과학상식 물리 상식~~

[팬이야(이영애)]

안경 도수는 어떻게 조절하는가

빛이 퍼져나갈 때를 발산, 한점으로 모아드는 것을 수렴이라 부른다. 그리고 먼곳으로부터 우리 눈에 도달하는 광속(光束, 광선다발. 빛의 진행 방향에 수직인 단위 면적을 단위 시간에 통과하는 빛의 양)은 파면이 평면을 이루는 것으로 가정해 평행광속이라 한다. 광학에서는 평행광속이 렌즈에 들어왔다가 빠져나갈 때 수렴하는 렌즈의 굴절력을 (+)굴절력, 반대로 발산하는 렌즈의 굴절력을 (-)굴절력이라 한다. 볼록렌즈( (+)굴절력)를 통과하는 평행광속은 광축 위의 어느 한점(초점)으로 모아진다. 반면 평행광속이 오목렌즈( (-)굴절력)를 통하면 초점으로부터 퍼져나간다.

근시는 눈으로 들어오는 평행광속이 각막과 수정체에 의해 심하게 굴절돼 망막 앞에서 맺혀진 상태다. 따라서 이를 교정하기 위해서는 (-)굴절력을 가진 렌즈를 착용해야 한다. 원시는 이와 반대의 상태. 평행 광속이 망막에서 상을 제대로 맺었는지 여부는 정상 시력을 가진 눈이 선명하게 볼 수 있는 크기의 시표를 놓고 안경렌즈의 굴절력을 변화시켜서 결정한다.

렌즈로부터 초점까지의 거리(단위는 m)의 역수가 그 렌즈의 굴절력이다. 디옵터(Diopter, D)란 바로 이를 가리키는 광학단위다. 렌즈의 굴절력은 초점거리에 반비례한다. 예를 들어 초점거리가 20cm인 볼록렌즈의 굴절력은 +5D, 초점거리가 20cm인 오목렌즈의 굴절력은 -5D다.
흔히 디옵터로 표시된 안경 도수 앞에 붙어 있는 (-)부호가 (+)보다 더 나쁜 것으로 여기곤 하는데, 이들 부호는 근시(-)와 원시(+)를 의미할 뿐이다. 부호가 무엇이든 관계없이 숫자가 높을수록 시력이 나쁜 것이다.

음파로 유리컵 깨기

음파란 진동이 공기 같은 매질을 따라 전파하는 현상이다. 만일 음파의 진동수를 유리컵의 고유진동수와 같게 한다면 음파가 유리컵에 부딪혔을 때 유리컵의 진동을 급격히 증가시켜 결국 깨지게 만들 수 있다.

유리잔을 젓가락으로 때리면 소리가 난다. 이것이 유리잔의 진동이다. 즉 가만히 있던 유리잔은 외부에서 힘을 가하면 본래 상태로 돌아가기 위해 진동한다. 똑같은 유리잔을 때리면 항상 같은 소리가 난다. 그 이유는 유리잔의 고유진동수가 있기 때문이다.

소리로 유리잔을 깨뜨리기 위해서는 유리잔의 진동수를 찾아내는 것이 첫번째 할 일이다. 유리잔을 막대기로 쳐 소리를 낸 다음 주파수를 찾는 방법이 있다. 이 방법은 소리의 지속 시간이 너무 짧기 때문에 보통의 실험장비로는 찾기 어렵다. 다른 방법으로 유리잔 둘레에 적당히 물을 묻힌 후 손가락으로 문지르는 것이다. ‘삐’하는 소리가 들릴 것이다. 이 소리의 진동수가 잔의 진동수다. 이제 이 소리의 진동수와 똑같은 음을 유리잔 앞에서 내보내기만 하면 된다.

유리잔의 진동수와 똑같은 소리를 만들기 위해서는 오실레이터와 오실로스코프가 필요하다(고등학교 물리실험실에 있는 실험기구인 오실레이터는 진동을 발생시키는 장치고, 오실로스코프는 파형을 관측하는 장치다). 오실로스코프를 준비하고 한쪽 입력부에는 오실레이터를, 다른 쪽 입력부에는 마이크를 연결한다. 오실로스코프 표시 형식은 (X-Y)형식으로 맞춘다. 이것은 1번 입력부으로 들어오는 신호는 X축에, 2번 입력부로 들어오는 신호는 Y축에 표시해 주는 방식이다.

만약 오실레이터와 마이크의 두 입력 주파수가 같다면 화면에 나타나는 그림은 원이나 타원, 또는 직선이 될 것이다. 유리잔을 문질러 나는 소리를 마이크로 담아내면서 오실레이터를 작동시키면 화면에는 복잡한 모양의 곡선이 나온다. 오실레이터의 주파수를 미세하게 조정하다보면 화면의 곡선이 원이나 타원, 또는 직선으로 나타난다. 즉 오실레이터가 유리잔에서 나오는 소리와 똑같은 주파수를 갖게 된 것이다(실제 피아노 건반에서 제일 높은 ‘도’음과 유사한 주파수를 갖는다).

이제 유리잔을 스피커 앞에 놓는다. 오실레이터를 앰프에 연결하고 출력을 최대한 높여서 소리를 내면 유리잔은 소리와 함께 미세한 진동을 하면서… ‘쨍’유리잔의 파편이 튕겨나가는 것을 볼 수 있다.

광(光)통신의 원리는?

현대는 고도 정보화 사회 또는 네트워크 사회라고 한다. 이 정보화 사회를 지원하는 것은 대용량의 전송량을 가진 광통신이다. 광통신은 반도체 레이저(LD) 또는 발광 다이오드(LED)의 빛에 신호를 실어 광 섬유 케이블을 통해서 원방으로 보내어 수신측에서 전기 신호로 복귀시키는 것이다.

