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중학생 필수 과학 상식 모음
■■■■■■■■■ 차 례 ■■■■■■■■■■ 2. 수명이 다한 인공위성이나 못쓰게된 인공위성은 어떻게 될까? 3. 물체의 무게는 지표면과, 지각 속에 깊은 구멍 중 어느 곳에서 더 무거울까? 5. 연필이 종이에는 잘 써지는데 유리판에는 잘 써지지 않는 이유는? 7. 감전은 왜 일어날까? - 전깃줄에 앉은 참새가 감전되지 않는 이유 12. 베르누이란? (어떻게 큰 비행기가 하늘을 날 수 있을까요?) 14. LPG, LNG 가스가 누출되었을 때 환기를 어떻게 해야 하나요? 16. 왜 전자레인지 속에는 은박지로 음식을 싸서 넣으면 안 될까요? 18. 압력솥에 밥을 하면 빨리 되는 이유는 무엇일까? 30. 고서적이나 고문서가 요즈음 것보다 더 오래가는 이유는? 31. 지구가 돈다면 높이 뛰었다 내려와도 왜 다른 곳에 떨어지지 않을까? 37. 폼페이의 유적이 거의 원래의 모습 그대로 남아 있었던 까닭은? 39. 보온병이나 보온 도시락이 열을 보존할 수 있는 이유는? 41. 바다를 항해하는 선박들에 알파벳 R과 Y를 뜻하는 깃발이 함께 걸리는 경우가 있는데, 무슨 뜻일까? 42. 유럽에 지중해가 있다. 지중해는 저 옛날에 무엇이었을까? 43. 모세와 유대인들은 어떻게 걸어서 홍해를 건널 수 있었을까? 44. 지구의 위성은 달 하나뿐이다. 그런데 목성형 행성들은 어떻게 많은 위성을 거느리고 있는 것일까? 45. 우주 비행사들은 우주 공간에서 어떻게 화장실을 이용할까? 48. 남극과 북극의 빙하가 녹는다면 바다 수면은 얼마나 높아질까? 55. 수명이 다한 인공위성이나 못쓰게 된 인공위성은 어떻게 될까? 85. 카세트테이프에 녹음된 자신의 목소리가 너무나 어색해 다른 사람처럼 들리는 이유는? 87. 전 세계 사람들이 가장 많이 가지고 있는 혈액형은? 131. 조제약은 '식전 30분' '식후 30분' 등으로 복용하는 시간을 정해주는데 그 이유는 무엇입니까? 132. 속담 속의 과학 - 낮말은 새가 듣고 밤말은 쥐가 듣는다. 136. 식물은 뼈가 없어도 어떻게 몸을 지탱할 수 있을까?
1. 골프 공은 왜 곰보일까?
20세기에 들어와 골프공의 표면을 옴푹 옴푹 파이게 함으로써 골프경기에 혁명이 일어났습니다. 표면이 매끈할 때 65m밖에 못 날아가던 것이 275m까지 날게 된 것입니다. 15세기에 골프가 처음 시작될 때에는 속에 깃털을 넣은 매끈한 가죽공이 사용되었습니다. 그런데 공이 클럽에 맞아 옴푹 옴푹 자국이 난 뒤에 훨씬 멀리 간다는 사실이 드러났습니다. 그래서 골프 공 제조업자들은 홈이 파인 공을 만들기 시작했습니다. 홈이 파이면 공이 멀리 날아가는 이유는 무엇일까요? 공이 날아갈 때에는 얇은 공기 층이 앞쪽 표면에 달라붙습니다. 공을 지나가면서 그 공기 층은 표면에서 떨어져나가 위쪽에 소용돌이치는 무늬를 이루게 됩니다. 소용돌이 하는 공기로 인해 공의 속도는 느려지는데 곰보 모양이 있는 경우에는 공기가 공 표면에 찰싹 달라붙고 떨어져 나갈 때도 아주 가느다란 공기 흐름이 생기기 때문에 공의 속도가 많이 느려지지 않습니다. 또 골프 공은 칠 때 반드시 위로 스핀이 걸리기 때문에 공기를 공 위쪽으로 감아 올리고 그 공기는 회전으로 인해 공 아래쪽으로 가는 공기보다 빨리 움직입니다. 그러면 아래쪽보다 위쪽의 압력이 낮아 오랫동안 하늘에 떠 있게 된답니다.
☞ 보고 또 보고 ▶양력 : 액체나 기체와 같은 유체 속에서 비행기 등의 물체가 운동할 때, 운동 방향에 대하여 직각으로 작용하는 힘. 예를 들면 비행기 날개의 단면은 윗면이 볼록하기 때문에 비행기가 전진할 때 날개의 아래 면을 흐르는 공기의 속도는 윗면을 흐르는 공기의 속도보다 느리다. 공기의 흐름이 빠른 부분의 압력은 흐름이 느린 부분의 압력보다 작기 때문에 날개윗면의 압력은 작고, 아래 면의 압력은 커지게 된다. 이 압력의 차이로 날개에는 그 진행 방향에 수직으로 날개를 밀어 올리는 힘(양력)이 작용하여 비행기가 공중에 뜨게된다.
▶교과서 관련 단원 : 중 1, Ⅳ.힘과 운동 ▶들려주는 시기 : 물체의 운동을 배우면서
2. 수명이 다한 인공위성이나 못쓰게된 인공위성은 어떻게 될까?
1957년 10월 소련은 최초로 인공위성을 쏘아 올렸습니다. 스푸트니크 1호이지요. 스푸트니크 1호는 96.2분만에 지구를 한 바퀴 돌았답니다. 그리고 같은 해 2호도 우주로 날아갔습니다. 이 인공위성에는 최초로 생명체가 타고 있었지요. 바로 라이카라는 개입니다. 이때 이후 소련과 미국, 독일, 일본, 그리고 중국 등 수많은 나라들이 인공위성을 쏘아 올렸습니다. 우리 나라도 이 대열에 가담했지요. 그래서 지금은 수천 개의 인공위성이 지구궤도를 돌고 있답니다. 그렇다면 1957년 이후 해마다 우주 공간으로 올라간 인공위성들은 모두 어떻게 되었을까요? 지금도 변함없이 돌고 있을까요? 수명이 다하거나 고장이 난 인공위성은 자동으로 폭발하게 되어 있지는 않을까요? 여러 가지 궁금증이 생길 수 있습니다. '라이카는 다시 지구로 돌아왔을까?' 라이카는 역사에 이름을 남겼지만 결코 다시 돌아오지 못했습니다. 지금쯤은 우주의 먼지로 변해 어느 행성에 내려앉았거나 아니면 학교 창 밖으로 날아가는 먼지 속에 섞여 있는지도 모르죠. 지금까지 쏘아 올린 인공위성 중 제 역할을 하고 있는 것은 주로 최근에 쏘아 올린 인공위성이라고 말하고 있습니다. 비율로 따지면 약 25% 가량밖에 안 된답니다. 그리고 나머지는 빠른 속도로 지구 궤도를 돌고 있습니다. 돌다가 때로는 조각조각 부서져 파편으로 돌기도 하지요. 인공위성이 도는 궤도를 조사한 과학자에 따르면 몇 천 개의 고장난 위성과 몇 만개의 파편들이 궤도를 돌고 있습니다. 미래의 우주 여행 중에는 그 동안 쏘아 올렸던 인공위성과 우주 탐사선의 잔해들도 우주여행의 방해꾼으로 나타나진 않을까요?
