대기 연구 – 공간에 가득한 공기

목적

기체가 공간을 채우고 있고 이는 실제로 우리 주변에서 보인다는 것을 알 수 있다.

학습 목표

• 학생들은 공기의 개념에 대해서 알게 되고 탐구하기 위해서 주사기, 풍선과 물을 이용해서 실험한다.
• 학생들은 빈 공간을 구성하고 있는 것이 공기와 같은 기체라는 것을 알게 될 것이다.

평가

이 활동의 각 단계에서는 학생들이 선생님과 함께 질의응답 시간을 가지고 자신의 가설에 대해서 논의한다. 그 후, 학급 친구들과 각 활동에서 무슨 일이 있었는지 토론한다. 학생들이 제시한 설명은 무엇인가? 학생들은 공기의 움직임과 미는 힘을 적절하게 설명하는가? 그 공기가 심지어는 우리가 볼 수 없는 빈 공간까지 가득 차 있다는 것으로 결론을 낸다.

준비물

• 풍선
• 플라스틱 주사기(바늘이 없는): 다른 크기로 2개(한 조 당)
• 좁은 빨대, 플라스틱 피펫, 블루택, 물
• 물을 담는 용기, 플라스틱이나 유리잔, 휴지
• 추가 활동: 유리병, 깔때기, 테이프(혹은 DIY 상점에서 구할 수 있는 고무 O링), 물

배경지식

공기는 공간을 가득 채우고 있다.

대기라고 불리는 공기층은 두꺼운 담요처럼 지구 주변을 둘러싸고 있다. 동식물은 대기에 있는 공기를 이용하여 생존한다.

대기는 지구의 표면 위 높은 곳까지 펼쳐저 있지만 대부분의 공기는 지구 상층 5km(3마일) 이내에 집중적으로 분포한다. 이는 중력이 공기를 지구 표면 방향으로 잡아당기기 때문이다.

높은 곳으로 올라가면 공기의 양이 적다. 공기의 양이 적다면 호흡 한 번 당 사용하는 공기의 양이 더 적으므로 (즉, 더 적은 양의 공기를 마신다는 것이므로) 높은 산을 등반하는 산악 구조대들은 높이 올라갈수록 숨쉬기가 힘들게 느껴진다.

공기는 다양한 기체들과 입자들로 이루어져 있다(주로 질소와 산소).

빠르게 지구로 진입하는 운석이나 우주 탐사선은 대기로 들어오면서 폭발할 수도 있다. 운석이나 우주선이 대기의 담요와 부딪히는 힘을 보고 대기는 많은 열을 방출함을 알 수 있다.

운석들은 주로 지구의 대기와 부딪히게 될 때 산산조각 나고 전소된다(하지만 일부는 살아남아서 지구상에 충돌 분화구라는 크고 움푹 들어간 지형을 만든다.). 물론 우주선(매우 빠른 속도, 예를 들면 28,000km/h로 움직임)이 지구의 대기에 재진입할 때 타버리는 것은 좋지 않다. 그래서 다양한 방법으로 우주선을 보호한다(예: 우주선의 속도 감속과 절연 물질을 사용하는 것).

전체 활동 설명

사전활동

유성이 대기에 진입하면서 폭발하는 영상을 보는 것은 도움이 될 것이다. 예: 2013년 러시아 Urals 상공에서 폭발한 첼랴빈스키 운석. 다운로드:

(http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e6/%D0%92%D0%B7%D1%80%D1%8B%D0%B2_%D0%BC%D0%B5%D1%82%D0%B5%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%82%D0%B0_%D0%BD%D0%B0%D0%B4_%D0%A7%D0%B5%D0%BB%D1%8F%D0%B1%D0%B8%D0%BD%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%BC_15_02_2013_avi-iCawTYPtehk.ogv) 혹은 온라인 시청 https://goo.gl/xbFisl

질문 유발/촉발

공중에서 폭발하는 운석의 영상을 본다. 운석이 우주 밖의 공간(진공에서)에서 폭발 없이 긴 거리를 움직일 수 있는지, 그리고 왜 운석은 지구의 표면에 들어오기 전에(대기에 부딪힐 때) 폭발했는지에 대해서 논의한다. 학생들에게 몇 가지 가능한 이유를 제시하게 한다.

