과학 잘하는 법

[햇빛내음]

[홈스쿨 길라잡이] ● 과학 잘하는 법 ①
                                      

실생활서 발생하는 현상 과학원리와 연관땐 흥미

장성규 두산에듀클럽 과학강사

대다수의 학생들이 과학을 어렵고 이해하기 힘든 과목이라고 생각한다. 국어나 영어처럼 실생활에 활용할 수 있는 것도 아니고 음악이나 미술처럼 감성을 자극하는 과목도 아니기 때문이다.

그러나 우리생활을 돌아보면 대부분이 과학을 바탕으로 이루어졌다는 것을 알 수 있다. ‘과학’이라는 용어 때문에 어렵게 생각되는 것이지, 실생활과 접목돼 편안하게 접할 수 있는 학문이라고 이해 한다면 과학공부가 한결 쉽게 느껴질 것이다.

쉬운 예를 들어보자. 못이나 철사 등 철 제품을 오랫동안 보관하면 녹이 슨다. 철이 산소와 수분을 통해 화학적인 산화 반응을 일으키기 때문이다. 그러면 철에 녹이 슬지 않도록 하기 위해서는 어떻게 하면 될까? 공기와 수분을 차단하면 된다. 철로 된 제품에 페인트 칠이나 도금을 하여 공기와 수분의 접촉을 막을 수 있다. 우리가 타고 다니는 자동차를 예쁜 색깔의 페인트로 칠해 놓은 것은 멋있게 보이기 위해서만은 아니다.

또 다른 예를 들어보자. 친구와 같이 탁구를 치다가 탁구공이 찌그러졌다고 하자. 새로운 탁구공을 살수도 있겠지만 ‘찌그러진 공을 다시 펼 수 있는 방법은 없을까?’하는 의문을 가질 수 있다. 찌그러진 탁구공은 뜨거울 물에 넣으면 다시 펴진다. 기체는 온도가 올라가면 부피가 커지게 되므로 탁구공을 뜨거운 물에 넣으면 탁구공안의 작은 공기 입자들이 활발한 운동에너지를 일으켜 탁구공 안쪽 벽을 밀어내면서 탁구공이 펴지게 된다.

이 밖에도 우리 주변에는 작은 궁금증에서 출발하는 쉽고 간단한 과학의 원리가 많이 숨어 있다. ‘하늘은 왜 파랄까?’ ‘바람은 왜 불까?’ ‘그림자는 왜 생길까?’ 등과 같은 궁금증들 속에도 놀라운 과학의 원리가 숨겨져 있다. 하늘이 파란 이유는 태양광선 중 하나인 가시광선 때문이다. 태양광선이 공기 중에 있는 산소, 질소 등 기체 분자를 비출 때 빛의 가시광선 중에 파란색 광선이 빨간색 광선보다 더 많이 산란되기 때문이다.

바람이 부는 이유는 공기의 움직임 때문이다. 공기가 따뜻해지면 가벼워져서 상승하게 되고 온도가 내려가면 무거워지면서 다시 지표면으로 내려오게 된다. 이와 같이 온도의 변화에 따라 기압이 변함으로써 나타나는 공기의 움직임을 바람이라고 한다.

그림자는 생기는 이유는 빛이 물건을 통과하지 못하기 때문이다. 빛은 직진하려는 성질이 있는데 빛이 나아가는 길에 물체를 놓으면 물체에 가로막혀 빛이 닿지 못하는 부분이 생긴다. 이것이 그림자이다.

스포츠에도 과학의 원리는 숨어있다. 멀리뛰기는 가속도를, 원반이나 聰宅？던지기는 원심력을 이용한다. 양궁은 활시위를 당길때의 탄성력을 이용하며 요트는 바람의 힘을 이용하는 것이다. 수영은 물의 마찰저항을 줄여가며 앞으로 나아가는 것이고 싸이클은 바퀴의 회전에너지를 속도에너지로 바꾼 것이다. 노를 젓는 조정이나 카누 경기에는 작용-반작용의 법칙이 적용된다.

이와 같이 일상생활에서 우리가 아무렇지도 않게 지나치던 현상들을 과학과 연관지어 생각하다 보면 저절로 과학에 흥미가 생기게 된다. 과학공부를 하기 전에 내 주변에서 발생하는 다양한 현상들을 통해서 과학의 원리를 찾아보는 것이 과학과 친해 질 수 있는 지름길이다.