☞ 보고 또 보고 ▶인공위성 : 과학 연구, 기상 관측, 지구 관측, 전파 중계, 군사 목적 등을 위해 지구나 행성 또는 그 위성의 주위를 도는 궤도에 쏘아 올린 사람이 만든 물체. 지금까지 성공한 것으로는 지구주위를 돌고 있는 인공 위성과 달 착륙을 위해 달 주위를 돌던 인공 위성 등이 있다. 지구 주위로 물체를 매우 빠른 속도로 회전시켜서 그 물체의 원심력이 지구의 인력과 평형을 이루게 하면, 그 물체는 무중량 상태가 되어 외부에서 아무런 작용을 가하지 않아도 지상으로 떨어지지 않는다. 인공위성은 그 원리를 이용한 것이다. 대기권 밖에서는 공기의 저항이 없으므로 위성의 속도가 감소하거나 마찰에 의한 열로 타버리지 않으며, 관성의 법칙에 따라 장기간 지구 주위를 계속 돌게 된다. 지구의 인공 위성의 속도는 매초 8∼9km로 이는 지구로부터의 거리에 따라 약간 다르다. 1957년 10월 4일에 소련이 최초의 인공 위성 스푸트니크 1호를 쏘아 올린 이래 현재 세계 각국에서 쏘아 올린 수천 개의 인공 위성이 궤도 위를 비행하고 있다. 인공 위성에는 우주 여행을 목적으로 사람이 탈 수 있는 캡슐을 갖춘 것, 지구의 자전 속도와 같은 속도로 회전하여 항상 그 자리에 있는 것처럼 보이는 정지 위성 등이 있다. 정지 위성에도 대륙간의 텔레비전 전파나 국제 무선 전화를 중계하기 위한 통신 위성, 지구 상공의 구름의 움직임이나 태풍 등을 관측하여 사진을 찍어 지구에 보내는 기상 위성, 다른 나라의 군사시설을 촬영하기 위한 군사 위성 등이 있다.
▶교과서 관련 단원 : 중 1, Ⅳ.힘과 운동 ▶들려주는 시기 : 물체의 운동에 대해 배우면서
3. 물체의 무게는 지표면과, 지각 속에 깊은 구멍을 파고 그곳에 물체를 놓았을 때, 어느 곳에서 더 무거울까?
지구에 깊은 구멍을 파고 들어간 곳과 지표면에서 같은 물체의 무게를 측정하면 어떤 결과가 나올까요? 옳은 답은 '지표면에서 측정한 무게가 더 무겁다' 입니다. 왜 그럴까요? 우리는 물체의 무게라는 것을 '물체를 지구가 끌어당기는 힘(중력)의 크기이며 지구에 가까울수록 중력의 크기는 크다' 라고 알고 있습니다. 단순히 이와 같은 지식에 의하면 지구 중심에 조금이라도 더 가까운 곳에서 측정한 무게가 무거워야 되겠지요. 그러나 이와 같은 생각은 중력에 대한 개념을 정확히 알지 못하는데서 비롯된 것이라 할 수 있겠습니다. 만유인력의 법칙에 의하면 중력은 지구만이 가지고 있는 것이 아닙니다. 질량을 가지고 있는 물체라면 아주 자그마한 돌멩이라도 일정한 크기의 중력을 가지고 있지요. 따라서, 지구 내부로 들어가면 물체의 주위에 있는 질량이 그 물체를 같은 힘으로 모든 방향에서 잡아당기기 때문에 무게는 증가하지 않고 오히려 감소합니다. 결국 지구 중심에 도달하면 물체는 완전히 무게를 상실하고 무중력 상태가 되는 것입니다. 이런 이유에서 물체는 지구 표면에서 가장 무거우며 지구 표면으로부터 내부로 그 위치를 옮김에 따라 무게가 감소합니다. 단, 이것은 지구 내부의 밀도가 균일하다고 가정할 때의 추리입니다.
☞ 보고 또 보고 ▶만유인력의 법칙 : 지구가 물체를 끌어당기는 힘은 그 물체가 지구 표면으로부터 멀어질수록 감소한다. 만약 우리가 1Kg의 물체를 6,400Km로 들어 올렸다면 지구의 중심으로부터의 거리가 두 배로 되며 이 물체가 받는 인력은 1/4로 작아진다. 만유인력의 법칙에 의하면 지구의 전 질량이 지구 중심에 집중되어 있다고 가정할 때, 지구 주위에 있는 물체를 끌어당기는 인력은 물체와 지구 중심간의 거리의 제곱에 반비례하고 물체의 질량과 지구질량의 곱에 비례한다. 즉, 모든 물체와 물체 사이에는 두 물체 사이 거리의 제곱에 반비례하고, 두 물체 질량의 곱에 비례하는 힘이 작용한다.
▶관련단원 : 중 1, Ⅵ.힘과 운동 - 중력
4. 전기의자의 발명자는 누구일까?
사형을 금지하는 나라가 점점 늘어나는 추세입니다. 우리 나라에서도 얼마 전 사형폐지론과 존속론이 맞서 논쟁을 벌인 적이 있었지요. 하지만 아직도 사형제도가 있는 나라가 많습니다. 예로부터 사형방법에는 교수형과 총살형이 일반적이었지요. 그런데 사형방법으로 전기 의자를 사용한 것은 미국이 최초입니다. 그리고 가장 많이 사용한 곳도 미국이었지요. 전기의자가 미국에서 발명되었기 때문입니다. 시간이 흐르면서 미국에서도 많은 주에서 전기의자로 사형시키는 방법을 폐지했습니다. 하지만 여전히 남아 있는 주도 있답니다. 이 전기의자의 발명자가 누군 인 줄 아세요? 놀랍게도 발명왕 에디슨이랍니다. 에디슨이 전기의자를 발명한 것은 아주 우연의 계기였지요. 에디슨은 많은 발명을 하면서 한편으로 사업에도 손을 대었습니다. 1882년 세계 최초의 중앙발전소와 전등회사가 탄생했습니다. 에디슨이 세운 회사이지요. 처음에는 명성도 있어서 사업이 순조로웠습니다. 그런데 어느 날 라이벌이 나타났습니다. 웨스팅하우스라는 사람이었지요. 그도 전력회사를 세웠습니다. 에디슨은 고민이 많았습니다. 자기 회사의 직류발전기로는 기껏 2∼3마일 정도의 거리밖에 전기를 보내지 못하기 때문이었습니다. 그 이상도 보낼 수 있지만 그러자면 전력 값을 올려야 하고 그렇지 않으면 전력 손실이 커서 큰 손해를 볼 처지였습니다. 이와 달리 웨스팅하우스의 전력회사는 교류발전기를 사용하기 때문에 변압기를 달면 아무리 먼 곳이라도 송전할 수 있었지요. "만약 직류 전기의 우수성을 알리지 못하면 우리 사업은 파산하고 말아." 에디슨은 생각 끝에 교류 전기의 위험성을 알리기로 마음먹었습니다. 그 중 하나가 교류의 고압 전류로 개나 고양이를 불태워 죽이는 실험이지요. 에디슨은 직접 나서지 않고 다른 사람을 고용해서 여러 차례 공개 실험을 했습니다. 에디슨의 예상대로 웨스팅하우스의 인기는 땅에 떨어졌습니다. 웨스팅하우스는 파산 일보직전까지 갔다가 1893년 시카고 박람회를 계기로 다시 일어선답니다. 한편 교류 고압전류의 위력을 본 뉴욕 주 형무소는 에디슨에게 전기의자를 만들어 달라고 부탁했습니다. 이 때부터 미국에서는 교수형 대신 전기의자로 사형을 시켰답니다.
☞ 보고 또 보고 ▶교류 : 일정한 시간마다 흐르는 방향이 바뀌는 전류. 단상 교류와 3상 교류가 있는데, 보통 단상 교류를 가리키는 경우가 많다. 전류가 변화하는 상태는 사인파(정현파) 모양을 이룬다. 곧 맨 처음 순간의 전류는 0인데, 시간이 지남에 따라 전류의 세기가 차차 증가하여 최대가 되었다가 다시 차차 감소하여 0이 된다. 다음에 전류의 방향이 반대로 되어 똑같은 모양인 사인파 모양으로 변화하여 맨 처음의 상태로 되돌아온다. 이러한 변화가 1초 동안에 되풀이되는 횟수를 주파수라고하며, 헤르츠(Hz)로 나타낸다. 우리 나라에서는 60Hz를 쓰고있다. 교류는 변압기를 사용해서 마음대로 전압을 바꿀 수 있으며, 또 큰 전력의 발전이나 송전, 배전에 적당하므로 가정이나 공장의 전등, 전동기 따위에 이용되고 있다.
