'중1과학/4단원(기체의 성질)'에 해당되는 글 3건

  1. 2020.10.04 샤를의 법칙 가상실험
  2. 2020.10.04 보일의 법칙 가상실험
  3. 2020.05.10 브라운 운동 관찰
2020. 10. 4. 17:45

아래 링크에서 샤를의 법칙 가상실험을 해 볼 수 있어

sciencej1.cafe24.com/html5/charleslaw/charleslaw.html

 

샤를의 법칙도 보일의 법칙과 비슷하게 이해하면 되

원리는 하나지, 부피는 언제까지 팽창하냐고? 주사기의 내부 압력과 외부 압력이 같아질 때 까지

 

  온도가 올라가면 주사기 안에 입자의 운동이 빨라지거든. 입자의 운동이 빨라지면 당연히 주사기 피스톤에 충돌하는 횟수가 늘어나면서 내부 압력이 증가하게 되지. 물론 충돌하는 속력도 증가한단다.

 

  그러면 주사기 내부 부피가 증가하게 되. 언제까지 증가하냐고? 당연히 외부압력과 같아질때 까지 증가하게 되지

내부 압력이 커지면 주사기 피스톤이 밀려 올라가게 되고, 그럼 거리가 점점 멀어지면서 주사기 내부 입자들의 충돌횟수는 점점 줄어들게 되지. 그럼 내부 압력도 점점 작아지게 되겠지. 그러다가 내부압력과 외부 압력이 같아지는 지점에서 주사기 피스톤은 밀려올라가는 것을 멈추게 되는 거야.

 

  그런데 이걸 모르는 사람이 있을까? 유치원생도 알고 있을 걸. 온도가 올라가면 부피가 커진다는 것을? 그런데 뭐가 대단하다고 샤를의 법칙이라고 부를까?

  그 이유는 샤를이 실험을 통해서 모든 기체는 온도가 올라가면 단순히 그냥 증가하는게 아니라, 온도와 비례해서 증가한다는 것을 알아냈기 때문이야

 

재미있지 않니? 어떤 기체를 가지고 실험하든, 온도가 올라가면 일정한 비율로 비례해서 부피가 증가한다는 것이

 

동영상도 잠깐 보면서 생각해 봐

 

 

 

이걸 샤를이라는 과학자가 알아 냈지

 

그리고 공식을 만든거야. 비례그래프를 자세히 보면 시작점이 -273 도가 된다는 걸 알 수 있지. 이 온도를 절대온도 0K 라고 해. 정확히 말하면 기체의 부피는 절대온도와 비례한다고 해야 맞아.

조금 어려운 이야기지만 절대온도 0도가 되면 기체의 부피는 0이 된다는 걸 알 수 있지. 그런데 어떤 물질의 부피가 0이 될 수 있을까? 그건 불가능해. 그럼 이걸 어떻게 해석해야 할까?

믿기지 않겠지만, 우리가 아무리 온도를 내려도 절대온도 0도 까지 내릴 수 없어. 무한히 가까워 질 수는 있겠지만, 절대온도 0도는 도달할 수 없는 온도야. 신기하지. 세상에 우리가 도달할 수 없는 온도가 있다니... ^^

 

위 가상실험을 통해 실험해 보도록 해.

이것 저것 실험해 보면서 샤를 처럼 규칙을 직접 찾아 보면 어떨까?

 

참 주의할 점은 주사기가 언제까지 팽창하냐고 물으면 안쪽 충돌횟수와 바깥쪽 충돌횟수가 같아질때 까지라고 말하면 안되. 안쪽과 바깥쪽의 압력이 같아질때 까지라고 말해야 해. 왜 그런지 알겠니, 충돌횟수는 같지 않아.

주사기 안쪽 입자의 운동속력이 더 빠르기 때문에 압력이 같아 지려면 속력이 느린 바깥쪽 충돌횟수가 속력이 빠른 안쪽보다 더 많아야 할거야.

 

한가지 더! 가상실험을 할 때, 왼쪽에 주사기 피스톤을 확대해 놓은 초록색 피스톤을 마우스를 이용하여 이동시킬 수 있다는 거 아니? 실제 실험 처럼 한번 초록색 피스톤을 강제로 이동시키고, 부피고 어떻게 변하는지 관찰해 보는 것도 재미있는 실험이 될거야.