전송 매체가 되는 광 섬유의 특징이 곧 광통신의 특징이라고 할 수 있다. 종래의 동과 같은 금속 매체에 의한 통신 케이블에 비해서 광 케이블의 장점은 전송 손실이 작고, 전송 대역폭이 넓고, 외부로부터의 유도 잡음을 주는 일이 없고, 동 케이블에 비해 가볍다. 또한 광 섬유의 주요 구성 원소는 규소(Si)와 산소(O)로서 지구상에 대량 존재하기 때문에 자원의 걱정은 없다. 그러나 광 섬유에는 심한 굴곡에 약하고, 파워 전송이 곤란하며, 절단 접속에 고도의 기술이 필요하다는 단점도 있다.

광 섬유의 도파원리인 빛의 기본적 성질인 굴절과 반사의 법칙은 다음과 같이 설명할 수 있다

①. 균질한 물질 중에서 빛은 직진한다.

②. 물질의 경계에서 빛이 반사될 때 그 입사각과 반사각은 동등하다.

③. 상이한 물질의 경계면을 빛이 투과할 때 경계면에서 빛이 진행하는 각도가 변화한다. 이것을 굴절이라고 한다.

굴절률과 굴절각, 입사각의 관계는 스넬의 법칙으로 구해진다. 입사각이 증가하면 굴절각도 따라서 증가하다가 입사각이 임계각과 같아지면 굴절각이 90°가 된다. 입사각이 임계각보다 큰 경우에는 투과광은 있을 수 없고 반사광만이 된다. 이것을 전반사라고 한다.

광 섬유는 빛을 보내는 투명한 유리나 플라스틱의 섬유로 된 코어와 낮은 굴절률을 가진 클래드가 둘러싸고 있다. 즉 코어는 클래드보다 굴절률이 높다. 코어와 클래드의 경계를 빛이 전반사하여 코어 내에 빛이 페입하여 진행하는 것으로 긴 방향으로 광신호를 전송할 수가 있다

질그릇속에 숨겨진 과학

사람은 자연 속에 살고 있지만 인위적이고 인공에 의한 문화를 만들어 간다. 문화는 자연과는 상반되는 개념이기도 하다. 그러나 우리문화는 자연과 일치하려고 하는데서 그 특징을 찾아 볼 수 있다. 어느 것이고 다른 문화에 비하면 자연에 더 가깝지만 그 가운데에도 우리 생활 문화의 소산인 질그릇은 자연 그대로 이다.

질그릇은 고령토로 만들며 산성인 물을 우리 건강에 좋은 pH7.5 정도의 약알카리성으로 변화시키는 효과가 바이오플라스틱이나 스테인레스 그릇보다 탁월하며, 변화시키는 효과가 좋은 재질은 백운석, 지오라이트, 맥반석, 규석, 점토, 장석순이다. 질그릇에 바른 유약에 의한 pH의 변화는 무시할 수 있을 정도의 작은 양이며 pH 변화는 주로 질그릇 자체의 재질(광물질)에 의해 일어나며 전통 질그릇에는 미세한 공기 구멍이 있어 담겨있는 음식물의 신선도를 오래 유지할 수가 있다.

음식물이 닿는 질그릇 안쪽은 매끄럽게 도장을 하는 광명단 유약보다 천연유약이나 유약을 칠하지 않는 쪽이 질그릇 성능을 좋게 하는 미세한 공기구멍을 살릴 수 있다

공기구멍에 흡착된 이 물질은 세제나 숯가루를 탄 더운물에 우려 숯을 넣고 햇볕에 말리는 것이 좋다. 질그릇의 선도 유지능력을 더 향상시키기 위해선 뚜껑이 닿는 곳에 공기유통을 막을 수 있는 장치를 해야 한다.

지하수가 수돗물보다 약알칼리화 하는데 빠르며, 건강음료가 pH7.5 정도라는 학설에 의하면 지하수를 2일 정도 묵혔다 먹는 것이 좋다. 질그릇에 묵힌 물은 식물, 동물 생장과 이스트 발효에 효과가 있다.

질그릇은 센 불로 끓일수록 음식 맛을 좋게 하며, 표면에 공기구멍이 발달하여 음식물의 냄새를 정제, 선도유지능력, 김치 맛을 좋게 하는 기능이 있다

자동차 타이어의 홈 모양

자동차나 자전거, 모터사이클 등에는 타이어가 사용된다. 타이어는 자동차를 지면과의 마찰력에 의하여 움직이게 하고 정지시키며, 운행방향을 바꿀 수 있고 지면과의 충격을 흡수하는 구실도 한다.

  타이어는 차의 종류에 따라, 차의 무게, 안정성 등이 커질수록 폭이 넓어졌다. 예전에는 자동차의 타이어도 자전거의 타이어처럼 타이어 안에 고무튜브를 넣어 사용하였지만, 현재는 특수한 용도를 제외하고는 튜브가 없는 타이어(튜브레스 타이어)가 사용되고 있다. 튜브레스 타이어는 부품을 줄일 수 있는 것 외에도 펑크가 났을 경우 급속하게 바람이 빠지지 않아 중대한 사고를 방지할 수 있게 해준다.

  타이어를 잘 살펴보면 여러가지의 홈이 파여져 있는 것을 볼 수 있다. 이 홈은 트래드 패턴이라 불리우며 자동차의 용도에 따라 여러가지 모양을 하고 있는데 크게 네가지형으로 나눌 수 있다.