▶교과서 관련 단원 : 중 2, Ⅳ.전기와 자기 ▶들려주는 시기 : 전류에 대해 배우면서
5. 연필이 종이에는 잘 써지는데 유리판에는 잘 써지지 않는 이유는?
오늘은 우리들의 작은 일상 생활 속에도 수많은 과학적 원리가 적용되고 있다는 것을 하나의 예를 들어 이야기하려 합니다. 우리들이 많이 사용하는 생활용품 중에 연필이 있습니다. 그런데 이 연필은 종이 위에는 글씨가 잘 써지는데 유리판과 같은 매끈한 물질 위에는 잘 써지지 않습니다. 그렇다면, 종이 위에 글씨가 써지는 원리는 무엇일까요? 또, 매끈한 물질 위에는 왜 연필이 쓰여지지 않는 것일까요? 그것은 한마디로 마찰력 때문이라 할 수 있습니다. 연필심은 흑연과 점토로 되어 있습니다. 연필이 종이에 써지는 것은 연필심의 흑연이 종이에 묻어나는 것인데, 흑연이 묻어나기 위해서는 마찰력이 필요합니다. 따라서 유리처럼 마찰력이 작아 미끄러지는 곳은 흑연이 묻어나기 어렵습니다. 즉 종이에 연필로 글씨를 쓸 수 있는 것은 흑연과 종이가 일으키는 일정한 마찰력에 의한 것입니다. 이와 같이 우리들이 무의식중에 행하고 있는 여러 가지 사소한 일들 속에도 주의 깊게 살펴보면 많은 과학적 원리가 적용되고 있다는 것을 알 수 있습니다.
▶관련단원 : 중 1, Ⅸ.힘과 운동 - 마찰력
6. 방사능은 왜 위험할까?
사실 지구상의 모든 생명체는 옛날부터 방사능과 우주선에 항상 노출된 채 살아 왔습니다. 그런데 현재 실험실에서 X선을 만들고, 땅속에 미량 포함된 라듐 같은 천연 방사성 물질을 인공적으로 농축시킴으로써 날이 갈수록 그 위험은 커지고 있습니다. 초기에 X선과 라듐을 연구하던 사람들은 방사능에 노출되어 치명적인 해를 입기도 했습니다. 퀴리와 그 딸은 방사선 노출에 의한 백혈병으로 사망했습니다. 오늘날 백혈병의 발병률이 높은 것도 X선을 지나치게 많이 사용하기 때문일 것입니다. 방사능이란 불안정한 원소, 즉 방사성 원소의 원자핵이 스스로 붕괴하면서 방사선을 내뿜은 현상을 말합니다. 방사선에는 알파선, 베타선, 감마선이 있는데 각각 특징이 다릅니다. 알파선은 헬륨의 원자핵으로 양전하를 띠며, 투과력은 약하지만 원자 수준에서는 대포알 같은 위력을 지닙니다. 베타선은 빠른 전자의 흐름인데 음전하를 띠며 투과력은 중간입니다. 마지막으로 감마선은 전자기파의 일종으로 투과력이 가장 세서 콘크리트 벽도 뚫을 정도입니다. 이런 방사선은 쬐는 방법에 따라 몸에 직접 쬐는 체외 피폭과 방사능에 오염된 공기, 물, 음식물이 몸 안으로 들어오는 체내 피폭으로 나눌 수 있습니다. 방사선을 쪼이면 세포핵 속의 유전 물질이나 유전자가 돌연변이를 일으키거나 파괴됩니다. 예를 들어 아기를 가진 여자가 방사능에 노출되면 태아의 유전자가 변하여 기형아가 됩니다. 또한 방사능은 암을 비롯한 갖가지 질병을 일으키는데, 1986년에 일어난 체르노빌 사고에서 그 극명한 예를 찾을 수 있습니다. 구 소련 우크라이나 공화국의 체르노빌 원자력 발전소에서 일어난 사고는 인류가 원자력 발전을 시작한 지 32년만에 발생한 최악의 사고로 기록되었습니다. 원자로를 식히는 냉각수관이 파괴되자 원자로 내부의 온도가 급격히 올라가 통째로 폭발해버렸는데, 이때 발전소 건물이 산산조각 나면서 강력한 방사능을 뿜기 시작했습니다. 이 사고로 많은 사람들이 죽었고, 살아 남은 사람들도 암, 백혈병, 빈혈증, 만성비염, 후두염에 시달리고 있으며, 태어난 아기들도 기형아가 많았습니다. 물론 사람뿐만 아니라 동식물에도 많은 기형이 생겼습니다. 방사능이 위험한 이유는 또 한가지 있습니다. 원자력 발전소에서 연료로 쓰고 난 뒤에 남는 방사성 폐기물에서는 인체에 치명적인 해를 주는 방사선이 나오는데, 이것이 줄어들어 무해하게 될 때까지는 수천 년에서 수십 만년이 걸립니다. 소위 반감기가 길다는 것이며 거의 반영구적인 시한 폭탄인 셈인데, 이것을 완벽하게 해결할 기술은 아직 개발되지 않고 있습니다.
☞ 보고 또 보고 ▶원자로 : 핵분열에 의한 연쇄반응을 인위적으로 조절, 제어하면서 유지시키는 장치로 발열이 수반되므로 '로'라고 하나 영어로는 핵반응장치라 합니다. 핵분열을 일으키는 핵연료(농축우라늄, 플루토늄 등)와 방출된 중성자의 에너지를 감소시키는 감속재(물, 중수, 흑연 등)로 노심을 형성하고 중성자가 외부로 새는 것을 막는 반사재(일반적으로는 감속재와 같은 물질, 고속로에서는 철, 납 등)로 싸고 차폐재 (물, 철, 콘크리트 등)로 둘러싸서 방사선이 외부로 새지 않도록 합니다. 노심에는 냉각재(물, 탄산가스, 헬륨 등)를 순환시켜 과열을 막고 끌어낸 열을 동력으로 이용합니다. 1943년 미국에서 엔리코 페르미 등 이 만든 '시카고 파일'이 세계 최초의 원자로입니다. 원자로는 중성자의 에너지 크기에 따라 고속로, 중 속로, 열중성자로로 나뉘며 구성, 사용 목적 등에 따라 많은 종류가 있습니다.
▶ 교과서 관련 단원 : 중 3, Ⅰ.일과 에너지 ▶ 들려주는 시기 : 원자력 에너지 학습 후
7. 감전은 왜 일어날까? - 전깃줄에 앉은 참새가 감전되지 않는 이유
우리는 가끔 감전 사고에 대한 뉴스를 듣습니다. 이러한 사고는 왜 일어날까요? 그것은 전류가 몸을 통하여 흘렀기 때문입니다. 우리 몸의 저항은 약1,000Ω에서 500,000Ω까지 상황에 따라 달라집니다. 이 값은 몸이 젖어 있을수록 작습니다. 만약 마른 손가락으로 24V 건전지의 두 단자를 만지면 약간 간지러움을 느끼지만, 몸이 젖어 있다면 매우 견디기 힘들 것입니다. 다음 표는 사람 몸에 전류가 흐를 때 인체에 미치는 영향을 나타낸 것입니다.
