1차시

교육 과정

⑵ 물체와 물질

㈎ 주위에 있는 물체가 어떤 물질로 이루어졌는지 안다.

㈏ 특정 물체를 이루고 있는 물질이, 그 물질의 어떤 성질 때문에 사용되었는지를 설명할 수 있다.

㈐ 여러 가지 물체와 물질을 특징에 따라 고체, 액체, 기체로 분류할 수 있다.

[탐구 활동]

㈎ 물체 분류하기

㈏ 물질의 성질과 용도 관계 짓기

㈐ 물체와 물질을 고체, 액체, 기체로 분류하기

단원의 개관

이 단원은 개정 교육과정의 3학년 1학기 ‘(1) 물체와 물질’에 해당하는 단원으로 2학년 2학기 슬기로운 생활의 ‘가게 놀이’ 단원에서 학습한 것을 바탕으로 한다. 이 단원은 학생들에게 우리 생활 속에서 사용되는 물질, 물체와 물질의 관계, 다양하게 쓰이는 물질, 물질 분류하기 활동을 통하여 물질의 특성과 우리 생활의 관계를 이해하도록 구성되어 있다.

단원의 학습 계열

선수 학습 이 단원의 학습 후속 학습

“가게 놀이(2-2)” “우리 생활과 물질(3-1)” “액체와 기체의 부피(3-2)”

․물건과 가게

․가게 놀이 하기

․물체와 물질

․다양하게 쓰이는 물질

․물질의 상태

․액체의 부피 측정

․부피와 무게를 가지는 기체

단원의 학습 목표

1. 우리 주위의 물체가 어떤 물질로 만들어져 있는지 이해한다.

2. 물체를 다양한 기준에 따라 분류한다.

3. 우리 주위의 물체가 다양한 물질로 만들어져 있음에 흥미와 호기심을 가진다.

4. 특정 물체를 이루고 있는 물질이 어떤 성질 때문에 사용되었는지를 설명한다.

5. 우리 주위의 물체가 물질의 어떤 성질에 따라 사용되었는지를 탐구한다.

6. 물질의 다양한 성질을 이해하려는 적극적인 태도를 지닌다.

7. 우리 주위의 고체, 액체, 기체 물질의 특징을 이해한다.

8. 물질을 고체, 액체, 기체로 분류한다.

9. 우리 주위의 물질이 고체, 액체, 기체로 이루어져 있음을 탐구하려는 적극적인 태도를 지닌다.

단원지도계획

중단원명 차시 주제 학습 목표 교과서 쪽

(실험관찰 쪽) 지식 탐구 과정

1.

물체와물질

1/12 물체의 재료 ㆍ우리 주의의 물체를 찾아보고 어떤 재로로 만들어져 있는 지 설명할 수 ㆍ다양한 물체의 재료에 대해 탐구하려는 태도를 지닌다.있다.

22～23

(6) 물체 재료 관찰 2/12 물질의 정의 ㆍ물질이란 무엇인지 설명할 수 있다.

ㆍ물체와 물질의 관계를 설명할 수 있다.

ㆍ물체와 물질 사이의 관계에 대하여 흥미를 가지고 탐구할 수 있다.

24～25 (7)

물질물체 재료

관찰 의사소통 3/12 물체 분류하기

ㆍ물체를 물질의 종류에 따라 분류할 수 있다.

ㆍ물체를 다양한 기준을 세워 자유롭게 분류할 수 있다.

ㆍ우리 주위의 다양한 물체를 물질에 따라 분류하려는 적극적인 태도를 지닌다.

26～27 (8～9)

물질물체 재료

관찰분류

이야기과학 자동차의 재료 ㆍ첨단 과학 28～29

다양하게2.

쓰이는물질

4/12 물질의 성질 ㆍ물질의 다양한 성질에 대해 설명할 수 있다.

ㆍ여러 가지 물질의 성질을 비교할 수 있다.

ㆍ물질의 다양한 성질을 탐구하려는 태도를 지닌다.

32～33

(10) 물질 성질 관찰

측정 5/12 물질의 다양한

쓰임새

ㆍ한 가지 물질이 다양한 용도로 여러 물체에 사용됨을 안다.

ㆍ우리 주위의 물체와 물질의 다양한 쓰임새에 대해 설명할 수 있다.

ㆍ물질의 다양한 쓰임새를 찾는 데에 적극적인 탐구 자세를 지닌다.

34～35 (11)

물질 쓰임새성질

관찰분류

6/12

쓰임새는 같으나 다양한 만들어진 물체물질로

ㆍ한 가지 용도로 쓰기 위하여 다양한 물질이 사용되는 경우를 설명할 수 있다.

ㆍ여러 가지 물질을 이용하여 물체를 만들어 사용하는 경우를 창의적으로 생각할 수 있다.

36～37 (12～13)

물질 물체 쓰임새성질

관찰 분류 과학

이야기

탄소로

새로운 물질만들어진 ㆍ생활 속의 과학 38～39

3.

물질의상태

7/12 고체 ㆍ주위에 있는 고체의 공통점을 알고 고체가 무엇인지 설명할 수 있다.

ㆍ고체의 다양한 예를 찾을 수 있다. 42～43

(14)

고체모양 크기 관찰 8/12 액체 ㆍ액체의 특징에 대해 설명할 수 있다.

ㆍ우리 주위에 있는 액체의 다양한 예를 찾을 수 있다. 44～45 (15)

액체 모양양

관찰측정

9/12 공기의 존재 ㆍ우리 주위에 공기가 있음을 증거를 들어 설명할 수 있다.

ㆍ공기가 있음을 보여주는 우리 생활의 예를 찾아보는 적극적인 태도를 지닌다.

46～47

(16) 공기 관찰 추리 10/12 기체 ㆍ기체의 특징에 대해 설명할 수 있다.

ㆍ우리 주위에 있는 기체의 다양한 예를 찾을 수 있다. 48～49 (17)

기체모양 크기 관찰 11/12 물체 분류 ㆍ우리 주위에 있는 물질을 다양한 분류 기준을 세워 분류할 수 있다.

ㆍ물질을 고체, 액체, 기체로 분류할 수 있다. 50～51 (18)

고체 액체기체

관찰분류 과학

이야기 신기한 기체,

헬륨 ㆍ생활 속의 과학 52～53

마무리 12/12 되짚어보기/확인하기/과학글쓰기

물체의 재료 물체의 재료

1차시

물체란 무엇인가?

여러 가지 장난감을 관찰하여 봅시다. 장난감들은 어떤 재료로 만들어졌습니까?

장난감 이름 재료

교실에 있는 여러 가지 물체들을 관찰하여 봅시다. 이 물체들은 어떤 재료로 만들어졌습니까?

물체 이름 재료

물질의 정의 물질의 정의

2차시

물질이란 무엇인가?

사진 속 물체들은 어떤 물질로 이루어져 있을까?

물체 분류하기 물체 분류하기

3차시

우리 주위의 물체를 다양한 방법으로 분류해보자.

분류 기준 물체

<두 가지 이상의 물질로 만들어진 물체>

물체

물질

만든 재료를 기준으로 물체를 분류해보자.

재료 물체

한 가지 물질로 만들어진 물체를 찾아보자. 두 가지 이상의 물질로 만들어진 물체를 찾아보자.

어떤 물질로 만들어졌는가?

<한 가지 물질로 만들어진 물체>

물체

물질

활동 정답 및 개념 해설

우리 주위의 물체들은 어떤 재료로 만들어졌을까요?