  홈모양에 따라 직진성, 미끄럼의 정도, 충격흡수력, 소음의 정도가 달라지는데 리브패턴은 옆으로의 미끌림이 적고 회전저항이 적어 앞으로 잘 나아갈 수 있고 안정성이 좋으며 소음이 적으나 제동력과 충격흡수력이 낮다. 러그패턴은 앞으로의 미끌림이 적어 제동력이 우수하고 충격흡수력이 높은 반면 소음이 많고 소음이 크다. 홈모양이 복잡한 것이 앞과 옆의 미끌림 차가 적다.

  홈모양에 따른 자동차의 선정은 승용차에는 리브와 블록패턴을 혼합한 모양의 것, 고속용 버스나 시내버스에서는 리브패턴, 대형트럭이나 짚에는 러그패턴이나 리브-러그패턴이 주로 사용된다.

대포양끝에 구멍을 뚫은 이유

전쟁기념관이나 군인부대를 견학하였을 때 탱크에 달려있는 대포의 포신을 보면 끝 쪽에 양쪽으로 구멍이 뚫어져 있는데 일반적인 대포와 달리 왜 구멍이 뚫어져 있을까 하는 의구심이 생기게 된다.

물체가 운동을 할 때는 뉴턴의 운동법칙에 의하여 관성의 법칙, 가속도의 법칙, 작용 반작용의 법칙 등이 성립하는데 대포의 문제에 있어서는 이중에 작용 반작용의 법칙이 적용된다. 총을 쏠 때에 총탄이 나아가는 반작용으로 인하여 총의 개머리판이 위치한 어깨가 뒷쪽으로 밀리는 것을 느끼고 또 보게 된다. 이것은 스케이트를 신고 얼음판 위에 선 상태에서 두사람이 서로 밀었을 때 나타나는 현상으로 쉽게 체험하여 볼 수 있다. 몸무게가 무거운 사람이 가벼운 사람보다 덜 밀리게 되지만 두사람이 동시에 뒤로 밀리게 된다. 이러한 현상이 뉴턴의 작용 반작용의 법칙인 것이다.

마찬가지로 대포도 어마어마한 힘으로 포탄을 밀어내는 것이기 때문에 대포 자체는 뒤로 밀리게 된다. 지상이나 군함에 설치되어 있는 대포의 발사 모습을 보면 대포에 완충장치가 있어 포신이 뒤로 밀려 들어가는 것을 관찰할 수 있다.

그러나 탱크에 설치되어 있는 대포는 탱크자체가 포탄의 반작용을 흡수하여야 하기 때문에 특별한 방법이 필요하다.

포탄이 발사되면 포신속의 공기를 상당한 압력으로 뚫고 나아가야 하는데 이 공기의 반작용 압력을 줄여주는 방법이 바로 포신에 구멍을 뚫는 것이다. 포신에 구멍을 뚫으면 포탄이 나아갈 때 밀어내는 공기의 양이 많아져 반작용을 줄여줄 수 있을 뿐더러 소리의 분산효과도 있고 방열에 의한 냉각효과와 아울러 포구에서 일어나는 먼지의 분산효과도 있게 되는 것이다.

아날로그와 디지털의 차이점

1) 아나로그(Analogue)

아나로그란 말은 유사, 유추하다는 말로 우리가 어떠한 양을 표현할 때 사용하는데 그 양의 크기 또는 정도가 연속적인 것을 말한다. 라디오의 주파수 선택 다이얼판, 바늘이 돌아가는 시계등 현재의 상태를 정확하게 말하기는 어려우나 얼마쯤 될 것이라는 추측의 양으로 예전에는 어느 것의 크기나 양을 나타내는데 거의 아나로그 방식을 취했다.

2) 디지탈

디지탈(Digital)이란 어떠한 양이 아나로그와 같이 연속적으로 나타나는 것이 아니라 단계적으로 표시되는 것으로 양과 양사이의 경계가 뚜렷하다. 액정글씨로 표시되는 시계, 계량기등이 이에 속한다. 음악 데이터를 저장할 때 플라스틱 레코드판을 아나로그 양이라 할 때 요즘 유행하는 CD(컴팩트 디스크)는 디지탈에 속한다.
3) 왜 디지탈 방식으로 전환되고 있는가?

가정에 있는 전축에 있는 레코드판은 그림에서와 같이 소리의 높낮이와 세기가 홈으로 파여져 있어 이곳을 바늘이 통과하면서 그진동을 받아내고 전기적인 신호로 바꾸어 주는 것인데 이때 레코드판이 긁히거나 이물질이 묻어 있을 경우에 바늘은 레코드판의 홈을 제대로 읽어 내지 못하게 되어 음의 재생시에 잡음이 끼어 들어가게 된다. 라디오를 들을 경우 찌직거리는 잡음도 전파가 날아오는 도중에 번개같은 전기적인 충결파를 만나 방송의 소리에 영향을 주게 된다. 바로 이점이 아나로그 방식의 주된 단점인 것이다.

 디지탈 방식의 신호는 부호 방식을 1과 0 두가지로 구분하여 기록 재생하기 때문에 1과 0의 중간 부분은 그 강도에 따라서 1이나 0에 속하기 때문에 어지간한 외부 신호가 가해진다 하더라도 주신호에는 영향을 미치지 못한다.

번개와 피뢰침

1) 번개구름의 생성

번개가 치려면 먼저 고압의 전기를 가진 번개구름이 형성되어야 하는데 이 구름은 고온 다습한 공기가 상승기류를 타고 오를 때 그 속에 포함되어 있는 수분이 상승하면서 낮은 기온으로 응결되어 작은 물방울 또는 얼음알갱이 상태로 공중에 형성된다. 상승기류가 올라 갈 때 이와 반대되는 하강기류와 난류가 되어 기류 입자간의 상호 작용 또는 차거운 기단과 따뜻한 기단이 교차되면서 따뜻한 기단의 상승에 의한 상호작용으로 구름에는 플러스(+) 및 마이너스(-) 전기가 축적된다.