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물리는 모든 자연과학 기본---원리 이해.문제풀이 연습을

물리는 모든 기초 자연과학의 기본이다. 우리가 흔히 접하는 주변의 자연현상에서 규칙성을 관찰하고 그 규칙성을 일반화하려는 일련의 작업이다. 물리는 실험을 통해 가설을 검증하는 학문이기 때문에 문제를 접할 때 스스로 생각하는 힘을 키워야 한다. 그러기 위해서는 물리의 여러 원리들인 속도 및 가속도, 관성, 중력, 작용반작용, 힘과 운동, 빛, 에너지 등을 이해하고 스스로 정의를 내릴 줄 알아야 한다.

▦관성=뉴턴의 운동법칙 중 제1법칙이 관성의 법칙이다. 물체가 자신의 속도를 유지하려는 성질을 ‘관성’이라고 하는데 차 안에서 급정지 시 몸이 앞으로 쏠린다거나. 돌부리에 걸려 앞으로 넘어질 때, 종이 위에 물체가 놓여있는 상태에서 재빨리 종이를 빼도 물체는 그대로 있는 경우 등도 관성의 법칙이 적용된다고 볼 수 있다.

▦중력=놀이 공원의 바이킹을 타고 내려올 때나 자동차를 타고 높은 언덕을 넘어 내려올 때 온 몸이 짜릿하며 붕 뜨는 느낌을 경험해 본적이 있는가? 이는 자신의 중심점으로 끌어당기는 힘인 중력 때문이다. 공기 중에 떠다니는 기체는 왜 중력의 힘을 받지 않을까? 기체의 밀도 차이 때문이다. 밀도가 높은 이산화탄소 같은 경우는 아래로 쌓인다. 비이커 안에 촛불을 켜 두면 일정시간 후에 불이 꺼지는 것을 보면 알 수 있다.

▦작용과 반작용=물체가 서로 힘을 미치고 있을 때, 한쪽 물체가 받는 힘을 작용이라 하고 다른 쪽 물체가 받는 힘을 반작용이라 한다. 노를 뒤로 저으면 배가 앞으로 나아가거나 얼음판에서 서로 미는 놀이를 할 때, 물살을 가르며 수영을 할 때도 작용반작용의 법칙이 적용된다.

▦속도 및 가속도=속도는 시간에 따른 위치의 변화량이며 크기와 방향이 있고 가속도는 시간에 따른 속도의 변화량을 의미한다. 경사진 평면을 따라서 공을 굴리면 시간이 경과함에 따라서 속도가 증가하는데 이와 같이 시간에 따라 속도가 변하는 것을 가속도라고 한다.

▦힘과 운동=힘과 운동은 물리 분야의 핵심적인 개념이다. 힘은 물체의 운동상태를 변하게 하는 원인이다. 위에 서술된 중력, 속력과 속도, 가속도 등이 힘과 운동의 개념에 포함된다. 물에 뜨는 부력이나, 정전기를 일으키는 마찰력, 용수철이 튀어오르는 탄성력 등이 힘의 원리에 포함된다.

물리의 원리를 잘 이해했더라도 꾸준히 문제를 풀어보지 않으면 시험 볼 때 당황하기 마련이다. 문제집에 출제 되었던 실험장면과 그래프, 도표는 주의 깊게 확인하고 외워두는 것이 좋다. ‘물리는 너무 어려워~’하며 처음부터 마음을 닫지 말고 흥미를 가지고 하나씩 접근하다 보면 물리도 재미있는 과학과목으로 발전하는 것을 느낄 수 있을 것이다.

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화학은 응용학문 밑바탕---기초 용어부터 숙지해야

화학은 환경공학, 화학공학, 식품과학 등의 기초가 되는 학문이다.

외국에서는 대학에서 화학을 공부하고 대학원 과정에서 응용학문을 공부한 사람들이 취업도 잘 되고 학문적으로도 크게 성공하는 것을 볼 수 있다.

중등과정에서는 물질의 특성과 화학반응 그리고 원자 개념에 대해 공부하고

고등과정에서는 이러한 기초를 토대로 좀더 구체적인 공부를 하게 된다.

화학은 기초가 부족하면 공부하기가 어려우므로 기초적인 용어부터 머리 속에 잘 정리해 두는 것이 좋다. 더불어 생활에서 접할 수 있는 다양한 화학반응 들을 통해 화학에 흥미를 갖도록 노력해 보자.

▦물질과 물질의 변화=물질은 공간의 일부를 차지하며 질량을 갖고 있는 하나의 물체다. 책상ㆍ책ㆍ신문ㆍ금ㆍ은ㆍ공기ㆍ물 등을 포함한 주변의 모든 것들이 다 물질이다. 물질은 크게 고체, 액체, 기체의 3가지 상태로 나뉘어져 있다.