우리 주위의 물체들은 여러 가지 재료로 만들어져 있 다. 먼저, 장난감을 살펴보자. 비치볼은 고무, 자동차는 철과 플라스틱, 인형은 헝겊이나 고무로 만들어진다.

로봇은 플라스틱이나 고무, 나무 블록은 나무, 블록은 플라스틱으로 만들어진다. 이제 교실에 있는 물체를 살펴보자. 칠판은 나무로 만들어지고 책상과 의자는 나무와 철, 공책과 책은 종이, 필통은 플라스틱이나 헝 겊 등으로 만들어진다. 그러나 우리 주위의 여러 물체 들은 한 가지 재료로만 만들어져 있는 경우는 거의 없 고 대부분 다양한 재료로 만들어진다.

물질이란? 물질이란 물체를 만드는 재료를 말한다. 비치볼은 고무로 이루어져 있다. 비치 볼은 물체이고 고무는 물질이다. 책은 물체, 책을 만드는 재료인 종이는 물질이다. 칠판은 물체, 나무는 칠판을 만드는 재료이기 때문에 물질이다.

(1) 과학에서 다루는 물질이라는 용어는 질량을 가지고 공간을 차지하는 것들을 말한다. 물질 은 고체, 액체, 기체의 세 가지 상태로 존재한다. 한편, 물체를 만드는 재료를 물질이라고 한다. 물질을 구체적으로 구분하는 내용은 중학교 과학 정도의 수준이지만, 교사는 순물질 과 혼합물에 대한 내용을 알고 있어야 한다. 초등학생들에게 이와 같은 용어를 직접 사용 하지는 않더라도(원자와 분자 수준의 이해가 필요하기 때문에), 교사 자신의 개념 이해를 위하여 함께 정리해 보도록 한다. 보다 효과적인 과학 수업 활동을 전개하기 위하여, 초등 학교 3학년 수준의 내용보다 좀 더 깊이 있는 내용을 이해할 필요가 있기 때문이다.

(2) 물질은 크게 순물질과 혼합물로 구분될 수 있다(Oxtoby & Nachtrieb, 1996).

① 순물질: 초등학교 수준에서 흔히 말하는 물질은 여기에 속하는 경우가 많다. 물리적 방법으 로 다른 물질로 분리할 수 없는 물질, 즉 산소, 물, 구리 등을 말한다. 순수한 물질 은 고정된 조성과 일정한 성질을 갖는다.

㉠ 홑원소 물질: 화학적 방법으로는 분해되지 않는 한 가지 원소만으로 구성된 물질이다.

•구성 입자가 원자인 것: 금속류[구리(Cu), 철(Fe), 금(Au)], 비활성 기체[헬륨(He), 네온 (Ne), 아르곤(Ar)], 다이아몬드, 흑연

•구성 입자가 분자인 것: 수소(H₂), 산소(O₂), 오존(O₃), 아이오딘(I₂) 등

㉡ 화합물: 두 종류 이상의 원소가 화합하여 일정한 성분비를 이루는 물질이다. 화합물을 분 해하면 두 종류 이상의 순물질이 된다. 화합물은 화학 변화로만 분리가 가능하다.

•화합물을 이루는 기본 입자가 분자인 것: 녹는점, 끓는점이 낮다.

예) 물(H₂O), 암모니아(NH₃), 메테인(CH₄), 에탄올(C₂H5OH)

•화합물을 이루는 기본 입자가 이온인 것: 녹는점이 매우 높다.

예) 염화나트륨(NaCl), 황산암모늄((NH₄)₂SO₄)

② 혼합물: 물리적으로 분리할 수 있는 둘 또는 그 이상의 물질로 되어 있는 물질을 말한다(

불균일 혼합물-자갈+모래, 균일 혼합물-알코올+물).

물체란? 우리 주위에서 모양을 지니고 공간을 차지하고 있는 것을 물체라 한다. 즉, 물체 는 질량과 형태를 가지고 일정한 공간을 차지하는 것을 말한다. 물체는 물질로 이루어졌으 며 어떤 용도로 쓰기 위해 만들어진 물건을 지칭하기도 한다. 물체는 구체적인 모양을 가 지고 있는 것으로 어떤 용도로 사용하기 위해 만든 물건들을 말하고 물질은 물체를 이루 고 있는 재료가 되는 것을 말한다. 똑같은 물질이라도 어떤 용도로 쓰이는가에 따라 물체 의 이름이 달라진다.

* 원소(elements): 물질을 구성하고 있는 기본적인 성분으로 현재까지 100여 종이 알려져 있다.

물체와 물질의 예

학생들의 오개념: 물질과 물체 사이의 혼동

학생들은 물체를 만든 물질의 이름과 물체의 이름을 혼동하는 경우가 많다. 예를 들어, 나무, 왁스, 유리와 같은 물질을 물체로 인식하는 경우가 많다. 따라서 교사들은 물질과 물체를 구별 하도록 지도해야 한다. 그러나 일상용어인 ‘유리’는 유리잔과 같은 물체를 지칭하기도 하고 동 시에 유리잔을 만드는 재료를 나타내기도 한다. 4세부터 9세 아동들을 대상으로 한 연구에서, Smith(1984) 등은 종이컵과 금속 숟가락을 보여준 후, 무엇으로 만들어졌는지 질문하였다. 또 한 이들 물체를 작게 자른 후 무엇으로 만들어졌는지를 물어보았다. 본래 물체와 잘라진 물체 가 왜 똑같은지 물었을 때, 4세에서 7세 사이의 아동들의 경우는 잘라진 물체의 촉감이 비슷해 서 같다고 응답한 경우가 많았다. 8~9세 아동들의 경우에는 물체를 자른다고 해서 물질이 달라 지지 않고 컵은 여전히 종이로 만들어져 있다는 응답을 하였다고 보고하였다.

한 가지 또는 두 가지 이상의 물질로 만들어진 물체

<한 가지 물질로 만들어진 물체> <두 가지 이상의 물질로 만들어진 물체>

물체 야구 방망이 등

고무 튜브, 지우개 등

못 등 책 등

물질 나무 고무 철 종이

물체 가위 자전거 시계

물질 철 철 철

플라스틱 플라스틱고무 플라스틱

물질의 성질 물질의 성질

4차시

여러 가지 물질의 성질을 알아봅시다. 다음 물체의 다양한 성질을 비교해봅시다.

나무젓가락, 철 못, 플라스틱 숟가락, 수수깡, 구리선, 고무지우개

성질 비 교

긁히는 정도

(단단한 정도) ( ) > ( ) > ( ) > ( ) > ( )> ( ) 구부러지는 정도 ( ) > ( ) > ( ) > ( ) > ( )> ( )

물에 뜨는 정도 ( ) > ( ) > ( ) > ( ) > ( )> ( )

물질의 다양한 쓰임새 물질의 다양한 쓰임새

5차시

우리 주위에서 한 가지 물질을 여러 가지 쓰임새로 사용하는 경우를 알아봅시다.

물질 쓰임새 사용된 성질

나무

플라스틱

쓰임새는 같으나 다양한 물질로 만들어진 물체 쓰임새는 같으나 다양한 물질로 만들어진 물체

6차시

우리 주위에서 쓰임새는 같으나 다른 물질로 만들어진 물체를 찾아봅시다.

