 바 있다. 따라서 이번 기회에는 좀 더 본질적이고 좁은 범주에서 빛이 식물의 생장에 미치는 영향을 관찰하고자 ‘수경 재배’라는 환경을 선택하여 오차 범위를 조금 더 줄여보 려 하였다. 여러 양분을 담은 재배용 토양 대신 질석(버미큘라이트)에 식물을 뿌리내리게 하고, 희 석시킨 크놉액만을 공급하였다. 이는 식물에게 추가적인 영양을 제공하지 않아 양분이 풍족한 기 존의 환경에서 탈피시키는 결과를 가져온다.
부원들이 수강하는 생명과학Ⅱ 특강에서 학습한 ‘엥겔만의 실험’을 토대로 하여, 빛의 파장과 세 기, 자연광의 차단(보다 정확한 생장 정도를 알아보기 위한 통제변인 중 하나). 이러한 세 가지 요 인에 변화를 주어 연구를 진행하였다. 단순히 교재에 수록된 실험의 재현에 그치지 않기 위하여 본 실험에서는 독립 변인으로 백색광, 적색광, 청색광, 녹색광의 네 가지 빛을 선택하였으며, 이를 통해 각기 다른 파장 속에서 자라나는 식물의 생장 정도를 관찰하려는 의도였다. 결론적으로, 본 연구의 방향은 빛의 파장과 세기에 따른 식물의 생장 정도를 측정하는 것과, 더 나아가 그 결과 를 교내 작물의 재배 환경에 반영하고자 하는 것이다.
Ⅱ. 본론
(1) 이론적 배경 가. 수경 재배란?
토양을 사용하지 않고 물과 수용성 영양분으로 만든 배양액(크놉액)만을 사용하여 식물을 키우 는 방법을 일컫는 말로, 물재배 또는 물가꾸기라고도 한다. (물리적인 지지를 위해 모래나 자갈과 같은 비활성 물질을 사용하기도 한다.)
- 수경재배의 장점
뿌리의 상태와 성장모습을 직접 관찰 할 수 있다.
오염되지 않은 깨끗한 채소나 작물을 생산해낼 수 있다.
집안에서 손쉽게 재배가 가능하며, 인테리어 소품으로도 사용이 가능하다.
- 수경재배가 가능한 식물
대부분 수염뿌리로 되어있는 외떡잎식물들이다.
또한 튤립이나 히아신스, 수선화와 같은 구근류나 파인애플과 같은 과수류, 고구마, 양파, 토란과
같은 채소류는 모두 수경재배가 가능하다.
나. 빛의 파장이란?
먼저, 빛이란 시신경을 자극하여 물체를 볼 수 있게 하는 일종의 전자기파를 말하는데, 빛은 색 광에 따라 파장이 다르며 그에 대한 굴절률도 다르다. 햇빛과 같은 복색광을 프리즘에 통과시키 면 각각의 단색광이 분산되어 나온다. 이때 생긴 띠를 스펙트럼이라고 한다.
- 연속 스펙트럼
햇빛, 전등 빛과 같이 모든 색광이 연속적으로 나타나는 스펙트럼
[그림1]
- 흡수 스펙트럼
에너지를 흡수하여 흡수한 부분만 검게나오는 스펙트럼
[그림2]
다. 엥겔만의 실험
엥겔만은 “호기성 세균은 산소가 있는 쪽으로 모인다." 라는 것을 가설로 세우고 실험을 했다.
그 결과 [그림3]처럼 산소를 좋아하는 호기성 세균들이 다른 색깔의 빛보다 적색광과 청색광 영 역의 파장에 많이 몰려 있다는 것을 알 수 있었다. 식물은 광합성을 할 때 산소를 배출하는데 광 합성이 활발하면 산소 역시 많이 배출되게 된다. 이에 따라 호기성 세균은 산소가 많은 곳에 모 여들고, 호기성 세균이 많이 모여 든 곳에 산소가 많음을 알 수 있다. 그리고 호기성 세균들이 적 색광과 청색광 주변에 많이 몰려 있다는 것을 고려할 때, 식물이 광합성을 할 때 적색광과 청색 광 영역을 많이 이용한다는 것을 알 수 있다. 그러므로 식물의 생장정도가 적색광과 청색광에서
클 것이라고 예상해 볼 수 있다.