쉬운 예로 물은 열의 출입으로 인해 기체인 수증기로 변하기도 하고 고체인 얼음으로 변하기도 한다. 얼음이 물로 변하는 현상을 화학적 용어로 ‘융해’라 하고 물이 수증기로 변하여 증발하는 것은 ‘기화’라고 한다. 이처럼 물질의 상태변화도 화학의 기초이다.

▦원자와 화학반응=한 종류의 원자로 만들어진 원소를 명명할 때 원소기호를 사용한다. 화학을 잘 하기 위해서는 복잡한 원소기호를 암기하는 것이 기본이다. 원소주기율표 펼쳐놓고 1번 수소부터 20번 칼슘까지 무조건 다 외워야 한다. 원자가 모이면 분자가 되고 분자들의 결합과 반응으로 새로운 물질이 만들어진다. 이러한 반응에서는 일정한 규칙을 갖게 되는데 질량보존의 법칙이나 일정성분비의 법칙, 기체반응의 법칙들이 화학반응에서의 나타나는 규칙성이다.

▦재미있는 화학반응들=겨울철에 인기있는 손 난로는 철이 공기중의 산소와 반응해서 녹슬 때 열이 발생하는 원리를 이용한다. 철이 자연적으로 녹슬 때는 오랜 기간에 걸쳐서 서서히 일어나기 때문에 열을 느낄 수 없으나 활성탄과 소금을 철 가루에 섞어서 산화반응이 빠르게 일어나게 하면 따뜻한 손 난로를 만들 수 있다.

화학반응의 원리를 알면 불 없이도 달걀을 삶을 수 있다. 생석회를 통에 담고 물을 부은 다음 그 속에 달걀을 담가 놓으면 시간이 지나면서 서서히 달걀이 익기 시작한다. 석회가 물에 녹아 수산화칼슘으로 변하면서 80도가 넘는 열을 내기 때문이다. 날 달걀로 못을 박을 수도 있다. 드라이 아이스와 알코올을 그릇에 담고 날 달걀을 넣어 5？정도 지난 후에 꺼내보자. 나무판에 못을 박을 정도로 달걀이 딱딱해져 있을 것이다.

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생물학은 생명현상 공부

생물은 물리학과 화학을 포함하는 넓은 범위의 학문으로 생물의 종류, 구조, 기능 그 밖의 연구대상에 따라 여러가지 분야로 나뉜다. 구조를 다루는 형태학적인 분야와 기능을 다루는 생리학적인 분야로 나누어보면 식물학, 동물학, 미생물학, 인류학, 세포학 등으로 분류할 수 있다.

최근 가장 이슈가 되고있는 황우석 박사의 줄기세포 연구등과 같이 생물학 연구가 활발해지면서 생물학의 내용은 점차 고도화되고 전문화되고 있다.

중ㆍ고등학교 학생들은 단순암기 해야 한다는 선입견 때문에 생물을 어렵고 힘든 학문으로 인식하고 있으나 생물학만큼 우리와 밀접한 관련이 있는 학문은 없다. 우리 몸이나 주변에서 일어나는 생명현상을 공부하는 분야이기 때문이다. 시골에서 자란 농부가 나무와 풀, 곤충의 이름을 더 잘 알고 잘 외우듯이 살아있는 모든 생물체에 흥미와 관심을 갖고 대하면 생물을 좀 더 효과적으로 공부할 수 있을 것이다.

◇세포가 커지지 않고 분열하는 이유=모든 생물은 기본 단위인 세포로 구성돼 있다. 생물이 성장하는 것은 세포의 크기가 커지는 것이 아니고 세포의 수가 증가하기 때문이다. 쥐와 코키리의 세포 크기가 같다면 코끼리의 세포 안은 훤히 들여다 보일 것이고 핵도 육안으로 관찰할 수 있을 것이다. 세포가 정상적인 생명 활동을 유지하려면 외부로부터 끊임없이 물질이 공급되어야 하고 또 노폐물도 밖으로 내보내야만 하는데 이때 세포막이 통로가 된다.

만약 세포가 계속 성장해 세포막의 넓이가 증가하면 세포 안쪽까지 물질 출입이 원활하지 못해 정상적인 활동을 할 수 없게 된다. 그래서 세포는 분열을 통해 표면적의 상대적인 크기를 넓히는 것이다.

◇체온이 올라가면 왜 땀이 날까=요즘처럼 더운 여름철에는 땀이 많이 흐른다. 땀이 너무 많으면 안되겠지만 땀을 흘리는 자체는 지극히 정상이며 우리가 살아가는데 매우 중요한 일이다. 만약 땀을 흘리지 않는다면 우리는 죽고 말 것이다.