쓰임새 만든 물질 각 물질로 만들었을 때의 좋은 점

활동 정답 및 개념 해설

물질의 성질

여러 가지 물질이 지닌 독특한 성질에는 겉보기 성질, 녹는점, 어는점, 끓는점, 밀도, 용해도 등이 있다. 질량, 부피, 넓이, 길이, 온도 등은 같은 물질이더라도 그 값이 달라질 수 있기 때문에 물질의 고유한 특성이 될 수 없다. 물질의 겉보기 성질은 외관으로 쉽게 구분되는 성질로 색깔, 냄새, 맛, 결정의 모양, 굳기 등이 있다. 이러한 물질의 특성을 알면 어떤 물질인지 대략적으로 확인할 수 있다(어는점, 녹는점, 밀도 등은 중학교 이상의 수준에서 다루는 내용임).

물질의 조성 변화 없이 관찰되고 측정될 수 있는 성질을

‘물리적 성질’이라 한다. 우리는 물리적 성질의 차이로 인하여 물질을 분류하고 확인할 수 있다. 과학자가 일반적으로 사용하는 물리적 성질은 오른쪽 표와 같다.

(1) 색깔로 확인할 수 있는 것

① 물: 무색 ② 소금, 설탕, 나프탈렌: 흰색

③ 산화철(철에 생긴 녹): 붉은색

④ 금, 황: 노란색⑤ 황산구리: 푸른색

(2) 냄새로 확인할 수 있는 것

직접 냄새를 맡지 말고 손으로 바람을 일으켜 시약의 증기가 코 쪽으로 오게 하여 간접적으로 맡는다.

① 물, 산소: 냄새가 없다. ② 에탄올: 술 냄새

③ 황화수소: 달걀이 썩는 듯한 역겨운 냄새

④ 아세트산(식초에 들어 있는 물질): 신 냄새

⑤ 암모니아: 코를 찌르는 자극적인 냄새

⑥ 에스테르(식품에 딸기맛, 바나나맛 등을 내기 위해 넣는 물질): 과일 향

(3) 맛으로 확인할 수 있는 것

물질 중에는 사람의 몸에 해로운 것이 많으므로, 확실히 알지 못하는 화학 약품은 절대로 맛을 보거나 함부로 만져서도 안된다. 맛을 볼 때에는 액체는 물(증류수)로 묽힌 후 거름종이에 묻혀 맛을 보고 고체는 물(증류수)에 녹인 후 거름종이에 묻혀 맛을 본다.

① 설탕: 달다. ② 소금: 짜다. ③ 탄산수소나트륨(소다): 쓰다.

(4) 굳기로 확인할 수 있는 것

① 금강석: 단단하다. ② 석고: 무르다. ③ 금: 비교적 무르다.

물질의 다양한 쓰임새

쓰임새는 같으나 다양한 물질로 만들어진 물체

고체의 특징 고체의 특징

7차시

우리 주위에서 고체로 이루어진 물질을 찾아 그 성질을 알아봅시다.

고체 성질

고체가 가지는 공통된 성질은 무엇입니까?

액체의 특징 액체의 특징

8차시

물이 든 유리그릇에 물감이나 색소를 탄 후, 이 물을 다른 모양의 유리그릇들로 차례대로 옮겨 담은 후, 다시 처음의 유리그릇에 담는다.

물을 다양한 모양의 그릇에 옮겨 닮았을 때의 모양을 차례대로 그림으로 그려보자.

이 때 물의 모양은 어떻게 되었는가?

실험 활동

공기의 존재 공기의 존재

9차시

활동 1 물이 든 수조에 입을 불거나 주사기를 밀었더니, 물속에서 기포가 생겼다.

활동 2 _부푼 풍선의 입구를 얼굴 가까이에 대고, 입구를 살짝 열어보고 느낌을 적어보자.

활동 3 바람개비를 만들어 여러 가지 방법으로 바람개비를 돌려 봅시다.

이 세 가지 현상으로 알 수 있는 사실은 무엇인가?

기체의 특징 기체의 특징

10차시

긴 풍선을 비틀거나 묶어서 여러 가지 동물을 만들어 보자.

이 활동으로 알 수 있는 공기의 성질은 무엇인가?

참고 사항

물체 분류하기 물체 분류하기

11차시

주변에 있는 물체와 물질을 고체, 액체, 기체로 분리해보자.

물체 물질

고체

액체

기체

활동 정답

개념 해설

물질의 세 가지 상태

모든 물질은 외부의 조건(온도와 압력)에 따라 고체, 액체, 기체의 세 가지 상태로 존재한다.

기체는 고체나 액체와는 달리 일정한 부피를 지니지 않는다. 일정한 질량의 기체는 그것이 들 어 있는 공간 전체를 균일하게 채울 때까지 계속 팽창한다. 한편 기체 간의 혼합물은 항상 균 일성을 나타내지만 반대로 기름, 물, 모래, 자갈과 같은 액체와 고체들의 혼합물에는 불균일한 것들이 많다. 액체나 고체의 부피를 조금이라도 줄이는 데에는 큰 압력이 필요하지만, 기체의 경우는 쉽게 압축할 수 있다. 즉, 기체 상태는 압축성이 큰 것이 특징이다.

고체는 구성 분자들의 강한 응집력으로 결합되어 보통 규칙적인 배열, 결정 구조를 가지는 반 면 기체는 응집력이 약해 분자들이 자유로운 운동을 한다. 액체는 밀도가 높은 편이나 완전히 무질서한 기체와는 달리 부분적으로 질서 있는 운동을 한다.

우리 주변의 대부분의 물질은 기체, 액체, 고체의 세 가지 상태로 존재하고 있으며 각각 독특 한 성질을 지니고 있다. 상온에서 물은 액체 상태이지만 0℃ 이하가 되면 고체인 얼음이 되고 100℃ 이상이 되면 기체인 수증기로 변한다. 또, 쇠는 상온에서 고체 상태이지만 1,535℃ 이상 이 되면 쇠가 녹아 쇳물이 되고 2,750℃ 정도가 되면 기체가 된다.

가. 고체 : 고체 상태의 물질은 원자, 분자 또는 이온들이 단단하게 결합되 어 있어서 일정한 부피와 모양을 가지고 있다. 이러한 고체는 결 정성 고체와 비결정성 고체로 구분해 볼 수 있는데, 원자, 이온 또는 분자들이 입체적으로 규칙적인 배열을 한 고체를 결정성 고체(crystalline solid), 고체를 이루는 입자들 간의 인력이 일정 하지 않아 가열하면 결합이 약한 부분부터 먼저 끊어져 녹는점 이 일정하지 않은 고체를 비결정성 고체(amorphous solid)라고 한다.

나. 액체 : 물과 같은 액체 상태의 물질은 부피는 일정하지만 모양은 변할 수 있다. 액체 상태에서는 분자들 간의 인력이 작용하여 기체 상 태의 분자들보다 자유롭게 움직이지 못하고, 액체 내부에서만 비 교적 자유롭게 움직이기 때문에 유동성을 가진다. 또한 가열하거 나 압력을 가해도 분자 사이의 거리가 거의 변하지 않기 때문에 거의 일정한 부피를 가진다.

다. 기체 : 기체 상태의 물질은 분자 간에 인력이 거의 작용하지 않아서 모

양과 부피가 자유롭게 변할 수 있다. 기체 분자들은 운동 에너지가 분자 사이의 인 력보다 크기 때문에 넓은 공간을 자유롭게 모든 방향으로 빠르게 움직이는데, 어떤 위치에서 다른 위치로 불규칙하게 움직이는 직선 운동인 병진 운동(translational

motion), 기체 분자들이 질량 중심의 이동 없이 회전하여 움직이는 회전 운동 (rotational motion), 분자를 이루는 원자들 사이의 떨림이 일어나는 진동 운동 (vibrational motion) 등을 한다.