만일 땅을 딛고 손으로 120V를 만지면 손과 다리사이에 120V의 전압 차가 있는 것입니다. 보통 땅과 다리 사이에는 저항이 크기 때문에 몸을 다치게 할 정도로 큰 전류가 흐르지 않습니다. 그러나 사람의 발과 땅이 젖어 있다면 다리와 땅 사이의 저항이 작아져서 몸이 견딜 수 없을 정도로 큰 전류가 흐릅니다. 그렇기 때문에 목욕을 하면서 전기 제품을 만지는 것은 절대로 금해야 합니다. 몸의 한 부분과 다른 부분 사이에서 전압 차가 있을 때 감전이 됩니다. 만일 우리가 다리에서 떨어지다가 고압선을 잡고 매달렸다면 이때는 다른 전선을 건드리지 않는다면 전혀 감전되지 않습니다. 비록 전선의 전압이 수 만 볼트일지라도 두 손으로 하나의 전선만 잡고 있으면 몸에는 전류가 흐르지 않습니다. 왜냐하면 손과 손 사이에 아무런 전압 차가 없기 때문입니다. 고압선에 참새가 앉아 있을 수 있는 것도 이와 같은 이유 때문입니다. 그러나 새의 한쪽 발이 이웃한 전선에 닿는다면 전선사이에는 공기와 새가 병렬로 연결된 셈이며, 새의 저항이 공기의 저항보다 작으므로 전류가 새의 몸을 통해 흐르게 됩니다.
☞ 보고 또 보고 ▶전류는 도선에만 흐르게 되는 것은 아니다 : 기체 속에서도 (＋)전하와 (－)전하를 띤 부 분 사이에 전하를 가진 전자가 지나가면 전류가 흐르게 됩니다. 또한 액체 속에서도 전류가 흐를 수 있습니다. 염산이나 염화나트륨 수용액에서는 전류가 흐르는 데, 액체 속에 전하를 띤 알갱이들이 존재하여 이것들이 전하를 이동시켜 전류를 흐르게 하기 때문입니다.
▶교과서 관련 단원 : 중 2, Ⅳ.전기와 자기 ▶들려주는 시기 : 전하와 전류 학습 후
8. 번개의 생성과 소멸
번개란 구름이 많이 낀 날 우리가 볼 수 있는 한줄기의 빛이고 그 소리를 우리는 천둥이라고 부른다. 번개는 근본적으로 구름이 있어야 형성이 된다. 그러므로 고온 다습한 지방에서 구름이 많이 생기고 또 번개가 많이 친다. 세계에서 번개가 제일 많이 치는 곳은 미국의 플로리다주이다. 플로리다주를 기준으로 90 km 구간은 번개의 다발지역이라고 해도 과언이 아닐 만큼 1년 365일 중 100여 일을 번개 치는걸 볼 수 있다고 한다. 번개의 생성조건은 지상이나 바다, 강 등에서 증발한 수증기가 위로 상승해서 상승기류를 형성한다. 공기가 위로 올라가면 단열 팽창하므로 온도가 하강하여 적란운을 만들어 낸다. 위로 올라갈수록 온도가 급격히 하강하여 수증기가 모여 빙정을 만들어 낸다. 그 빙정들은 상승기류에 의해 이리저리 떠다니면서 크게는 사람의 주먹크기 만한 빙정들도 형성된다고 한다. 그 빙정들은 작은 것과 큰 것으로 나뉘어져 작은 것은 '-'극, 큰 것은 '+' 극으로 나누어진다. 그래서 -극이 +극을 끌어당기면서 서로 충돌하는데 이 과정을 번개라고 한다. 번개는 주로 지상의 높은 곳에 떨어지는데 어떤 사람들은 피뢰침만 세우면 번개로부터 절대 안전하다고 하지만 연구에 의하면 피뢰침보다 피뢰침 바로 옆에 있는 나무가 번개에 맞아 쓰러지는 경우가 많다고 한다. 번개가 땅으로 내려오는 과정은 '-' 이온과 '+' 이온이 눈에도 보이지 않고 소리도 들리지 않을 만큼 먼저 한줄기의 '번개가 지나갈 길'을 만드는 것이다. 이 이온들이 한 줄기를 형성하면서 지상으로 내려온다. 또 지상에서도 높은 곳부터 있는 물체들이 희미한 이온들을 번개와 같이 낸다고 한다. 이 두 줄기가 만나면 곧바로 그곳으로 번개가 떨어진다고 한다. 실제로 사진에 이런 게 찍혀 있다. 들판에서 번개를 피하는 요령은 다 아는 거지만 앞에서도 보았듯이 높은 곳은 절대 금물이다. 번개는 일단 가깝고 높은 곳의 물체를 표적으로 삼는다. 들판 어디에도 숨을 곳이 없다면 몸을 공 모양과 같이 웅크리고 앉는다. 들판에서는 이 방법이 최선이라고 한다. 그리고 번개 치는 날에는 전화를 되도록 받지 않는 게 좋다. 왜냐하면 전화선은 외부와 연결이 되어 있기 때문이다. 물론 통신도 금물이다. 전화선으로 외부와 연결이 되어있기 때문. 또 샤워도 금하는 게 좋다. 비교적 안전지대는 차안이다. 차안에 가만히 있으면 차체의 금속성 때문에 번개가 치더라도 바로 방전이 된다고 한다.
☞ 보고 또 보고 ▶번개 : 과학자들은 아직도 모든 번개에 대해 완전히 알고 있지는 않다. 여기서 설명하는 것은 가장 일반적인 번개현상에 대한 것이라는 점을 알아두자. 우리 눈에 보이는 번개의 모양은 전하들이 번개 구름과 지상의 한 점 사이를 지나가는 도선과 같은 것이다. 예로서 구름에 있는 (-)전하가 땅위에 있는 (+)전하들로부터 강한 전기력을 받아 끌려 내려오면서 중성인 공기 분자를 쳐 방향이 이리저리 꺾이고, 또 공기 분자를 (+)전하와 (-)전하를 가진 입자로 분리해 놓는다. 즉, 이온화시킨다. (-)전하들이 이러한 과정을 거치면서 내려와 지상에 닿는 순간 그들이 내려온 통로는 마치 (+)와 (-)자유전하가 공존하는 도선과 같다. 그들이 내려온 길이 도선이 된 것을 처음 느끼는 (-)전하가 땅에 가장 먼저 닿는 것이다. 따라서, 지상에서 가까운 (-)전하들부터 빠른 속력으로 지상에 떨어지고, 그 다음 위에 있는 (-)전하들이 쏟아부어진다. 이 과정에서 전하들의 속력이 매우 빠르게 부딪혀 내려오므로 방전이 일어나고 강한 열을 방출해 주변이 매우 뜨거워져 공기는 갑자기 팽창하게 된다. 이 때, 우리가 보는 방전이 번개이며, 공기 팽창에 의한 소리가 천둥이다.
▶교과서 관련 단원 : 중 2 , Ⅳ.전기와 자기 - 전기현상 ▶들려주는 시기 : 전기현상을 배운 후에
9. 전자레인지의 원리
전열기는 주울열을 이용한 것이지만, 조리기구 중에는 그보다도 고도의 열을 내는 것이 있습니다. 전파로 식품을 데우는 마이크로ㆍ웨이브ㆍ오븐, 흔히 전자레인지라고 부르는 것이 그것입니다. 전열기나 가스 등은 식품을 외부에서 가열하지만 전자레인지는 식품 전체가 전파의 에너지를 직접 받아 일률적으로 가열됩니다. 여기에서 사용되는 전파는 마이크로웨이브로 레이더나 전화의 중계 등에 사용되는 전파와 같은 것입니다. 전자레인지에서는 주파수가 2,450MHZ, 파장은 약 12Cm의 전파가 사용됩니다. 식품이 마이크로웨이브로 가열되는 이유는 무엇일까요? 식품은 전분이나 단백질 등의 생물체의 구성물질로 되어 있습니다. 이들의 물질은 전기적으로는 유전체 즉 절연체입니다. 따라서 두 장의 전극 사이에 유도체를 삽입하고 여기에 직류전류를 가해 전극 사이에 전계를 만들면 유전체의 분자는 양과 음의 전하를 가진 전기쌍극자가 됩니다. 여기에서 전압의 극성을 바꾸어 전계의 방향을 반대로 하면 전기쌍극자의 방향도 바뀌어집니다. 따라서 전극간에 매우 빠른 속도로 그 방향이 변화하는 전계(고주로 되어 있는 유도체의 파 전계)를 가하면 쌍극자분자도 같은 속도로 반전하게 됩니다. 이 때문에 분자와 분자 사이에 마찰열이 일어나서 가열되는 것이지요. 즉, 전파란 전계와 자계가 주기적으로 변화하는 것입니다. 마이크로웨이브가 식품에 쪼여지면 마이크로웨이브의 진동전계에 의해 식품 속의 분자가 1초간에 24억 5천만 회나 진동하여 마찰열이 발생하게 되는 것입니다.