 

중요한 건 언제 피스톤이 멈추냐는 거지, 정답은 안쪽과 바깥쪽의 압력이 같아질 때 까지야. 한번 실험해 보면서 이해해 봐.

 

보일의 법칙 가상실험은 아래 링크에서 할 수 있어

sciencelovestudy.tistory.com/28

 

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Posted by 민서아빠(과학사랑)

댓글을 달아 주세요

2020. 10. 4. 12:28

아래 링크에서 보일의 법칙 가상실험을 해 볼 수 있어

sciencej1.cafe24.com/html5/boyleslaw/boyleslaw.html

 

주사기 끝을 막고 피스톤을 누르면 어느정도 눌리다가 더 이상 눌리지 않는 이유는 눈에 안보이는 입자(기체분자)들이 끊임없이 운동하고 있기 때문이야. 입자들이 주사기 피스톤과 충돌하게 되면 안쪽에 압력이 생기게 되기 때문이지

 

이 압력이 바깥쪽에서 누르는 압력과 같아질 때 주사기 피스톤은 멈추게 되고, 주사기 안에 공간이 생기게 되는 거야

 

외부에서 누르는 압력이 더 커지면 당연히 주사기 안쪽 부피는 줄어 들겠지. 그런데 계속해서 줄어 들까?

그렇지는 않아.

주사기 내부 부피가 줄어들면 들수록 피스톤 천장에 충돌하는 입자의 횟수가 늘어나면서 내부 압력이 커지게 되거든

그래서 주사기 안쪽과 바깥쪽의 압력이 같아지는 곳에서 결국 멈추게 되지

 

동영상도 잠깐 보면서 비교해 봐

 

 

이걸 보일이라는 과학자가 실험을 통해 증명했어

 

외부 압력이 2배가 되면 내부 압력도 2배가 될때 까지 부피가 줄어들게 되는데, 그 부피가 딱 1/2이 되는 순간 내부 압력도 2배로 된다는 걸 알아낸 거야.

그래서 외부 압력이 4배가 되면 부피가 1/4로 줄어 들어. 왜 1/4이냐 하면 그래야 내부 압력도 4배가 되거든

위 가상실험에서 입자들이 위 아래로만 운동한다고 가정하고 관찰해 보면 부피가 1/2로 줄어들면 충돌횟수가 2배가 된다는 걸 알 수 있을 거야.

 

보일의 법칙이란 결국 외부 압력이 커지는 만큼 부피는 반비례 해서 줄어든 다는 거지

 

위 가상실험을 통해 실험해 보도록 해.

이것 저것 실험해 보면서 보일 처럼 규칙을 찾아 보면 어떨까?

 

입자 모형을 우리가 교실에서 뛰어 다니는 사람모형으로 바꿔서 생각해 보면 재미있어

옆반과 우리반 사이에 있는 칠판은 학생들이 한번 충돌할 때 마다 조금씩 뒤로 밀린다고 가정해 보자.

옆반학생들이 앞뒤로 뛰어다니면서 칠판과 충돌하면 칠판은 우리 교실쪽으로 점점 밀려 올거야. 주사기 피스톤 처럼. 그러면 계속 우리 교실쪽으로 밀려 들어올까?

그렇지는 않지. 왜냐하면 우리반 학생들도 교실 앞뒤로 뛰어 다니면서 칠판과 충돌할 테니까. 결국 옆반이 충돌하는 횟수와 우리반이 충돌하는 횟수가 같아질 때 쯤 칠판이 멈추게 되겠지.

그런데 옆반 아이들이 다른반 아이들을 데리고 와서 2배로 민다고 가정하면, 칠판은 우리 교실 쪽으로 점점 밀려 오겠지.

그럼 우리 교실의 앞뒤로 뛰어 다니는 학생들이 칠판에 충돌하는 횟수도 점점 늘어날거야. 왜냐하면 교실의 칠판과 뒤쪽 거리가 짧아 지니까.

 우리반 친구들 숫자가 늘어나지 않았지만, 칠판에 처음보다 2배로 충돌하게 될 때쯤 그럼 칠판은 멈추게 될 거야

언제 처음보다 2배로 충돌하게 될까? 그렇지 교실의 부피가 1/2로 줄어 든다면 똑같은 속력으로 뛰어 다녀도 아까 보다 칠판에 충돌하는 횟수가 2배가 될 거야.