물질에 대한 학생들의 오개념 (1) 고체 상태에 대한 오개념

Stavy와 Stachel(1984)의 연구에서 5세부터 13세 학생들을 대상으로 고체에 대한 학생들의 개 념을 분석하였다. 나이가 어린 학생들의 경우, 단단한 물질을 고체로, 가루 물질은 액체로, 딱 딱하지 않은 물질(말랑말랑한 플라스틱, 스펀지, 옷)은 고체와 액체의 중간 물질로 인식하고 있었음을 보고하였다.

학생들이 가루 물질을 액체로 생각하는 이유는 ‘부을 수 있다’라고 생각하기 때문이며, 딱딱하 지 않은 물질을 고체와 액체의 중간 물질로 생각한 이유는 ‘부드럽고, 부스러지거나, 찢어지기’

때문이라고 보았다. 즉, 학생들은 물질의 상태를 겉모양으로 판단하거나, 단단함, 유연성을 바 탕으로 고체의 상태를 이해하고 있었다.

11세 정도의 학생들의 경우, 가루 물질을 액체라고 생각하기 보다는, 고체와 액체의 중간 상태 라고 생각하는 경향도 나타났다. 따라서 Stavy와 Stachel(1984)은 교사들이 가루 물질은 고체 의 작은 알갱이라는 것을 지도할 필요가 있다고 강조하였다. 그러므로 입자의 성질을 배우기 전에, 물질의 상태에 따라 물질을 분류하는 방법에 대하여 배워야 한다. 또한 학생들은 고체 덩어리가 가루 물질이나 액체로 바뀌면 질량도 감소할 것이라고 생각하는 경향이 있다고 한다.

(2) 액체 상태에 대한 오개념

일반적으로 학생들은 액체를 ‘흐르거나, 부을 수 있는’ 성질을 지닌 물질로 이해한다. 따라서 가루 물질 또한 액체로 분류하는 오류를 범하는 경우가 종종 있다(Stavy & Stachel, 1984).

대표적인 액체는 물이라고 여겼으며, 모든 액체는 ‘물과 같다.’, ‘물로 만들어져 있다.’, ‘물을 포 함한다.’와 같이 생각하였다. 어떤 학생들은 보다 점성이 있는 끈적끈적한 액체인 꿀, 토마토 소스 등을 액체로 분류하기를 어려워하는 것으로 조사되었다. 또한 학생들은 액체가 고체보다 는 가볍고 기체보다는 무거운 물질로 인식하는 것으로 나타났다.

(3) 기체 상태에 대한 오개념

많은 학생들의 경우, 공기를 비롯한 여러 기체들이 물질의 성질을 지니지 않는다고 생각하는 경향이 있다(Driver et al, 1994). 어린 학생들의 경우, 공기와 연기는 있긴 하지만, 일시적으로 만 존재하는 성질이라고 생각하는 경향이 있었다. Driver 등(1994)은 공기와 기체의 경우, 이를 대조적인 감정을 지니고 생각하는 경향이 있었는데 공기는 ‘좋은 것’으로, 기체는 ‘나쁜 것’으로

생각한다고 보고하였다. 이는 학생들이 기체가 위험하고 폭발성이 있거나 독성이 있기 때문으 로 생각하는 것으로 보인다. 어떤 학생들은 기체는 무게나 질량이 없다고 생각한다. 이는 학생 들의 일상 경험에 의존하는 것으로, 기체는 위로 올라가거나 떠오르는 성질이 있다고 생각하기 때문이다. 9세부터 13세 사이의 많은 학생의 경우, 기체는 ‘마이너스’ 질량을 지닌다고 생각하 는 경향이 있었다. 이는 기체를 그릇에 담으면 담을수록, 전체 질량은 가벼워질 것이라고 예상 하기 때문이다.

고체, 액체, 기체 물질의 특징

예 특징

고체 물질 나무, 플라스틱, 고무 등 모양과 크기가 변하지 않음

액체 물질 음료수, 우유, 물, 간장 등 담는 그릇에 따라 모양은 변하지만 양은 변하지 않음

기체 물질 바람, 풍선 속 공기, 산소 탱크 속의

산소, 이산화탄소, 헬륨 등 담는 그릇에 따라 모양과 양이 변함

가루 물질도 고체인가?

학생들 중에는 가루 물질이 고체 물질이 아니라 액체 물질이라고 생각하는 경우도 있다. 액체 물질처럼 그릇에 담을 수 있고, 그릇에 따라 모양이 변하기 때문이다. 그러나 가루 물질 알갱 이 하나하나의 모양은 변하지 않으므로, 가루 물질도 고체 물질이다.

공기 및 들숨과 날숨의 조성

단원 개념 정리 및 과학 글쓰기

- 27 -

교육 과정

⑺ 액체와 기체

㈎ 모양이 다른 그릇에 들어 있는 액체의 부피를 비교할 수 있는 방법을 안다.

㈏ 액체의 부피를 측정하고, 그 결과를 적절한 단위로 나타낼 수 있다.

㈐ 공기가 있음을 증거를 들어 설명할 수 있다.

㈑ 기체가 공간을 차지하며, 무게가 있음을 증거를 들어 설명할 수 있다.

[

㈎ 액체의 부피를 잴 수 있는 기구 고안하기

㈏ 공기가 공간을 차지하고 있음을 알아보는 실험하기

㈐ 기체가 무게가 있음을 알아보는 실험하기

단원의 개관

이 단원은 개정 교육과정의 3학년 2학기 ‘(1) 액체와 기체의 부피’에 해당하는 단원으로 3학 년 1학기의 ‘우리 생활과 물질’ 단원에서 학습한 것을 바탕으로 한다. 이 단원은 학생들에게 액 체의 부피 측정과 기체의 일반적인 성질을 이해하는 활동으로 구성되어 있다. 즉, 액체의 부피 를 정확하게 비교하는 방법을 통해 어림의 부정확성과 도구의 필요성을 느껴보도록 한 후, 눈 금 실린더를 이용한 부피 측정, 부피의 단위 도입, 일상생활에서 부피를 측정하는 경우 등을 알아보는 활동으로 구성되어 있다. 또한, 공기를 이용하여 기체도 공간을 차지하고 무게를 가 지고 있음을 알아보는 활동을 통해 기체도 물질임을 인식하도록 한다.

단원의 학습 계열

선수 학습 이 단원의 학습 후속 학습

“우리 생활과 물질(3-1)”

“액체와 기체의

부피” “모습을 바꾸는 물(4-1)” “여러 가지 기체(6-2)”

․물체와 물질

․다양하게 쓰이는 물질

․물질의 상태

․액체의 부피 측정

․부피와 무게를 가지는 기체

․우리 생활과 물

․물과 얼음(상태 변화 시 모습, 무게, 부피 비교)

․물과 수증기(상태 변화 시 모습, 부피 비교)

․기체에 가한 힘과 기체 부피의 관계

․온도에 따른 기체의 부피 변화

․산소와 이산화탄소 생성 방법 및 성질

․일생 상황에서의 기체 이용

- 28 -

단원의 학습 목표

1. 액체의 부피를 측정하고, 그 결과를 적절한 단위로 나타낸다.

2. 생활 주변에서 액체의 부피를 측정하는 경우를 조사한다.