☞ 보고 또 보고 ▶주파수(周波數,frequency) : 진동 전류(振動 電流) 또는 전파, 음파 따위가 1초 동안에 방향을 바꾸는 회수. 매초 몇 진동수(cycle)로 나타냄 ▶파장(波長,wave length) : 파동에 있어서 같은 위상(位相)을 가진 서로 이웃한 두 점(點) 사이의 거리. 횡파에서는 서로 이웃한 파구(波丘)와 파구, 또는 파곡(波谷)과 파곡의 거리, 종파에서는 서로 이웃한 밀(密)과 밀, 또는 소(疎)와 소의 거리를 말함. ▶유전체(誘電體) : 외부로부터 전장(電場)을 가했을 때 그 양쪽 끝에 정부(正負)의 전하(電荷)가 나타나는 것과 같은 물체. 유리, 운모, 파라핀, 사 따위가 있음. 보통은 절연체라고 불리는 것을 정전(靜電)현상의 매체로 하여 다룰 때의 명칭임 ▶절연체 : 전기나 열이 잘 통하지 않는 물질 ▶유도체(誘導體) : 화합물 분자의 일부가 변화하여된 화합물을 본디의 화합물에 대하여 이르는 말 ▶전기쌍극자(電氣雙極子) : 정부(正負) 등량(等量)의 전하가 아주 가까운 거리에 있는 현상
▶관련단원 : 중 2, Ⅳ.전기와 자기 - 전기의 이용
10. 아인슈타인은 학생 시절에 우등생이었을까?
우리 나라 사람들에게 과학의 천재를 말해 보라고 하면, 아마도 가장 먼저 떠올리는 사람은 아인슈타인이 아닐까 싶습니다. 이는 우리 나라 사람들이 결코 쉽지 않은 그의 이론을 이해해서라거나, 그가 말년에 가졌던 사상적 측면을 공감해서도 아닐 것입니다. 단지 다른 과학자들 보다 그에 대한 에피소드들이 우리들 귀에 많이 들려왔고, 그의 이론들이 기존의 이론들을 완전히 뒤엎을 만한 위대한 것이라는 막연한 동경심 때문이리라 생각됩니다. 그렇다면 그토록 천재성을 인정받은 대과학자 아인슈타인의 어린 시절은 어떠했을까요? 그에 대한 전기를 읽어보지 않은 사람은 자세히 알 수 없는 몇 가지 어린 시절의 에피소드들에 대해 이야기하고 함께 생각해보려 합니다. 아인슈타인은 1879년 3월 14일 남부 독일 울름에서 태어났습니다. 그는 태어나면서부터 가족들에게 지속적인 걱정꺼리를 안겨 주곤 했는데, 그 첫째가 지나치게 머리가 커서 기형아가 아닐까 하는 점이었습니다. 그의 뒷머리가 들어갈 즈음에는 지나치게 살이 찌기 시작했고, 거의 말을 하지 않고 혼자 놀기만 해서 벙어리가 아닐까 하는 걱정을 하게 하였습니다. 2년 6개월이 지나자 거의 정상은 되었으나, 자신이 말한 내용을 몇 번이고 되풀이하는 습관을 7살까지 지니고 살았다고 합니다. 게다가 그는 다분히 신경질적이어서 여동생을 다치게 하는 등 여러 가지 사고를 치기도 했었습니다. 그러한 그를 가르쳤던 교사들의 평가는 한결같이 나쁘기만 하였습니다. 그가 공립학교에 들어갔을 때도 구구단을 외우지 못했고, 반사 신경이 너무 둔하여 늘 엄한 교사로부터 손바닥을 맞아야만 했습니다. 계산하는 시간이 많이 걸리는 편이었고 그나마 틀린 답을 내놓기 일쑤였습니다. 아무도 그가 수학적 재능이 있다고 생각하지 않았습니다. 9살에 그는 뉴욕의 AYDANS 루이트포르트 김나지움에 진학했는데 그 학교는 인문주의 교육을 주로 하는 학교였기 때문에 언어 기억력이 부족한 그에게는 큰 고통거리였습니다. 라틴어는 "양", 그리스어는 "가"를 받는 일이 비일비재했습니다. 급기야는 그를 담당한 그리어 교사가 "너는 제구실을 해 낼 인물은 못 될 것 같다."는 예언을 하게 만들었습니다. 뒤에 그는 결국 학교를 중퇴하고 마는데 7학년 때 만났던 그리스어 교사의 퇴학 권고 사유는 "너의 존재가 내 학급에 대한 존경심을 잃게 한다."는 것이었습니다. 이러한 교사의 혹평에도 불구하고 아인슈타인은 뒷날 모든 사람들이 존경해 마지않는 천재 과학자가 되었던 것입니다. 우리 모두가 한 번쯤은 생각해 볼만한 이야기지요.
☞ 보고 또 보고 ▶아인슈타인(Einstein, Albert, 1879-1955) : 미국의 이론 물리학자. 독일태생. 1905년에 특수상대성 이론, 광량자(光量子)의 이론, 브라운(Braun)운동의 이론을 발표, 쮜리히, 프라하, 베를린 대학의 교수를 지냄. 1차 대전 중에 일반 상대성 이론을 발표, 강한 중력장(重力場)에서는 빛의 진로(進路)가 굽는다는 것을 예언했는데, 이것은 1919년의 일식(日蝕) 관측으로 확인되어 더욱 그의 명성이 올랐음. 1933년 나찌의 박해로 미국으로 이주, 프린스톤 연구소 교수로서 통일장 이론(統一場 理論)의 발전에 힘썼음. 1921년 노벨 물리학상을 탔음.
11. 피다만 무궁화
1990년 어느 잡지사에서 조사한 노벨상에 가장 근접한 한국인이 누구냐는 질문에 많은 과학자들이 '이휘소처럼 노벨상에 가까이 가 본 사람이 없다.'고 했습니다. 이휘소는 어떤 사람이고 그의 학문적 업적이 어느 정도였길래 많은 사람들이 '노벨상 감'으로 꼽기를 주저하지 않는 것일까요? 이휘소는 1955년 2월 오하이오주에 있는 마이애미 대학 물리학과에 등록함으로써 유학 생활을 시작합니다. 이후 58년 피츠버그 대학에서 석사 과정을 마쳤고 1960년 12월 펜실베니아 대학에서 'K이온 중간자와 핵자 현상의 이중 분산 표시에 의한 분석'이라는 논문으로 박사 학위를 받았습니다. 그는 유학 시절 줄곧 A학점을 받아 수석을 놓치지 않았는데 1959년 8월에 치른 박사 학위 시험에서는 전체 평균 93학점을 받아 차석의 71점을 무려 22점이나 앞질렀다고 합니다. 이 점수는 펜실베니아 대학 역사이래 처음 있는 일이었습니다. 그 후 이휘소 박사는 페르미 연구소의 이론 물리학 부장으로 임명돼 가속기를 이용한 소립자 연구의 실질적인 책임자가 되었습니다. 아울러 가까운 시카고 대학의 정교수로 자리를 옮겼습니다. 이휘소는 생전에 138편의 논문을 발표했는데 물리학계에서는 그의 업적을 크게 두 가지로 꼽고 있습니다. 첫 번 째는 70년대 확립된 전약 이론에 이휘소가 결정적인 기여를 한 점입니다. 전자기력과 약력의 통합으로 알려진 이 이론은 67년 미국인 와인버그에 의해 제창되었는데 두 가지 치명적인 약점을 가지고 있었습니다. 이휘소는 72년 발표한 논문 '재규격화가 가능한 질량이 있는 벡터 중간자 이론-힉스 현상의 섭동 이론'에서 이 문제를 명쾌하게 계산해 증명하였습니다. 와인버그는 전약 이론을 발전시킨 공로로 79년 노벨 물리학상을 받았습니다. 또 하나의 업적은 매혹 입자(charmed particle)에 관한 것입니다. 하버드 대학의 글래쇼 교수는 u(업)쿼크, d(다운)쿼크 그리고 전자라는 기본 입자 외에 c쿼크라는 새로운 쿼크가 있어야 한다고 주장했습니다. 이휘소는 당시 잘 알려져 있던 두 입자(Kl과 Ks)의 질량차로부터 c쿼크의 질량을 계산해 냈습니다. 그 후 얼마 지나지 않아 c쿼크와 그 반입자로 구성된 매혹 입자가 발견됐으며 매혹 입자를 구성하는 c쿼크의 질량은 그가 예언한 것과 같다는 사실이 밝혀졌습니다. 와인버그와 함께 노벨상을 공동 수상한 파키스탄인 살람은 '이 박사의 정확하고도 믿을 수 있는 c쿼크의 질량 추정이 없었다면 매혹 입자에 대한 우리의 이해가 그리 빠르지 않았을 것'이라며 그의 업적을 높이 평가했습니다. 그러나 아깝게도 이휘소 박사는 1977년 6월 16일 콜로라도주의 과학 회의에 가던 중 일리노이주 남부에서 자동차 사고로 사망했다.