[그림3]
라. 광합성 색소와 빛의 흡수율
광합성이란 녹색식물이나 그 밖의 생물이 빛에너지를 이용해 이산화탄소와 물로부터 유기물을 합성하는 작용이다. 일반적으로는 녹색식물에 의한 에너지 변환 과정을 의미하며, 엽록소는 광합 성이 일어나는 녹색식물의 잎 속에 들어 있는 화합물로 엽록체의 그라나(grana) 속에 함유되어 있는 것으로 정의 할 수 있다. 이러한 엽록소에 프리즘으로 분광된 빛을 비추면 빛의 흡수 스펙 트럼을 얻을 수 있다. 엽록소는 그래프와 같이 청색광과 적색광의 빛을 잘 흡수하는 것을 볼 수 있다. 여러 파장의 빛으로 광합성을 시켜 광합성의 효율을 조사하면 광합성의 작용스펙트럼(광합 성의 정도)을 얻을 수 있다. 이것을 흡수 스펙트럼과 비교하면 두 그래프가 일치한다. 따라서 이 러한 사실은 엽록소가 빛 에너지를 흡수하여 광합성에 이용한다는 것을 의미하는 것이다. 이렇게 광합성이 청색광과 적색광에서 가장 활발한 이유는 광합성의 중심색소인 엽록소 a가 가장 잘 흡 수하는 파장이 청색광과 적색광이기 때문이라고 한다. 반면에 호기성 세균들이 많이 모여 있지 않은 녹색광 주변은 식물내의 카로티노이드 색소 때문에 광합성이 적게 일어나서 산소를 덜 배출 한다고 한다.
〔그림4〕
마. 빛의 세기와 광합성량
광포화점까지 빛의 세기가 증가할수록 광합성속도가 증가하다가 일정하게 된다. 그것은 빛의 세 기에 한계점이 있다는 것이고, 보상점은 광합성량과 호흡량이 동일한 점이다. 보상점에서도 광합 성과 호흡은 일어나며 각각의 과정으로 생긴 기체는 식물 내부에서 사용되므로 외관상 기체출입 이 없는 지점이다. 보상점 미만으로 빛의 세기가 지속된다면 식물은 고사하며 보상점 세기의 빛 이 지속되면 생존, 그 이상이면 생장이 가능하다.
이 그래프를 보면 빛의 세기가 커질 때 광합성량이 많아진다는 것을 알 수 있다. 실험에서 빛의 세기에 따른 식물의 생장을 비교하기 위해 층을 나누어 식물을 심었다. 이 그래프에 따르면 맨 윗줄이 빛의 세기를 많이 받아 광합성량이 가장 클 것이고 생장정도고 가장 클 것이라고 예상된 다. 반면에 맨 밑줄에 있는 식물은 빛의 세기가 적으므로 광합성량이 작을 것이고 생장정도도 상 대적으로 작을 것으로 예상해볼 수 있다.
[그림5]
(2) 가설설정
이 실험의 독립변인은 화분의 높이, 즉 광원으로부터의 거리와 빛의 파장이다. 먼저 각 광원의 빛의 세기를 통제 변인으로 설정하여, 지면으로부터 가까이 위치하는(광원으로부터 멀리 위치하 는) 순서로 식물 군집을 차례로 1단, 2단, 3단이라 칭한다면, 광원과 가까이에 위치할수록 흡수하 는 빛의 양이 증가하므로 광원과 가장 가까운 3단의 생장 정도가 가장 클 것으로 예상되며, 같은 맥락으로 광원으로부터 먼 거리에 위치하는 1단의 생장이 가장 더딜 것이다. 엥겔만의 실험에서 증명된 결과에 따라 적색광과 청색광에서 가장 큰 생장을 보일 것이며, 백색광은 여러 빛이 혼합 된 것이므로 적색광과 청색광이 포함된 비율이 낮을 것으로 생각되어 적색과 청색의 광원보다는 적게 자라되, 녹색광과 비교하여 본다면 그 정도가 더 클 것이다. 즉, 녹색광에서 가장 더딘 생장 을 할 것으로 예상된다.