3. 액체의 부피를 정확히 측정하려는 태도를 가진다.

4. 액체의 부피를 잴 수 있는 기구를 고안한다.

5. 기체가 공간을 차지하며, 무게가 있음을 증거를 들어 설명한다.

6. 기체를 이용한 생활도구에 호기심을 갖고, 이를 해결하려는 적극적인 태도를 가진다.

준 비 물(수량은 모둠 단위)

A4 1장 페트병 2개 100mL, 500mL, 1L 눈금실린더 각 1개 스포이트 1개 수조 1개 유리컵 1개 송곳 1개 풍선 4개 양면테이프 1개

전자저울 1개 은박지 접시 3개(지름 10cm 정도) 비닐장갑 1개 칼 1개 고무밴드 1개

단원지도계획

중단원명 차시 주제 학습 목표 교과서 쪽

(실험관찰 쪽) 지식 탐구 과정

1.

부피 측정액체의

1/10 액체의 부피

비교 ․부피의 개념을 설명할 수 있다.

․모양이 다른 그릇에 담긴 액체의 부피를 비교할 수 있다. 22～23

(6～7) 부피

관찰예상 자료해석측정

2,3/10

실린더로눈금 액체의 부피

측정

․눈금 실린더의 사용법을 알고, 바르게 사용할 수 있다.

․부피를 나타내는 단위를 알고, 읽을 수 있다.

․눈금 실린더로 액체의 부피를 측정하고, 그 결과를 적절한 단위로 나타낼 수 있다.

24～25 (8)

부피 눈금실린더

mLL

측정

4/10 실생활에서 액체의 부피

측정

․실생활에서 액체의 부피를 측정하는 경우를 설명할 수 있다.

․액체의 부피를 정확하게 측정할 때의 좋은 점을 말할 수 있다.

․실생활에서 액체의 부피를 정확히 측정하려는 태도를 갖는다.

26～27

(9) 부피 의사소통

5/10 나만의 부피 측정 기구

만들기

․재활용품을 이용하여 액체의 부피를 측정할 수 있는 기구를 만들 수 있다.

․만든 부피 측정 기구를 이용하여 액체의 부피를 측정할 수 있다.

․새로운 물건을 고안하려는 창의적인 사고를 갖는다.

28～29

(10～11) 부피 측정

과학

이야기 단위 사용의

편리성 ․생활 속의 과학 30～31

부피와2.

무게를 가지고있는 기체

6/10 컵 속의 종이배

․공기가 공기를 차지한다는 것을 실험을 통하여 알 수 있다.

․일상생활에서 나타나는 현상에 대하여 호기심을 갖고 해결하려는 태도를 갖는다.

․컵 속의 종이배가 어떻게 될지 자신의 예상을 확인하기 위해 적극적으로 실험을 수행하는 태도를 갖는다.

34～35

(12～14) 기체

공간차지 관찰 의사소통

7,8/10 기체가 차지하는가?공간을

․기체가 일정한 공간을 차지하고, 이동함을 설명할 수 있다.

․광고풍선의 모양이 변하는 이유를 기체의 성질과 관련하여 설명할 수 있다.

․모둠 활동에 적극 참여하여 협력하는 태도를 갖는다.

36～39 (15)

기체 공간차지이동

관찰추리

9/10 기체가 가지는가?무게를

․기체가 무게가 있음을 증거를 들어 설명할 수 있다.

․전자저울의 사용법을 알고, 바르게 사용할 수 있다.

․실험 기구를 소중히 다루는 태도를 갖는다.

40～41

(16) 기체

무게 측정

결론도출 과학

이야기

생활 속에 이용되는

진공 ․첨단 과학 42～43

마무리 10/10 되짚어보기/확인하기/과학글쓰기

- 29 -

액체의 부피 비교 액체의 부피 비교

1차시

예상하기: 모양이 다른 세 그릇에 이름표 (가), (나), (다)를 붙이고, 물을 각각 2/3 정도 담는다. 물의 부피를 어림하여 가장 크다고 생각하는 그릇부터 순서대로 놓고, 그렇게 생각한 이유를 말하여 봅시다.

어림한

부피 ( ) > ( ) > ( )

이유

- 30 -

관찰하기: 세 그릇에 담긴 물을 넓은 원통형 그릇과 좁은 원통형 그릇에 부은 다음, 물의 높 이를 표시하여 부피를 비교해 봅시다.

넓은 원통형 그릇과 좁은 원통형 그릇 중에서 어느 것이 액체의 부피를 비교하기에 더 적합한지 설명해봅시다.

- 31 -

눈금 실린더로 액체의 부피 측정 눈금 실린더로 액체의 부피 측정

2 ^- 3차시

아래의 눈금 실린더에 담긴 액체의 부피를 읽어 봅시다.

여러 가지 음료수 갑이나 병에 표시된 부피와 그 단위를 조사하여 봅시다. 그리고 눈금 실린더에 부어 음료수의 부피를 측정하여 봅시다.

음료수 이름 표시된 부피 측정한 부피

- 32 -

실생활에서의 액체의 부피 측정 실생활에서의 액체의 부피 측정

4차시

생활 주변에서 액체의 부피를 측정하는 경우를 조사하여 써 봅시다.

우리 생활에서 액체의 부피를 측정하는 경우와 측정 도구를 생각하여 보고, 부피를 정확하게 측정하였을 때의 좋은 점을 알아봅시다.

액체의 부피를 측정하는 경우 측정 도구 부피를 정확하게 측정하면 좋은 점

- 33 -

실험 활동

나만의 부피 측정 기구 만들기 나만의 부피 측정 기구 만들기

5차시

다음 준비물을 이용하여 1L 눈금 실린더를 만들어보자.

1.5L 페트병 2개 100mL 눈금실린더 1개 500mL 눈금실린더 1개 스포이트 1개

준비물

1. 눈금의 간격을 얼마로 할까?

2. 최대 측정 부피를 얼마로 할까?

3. 모양과 크기는 어떤 것이 좋을까?

4. 측정 기구에 무엇을 표시할까?

고려할 점

- 34 -

나만의 1L 눈금실린더와 1L 눈금실린더를 이용하여 측정한 액체의 부피를 비교해보자.

측정 횟수 나만의 1L 눈금실린더 1L 눈금실린더

1회

2회

내가 만든 부피 측정 기구를 이용하여 하루에 마시는 액체의 부피를 조사해 봅시다.

- 35 -

활동 정답

- 36 -

- 37 -

개념 해설

계량 단위

(1) 법정 계량 단위: 법정 계량 단위는 계량의 기준이 되는 단위이다. 법정 계량 단위는 기본 단위와 유도 단위, 보조 단위 및 특수 단위로 구분된다. 기본 단위는 국가표준기본법 제10 조에서 규정한 다음의 7개 단위이다.

※ 국제단위계(SI): 국제적으로 확립된 길이, 무게, 부피 등에 대한 단위 체계로 ‘m(미터; 길 이), ㎏(킬로그램; 질량), s(초; 시간), K(켈빈; 열역학적 온도), cd(칸델라; 광도), A(암페어;

전류), mol(몰; 물질량)’의 7개 단위를 기본으로 한다.

또, 기본 단위 등의 조합으로 이루어진 유도 단위 57개와 십진배수나 분수 등을 나타내는 보조 단위 31개 및 특수한 용도에 사용이 허용된 특수 단위 47개를 계량에 관한 법률에서 규정하고 있다.