☞ 보고 또 보고 ▶이휘소(李輝昭, 1935∼77) : 이론 물리학자, 국제학계에서는 벤저민 W.리로 더 잘 알려져 있다. 서울대학교 공과대학에 재학중 양자역학 등 물리학에 관심을 가지고 미국으로 가 1956년 마이애미 대학교 물리학과를 졸업하고, 58년 피츠버그에서 석사학위를 받았다. 60년 펜실베니아 대학에서 박사학위를 받고 조교수를 거쳐 28세에 정교수가 되었다. 7년 미국 국립 페르미연구소 이론 물리학 연구부장, 72년 재미 한국 과학 기술자협회 부회장을 지냈다. 미국의 주한 미군 철수 움직임과 함께 시작된 박정희 정권의 핵무기 독자개발에 결정적인 도움을 주었다는 소문이 나도는 가운데 77년 의문의 자동차 사고로 죽었다.
12. 베르누이란? (어떻게 큰 비행기가 하늘을 날 수 있을까요? )
덩치가 큰 비행기가 사람과 화물을 가득 실은 채 하늘을 나는 일은 꽤나 신기한 일입니다. 그러나 아무리 신기한 일도 원리를 알면 매우 간단하답니다. 비행기가 날 수 있는 것은 공기의 성질을 잘 이용하기 때문입니다. 이 원리에 따르면 물이나 고기의 속도가 빠르면 압력이 낮아지고 물이나 공기의 속도가 느리면 압력이 높아진다는 것입니다. 비행기의 날개를 옆에서 보면 아래쪽은 평평하고 위쪽을 둥근 모양입니다. 또한 윗부분의 앞쪽은 두텁고 뒤로 갈수록 가는 형태를 하고 있습니다. 비행기가 앞으로 나갈 때 뒤로 흐르는 공기의 속도는 날개 위쪽과 아래쪽이 다릅니다. 아래쪽보다 위쪽이 훨씬 빠릅니다. 결국 공기의 속도가 빠른 위쪽보다 공기의 속도가 느린 아래쪽의 압력이 크다는 이야기입니다. 압력이 큰 아래쪽 공기가 날개를 밀어 올리기 때문에 비행기는 하늘로 날아올라 멀리 비행할 수 있는 것입니다. 고속도로에서는 베르누이의 원리를 잘 알고 있어야 합니다. 만약 큰 버스와 작은 승용차가 나란히 달린다고 합시다. 이 때 두 차 사이의 공기의 압력은 자동차의 다른 면보다 작습니다. 빠른 속도로 달리는 자동차가 주위의 공기를 끌고 가기 때문입니다. 이 때 자동차, 특히 덩치가 작은 승용차는 안쪽으로 쏠리는 현상이 일어날 수 있습니다. 바로 베르누이 원리 때문입니다. 베르누이 원리는 공기만이 아니라 물에서도 일어날 수 있습니다. 음료수의 병목이 몸체보다 작은 이유도 마찬가지입니다. 병목이 작은 곳에서는 액체의 속도가 빨라지고 공기의 압력은 작아집니다. 따라서 병 속에 담긴 물체는 빠른 시간 안에 밖으로 나올 수 있는 것입니다. 예전에는 이런 베르누이 원리 때문에 바다에서는 선박끼리 충돌 사고가 가끔 일어났습니다. 나란히 달리던 두 배가 눈 깜짝할 사이에 부딪쳐 침몰하는 사고였습니다. 두 배가 나란히 달리면 두 배 사이에 물 골짜기가 만들어집니다. 그리고 배 사이의 물의 속도가 배 바깥의 물의 속도보다 훨씬 빠르게 되지요. 물의 속도가 빠르면 배 사이에서 배에 끼치는 압력은 그만큼 적어지고 배 바깥에서 배에 끼치는 압력은 커지게 됩니다. 그러다 보니 어느 새 두 배는 비스듬히 항해하다가 충돌하게 되는 것입니다.
☞ 보고 또 보고 ▶베르누이의 정리 : 1738년 D. 베르누이 발표. 유체의 유속과 압력의 관계를 수량적으로 나타낸 법 칙(유체역학의 기본법칙 중 한가지이다). ρgh+P+ρV²/2 = 일정 (유체의 유속V, 밀도ρ, 중력가속도g, 임의의 수평면에서의 높이 h, 유체의 정압 P) ρgh+P 는 위치에너지에 해당하고, ρV²/2는 운동에너지에 해당된다. 이 정리는 유체의 위치에너지와 운동에너지의 합은 항상 일정하다는 내용을 담고 있다. 그리고 이 정리는 점성이 없는 이상유체에만 해당되고 실제로는 적당히 식이 변형된다. 이 정리에 의하면 유체의 흐름 내에서는 유속이 빠를수록 정압이 낮고, 유속이 느릴수록 정압이 높아지므로 정압을 측정하면 유속을 알 수 있다.
13. 신기루 현상의 원리
신기루란 밀도가 서로 다른 공기 층에서 빛이 굴절함으로써 멀리 있는 물체가 거짓으로 보이는 현상. 어떤 조건하에서 포장도로나 사막 위의 공기는 강렬한 햇빛으로 뜨겁게 가열되고, 고도가 높아짐에 따라 급속히 냉각되므로 밀도와 굴절률이 커진다. 신기루라는 명칭은 중국의 상상의 동물인 <이무기>가 숨을 내쉴 때 보이는 누각이라는 뜻이다. Mirage는 프랑스 말의 의미로 "to look at in wonder"로 miracle과 관련이 있다. 신기루는 다음과 같이 3가지 형태로 구분해 볼 수 있다.
·하방굴절 신기루 나폴레옹 1세의 이집트 원정 때 종군하였던 프랑스의수학자 G. 몽즈가 처음으로 이 현상을 기술하여 {몽즈현상}이라고도 한다. 물체의 윗부분, 나무꼭대기에서 아래쪽으로 반사된 햇빛은 보통 차가운 공기를 지나 똑바로 나아갈 것이다. 각도 때문에 그 빛을 정상적으로 볼 수 없지만, 그 빛은 지표 가까이의 밀도가 희박해진 뜨거운 공기층을 지나면서 위쪽으로 구부러지므로 관측자의 눈에는 마치 그 빛이 뜨거운 지표면 아래쪽에서 나온 것처럼 보이게 된다. 반사된 빛 중에 일부는 굴절하지 않고 똑바로 눈에 들어오기 때문에 나무의 직접상도 볼 수 있다. 이 두 상 가운데 하나는 나무의 실상이고 다른 하나는 물에 반사된 것처럼 거꾸로 보이는 상이다. 하늘이 신기루의 대상이 되면 땅이 호수나 물의 표면으로 잘못 인식된다.