즉 외부 압력이 2배가 되면 교실의 부피가 1/2로 줄게 되고, 그때 내부 압력도 2배가 된다는 걸 알 수 있어

 

입자는 한방향으로만 움직이지 않아, 위 가상실험에서 실제입자모형으로 바꿔서 관찰해 보는 것도 재미있을 거야.

 

한가지 더! 가상실험을 할 때, 왼쪽에 주사기 피스톤을 확대해 놓은 초록색 피스톤을 마우스를 이용하여 이동시킬 수 있다는 거 아니? 실제 실험 처럼 한번 초록색 피스톤을 강제로 이동시키고, 부피고 어떻게 변하는지 관찰해 보는 것도 재미있는 실험이 될거야.

 

중요한 건 언제 피스톤이 멈추냐는 거지, 정답은 안쪽과 바깥쪽의 압력이 같아질 때 까지야. 한번 실험해 보면서 이해해 봐.

 

 

샤를의 법칙도 비슷해. 샤를의 법칙 가상실험은 아래 링크에서 할 수 있어

sciencelovestudy.tistory.com/29

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Posted by 민서아빠(과학사랑)

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2020. 5. 10. 08:09

가상실험 - 직접 접속해서 조작해 볼 수 있어. 이미 하다가 왔겠지?

http://sciencej1.cafe24.com/html5/brownmotion/brown.html

 

그럼 아래 설명을 읽어 보면서 활동해 보자.

-------------

 

브라운 운동(Brownian motion)은 1827년 스코틀랜드 식물학자 로버트 브라운(Robert Brown)이 발견한, 액체나 기체 속에서 꽃가루와 같은 작은입자들이 불규칙하게 운동하는 현상이다.

처음에는 이유를 알지 못해 여러가지 학설들이 있었으나 나중에 연구들을 통해 주위에 있는 액체분자에 의한 충돌 때문에 브라운 운동을 하게 된다는 것을 알게 되었다.

 

물위에 떠있는 꽃가루를 현미경으로 관찰해 보면, 살아있는 생명체 처럼 무작위로 움직이는 것을 볼 수 있다. 이는 주변에 있는 물입자들이 끊임 없이 운동하기 때문이다. 그런데 우리는 물 입자를 볼 수 없기 때문에 꽃가루가 움직이는 것만 볼 수 있다. 이런 현상을 브라운 운동이라 하는데 이는 모든 입자(분자)가 끊임없이 운동한다는 증거가 된다.


가상실험에서 빨간색 원은 먼지입자(또는 꽃가루)라고 가정하고
하얀색 원은 공기를 포함한 기체 분자(또는 액체입자) 라고 가정해 보자.

1. 그리고 운동시작 버튼을 누르면 빨간색 원이 움직이는 것을 확인할 수 있다.

 

2. 빨간색 원이 혼자 움직이는 것 처럼 보인다.

(실제 분자는 눈에 보이지 않는다. 브라운도 주변 분자는 볼 수 없었지만, 비교적 큰 빨간색 분자가 움직이는 것을 보고 주변에 눈에 보이지 않는 작은 입자(분자)들이 끊임 없이 운동하고 있다는 것을 알아낸 것이다.)

입자 보이기를 눌러 주변 입자 때문에 움직이고 있다는 것을 확인해 보자.

3. 우측에 온도를 상승시키거나 하강시켜 가면서 브라운 운동을 관찰해 보자. 어떤 변화가 있는가?

왜 온도가 높아지면 빨간색 원의 운동이 활발해 지는가?

(입자가 운동하는게 맞다면 온도가 높아질수록 분자 운동이 활발해 지니까 속도가 빨라질 것이다.)

 

4. 흔적표시를 눌러 빨간색 원이 지나간 흔적을 관찰하거나 삭제할 수 있다.

   소리표시에 체크하면 충돌하는 소리를 들을 수 있다.

 

<추가질문>

1. 주변입자가 없어진다면 어떤일이 생길까?

 

2. 만약 빨간색 원의 크기가 엄청나게 커진다면 어떻게 될까?

(거의 움직임을 관찰할 수 없다. 그래서 우리는 현미경을 이용하지 않고는 일상생활에서 브라운 운동을 관찰하기가 쉽지 않은 것이다.)

 

 

 

 

 

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Posted by 민서아빠(과학사랑)

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