2) 번개구름의 작용

상승기류가 9km 정도의 상공에 도달하면 생성된 전하의 크기가 커져 대전(帶電)된 구름간에 번개현상이 나타나고 이어서 소나기가 오기 시작하고 전기활동이 활발하게 일어나는데 그 시간은 약 10분에서 30분정도가 된다. 구름이 소나기가 되어 어느 정도 소모되고 나면 구름 내부의 절연이 허물어져 전기의 꼭지점이 땅을 향하게 되고 땅의 전기적 꼭지점과 방전(코로나 방전: 100만볼트)을 하여 중화된다. 그리고 소나기가 끝나면 구름이 사라지면서 약한 강우가 약 20분정도 내리고 번개구름의 작용이 끝나게 된다.

번개는 요란한 천둥소리를 동반하게 되는데 이는 비행기가 속도가 빨라져 음속을 돌파할 때 나는 소리의 원리와 같이 빠르게 진행하는 전기의 살이 공기를 통과하면서 음속을 넘어서기 때문에 나는 소리이다.

3) 피뢰침의 역할은?

번개구름의 전기 꼭지점이 땅으로 향하게 되면 땅 위의 돌출된 부위가 꼭지점이 되어 전기적인 방전이 일어나는데 이를 벼락이라고 한다. 소나기가 올 때 들판에서 우산을 쓰고 간다거나 비를 피한다고 나무 밑에 들어가면 벼락에 맞을 확률이 높다. 농촌 들판에 원두막은 벼락이 노리는 최적의 장소이다.

지붕이나 옥상등 벼락이 치기 쉬운 곳에 벼락을 유도하도록 인공적으로 전기 꼭지점을 만들어 주면 구름의 전기가 높아졌을 때 전기를 유도하여 조금씩 빼앗아 옴으로서 벼락을 방지할 수 있다. 이러한 도구를 피뢰침(避雷針)이라 하는데 엄격히 말하면 도뢰침 (導雷針)이라고 하여야 할 것이다. 번개가 심하게 칠 때 피뢰침을 보면 약한 전기 불꽃이 일어나는 것을 관찰할 수 있다. 피뢰침으로 벼락을 예방할 수 있는 범위는 피뢰침의 높이와 같은 반경이다.

형광등의 원리

 1) 가정용 전등

우리 인류가 캄캄한 밤에 어둠을 밝히기 위한 조명의 역사는 달빛에서 시작하여 모닥불, 동물의 기름, 석유, 양초에 이어 전기를 사용하기 까지 수많은 변천을 하여 왔다.

진공 중에서 필라멘트(저항체)에 전기를 통하여 주면 빛을 발한다는 것을 에디슨이 처음 발견한 이래 수많은 시행착오를 거쳐 요즘의 백열전등이 개발되었지만 백열전구는 소모되는 전기의 양이 많고 색의 영역이 붉은색 쪽에 치우쳐 있어 단순조명을 제외한 업무용 조명에는 적당하지 않다.

2) 형광등

백열전구에서 한단계 더 발전한 것이 고압에서 전기의 방전을 이용한 형광등이다. 전기는 번개와 같이 고압에서 공중으로 튀어나가 불꽃을 만들게 되는데 이 때 필라멘트에서 튀어나온 전자가 봉입된 가스를 이온화 시키고 유리면에 발라져 있는 형광물질을 자극시켜 우리가 보는 것과 같은 형광등의 불빛이 되는 것이다. 우리가 쉽게 볼 수 있는 형광등의 구성품을 보면 형광램프, 안정기, 글로우램프(스타트 램프)등이 있는데 형광램프는 위에서 설명한 바와 같고 안정기와 글로우 램프는 고압을 만들어 방전을 시키고 방전이 일어난 이후에는 일정한 전류가 흐르도록 해주는 역할을 한다.

형광등의 단점 중 중요한점은 방전 불꽃이 1초에 60번 깜박인다는 것이다. 그러나 우리눈은 그렇게 민감하지 않기 때문에 1초에 20번 이상 깜박이면 계속 켜져 있는 것으로 인식을 하는데 이것을 잔상효과라 하며 영화필름이 1초에 24장 바뀔 때 연속된 동작으로 느끼는 것과 같다. 형광등의 수명이 다 되면 방전이 제대로 일어나지 않기 때문에 깜박이는 것을 느낄 수 있다.

형광등이 점등될 때 심하게 깜박이면 글로우 램프가 기능을 상실한 것이고 형광등 가장자리가 검은색으로 변하면서 불빛이 너울거리거나 깜박거리면 형광등 수명이 다한것으로 해석하면 된다.

요즘에 와서 인버터, 또는 바이오 스탠드라는 것이 나오고 있는데 형광등의 최대 단점인 깜박거림을 해소시켜 주는 것이다. 가정용 전기는 1초당 60번 플러스 마이너스가 바뀌는 교류전원인데 이를 전자회로를 이용하여 1초에 수만회 바뀌도록 전환하여 형광등회로에 이용하면 우리 눈으로 깜박거리는 현상을 전혀 느낄 수가 없어 눈의 피로를 줄여주는 것이다

전자파 장애란?

1) 전자파(電磁波)란 무엇인가?

플러스와 마이너스 전기가 교대로 흘러서 생기는 전기진동으로 전기회로를 통하여 얻어지는데 높은 주파수의 전자파는 인체에 흡수되어 열을 발생하는 등 우리 몸에 노출시키면 좋지 않다.