·상방굴절 신기루 빈스 현상이라고도 한다. 지표의 공기가 몹시 차갑고 그 위가 따뜻할 경우, 지표부근의 현저한 기온역전으로 인해 광선이 굴절하여 먼 곳에 있는 실물이 거꾸로 매달린 도립상의 형태로 나타나거나, 솟아올라 보인다. 두 경우 모두 신기루의 상이 실물보다 위쪽에 형성된다. 북극해 같은 곳에서 잘 나타나며, 대기의 조건에 따라 해상에 떠있는 작은 유빙이 거대한 빙산으로, 또는 자그마한 어장이 크고 화려한 궁전으로 변모하기도 하여 항해자나 탐험자들이 신비감에 이끌린다.
·측방굴절 신기루 수평방향으로 빛이 이상굴절하는 것으로 수직인 벼랑이나 벽이 햇빛을 받아 뜨거워진 경우나 해안의 얕은 곳과 깊은 곳의 수온이 다른 경우 등이 조건이 된다. 때로는 수면 위에서처럼 차갑고 밀도가 큰 공기층이 뜨거운 공기층의 아래에 놓이는 경우가 있다. 그러면 반대현상이 생겨 마치 물체가 실제 위치보다 위쪽에 있는 것처럼 보인다. 예를 들면 수평선 너머 배가 있을 때처럼 실제로 보이지 않아야 할 물체가 하늘에 떠 있는 것처럼 보이게 되는데, 이 현상을 {공중누각}이라고 한다.
☞ 보고 또 보고 ▶교과서 관련 단원 : 물리Ⅰ - 파동과 입자 (반사와 굴절, 간섭과 회절) ▶들려주는 시기 : 빛의 반사와 굴절을 배운 후에
14. LPG, LNG 가스가 누출되었을 때 환기를 어떻게 해야 하나요?
LPG는 보통 가정에서 가스레인지 연료로 쓰거나 자동차 연료로 쓰는 것입니다. 크고 무거운 가스통 속에 액체 상태로 있다가 가스 호스를 타고나올 때 기체로 되어 타는 것입니다. LPG는 액화 석유 가스라고 하는데, 원유를 끓여서 분리할 때 먼저 나오는 프로판, 부탄 가스 등을 모아 압력을 높여 액체로 만들어 놓은 것입니다. 그에 비하면 LNG는 액화 천연 가스라고 하는데 땅속에 묻혀 있는 가스로 만드는 것입니다. 천연 가스를 정제하여 얻어지는 메탄을 주성분으로 한 가스를 액체로 만들어 놓은 것입니다. LNG는 가스의 온도를 -162℃로 낮춰서 액체로 만들기 때문에 그 저장 탱크가 단열이 잘 되고 아주 튼튼해야 하므로 각 가정마다 간이용으로 탱크를 설치하기 어려워서 중앙 집중형으로 합니다. 그래서 LNG를 연료로 쓰는 아파트에서는 따로 가스통이 필요 없습니다. LNG는 깨끗해서 환경 오염도 줄일 수 있는 데다 열도 많이 나서 점차 LPG를 대신하여 많이 쓰이고 있습니다. 참고로 가스가 새어 나왔을 때 LPG는 프로판이 주성분이라 아래로 깔리지만 LNG는 메탄이라 위로 올라가니까 환기를 시킬 때는 그 가스가 있는 방향 쪽을 중심으로 해 줘야 합니다.
☞ 보고 또 보고 ▶LNG : 액화천연가스 (Liquefied Natural Gas)의 약칭. 천연으로 생산되는 비석유계 천연가스(메탄계 탄화수소를 주성분으로 하나, 실제로는 메탄이 90%이상을 차지함)를 액화한 것. 메탄의 끓는점 -162℃( 저장탱크에 초저온유지가 중요함) ▶LPG : 액화석유가스 (Liquefied Petroleum Gas)의 약칭. 일반적으로 프로판가스, 부탄가스로 통칭되고 있다. 프로판의 끓는점 -42℃ , 부탄의 끓는점 -0.6℃ · 공기의 평균 분자량 : 약 28.96, · 메탄의 평균 분자량 : 약 16.0 · 프로판의 평균 분자량 : 약 44.0 ·부탄의 평균 분자량 : 약 58.0
▶교과서 관련 단원 : 중 2, Ⅰ.물질의 구성 - 분자의 운동. 중 1, Ⅲ.물질의 특성 - 끓는점 ▶들려주는 시기 : 물질의 특성을 배운 후에
15. 비유로 배우는 과학상식 - 원자의 크기
작은 수의 세계로 들어가 보자. 수소 원자의 반지름은 약 0.3×10-8cm이다. 얼마나 작은지 상상할 수 없다. 비유1) 1억 개의 수소 원자를 한 줄로 배열해야 1cm가 된다. 비유2) 원자의 크기를 1억 배로 늘리면 탁구공만 해지고, 탁구공을 1억 배만큼 확대시키면 지구 만해진다. 원자는 이렇게 작다. 하지만 더 놀라운 것은, 원자는 대부분이 비어있다는 것이다. 원자는 핵과 전자로 이루어지는데, 원자의 평균 반지름은 10-8cm 정도이고, 핵의 평균반지름은 10-12cm 정도이다. 어느 정도 차이가 나는 것일까? 비유1) 원자핵의 지름을 0.1 mm라고 하면 원자의 지름은 10m 정도다. 비유2) 전자가 잠실 종합운동장의 스탠드를 돌고 있다고 하면, 원자핵은 운동장 한가운데에 있는 개미 한 마리 정도다. 길이보다 부피로 하면 한층 더 실감이 난다. 부피 비는 길이의 세제곱이므로, 원자핵은 원자 부피의10-12배(원자의 반지름과 원자핵의 평균 반지름의 차이가 4승이므로)정도가 된다. 만약 원자에서 핵과 전자를 모두 떼어내어 차곡차곡 쌓을 수 있다고 하자. 엠파이어스테이트 빌딩은 작은 사탕 봉지 안에 들어가고, 63빌딩은 밥풀 뻥튀기 한 알 만해진다. 그렇다면 한강 물은? 한강을 깊이10m, 폭 200m, 길이 100km라고 하자(충분히 이만큼 된다). 한강물의 부피=10m×200m×100,000m = 2×108m3 = 2×1014cm3. '한강을 이루고 있는 물분자'에서 산소, 수소 원자를 떼어내고 다시 원자핵과 전자로 분리해 차곡차곡 쌓는다면, 그 부피는 2×1014cm3×10-12 = 200cm3. 우유가 1백 80 mㅣ이므로 우유 한 컵 조금 넘는다. 하지만, 이 물(?)을 마시려고 컵을 들어올릴 수 있는 사람이 세상에 있을까?
☞ 보고 또 보고 ▶현재의 원자모형 : 전자는 원자핵 주위를 매우 빠른 속도로 돌고 있으므로 그 위치는 정확하게 정할 수는 없으며, 단지 전자가 존재할 수 있는 확률로 표시하며 이것을 전자 구름으로 나타낸 것이 오늘날의 원자모형이다. *양성자의 발견 : 러더퍼드 · 중성자의 발견 : 채드윅 *전자의 발견 : 톰 슨 *중간자의 발견 : 유카와 히데키(예언) → 칼 앤더슨 (확인)
▶교과서 관련 단원 : 중 2, Ⅰ.물질의 구성 - 원자의 크기 ▶들려주는 시기 : 원자에 대해 배운 후에
16. 왜 전자레인지속에는 은박지로 음식을 싸서 넣으면 안 될까요?