(3) 탐구설계 - 탐구설계
분류 -
독립 변인 빛의 세기: 식물의 높이.
빛의 파장: 백색광, 적색광, 청색광, 녹색광.
통제 변인 공급되는 물의 양. 크놉액의 희석 농도. 전구의 출력. 통풍 정도. 기온. 습 도. 흙의 양분.
종속 변인 식물의 생장 정도.
<표1>
[그림6]
본교 온실에 백색광, 적색광, 청색광, 녹색광을 광원으로 하는 4개 구역을 나누어 각 구역에 높 이가 다른 스티로폼 박스 3단을 설치했다. 자연광을 차단하기 위해, 각 구역은 두꺼운 천막으로 덮여 있으며. 1개 단에는 3개의 모종을 심어 두었다. 한 개 광원마다 세 개의 종자를, 한 개 종자 마다 자동 호스 두 개를 설치하여 크놉액을 희석시킨 물을 일정한 비율로 공급하였다. 온실 내부 에서는 온도와 습도 등이 일정한 환경을 가졌다. 최종적으로, 얇은 철제 막대를 스티로폼 박스에 꽂아 매일 PM 12:50에 길이를 측정했다. (주말은 측정값이 없다.)
-실험결과
Ⅰ. 어린 상추 종자의 뿌리흙을 제거하고 심었을 경우.
→ 식물이 2일 후에 고사했다.
Ⅱ. 10일간 기른 상추 종자의 뿌리흙을 제거하고 심었을 경우.
→ 식물이 5일 후에 고사했다.
Ⅲ. 10일간 기른 상추 종자의 뿌리흙을 제거하지 않고 심었을 경우.
→ 측정 5일 째, 하루 약 0.5cm(±0.5cm)씩 생장하고 있다.
(4) 자료해석
백색광 1단 2단 3단
11.4 5.2cm 5.2cm 5.0cm
11.7 5.9cm 6.4cm 5.9cm
11.8 6.1cm 6.7cm 6.2cm
11.9 7.0cm 7.1cm 8.1cm
11.10 7.4cm 8.0cm 8.5cm
길이 변화 2.2cm 2.8cm 3.5cm
<표2>
녹색광 1단 2단 3단
11.4 9.1cm 6.8cm 5.1cm
11.7 9.3cm 7.3cm 5.8cm
11.8 9.6cm 7.6cm 6.6cm
11.9 9.7cm 7.9cm 7.0cm
11.10 10.3cm 8.2cm 7.4cm
길이 변화 1.2cm 1.4cm 2.3cm
<표3>
적색광 1단 2단 3단
11.4 6.2cm 6.5cm 4.0cm
11.7 6.9cm 7.9cm 5.3cm
11.8 7.4cm 8.4cm 6.4cm
11.9 7.6cm 9.2cm 7.6cm
11.10 9.0cm 9.5cm 8.0cm
길이 변화 2.8cm 3.0cm 4.0cm
<표4>
청색광 1단 2단 3단
11.4 6.5cm 6.4cm 6.0cm
11.7 6.8cm 6.8cm 6.8cm
11.8 7.2cm 7.7cm 8.0cm
11.9 7.3cm 8.1cm 8.7cm
11.10 7.6cm 8.3cm 8.9cm
길이 변화 1.1cm 1.9cm 2.9cm
<표5>
[그림7]
파장에 따른 생장 정도
⇒ 1단: 청색광(1.1cm) < 녹색광(1.2cm) < 백색광(2.2cm) < 적색광(2.8cm)
⇒ 2단: 녹색광(1.2cm) < 청색광(1.9cm) < 백색광(2.8cm) < 적색광(3.0cm)
⇒ 3단: 녹색광(2.3cm) < 청색광(2.9cm) < 백색광(3.5cm) < 적색광(4.0cm)
높이에 따른 생장 정도
⇒ 1단 < 2단 < 3단
Ⅲ. 결론
본 연구에서는 엥겔만의 실험을 토대로 녹색광에서의 생장 정도가 가장 더디고, 적색광과 청색 광에서의 생장 정도가 가장 활발할 것이라 가설을 설정한 바 있다. 그러나 가설과는 다르게 실제 실험에서는 적색광, 백색광, 청색광, 녹색광의 순서로 가장 활발하게 결과가 나타났다. 이에 내용 보충을 위한 자료조사를 통해 모든 파장대의 빛을 가지고 있는 백색광에서 광합성이 가장 잘 활 발하게 이루어진다는 사실을 알게 되었다.