전자파는 주로 전자회로를 사용하는 기계에서 발생되는데 대표적으로 전자레인지, 컴퓨터회로, 무전기등을 들 수 있다.

2) VDT(Visual Display Terminal) 증후군이란?

VDT 즉 영상 단말장치는 텔레비젼, 컴퓨터 모니터등을 말하는 것으로 30Hz정도의 저주파의 전자파를 방사하고 15,000 V 정도의 정전기가 발생하여 인체에 영향을 주게 되는데 장시간 시청이나 작업을 하면 눈의 피로, 시력감퇴, 두통, 목 손목등의 통증등을 유발시킨다고 세계 각국의 연구보고서에 발표되고 있다. 하지만 현재 우리가 사용하고 있는 전자기기에서 발생하는 전자파로 나타나는 직접적인 질병이 확인된 것보다도 컴퓨터등을 장시간 사용하므로서 고정적인 자세를 오랜 시간 유지하면서 생기는 부수적인 병이 더 많은 것으로 나타나고 있다.

즉 컴퓨터 모니터를 계속적으로 주시하므로서 눈을 검뻑이는 횟수가 줄어들어 눈이 마르게 되어 눈의 피로를 느끼게 되고 한 자세로 오랫동안 작업하므로서 근육의 경직에서 오는 통증등이 주류를 이루고 있다.

 ) VDT 증후군을 예방하기 위한 간단한 체조법

컴퓨터 작업을 직업으로 하는 사람들은 아래의 눈 체조와 작업환경의 변화를 통하여 현대 직업병인 VDT 증후군을 예방하여야 하겠다.

먼저 자신의 작업대상인 의자높이, 팔의 높이, 시선의 높이등을 제일 편한 자세로 조정한다.

※ 의식적으로 자주 눈을 깜박인다.

※ 깜박이는 동안에 눈이 젖도록 눈을 완전히 감는다.

※ 가끔 물로 눈을 씻어준다.

※ 콘텍트 렌즈 사용자는 특히 주의한다.

※ 방금 잠자리에서 일어나는 것처럼 기지개를 킨다

※ 안면의 근육을 운동시킨다.

열은 어떻게 전달될까?

1) 열의 이동

그림과 같이 어떠한 물체에서 온도가 높은 부분과 온도가 낮은 부분이 존재할 때 시간이 흐름에 따라 온도가 높은 부분에서 온도가 낮은 부분으로 열이 이동하여 결국에는 같은 온도가 되어 버리고 만다. 이러한 현상은 고체, 액체, 기체에 관계없이 자연계에 존재하는 모든 물질에 있어서 같은 현상이 일어난다. 여기서 물체의 온도가 다른 부분보다 높다는 것은 그 부분의 분자들의 운동이 다른곳보다 더 활발하다는 것이다.

열의 전달방법에는 크게 세가지가 있는데 이런 작용들이 복합적으로 합해져 전달되기도 한다 ※열전도:

 고체내 온도차이가 나는 분자들이 상호작용에 의하여 위치는 변화하지 않고 높은 온도에서 낮은온도로 내부에너지만 전달하여 주는 방식

※대 류 :

 액체나 기체내부에서 온도가 균일하지 않을 때 높은 에너지의 분자가 낮은에너지의 분자쪽으로 이동하여 전달하여 주는 방식

※복 사 :
 같은 물체가 아닌 상태에서 매질이 없이 열이 전달 되는 것으로 열을 발산(높은온도), 흡수(낮은온도) 에 의하여 열이 전달된다

2) 물질의 열전도 정도는?

고체에서의 열전도도(열을 전달하여 주는 정도)는 금속종류가 열을 잘 전달하고(양도체) 비금속은 잘 전달되지 않는다(불량도체).

우리 실생활에는 열전도율의 차이를 이용한 것이 많으나 경제적인 점도 고려하여야 하고 쓰이는 용도에 따라 알맞는 재질을 선택해서 이용하여야 한다. 사용되고 있는 예를 들면 다음과 같다.

▷ 열전도율이 높은 물질 이용

※방열기(라디에이터), 구리관(보일러 배관),

▷ 열전도율이 낮은 물질 이용

※벽, 지붕의 단열재

※의복재료, 재료사이에 공기층을 두어도 좋은 효과

※추울 때 신문지 한장으로도 보온효과

※이중창문, 보온병(이중벽 사이 진공처리)

※겨울철 과일저장(왕겨)

소리는 어떻게 전달될까요?

1) 소리란 무엇인가?

소리는 공기의 진동으로 설명되어지는데 발생된 소리는 그림과 같이 공기의 압력을 소(疏)하고 밀(密)하게 하여 전달되어 나간다. 이 소밀이 자주 반복되면 높은 소리가 되고 반대로 되면 낮은 소리가 되며 공기를 밀어 내는 압력이 크면 큰소리가 된다.

2) 소리는 어떻게 전달되는가?

우리 귀에 공기의 압력 변화로 전달된 소리는 먼저 귓바퀴에서 소리를 모아서 중이로 들어와 고막을 울려주게 되고 망치뼈, 등자뼈, 모루뼈에서 임피던스 변환을 하고 달팽이관에서 소리의 세기, 고저등을 분류하여 청신경을 통하여 뇌에 전달되게 된다.

우리 인간이 들을 수 있는 소리의 한계는 주파수 16Hz-16000Hz 범위이며 크기로는 0dB-130dB로 나이, 성별, 주변 환경등에 따라서 감지하는 범위가 틀려지게 되며, 4000Hz 대에서 제일 먼저 난청 현상이 오게 되는데 눈과 틀리게 난청이 되고 있는 사실을 잘 모르고 지내게 된다.