미애는 배가 고파서 냉장고를 뒤지고 있습니다. 냉장고 한 귀퉁이에서 은박지에 싼 피자를 발견한 미애는 너무 기뻐 데워 먹기로 했습니다. 전자 레인지에 데우는 것이 빠르다는 것을 아는 미애는 은박지에 싼 피자를 그대로 전자 레인지에 넣고 시작 스위치를 눌렀습니다. 그런데 이게 웬일입니까? 갑자기 전자 레인지 안에서 스파크가 튀면서 퍽퍽 소리가 들리기 시작했습니다. 이 소리를 듣고 뛰어온 철이가 급히 전자 레인지를 끄고는 안에 있던 피자를 꺼내면서 말했습니다. "전자 레인지에는 금속을 넣으면 안 된다는 것도 몰랐어?" 이 말에 기가 죽은 미애는 깜박 잊어버렸다고 이야기하고는 철이를 골려줄 생각에 "그런데 오빠, 왜 금속을 넣으면 안 되는 거야?"하고 물어 보았습니다. 말문이 막힌 철이는 우물쭈물하다가 아버지에게 도움을 청했습니다. "그건 전자 레인지는 극초단파라는 전파를 이용해서 음식물을 데우는 조리 기구란다. 분자 운동을 자극하기 때문에 가스레인지에 비해 빨리 데워진다는 장점이 있지. 그런데 금속 그릇이나 은박지 같은 금속으로 싼 음식을 집어넣을 경우에는 문제가 생긴단다. 극초단파는 금속을 통과하지 못하고 자유전자에 흡수된단다. 극초단파를 흡수한 자유전자는 들뜨게 되고 들뜬 원자가 원래 상태로 되돌아가면서 흡수했던 에너지를 내보내 그것이 스파크나 소리로 나타나는 거란다. 따라서 금속을 쓰면 음식을 데울 수 없고 위험하단다."
☞ 보고 또 보고 ▶전자레인지의 원리 : 음식물에 매우 높은 주파수의 전자파(2450㎒)가 가해지면 , 그 진동에 의해 음 식물 속의 분자가 매우 빠른 속도로 운동함으로써 마찰열이 발생하여 음식물이 가열된다. · 사용할 수 있는 그릇: 도자기 그릇, 유리그릇, 플라스틱그릇, 나무그릇 등의 비금속그릇 · 사용할 수 없는 그릇: 황동그릇, 알루미늄 그릇, 스테인리스 그릇 등의 금속그릇
▶교과서 관련 단원 : 중 2, Ⅰ.물질의 구성 - 분자 운동 ▶들려주는 시기 : 전자파를 학습한 후
17. 잠수함은 어떻게 떠오르고 가라앉을까?
잠수함은 부표 저장 통이라는 게 달려 있습니다. 이 통에 바닷물을 채웁니다. 통에 물이 가득 차면 잠수함은 물밑으로 가라앉게 됩니다. 물 속에 들어간 잠수함은 꽁무니에 있는 프로펠러를 돌려 앞으로 나갑니다. 만약 방향을 바꾸고 싶으면 잠수함 머리 앞쪽에 붙어 있는 수평날개를 움직이면 됩니다. 수평날개는 물고기 아가미 뒤에 붙어 있는 수평지느러미와 같은 역할을 합니다. 물 속을 항해하던 잠수함이 떠오르려면 저장 통에 담아 두었던 물을 내보내면 서서히 떠오르게 됩니다.
☞ 보고 또 보고 ▶잠수함의 원리 : 잠수함의 부력을 조절하는 것은 잠수함 선체 양쪽에 있는 탱크이다. 이것을 밸러스트 탱크라고 하는 데, 잠수함이 물위에 떠 있을 때에는 공기로 가득 차있게 된다. 잠수함이 물 속으로 들어갈 때에는 탱크 안으로 바닷물이 들어오면서 선체가 무거워져 가라앉게 되는데, 어느 정도 깊이에서 떠있게 하려면 바닷물이 들어오는 밸브를 잠그면 된다. 가라앉았던 잠수함이 다시 떠오를 때는 선체내 부에 저장해 두었던 압축공기가 밸러스트 탱크 안에 밀려들어오면서 물을 잠수함 밖으로 밀어내어 가벼워져 뜬다. 이런 잠수함의 운동 역시 물에 대한 상대적인 밀도에 좌우되며 잠수함의 밀도가 물보다 작으면 뜨고, 크면 가라앉는다. 이 밀도는 밸러스트 탱크 안에 바닷물이 드나듦에 따라 조절된다.
▶교과서 관련 단원 : 중 1, Ⅲ. 물질의 특성과 분리 - 밀도 ▶들려주는 시기 : 밀도를 학습한 후에
18. 압력솥에 밥을 하면 빨리 되는 이유는 무엇일까?
냄비에 감자를 삶으면 익는데 20-30분이 걸립니다. 그러나 압력솥에 삶을 경우 4-5분이면 익습니다. 그 이유는 무엇일까요? 냄비의 물은 100℃에서 끓습니다. 물에 아무리 열을 가해도 온도는 더 오르지 않습니다. 가하는 열은 물을 수증기로 증발시킬 뿐입니다. 그러나 압력솥은 밀폐된 뚜껑이 있어 물이 끓을 때 생기는 수증기가 밥솥 내부에 모입니다. 압력이 상승함에 따라 물의 비등점도 높아집니다. 따라서 조리하는 온도가 높아져 음식을 익히는 데 필요한 시간이 단축됩니다. 가정용 압력솥은 1679년 프랑스의 물리학자 드니스 파팽이 영국에서 특허를 낸 '증기찜통'을 개량한 것입니다. 일반적인 현대식 압력솥은 내면의 1㎤당 1㎏의 압력을 받는데 이는 보통 기압의 두 배에 가깝습니다. 따라서 물은 122℃에서 끓습니다. 압력밥솥은 냄비와 비슷한 몸체와 돔형의 뚜껑으로 이루어져 있습니다. 몸통과 뚜껑사이에는 고무로 만든 가스킷이 설치되어 압축된 공기가 새지 않도록 밀폐합니다. 뚜껑 중심부에는 무거운 마개가 달린 배기 구멍이 있습니다. 배기 구멍은 마개에 의해 밀폐되지만 내부의 압력이 일정한 수준에 이르면 열리게 됩니다. 배기 구멍의 마개에 링을 부착하거나 제거함으로써 밥솥 내부의 온도를 폭넓게 변화시킬 수 있습니다.
☞ 보고 또 보고 ▶높은 산에서 밥을 지을 때 : 높은 산에서 밥을 지으면 밥이 설익게 됩니다. 액체의 끓는점은 주위의 압력이 높으면 높아지고 압력이 낮으면 낮아집니다. 높은 산은 기압이 낮으므로 끓는점이 낮아집니다. 따라서 물이 끓는 온도가 낮으므로 쌀이 덜 익게 되는 것입니다. 그래서 산에서 밥을 지을 때는 끓는점을 압력을 높이기 위해 솥 위에 돌을 올려놓기도 합니다.
▶교과서 관련 단원 : 중 1, Ⅲ.물질의 특성과 분리 ▶들려주는 시기 : 끓는점 학습 후
19. 양초는 무엇으로 탈까?
자신의 몸을 태워 세상을 환히 밝히는 촛불은 우리의 마음을 언제나 환하게 밝혀 줍니다. 타고 있는 촛불을 가만히 들여다보면, 타고 있는 양초 속에는 모든 상태가 다 있는 것 같습니다. 양초는 고체로 되어 있지만 성냥불을 켜 양초에 대면 고체인 파라핀은 녹아 흐르기만 할 뿐 불은 붙지 않습니다. 이것이 심지를 타고 올라오면서 불을 붙는 것을 보면 기체 상태도 있는 것 같습니다. 그러면 양초에서 타는 것은 어떤 상태일까요? 만약에 고체인 파라핀과 액체인 파라핀에 직접 불을 붙여 보면 파라핀은 녹아 액체가 될 뿐 불이 붙지 않으며, 액체 파라핀은 흰 연기가 올라올 뿐 이것도 잘 타지 않는다는 것을 알 수 있습니다. 알루미늄 호일을 말아 연통관 모양으로 만들어 촛불의 중심에 넣고 그 끝에서 희끄무레한 연기가 나오도록 한 후에 불을 붙여 봅시다 |
출처: 모비딕 2020 그날을 위하여.... 원문보기 글쓴이: 모비딕
첫댓글 중학생이 알아야 할 상식