(2) 비법정 계량 단위

비법정 계량 단위는 계량에 관한 법률에서 정하고 있는 법정 계량 단위 이외의 모든 단위를 말하며,

‘평, 돈, 근, 인치, 마’ 등이 이에 해당한다.

계량에 관한 법률에서 정하고 있 는 법정 계량 단위 이외의 단위 로 ‘자, 마, 리, 인치, 피트, 마일, 야드, 평, 마지기, 홉, 되, 말, 갈 론, 관, 근, 냥, 돈, 온스’ 등은 비 법정 계량 단위이다. 우리나라는 1961년 국제단위계(미터법이 현 대화된 것)를 ‘계량에 관한 법률’

에 의해 채택하고 비법정 계량 단위 사용을 금지하고 있다.

- 38 - 부피와 관련된 비법정 계량 단위

(1) 미국의 배럴 : bbl

‘배럴(bbl)’이라는 말의 기원은 나무로 만든 불룩한 중간형의 통으로, ‘계량에 관한 법률’에서는 국제 석유 거래에 한정하여 사용이 허용된 특수 단위이다. 석유의 경우 1배럴은 42미국갈론으 로 158.9L이다.

이 배럴은 1859년 미국 펜실베니아 주 도르크라는 사람이 처음으로 석유 유전의 기름 채굴에 성공해 55갈론 크기의 나무통에 채워 팔면서부터 사용되었다. 당시에는 수송 사정이 나빠서 55 갈론을 꽉 채워 보내도 중간에 기름이 새서 도착할 때는 42갈론쯤이 남았다고 한다. 이것이 유 래가 되어 자연스럽게 42갈론이 1배럴로 규정되었다.

또, 일상생활에서 액체의 양을 나타내는 단위로 ‘cc’ 를 사용하는 경우가 있다. cc는 cubic centimeter의 약자로 세제곱센티미터를 나타낸다.

(2) 영국의 갤런 : gal(UK)

갤런은 영국에서 사용하였던 액체의 부피를 나타내는 단위로 1 gal = 4.54609 L이다.

영국에는 옛날부터 ‘엘갤런’과 그보다 작은 부피인 ‘와인갤런’을 사용하였는데, 1824년 엘갤런 으로 통일하여 표기하였다. 그 당시 미국인은 ‘와인갤런’을 채택하여 사용하였는데, 아직까지도 두 나라 간 단위의 통일이 되지 않고 있다.

양자를 구별하기 위해 gal(US), gal(UK) 등으로 나타낸다. 1gal(US) ≒ 3.785 L 이다.

(3) 영국 뷔셀 : bushel(UK)

뷔셀은 영국에서 사용하였던 곡물용 부피를 나타내는 단위로 13세기 헨리 3세 때 술 8갤런의 체적으로 정의하였다. (1 bushel(UK) = 8 gal(UK))

(4) 우리나라 되, 홉, 작, 말, 섬

우리나라에서 전통적으로 사용되어 온 부피 단위로 되, 홉, 작, 말, 섬이 있다. 홉은 한 줌의 양 으로, 되의 10분의 1이며, 작〔勺〕의 10배이다. 1홉은 180.39 mL 이다. 되〔升〕는 두 손으로 움켜잡은 양으로 1.8039 L 이다. 이런 관습으로 식용유, 생수 등에는 반 되를 나타내는 0.9 L 나, 한 되를 의미하는 1.8 L 로 표기하여 판매되고 있다.

- 39 - 정확한 액체의 부피 측정

모양이 다른 그릇에 담긴 액체는 모두 같은 그릇에 부어서 각각의 높 이를 알아보면 쉽게 부피가 크고 작음을 비교해 볼 수 있습니다. 하지 만, 부피가 얼마인지, 다른 것에 비해 얼마나 큰지를 정확히 알 수는 없습니다.

액체의 부피를 정확하게 측정하기 위하여 눈금실린더를 사용합니다. 비 커도 대략적인 부피를 측정할 수 있지만, 눈금실린더는 비커보다 더 정 확하게 액체의 부피를 측정할 수 있습니다.

부피를 나타내는 단위에는 mL와 L가 있습니다. 1mL는 가로, 세로, 높이가 각각 1cm일 때의 부피입니다. 1L는 1000mL와 같습니다. 눈금실린더는 10mL용, 50mL용, 100mL용, 250mL, 500mL, 1L용 등 다양합니다. 따라서 측정하고자 하는 부피에 맞추어 적당한 것을 사용해야 합 니다.

이 눈금실린더로 측정할 수 있는 최대 부피와 단위가

표시되어 있습니다.

현재 물의 부피는 75mL입니다.

- 40 - 눈금 실린더의 사용법

❶ 눈금 실린더의 눈금 간격

•눈금 실린더의 간격이 1mL 간격이다.

•눈금 실린더의 간격이 2mL 간격이다. 등

❖ 유의점

•용량이 100mL인 눈금 실린더는 1mL 간격으로 눈금이 표시되어 있고, 용량이 200mL인 눈금 실린더는 2mL 간격으로 눈금이 표시되어 있다.

❷ 눈금 실린더 사용법 (1) 눈금 실린더를 준비한다.

•측정하고 싶은 용량보다 약간 더 큰 눈금 실린더를 선택한다.

•선택한 눈금 실린더의 한 눈금의 크기가 얼마인지를 확인한다.

(2) 액체를 눈금 실린더에 따른다.

•눈금 실린더를 약간 기울이고, 안쪽 벽면을 따라 액체가 흘러내리도록 붓는다.

(3) 눈금을 읽는다.

•눈의 높이는 수면의 오목한 밑부분과 수평이 되게 한 후 눈금을 읽는다.

❖ 유의점

•본래 눈금 실린더의 눈금을 읽을 때는 최소 눈금의 1/10까지 눈어림으로 읽는다. 하지만 초 등학교에서는 자연수 차원에서 읽도록 지도한다.

•액체의 눈금을 읽을 때는 수면의 오목한 밑부분과 눈높이가 수평이 되도록 유지한 후 읽도 록 지도한다.

- 41 -

왜 눈금 실린더에 물을 넣으면 아래로 오목한 형태로 담기나요?

눈금 실린더에 물을 부으면 수면이 아래로 오목한 모양을 나타내는데, 이 부분을 ‘메니스커스’라고 한다. 물질 사이에는 서로 당기는 힘이 있다. 서로 다른 물질 사이의 끌어당기는 힘을 ‘부착력’이라고 하고, 같은 물질 사이의 끌어당기는 힘을 ‘응집력’이라 한다. 이런 액체의 응집력, 유리관과 액체 사 이의 부착력의 차이 때문에 액면이 오목해지거나 볼록해진다.

물의 경우 눈금 실린더에서 아래로 오목해지는 것은 유리와 물 사이의 부

착력이 물 분자 사이의 응집력보다 크기 때문이다. 반면, 수은의 경우에는 위로 볼록한 모양을 나타낸다. 이는 유리와 수은 사이의 부착력보다 수은 분자 사이의 응집력이 더 크기 때문이다.

생활 속 액체의 부피 측정 사례

- 42 -

실험 활동

컵 안의 종이배 컵 안의 종이배

6차시

종이배를 물에 띄운 다음, 바닥에 구멍이 있는 컵과 구멍이 없는 컵으로 씌워 컵이 물에 잠기도록 누르려고 한다.