난청이란 특정소음에 오랫동안 노출되거나 큰소리에 노출되면 오게 되는데 일시적 난청과 영구난청으로 분류된다

전자레인지와 마이크로파

전자레인지는 가스레인지 전기밥솥 커피끓이개와 같은 부엌살림과 매우 다르다． 가스불이 있는 것도 아니고 전기 가열 장치가 있는 것도 아닌데 스위치만 누르면 커피나 우유를 쉽게 데울 수 있다． 감자와 고구마도 익힐 수 있고 피자도 데워 먹을 수 있으니 실로 만능 조리기처럼 보인다．

도대체 이 기계는 어떻게 음식을 데우기도 하고 끓이기도 할까． 전자레인지는 흔히 생각하고 있는 것처럼 만능 조리기일까． 우선 마이크로파가 어떤 일을 하는지부터 살펴보자． 흔히 수㎝ 정도의 파장을 지니는 라디오파를 마이크로파（전자기파의 일종）라 부른다． 이런 전자기파를 물 분자에 쪼여 주면 물 분자는 마이크로파의 에너지를 흡수해 격렬하게 회전 운동을 하면서 온도가 올라간다． 전자레인지의 스위치를 켜면 바로 이 마이크로파를 만들어 낸다． 이 마이크로파는 레인지에 넣은 식품을 때리게 된다． 유리 도자기 플라스틱은 마이크로파를 흡수하지 못하고 통과시킨다． 식품 속의 작은 분자 특히 물은 마이크로파를 흡수해 가열된다． 이 때문에 우리는 레인지로 인삼차를 쉽게 데울 수 있다． 또 시금치를 데칠 수도 있고 피자도 따끈하게 데워 먹을 수 있다．

더구나 전기나 가스 레인지， 전기나 가스 오븐은 식품의 표면부터 가열하지만 전자레인지는 식품을 동시에 골고루 가열하므로 조리시간을 절약해 준다． 따라서 비타민같은 영양분의 파괴가 상대적으로 적고 음식물이 타지 않는 장점을 지닌다． 단， 은박지와 금속 식기류는 마이크로파를 반사하기 때문에 가열되지 않을 뿐더러 끝이 날카로운 금속에서는 마이크로파가 집중되어 스파크까지 일어날 수 있으므로 주의해야 한다．

모든 전자기파가 그렇듯이 마이크로파도 인체에 닿으면 해롭기 때문에 전자레인지로 데우거나 조리한 식품이 건강에 해롭지 않을까 하는 우려가 있다． 그러나 앞에서 설명한대로 마이크로파로 가열하는 원리를 생각해 보면 걱정할게 없다． 또 전자레인지는 엄격한 안전 규격에 따라 생산되기 때문에 레인지 문을 꼭 닫고 제조회사가 추천한 방법에 따라 사용하면 우리 몸에 마이크로파가 닿을 위험이 없다．

분자의 회전운동은 분자를 만들고 있는 원자의 질량， 결합길이 및 결합각도에 의존한다． 이 원리를 이용하여 화학자들은 마이크로파 흡수 현상으로부터 분자의 구조를 정확히 알아낸다．

그렇다면 똑같은 원리를 이용하여 매일 전자레인지로 우유를 따끈히 데워주는 어머니는 어느새 마이크로파 응용화학자가 된 것이 아닌가． 이처럼 과학은 우리 생활속 깊숙이 자리잡고 있는 것이다．

궤도열차(Roller Coaster)의 원리

1) 롤러 코스터(Roller Coaster)는 어떠한 방식으로 움직이는가?

우리가 흔히 가볼 수 있는 놀이동산에는 청룡열차 또는 공포열차등으로 불리는 궤도열차가 있다. 이 궤도 열차는 여러가지 종류가 있지만 여기에서 설명하고자 하는 것은 나선형(회전나사식)으로 회전하면서 진행하는 방식을 말한다.

그림에서와 같이 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하면서 그 위치에너지가 운동에너지로 바뀌면서 움직이며 거꾸로 되어 있는 상태에서도 떨어지지 않고 원운동을 하면서 짜릿한 쾌감을 즐길 수 있는 것이 롤러 코스터인 것이다.

2) 위치에너지와 운동에너지는 무엇을 말하는가?

공을 하늘을 향하여 던졌을 때 최고점에서의 공은 그 높은 위치만큼 위치에 따른 에너지를 가지고 있다고 볼 수 있으며 반대로 움직일 수 있는 운동에너지는 0의(Zero) 상태라고 볼 수 있다. 다시 공이 떨어질 때를 생각하면, 높이가 낮아짐에 따라 위치에너지는 점점 감소하면서 떨어지는 속도가 빨라져 운동에너지는 증가하게 된다. 땅에 닿는 순간에는 위치에너지가 0이 되면서 운동에너지는 최대가 된다. 이렇게 위치에너지와 운동에너지는 서로 역의 관계에 있다고 볼 수 있는 것이다.기본점을 어디에 두느냐에 따라서 그 크기는 달라질 수 있지만 우리는 그 기본점에 대하여는 문제 삼지 않아도 된다.(이러한 점까지 따진다면 벌써 생활과학의 수준을 벗어나니까)

이러한 상황을 그림으로 설명하면 아래와 같다.

3) 어떠한 원리로 꺼구로 된 상태에서도 떨어지지 않는가?

바가지에 물을 담고 그것을 거꾸로 하면 당연히 쏟아지고 만다. 그러나 종이컵에 물을 담고 이 컵에 실을 매어서 돌리면 (정월 보름날 쥐불놀이처럼) 물은 쏟아지지 않고 오히려 거꾸로 된 위치에서 위쪽으로 붙어있게 된다. 이러한 현상은 구심력과 원심력이 작용하기 때문이다.