인간은 언제나 일정한 체온을 유지하는 정온동물이다. 평상시 우리몸은 36.5도 ~ 37도 정도를 유지하는데 이렇게 일정 온도로 유지하는 이유는 우리 몸에 체온조절 기능이 있기 때문이다. 그 하나가 바로 땀을 흘리는 기능이다. 피부 표면으로 나온 땀이 마를 때에 몸의 열을 빼앗아 가면서 체온을 일정하게 유지시켜 주는 것이다.

반대로 추울 때는 피부 표면의 모공을 닫아 열이 달아나는 것을 막아준다. 이렇게 몸의 상태를 일정構？유지하려고 하는 성질을 항상성(Homeostasis) 이라 한다. 우리의 몸은 온도뿐만 아니라 염분이나 혈당량도 일정하게 유지하려는 항상성을 갖고 있다.

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지구과학은 우주도 연구---자연현상에 흥미 가져야

지구과학은 지질학을 기초로 하여 지구물리학ㆍ지구화학ㆍ해양지질학ㆍ지구역사학 등을 망라하는 넓은 범위의 학문이다. 지구와 그 주위의 행성에 대해서 연구하는 학문이기도 하며,천문학ㆍ기상학ㆍ해양학 등도 여기에 포함된다.

지구과학은 쉽게 얘기해서 주로 우리가 생활하는 지구를 중심으로 공기, 바다, 땅, 날씨등에 대해서 공부하는 학문이다. 모든 과학이 그러하듯 지구과학도 우리 주변의 현상을 학문화한 것이기 때문에 주변에서 일어나는 자연 현상들을 그냥 흘려 보내지 말고 흥미를 갖고 다가가도록 해야 한다.

◇날씨이야기와 지구과학=옛날부터 전해 내려오는 날씨이야기 중에는 과학적으로 타당한 것이 많이 있다.

가령‘햇무리나 달무리가 생기면 비가 온다’는 이야기가 있다. 해나 달 주위를 둥그렇게 둘러싼 하얀 테를 각각 햇무리와 달무리라고 한다. 이들은 하늘에 얼음 결정으로 이루어진 많은 새털구름(권운)이 있을 때 발생하게 되는데 새털구름은 보통 저기압이 접근해 올 때 생성되기 때문에, 이는 곧 그 지역에 조만간 비가 내린다는 것을 예보하는 셈이다.

또‘저녁 무지개는 맑음, 아침 무지개는 비’라는 이야기가 있다. 아침 무지개는 동쪽에서 떠오르는 햇빛을 받아 서쪽하늘에 주로 생기는데, 이는 서쪽에 구름과 빗방울이 많이 있다는 것을 의미한다. 따라서 몇 시간 후 편서풍의 영향으로 서쪽에 있던 구름이 동쪽으로 이동해 (지구는 서쪽에서 동쪽으로 자전함) 무지개를 보고 있는 지역에 비가 내릴 가능성이 있다. 저녁 무렵의 무지개는 이와 반대이다.

또‘별이 깜박거리면 바람이 많이 분다’는 말이 있다. 밤에 하늘을 볼 때 가끔 별이 깜박이면서 밝게 보이는 경우가 있다. 상공에 강한 바람이 불어서 별빛이 굴절되기 때문이다. 따라서 다음날에는 이 바람이 아래로 내려와 지상에 강한 바람을 일으킬 수 있다.

◇엘니뇨와 지구과학=엘니뇨란 남미 열대지방의 서해안을 따라 흐르는 바닷물이 몇 년마다 한 번씩 유난히 따뜻해지는 이례적인 현상을 말한다. 이 현상은 남미지역의 어업과 농업에 피해를 주고 이상기후를 일으킬 뿐 아니라 아시아, 오세아니아, 북미에도 가뭄, 홍수, 폭풍 같은 이상기후를 일으키게 된다.

엘니뇨는 오스트레일리아, 인도네시아 등 태평양 서쪽에는 가뭄을, 미국 서부지역에는 폭우현상을 일으키기도 한다. 엘니뇨로 인해 동북 아시아지역은 대개 여름에 저온, 겨울에 온난한 이상기온이 많이 나타난다.

그래서 환경오염으로 심각한 문제가 되고 있다. 엘니뇨는 해수면과 불안정한 대기가 상호 작용해 발생한다고 알려져 있지만, 해저 화산폭발이나 태양의 흑점변화 때문일 가능성도 제기되고 있다. 엘니뇨는 워낙 예측이 불가능해 세계적인 연구기관에서도 엘니뇨에 대한 장기적인 전망을 내놓지 못하고 있는 실정이다.