- 43 -

바닥에 구멍이 없는 컵 바닥에 구멍이 있는 컵

관찰 현상

예상하기: 각 컵에서 어떤 일이 일어날까? 그렇게 생각한 이유는? (글과 그림으로 표현하기) (컵 속 종이배와 물의 상태, 수조의 물의 높이 등 포함)

바닥에 구멍이 없는 컵 바닥에 구멍이 있는 컵

예측 현상

그 이유

관찰하기: 직접 컵을 누르면서 일어나는 현상을 관찰하고 기록해보자.

설명하기: 예상한 현상과 관찰한 현상이 일치하는가? 이런 현상이 나타난 이유와 이 현상을 통해 알 수 있는 사실을 적어보자.

- 44 -

실험 활동

기체가 공간을 차지하는가?

기체가 공간을 차지하는가?

8차시

- 45 -

?

적용하기

비닐장갑의 입구를 바닥 부분이 잘려진 페트병의 입구에 감싼 후 고 무줄로 고정시킨다. 이 페트병을 똑 바로 세운 후 물이 들어 있는 수조에 넣으면 어떤 일이 일어날까? 그렇게 생각한 이유는?

예상 현상

그 이유

풍선을 불었다가 바람을 뺀 후 페트병 안에 풍선을 넣고 페트병 입구를 풍선의 입 구로 덮어 씌운다. 페트병의 옆면에 송곳으 로 구멍을 뚫는다.

페트병의 뚫린 구멍을 손으로 막고 풍선을

불었을 때와 막지 않고 풍선을 불었을 때 각각 어떤 일이 일어날까? 그렇게 생각한 이유는?

구멍을 막았을 때 구멍을 막지 않았을 때

예측 현상

그 이유

- 46 -

실험 활동

기체가 무게를 가지는가?

기체가 무게를 가지는가?

9차시

관찰하기

1. 스티로폼 접시의 아랫부분에 양면테이프를 붙여서 전자저울에 고정시킨 후, 영점 조정을 한다.

※ 접시를 사용하는 것은 약간의 바람에도 풍선이 움직일 수 있기 때문임 2. 공기를 넣지 않은 풍선을 저울에 올려놓고 무게를 잰다.

3. 풍선에 공기를 넣은 후 전자저울에 올려놓고 무게를 잰다.

4. 풍선에 공기를 넣기 전과 넣은 후의 무게를 비교 한다.

(가) 공기를 넣지 않은 풍선(g) (나) 공기를 넣은 풍선(g) (가)와 (나) 비교

1회 ( ) > ( )

2회 ( ) > ( )

이 실험을 통해 알 수 있는 사실을 적어보자.

- 47 -

바닥에 구멍이 없는 컵 바닥에 구멍이 있는 컵

관찰 현상

ㆍ컵 속에 물이 들어가지 않는다.

ㆍ컵 속의 수면이 낮아진다.

ㆍ수조의 높이가 점점 높아진다.

ㆍ종이배는 점점 아래로 내려간다. 종이배는 컵의 바닥에 닿지 않고 돛 부분은 젖지 않는다.

ㆍ컵 속에 물이 들어간다.

ㆍ컵 속의 공기 양이 줄어든다.

ㆍ컵 속의 수면 위치에는 변화가 없다.

ㆍ수조의 높이에는 거의 변화가 없다.

ㆍ종이배의 위치는 변하지 않다가 컵이 잠기도록 누르면 종기배가 젖고, 종이배가 바닥에 닿는다.

활동 정답

6-8차시

예상하기: 학생들이 각자 나름대로 생각한 것들을 정리하여 활동지에 작성했는지 알아본다.

관찰하기

설명하기: 공기가 컵 속에서 공간을 차지하고 있기 때문이다. 이를 통해 공기와 같은 기체도 공간을 차지, 즉 부피가 있음을 알 수 있다.

- 48 - 적용하기

바닥이 잘린 페트병을 수조 속에 넣으면 페트병 속으로 물이 들어와 공기를 밀어낸다. 이 때 밀려난 공기는 비닐장갑 속을 채우게 되고, 비닐장갑은 찌그러져 있던 모습에서 탱탱한 모습으로 바뀌게 된다.

•페트병을 물속에 넣고 누르면 일회용 비닐장갑에 공기가 들어가 완전히 펴지고 팽팽해진다.

•페트병을 물속에 넣고 누르면 비닐장갑에 그려진 광고가 잘 보인다.

•물속에 잠긴 페트병을 물 위로 올리면 비닐장갑에서 공기가 빠져나와 쭈글쭈글해진다.

구멍을 막았을 때 구멍을 막지 않았을 때

예측 현상

그 이유

페트병을 풍선으로 씌운 후 풍선을 불 때를 생각해 보자. 페트병 안에는 이미 공기가 차 있다. 페트병의 구멍이 뚫렸을 경우에는 풍선을 불면 풍선이 커지면서 페트병 안에 들어 있던 공기가 빠져나가 공간이 생겨서 풍선이 더 커질 수가 있다. 반면, 페트병의 구멍을 막았을 경우에는 풍선을 불면 페트병 안에 공기가 가득 차 있기 때문에 풍선 이 커지지 않는다. 이처럼 자연계에 존재하는 모든 물질은 두 물질이 동시에 같은 공 간을 차지하지 못한다. 이를 ‘불가입성의 원리’라고 한다. 즉, 한 물질이 어느 공간을 차지하기 위해서는 다른 물질이 그 공간을 비워야 한다.

- 49 -

9차시

관찰하기: 약 0.2-0.3g 정도 차이 난다. (풍선 2-3g 정도임) 설명하기: 공기와 같은 기체도 무게가 있음을 알 수 있다.

※ 공기가 든 풍선(또는 비치볼)의 무게에서 공기를 넣지 않는 풍선(또는 비치볼)의 무게를 빼 서 공기를 무게를 측정하는 것은 과학적으로 옳은 방법이 아니다. 단지 ‘공기가 든 풍선의 무게가 공기를 넣지 않은 풍선의 무게보다 더 무겁다’는 것을 통해 공기가 많이 있으면 무 거워진다는 정도로만 지도하는 것이 바람직하다.

- 50 -

개념 해설

공기도 물질인가?

철학적인 개념으로는 인간의 정신에 대하여 그 의식 바깥에 존재하는 것을 물질이라 하지 만, 과학적 개념으로는 자연계의 한 요소로서 일정한 부피와 질량을 갖는 소재를 물질이라고 한다. 물질을 이루는 작은 입자의 하나인 전자는 우리가 사용하는 보통 저울로는 측정할 수 없 는 매우 작은 질량(9.109×10^－28g)을 가지지만, 물질을 이루는 다른 구성 입자들은 대부분 질량 이 있다. 이렇게 질량을 가진 입자들로 구성된 물질들은 당연히 질량을 가진다. 물질은 또한 부피를 갖고 있어서 서로 다른 두 물질은 같은 공간을 차지할 수 없다.

공기는 눈에 보이지 않지만 컵을 거꾸로 물 속에 넣으면 컵 안으로 물이 들어가지 못하는 것으로 보아 공기라는 물질이 컵 안에 공간을 차 지하면서 존재한다는 것을 입증할 수 있다. 또한 공기는 그 질량이 매우 작기는 하지만 질량을 가지고 있기 때문에 물질이라 할 수 있다. 가로 1m, 세로 1m, 높이 1m인 상자 안에 들어 있는 공기의 무게는 약 1.2kg 정도 됩니다. 우리가 공부하는 교실(대략 가로 9.0m, 세로 7.5m, 높이 2.5-3m) 안의 무게는 200kg이 넘습니다.