그림에서 실에 매어져 회전하고 있는 물체는 원의 중심점에 구심력이라는 힘이 작용한다. 또 이와 반대되는 힘으로 물체가 바깥쪽으로 튀어 나가려고 하는 원심력이 작용하게 되는데 이 두 힘은 평형을 이루게 된다.

롤러 코스터에 탑승하고 있는 사람도 궤도열차의 회전에 의하여 회전하는 원 바깥으로 밀려나는 힘을 받는데 이 힘이 거꾸로 된 상태에서도 밑으로 떨어지지 않게 해주는 것이다. 이 때 열차의 속도는 계산에 의하여 규정된 속도이어야 하며 너무 늦게 돌면 떨어지게 되고, 빠르면 타고 있는 사람이 바깥쪽으로 향하는 힘이 너무 세어지게 되어 큰 중력을 받게 된다. 이 원심력은 여러가지 운동에서 발견할 수 있는데 자동차가 커브길을 돌 때, 실험실의 원심분리기, 세탁기의 탈수장치등에서 볼 수 있다.

특히 앞으로 세워질 우주 정거장에서의 인공중력은 이러한 회전체의 원심력을 이용하여 만들어진다.

다이아몬드와 무지개의 산란효과

1) 빛의 굴절

다이아몬드가 반짝이는 이유는 빛이 진행하다가 현재의 매질과 다른 매질로 들어 갈 때 굴절되는 현상 때문이다. 빛이 굴절된다는 것은 빛의 경로가 직선으로 나가다가 꺽이게 되는 것을 현상을 말한다. 이러한 현상을 쉽게 볼 수 있는 경우는 그림과 같이 물 속에 있는 물체가 떠 보이는 경우이다.

물질에는 소한 매질(딱딱하지 않음)과 밀한 매질(딱딱함)이 있는데 빛이 이 두 물질간을 이동할 때는 그 진행속도에 차이가 생겨 굴절되는 것이다. 제 1매질이 진공일 때 제 2매질의 굴절률을 절대 굴절률(보통 말하는 굴절률이며 공기와의 굴절률도 마찬가지이다)이라 하고 굴절률진공이 아닌 매질사이의 굴절률을 상대 굴절률이라 한다. 또 빛의 색깔에 따라서도 굴절되는 정도가 틀리게 되는데 비온 뒤의 무지개가 나타나는 현상이나 다음과 같은 프리즘을 예로 들 수 있으며 파장이 짧을수록 굴절이 심하게 일어난다 볼록렌즈나 오목렌즈가 빛이 모이고 퍼지는 현상도 이러한 굴절의 법칙을 이용한 것을 알 수 있다.

앞에서 얘기한 굴절의 법칙을 다음의 그림으로 설명할 수 있다.

그림에서와 같이 정확하게 수직으로 입사하는 빛은 굴절되지 않는다.

굴절과 같은 성질로 전반사 현상이 있는데 빛이 밀한 매질에서 소한 매질로 들어갈 때 입사각의 변화에 따라 굴절각이 물질의 경계면을 지나치게 되어 밀한 매질로 반사하게 된다. 이러한 현상을 전반사라 하는데 밀한 정도가 더 할수록 작은 입사각에서 전반사가 일어난다. 즉 그림에서와 같이 다이아몬드에 입사된 빛은 전반사 현상이 심하게 일어나기 때문에 빛이 다이아몬드 안에서 빠져 나오지 못하고 전반사에 전반사를 거쳐서 조그만 양의 빛이 들어가더라도 반짝이게 되는 것이다.

2) 사막의 신기루

빛이 굴절하는 것은 통과하는 매질의 단단한 정도 차이에 기인하는 것으로 같은 공기라도 고도와 온도에 따라 그 밀도(단단한 정도)가 틀리고 온도에 따라서도 밀도가 틀리게 되어 굴절률이 다르다.

그림에서와 같이 뜨거운 모래에 의하여 데워진 뜨거운 공기층이 렌즈 구실을 하여 멀리서부터 오는 빛을 굴절시켜 신기루 현상이 나타난다.
3) 투명인간과 굴절률

제목에서와 같이 투명인간과 굴절률은 어떠한 관계가 있을까?

우리가 알고 있는 투명인간은 보이지 않는 사람을 뜻하는데 우리눈에 무엇이 보인다고 하는 것은 물체에 부딪친 빛이 반사하거나 물질을 통과하면서 굴절 현상으로 인하여 눈 속의 망막에 상을 맺기 때문이다. 만약 유리가 공기의 굴절률과 같다고 치면 그 유리가 어떠한 모양을 가지고 있는지 알 수가 없다. 마찬가지로 투명인간이라고 하는 것은 유리와 같이 투명하고 공기와 굴절률이 같아야 우리눈에 보이지 않게 되는데 어떠한 투명인간도 눈의 망막에 상이 맺쳐야지만 물체를 볼 수가 있다. 하지만 투명인간 자신의 눈에 들어온 빛은 자신이 투명하기 때문에 망막에 상을 맺지 못하고 통과해 버리게 되어 자신이 자신을 볼 수 없을 뿐더러 딴 사람이나 어떠한 물체도 보지 못하게 된다.

이러한 굴절률의 차이로 투명인간이란 동화나 영화에서나 볼 수 있지 현재 과학의 수준으로는 존재할 수가 없는 것이다.