먼저, 미리 세워 두었던 가설에 오류가 발생한 이유는 첫째, 가설 설정의 토대로 삼은 엥겔만의 실험은 백색광을 분산시켜 얻은 여러 파장의 빛을 이용하였기에 백색광에서의 광합성량은 언급되 지 않았는데, 백색광이 ‘모든 파장대의 빛을 아우른다는 사실’을 간과하여 엥겔만의 실험을 잘못 해석하였기 때문이다. 둘째, 모종을 심을 때 식물이 고사하는 결과를 막기 위해 양분흙인 뿌리흙 을 털어내지 않은 채로 질석에다 식물을 옮겨 심었기 때문이다. (사실상 이렇게 되면 식물이 뿌리 흙의 양분을 모두 사용하기까지 수경재배의 의미가 사라지는 결과를 가져오게 된다. 그리하여, 오 차 범위가 대폭 증가하는 결과를 불러오는 원인이 된다.)
그리고 이어 나타난 실험 결과에서, 적색광에서의 생장 정도가 백색광에서의 생장 정도보다 뛰 어나다는 오류가 발생했던 이유는 1차, 2차 실험의 실패로 3차 실험 기간이 충분하지 않아 장기 간에 걸친 식물 생장을 관찰하지 못하였기 때문이다.
또, 장기간의 관찰이 예정되었던 실험이 총 3번에 걸쳐 진행되었던 이유는 본격적인 관찰을 하 기 이전에 이루어졌던 1차, 2차 실험에서 모종을 옮겨 심을 때에 추가적인 양분 공급을 저지하겠 다는 이유만으로 어린 식물의 뿌리흙을 털어낸 채 식물을 옮겨 심어 해당 모종의 생장 환경에 극 심한 변화를 겪게 했기 때문이었다. 3차 실험에서는 앞선 실험들의 실패 요인을 분석하여 종자를 며칠 간 키운 후 뿌리 주위의 흙을 제거하지 않은 상태로 심어 성공적인 결과를 얻어낼 수 있었 다. 뿌리흙에 포함되어있던 양분의 흡수로 인해 미약한 오차가 발생할 수는 있겠으나, 실험이 진 행되어야 했기 때문에 내린 판단이었다. 다음 수경재배와 관련 실험을 할 시에는 실험 기한을 넉 넉히 잡고 뿌리흙을 털어내지 않은 모종을 심어, 그 양분이 모두 사용되었을 충분한 시일이 지난 후부터 측정값을 기록해야겠다는 반성을 하는 계기가 되었다.
Ⅳ. 연구 후기
정유진
식물이 여러 차례 죽어 오차 범위가 넓어 졌던 것이 아쉬움으로 남았지만 파장에 따른 식물의 생장이 다르다는 것을 직접 관찰해 보는 경험을 얻게 되었다. 다음
연구에 이번 연구에서의 반성을 덧대어 오차를 줄이는 거름으로 사용하겠다.
장혜린
작년에 이어 올해에도 어김없이 식물에 대해 연구를 했는데 평소 식물에 관심이 많던 터라 굉장히 즐겁게 연구에 임했다. 식물의 생장 정도에 대해 동아리부원들과 함께 알아나갈 수 있는 기회라서 뜻 깊었다.