공기는 고대로부터 물질을 이루는 기본적인 요소 중 하나로 간주되 기도 했지만, 실제로는 한 가지 물질이 아니라, 여러 가지 물질로 이 루어진 혼합물이다. 즉, 질소가 78%, 산소가 21%, 그리고 그 밖의 기 체가 약 1%를 차지하고 있다.

여기에서는 공기도 부피와 무게(질량)가 있음을 확인하는 활동을 통하여 공기도 물질이라는 것을 이해하도록 지도해야 된다.

▶ 공기의 무게는 얼마나 되나요?

공기는 하늘 높이까지 존재한다. 실제로 사람들의 양어깨를 누르 는 공기의 무게는 8000kg 정도 되는데, 이 무게는 코끼리 두 마리 의 몸무게를 합친 무게와 비슷하다.

신문지의 가운데를 테이프를 이용하여 실을 붙인 후 빠르게 실을 당기면 실은 끊어진다. 바로 신문지 위에서 공기가 누르고 있기 때 문이다. 공기는 1cm2 약 1kg의 힘으로 누르고 있다. 만약 가로가 40cm, 세로가 65cm 되는 어린이 신문을 놓고 계산해 보면 약 2600kg의 공기가 신문지 위에서 누르고 있다는 계산이 나온다.

- 51 -

▶ 공기가 무게를 가지고 있기 때문에 나타나는 현상에는 무엇이 있나요?

지구를 둘러싸고 있는 공기를 ‘대기’라고 한다. 공기는 무게를 가지고 있기 때문에 아래로 누르는 힘이 발생한다. 이를 ‘대기 압력’이라 하고, 줄여서 ‘대기압’ 혹은 ‘기압’이라고 한다. 대 기압을 처음으로 밝혀낸 사람은 토리첼리이고, 기압을 나타내는 단위는 hPa(헥토파스칼)이다.

지표면 근처에서 고도가 증가할수록 기압은 점점 작아지는데, 100m 높아질 때마다 11.7hPa 의 비율로 기압이 줄어든다. 또한, 1500~3000m 높이는 매우 낮은 기압이기 때문에 인간은 이 러한 저압 상태에 적응하지 못하여 고산병이 유발되기도 한다.

▶ 실제 공기의 무게는 어떻게 계산하나요?

공기의 무게를 알아보는 방법은 여러 가지이다. 첫 번째, 공기의 조성을 이용하여 공기의 무 게를 계산하는 방법이다. 공기의 조성은 질소 78.08%, 산소 20.95%, 아르곤 0.93%, 이산화탄소 0.03%, 기타 네온, 헬륨, 크립톤 등의 비활성기체와 메탄, 수소, 오존 등의 기체가 0.01%로 되 어 있다. 또한, 원자마다 질량이 모두 다른데, 1몰(0℃, 1기압, 22.4L)을 기준으로 질소는 약 14g, 산소는 약 16g, 아르곤은 약 40g, 탄소는 약 12g, 수소는 약 1g 을 갖는다.

이것을 이용하여 공기의 무게를 계산하면,

0.7808 × 14 ×2 (N₂) + 0.2095 × 16 × 2 (O₂) + 0.0093 × 40 (Ar) + 0.0003 × 44 (CO₂)

≒ 28.95g이 된다.

따라서 0℃, 1기압, 1L 안의 공기의 질량은 28.95g / 22.4L ≒ 1.29g/L가 된다. 즉, 건조한 공 기는 0℃, 1기압에서 1m3의 부피에 1.29kg의 무게를 가진다. 또, 공기의 무게는 온도와 기압에 따라 변하는데, 1기압, 10℃에서는 1.25kg, 20℃에서는 1.2kg, 25℃에서는 1.19kg이다.

두 번째, 무게를 직접 측정하는 방법이다. 물속에서 물의 무게를 재는 것이 불가능한 것처럼 공기 속에서 공기의 무게를 측정하는 것은 불가능하다. 이는 유체 속에서 물체의 부피가 갖는 부력 때문이다.

따라서 부력의 영향을 제거하기 위하여 부피가 변하지 않는 용기에 공기를 계속 주입하여 변화된 무게를 측정하였다. 이를 ‘압입법 또는 가압법’이라고 한다. 이 방법을 이용하면 주입한 공기의 부피도 쉽게 알아낼 수 있는데, 이때 수상 치환법을 이용한다. 즉, 공기가 주입된 용기 에서 공기를 빼내어 물속에서 눈금 실린더로 공기를 포집하면 주입된 공기의 부피를 알아낼 수 있다.

용기에 들어 있는 공기를 모두 제거하여 공기가 들어 있을 때와 무게를 비교하는 방법이 있 다. 이것은 ‘감압법’이라고 할 수 있는데, 진공 펌프를 이용하면 된다.

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2.32g 2.36g 2.44g 2.55g 이 실험을 할 때, 비치볼을 이용하면 더 쉽지 않을까?

풍선은 무게가 2g 정도 밖에 되지 않기 때문에 작은 바람에도 잘 움직여 실험하기 어려운 점이 있다. 그래서 비치볼을 사용하면 편리할 것 같으나 학생들에게 오개념을 심어줄 수도 있 기 때문에 사용에 신중을 기해야 한다. 풍선에 공기를 넣으면 풍선의 크기에 상관없이 풍선 안 과 밖의 기압차가 발생한다. 풍선 안쪽은 바깥쪽보다 항상 공기의 밀도가 높기 때문에 바깥쪽 보다 높은 기압이 발생하게 된다.

얼핏 생각하면 풍선 대신 비치볼로 사용할 경우 같을 것 같지만 약간 다르다. 비치볼은 공 기를 가득 넣어 완전히 펼쳐지기 전까지 비치볼 안 쪽과 바깥 쪽 공기의 밀도가 같으며, 기압 의 변화는 없으므로 무게의 변화도 없다. 왜냐하면 비치볼 위쪽에도 똑같은 밀도로 공기가 존 재하기 때문이다. 즉, 비치볼에서 공기를 빼고 저울에 올려놓았지만, 저울 위에는 비치볼 뿐 아 니라 공기도 올려져 있기 때문에 비치볼만의 무게를 잴 수 없다. 또한 비치볼에 공기를 얼마나 많이 넣어 주느냐에 따라 즉, 비치볼 내의 공기의 압력에 따라 공기가 든 비치볼의 무게가 달 라진다. 비치볼에 공기를 더 넣을수록 비치볼 내의 공기 밀도가 증가하여 공기가 든 비치볼의 무게는 증가한다. 따라서 비치볼로 실험할 때는 공기를 가득 넣어 비치볼이 탱탱해지도록 한 후에 무게를 재도록 한다.

결과적으로 이 실험은 공기의 무게가 얼마인지를 알아보는 활동이 아니라 공기가 무게를 가 짐을 알아보는 활동으로 진행되어야 한다. 즉, 공기가 든 풍선(또는 비치볼)의 무게에서 공기를 넣지 않는 풍선(또는 비치볼)의 무게를 빼서 공기 무게를 측정하는 것은 과학적으로 옳은 방법 이 아니다. 단지 ‘공기가 든 풍선의 무게가 공기를 넣지 않은 풍선의 무게보다 더 무겁다’는 것 을 통해 공기가 많이 있으면 무거워진다는 정도로만 지도하는 것이 바람직하다.

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기체가 물질임을 확인할 수 있는 일상생활에서의 예

단원 개념 정리 및 과학 글쓰기

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