물에 유리막대를 담그면 서로가 굴절률이 다르기 때문에 유리막대를 볼 수가 있지만 벤젠용액에 파이렉스 막대를 담그면 요술처럼 사라져 버리는데 벤젠과 파이렉스는 서로 굴절률이 비슷하기 때문이다

입체영화와 매직아이(Magic-Eye)의 원리는?

1) 입체의 정의는?
그림의 선과 같이 길이만 존재하는 세계가 있을 수 있다. 이와같이 선을 표현할 때 1차원이라한다.

그림과 같은 사각형이 있다고 하자 이 사각형은 선에서 발전하여 어떠한 넓이를 가지고 있다. 이렇게 넓이를 가지고 있는 면을 우리는 2차원이라 한다. 이러한 1차원, 2차원의 세계는 우리 눈에 실제적으로 보이지는 않는다. 그러나 마음속으로 그려 볼 수는 있다. 왜냐하면 우리 눈에 보이는 세계는 모든 것이 3차원으로 이루어졌기 때문이다
그러면 3차원이란 무엇일까? 3차원이란 넓이를 가지고 있는 면에서 한단계 더 발전하여 깊이를 가지고 있는 것이다. 1차원이나 2차원을 볼 때는 한쪽 눈으로 보나 두눈으로 보나 보이는 내용에 있어서 별 차이가 없다. 하지만 3차원의 세계는 선과 면 이외에 깊이가 있어 한쪽 눈으로 볼 때와 두눈으로 볼 때는 상당한 차이가 나게 된다. 입체란 이렇게 가로, 세로, 높이 세 개가 어우러져 이루는 모양이 된다.

 2) 입체를 보는 시각
한쪽 눈으로 물체를 바라보면 모든 물체는 입체라는 잠재의식의 작용으로 입체로 생각될 따름이지 실제 입체로 보이는 것은 아니다. 모든 동물은 두개의 눈을 가지고 있기 때문에 입체라는 개념이 생겨나고 또 입체로 볼 수 있는 것이다.

입체로 본다는 의미는 물체와의 거리감이 직감적으로 느껴진다는 것이 내포된다. 그림과 같이 양손에 연필을 잡고 팔을 벌렸다가 서서히 안쪽으로 오무리면서 양 연필 끝이 맞닿는 실험을 하여 보면 한쪽 눈과 두 눈의 거리 감각작용을 확실하게 느낄 수 있다. 실험시에 양손과 몸과의 거리를 적당하게 유지하여야 한다.(처음에 너무 내뻗거나 오므리면 실격)

3) 입체영화는 어떠한 방법으로 이루어지는가?
보통의 영화는 앞에서 말한 한쪽 눈으로 보는 것(영화 촬영시에 한대의 촬영기로 촬영하는 것)과 같이 거리감각이 존재하지 않는 것인데 반하여 입체영화는 화면과의 거리는 느껴지지 않고 오직 화면에 구성되어 있는 영화장면이 마치 창을 통하여 보고 있는 것처럼 완전한 거리감이 생기게 된다. 입체영화를 촬영하려면 두대의 촬영기로 우리 눈이 양쪽 눈으로 물체를 바라볼 때처럼 좌 우 동시에 촬영을 한다.
촬영한 두개의 필름은 그림과 같이 좌 우로 약간의 차이를 보이게 되는데 이 두 장면의 그림 사이에 검은 종이를 세우고 왼쪽 그림은 왼쪽 눈으로 오른쪽 그림은 오른쪽 눈으로 동시에 보게 되면 입체로 보이게 된다.

촬영된 필름을 어떻게 왼쪽 눈 따로 오른쪽 눈 따로 볼 수 있을까? 일반 입체영화에서는 빛의 성질 중에서 편광이란 성질을 이용하고 있다. 빛은 사방으로 진동하면서 진행하다가 편광물질을 지나게 되면 한 방향으로만 진동을 하게 되는데 진행 도중 현재의 진행?향과 직각으로 놓인 편광물질을 만나면 더 이상 진행하지 못하게 된다.
영화의 영사기 앞에 편광판을 삽입하면 그 편광판의 편광?향으로만 진동하는 빛이 영사 스크린에 비춰지게 되는데 그와 직각방향의 편광안경을 착용하고 보면 보이지 않고 영사기의 편광판과 같은 방향의 편광안경으로 보면 보이게 된다. 이와 같이 영사기와 안경에 편광판을 설치 함으로써 좌우 두 눈은 틀린 영상을 볼 수 있다.

 4) 매직아이(Magic-Eye)란?
매직아이는 외국에서 붙여진 입체그림의 이름이다. 원칙적으로 이야기 하자면 "입체그림"이라고 할 수 있으며 .입체그림도 입체영화의 원리와 같지만 영화는 부담감 없이 입체감을 즐길 수 있는 반면 그림은 그 원리를 이해하고 눈의 촛점을 맞추어야 한다.
두눈으로 물체를 바라 볼 때 거리감(遠近感)이 느껴진다고 하였는데 이 거리감을 느끼는 원리는 그림과 같이 하나의 물체를 두눈으로 볼 때 물체와 두눈과 이루는 각도가 크면 가까이 있는 물체이고 작으면 멀리 있는 물체이다.

매직아이를 자세히 보면 여러 개의 중복된 그림이 겹쳐져 있는데 같은 그림의 거리간격이 멀면 위로 떠 보이고 간격이 가까우면 뒤로 떨어져 보이게 된다.
아래 그림과 같이 우리들도 입체그림을 만들어 볼 수가 있는데 중요한 점은 같은 그림의 거리 간격이 일정하고 모양이 합동이 되어야 한다. 만일 거리 간격이 일정치 않으면 같은 그림이라도 앞뒤로 들쭉날쭉 하게 된다.