이주희
기존에 존재하는 실험을 토대로 가설을 설정하고 이를 확인하기 위한 실험을 직접 설계해가는 과정을 통해 실험에 대한 깊이 있는 이해를 할 수 있었고, 실험
해석을 할 때는 초기 조건부터 찬찬히 고려해서 해야 한다는 것을 깨달았다.
한혜진
책에서만 보던 엥겔만의 실험의 결과를 동아리 부원들과 함께 실험해볼 수 있어서 좋은 경험 되었던 것 같다. 이번 실험을 해보면서 식물의 생장 정도에 빛의 파장이
영향을 줄 수 있는 것을 확실히 알 수 있었던 것 같다.
김부경
작년 과제연구 발표대회에서는 크놉액 비율에 따른 식물 생장 정도를 했었는데, 이번에는 빛의 파장에 따른 식물 생장 정도를 연구했다. 식물 생장 정도를 두 번 이나 연구를 해서 더 자세히 알게 되었고, 동아리 친구들과 후배들과 함께 연구 할
수 있어서 뜻 깊었다.
정민재
작년의 실험연구와 연관해서 이번에도 식물의 생장에 관한 연구를 하게 되었다.
식물의 생장에 영향을 주는 요인들을 직접 실험을 통해 진행하며 책에서 학습하는 것보다 더 효과적으로 알 수 있었다.
[부록4] 학생 연구 결과 보고서(3)
원소 결핍에 따른 식물의 생장 변화
Ⅰ .서 론
1.주제 선정 이유
화학 1 교과과정을 배우던 중 “인류 문명과 화학” 이라는 단원에서 식물의 생장에 필요한 10 대 원소에 대해서 공부하게 되었다. 질소 비료의 발견은 농경문화를 이루고 있는 인류가 발전 하는데 큰 기여를 했다. 이 위대한 발견을 단순히 이론적으로 받아들이는 것이 아니라 실험을 통해 직접 알아보고 싶었다. 비료에는 여러 영양소 즉, 10대 원소가 들어가는데 이를 변인으로 하면 어떤 실험결과가 생길지 궁금증이 생겼다. 그래서 10대 원소 중 한 원소의 결핍액을 만든 후 각 결핍액에 따른 식물의 생장 변화를 실험해보고 10대 영양소가 식물의 생장에 미치는 영 향을 알아보려고 한다. 실험을 설계하는 데에는 우리가 배울 수 있는 여러 화학적 지식들이 요 구될 것 이며 결과를 탐구할 때는 생물적 지식 또한 필요하므로 한 가지 학문에 국한된 실험이 아닌 여러 학문에 걸쳐 더 광범위하게 과학을 융합적으로 접할 수 있는 기회가 될 수 있을 것 이라 생각해 이번 실험을 선정하게 되었다.
2.연구의 목적
이번 과제연구의 목적은 직접적인 관찰을 통해 질소, 황, 칼륨 등 주기율표의 주요 원소들이 식물 생장에 미치는 영향을 스스로 알아내는 것이다. 식물생장에 필요한 10가지 원소들을 기준 으로 삼고 각각의 원소들이 결핍되었을 때, 어떠한 현상이 나타나는지, 그 이유는 무엇인지를 고민해보며 탐구심을 기를 수 있을 것이다. 관찰된 내용을 분석하고 결과를 도출함으로써, 화학 적, 생명 과학적인 융합된 지식을 얻을 수 있으며 이러한 이론적 지식을 쌓음과 동시에 연구한 내용을 바탕으로, 식물생장에 이상이 생겼을 때 어떤 원소의 결핍 때문인지를 실질적으로 판단 할 수 있게 될 것이다.
3.연구 방법
설계 도안을 구상하여 앵글을 제작한 후 식물이 자랄 수 있는 환경을 조성한다. 크놉액과 결핍액 을 만들어 수경재배 방식을 통해 식물에 주입하고 다음날에 필요한 배양액을 준비한다. 당번을 정하여 하루에 한 번 35일간 식물의 성장 모습을 관찰하고 구체적으로 보고서에 기록한다.
Ⅱ .본 론
1.이론적 배경
가. 식물 생장에 필요한 10대 원소 (1)탄소
주기율표 14족에 2주기에 속하는 원소로 원소기호는 C, 원자량은 12.0107g/mol, 승화점은 3642℃, 밀도는 흑연이 2.267g/cm3 , 다이아몬드가 3.515g/cm3 이다. 동소체로 비결정성 탄소, 결정성인 흑연, 다이아몬드가 있다. 수소, 산소 또는 질소 등과 공유결합을 안정적으 로 쉽게 형성할 수 있어 생체분자의 기본요소로 사용되며 석탄과 석유의 주성분이다. 녹색 식물은 뿌리로부터 흡수한 물과 잎의 기공으로부터 흡수한 이산화탄소를 재료로 삼아 빛을 통해 포도당과 전분을 만들고, 동물은 식물이 저장해 놓은 이러한 양분(포도당과 전분 등) 을 먹고 소화·흡수시켜서 몸을 구성하고 에너지원으로 사용한다.
(2)수소
주기율표 1족 1주기에 속하는 비금속원소로 원소기호 H, 원자량 1.00794g/mol, 끓는점 -25 2.87℃, 녹는점 -259.14℃,밀도 0.08988g/L 이다. 지구상에 존재하는 가장 가벼운 원소로 무 색·무미·무취의 기체다. 주로 수소분자 H2로 이루어진다. 태양을 비롯한 우주에 수소가스 및 원자상태 수소의 존재가 인정된다. 수소는 연소하더라도 공해 물질을 내뿜지 않아 석탄, 석 유를 대체할 무공해 에너지원으로써 중시되고 있다. 수소 기체는 수소 원자 두 개가 결합한 상태, 즉 수소 분자(H2)로 존재한다. 물에 대한 용해도가 매우 작아 물에 잘 녹지 않으며, 실온에서는 반응성이 작지만 온도가 높아지면 반응성이 커진다.
(3)산소
주기율표 16족에 2주기에 속하는 칼코겐(chalcogen) 원소로 원소기호는 O, 원자량은 16, 녹 는점 -218.79℃, 끓는점 -182.95℃, 밀도는 1.429g/L이다. 질량(mass)으로 지각에서 가장 풍 부한 화학원소이며 우주에서 수소와 헬륨 다음 세 번째로 많은 원소이다. 상온에서 이원자 분자(O2)로 존재하며 반응성이 커서 거의 모든 원소와 반응하여 산화물을 만든다. 모든 호 기성 생명체의 세포 호흡에는 산소가 필수적이다. 호기성 세포 호흡에서는 위의 광합성 과 정의 역반응이 일어나며, 이때 빛 대신 많은 양의 에너지(포도당 1g 당 16kJ)가 방출된다.
이 에너지는 고에너지 화합물인 ATP로 저장되고, ATP는 다른 생체 내 반응을 일으키는 에 너지원으로 이용된다. 생물계의 조개 껍질, 치아, 뼈의 주성분도 산소 화합물이다. 산소는 또한 단백질, 핵산, 지방, 탄수화물 등 생체 구조를 이루는 거의 대부분 분자의 구성 성분이 다.
(4)질소
원소주기율표 상에서 2주기 15족에 속하는 비금속 원소로 지구의 대기의 약 78% 정도를 차지하고 있으며 지구 생명체의 구성 성분이다. 원소 기호는 N, 녹는점은 -210℃, 끓는점 은 -196℃, 비중은 0.808이며 상온에서 주로 이원자 분자(N2)를 이루고 냄새, 색깔, 맛이 없는 기체 상태이다. 질소는 아미노산, 단백질, 핵산, 효소 등 여러 가지 유기화합물의 주 요 구성요소이다.
(5)칼슘
주기율표 2족에 속하는 알칼리토금속 원소이다. 반응성이 커서 자연계에 순수하게 존재하지 않고 탄산염 등의 화합물로 분포한다. 인체에는 필수적인 무기염류로 인산과 결합하여 뼈나