다른 논의 사항들은 우리가 호흡하고 생존하는데 반드시 필요한 주변 공기들에 대해서이다. 우주인은 우주로 갈 때 산소를 싣고 나간다. 공기를 보관하는 다른 물체에 대해서 생각할 수 있는가? (자전거, 자동차, 거품, 축구공 형식)

권장 질문들 :

• 공기를 볼 수 있나요? 공기 냄새를 맡을 수 / 느낄 수 / 맛볼 수 있나요? (아마도 아니다. 하지만 당신은 공기의 움직임을 듣고 느낄 수 있다. 예: 바람 부는 날이나 선풍기 근처에서) 그리고 공기 속에 불순물이 있다면 공기를 볼 수 있나요? (예: 낮 동안 먼지와 담배 연기)
• 만약 이 방의 모든 것(예: 모든 사람과 모든 물체)을 치운다면 무엇이 남을까요?(아무것도 없을까? 확실한가?)

주석: 학생들은 개별적으로 혹은 소그룹으로 다음 활동들을 진행한다. 학생들은 각 활동에서 발생한 것에 대해 소그룹에서 논의하거나 기록해야한다.

활동 1 : 풍선에 공기 채우기

단계 1 :

풍선을 준비해서 분다(예: 풍선에 공기를 채우되 터지지는 않도록 한다.).

단계 2 :

무슨 일이 발생하는지 묘사할 수 있는가? (당신의 폐에서 풍선으로 공기가 들어갈 때 풍선의 공간은 채워진다. 풍선은 계속 커지게 되는데 안에 들어있는 공기는 더 넓은 공간이 필요하기 때문이다.)

활동 2 : 주사기에 공기를 채우고 공기의 밀어내는 힘을 느낀다.

단계 1 :

주사기의 피스톤을 나를 향해서 당기고 나서 그것을 다시 민다. 이것은 쉬운 가? 주사기 안에서는 어떤 일이 일어났는가? (주사기는 공기로 차 있다가 다시 공기를 밀어낸다.)

단계 2 :

주사기의 피스톤을 다시 당기고 이번에는 반대쪽 끝부분을 손가락으로 막아본다. 피스톤을 다시 민다. 이것은 쉬운 가? 무엇을 느끼는가? 주사기 안에서 어떤 일이 일어나고 있는지 설명할 수 있는가? 이 전과 다른 차이점이 있는지, 만약에 그렇다면 왜 그런가? (아주 조금은 밀 수 있었으나 어려움이 있었다. 왜냐하면 주사기 안에 있는 공기가 피스톤에 저항하기 때문이다. 그 공기가 더 많이 압축될수록 피스톤을 누르는 것은 더 힘들다.)

단계 3 :

주사기의 피스톤을 놓아보자. 무슨 일이 일어나는가? (피스톤은 뒤로 물러났다가 멈춘다.) 이러한 현상이 왜 일어난다고 생각하는가? (주사기에 압축되어 있던 공기는 원래 상태로 팽창하게 되고 피스톤을 뒤로 물러나게 한다.)

활동 3 : 주사기에 튜브를 연결하여 조절하기

같은 크기의 주사기 2개 사용:

단계 1 :

하나의 주사기를 안쪽으로 완전히 밀고 튜브를 붙인다.

단계 2 :

다른 주사기 끝부분을 조금만 밀고 튜브를 그곳에 붙인다. (주사기가 그 튜브의 바깥에 붙지 않도록 조심한다.)

단계 3 :

하나의 주사기를 밀고 당길 때 어떤 일이 발생하는가? 지금 시도해보고 확인해라! (다른 주사기는 밀려나온다.)

단계 4 :

왜 이런 일이 발생하는가? (갇혀있는 공기는 물체를 움직이게 하는 힘을 가진다.)

단계 5 :

그 주사기가 얼마나 움직였는지 비교할 수 있는가? (거의 같다.)

단계 6 :

크기가 서로 다른 주사기를 이용해서 위의 활동을 반복한다.

단계 7 :

이 번에도 같은 거리만큼 두 주사기가 움직인 것으로 생각하는가? 시도해보고 확인해라! 무엇을 알아차렸는가? 주사기의 크기와 주사기가 움직이는 거리 사이에 어떠한 상관관계가 있는가? (작은 주사기는 큰 주사기를 아주 조금 밀어낸다. 큰 주사기는 작은 주사기가 먼 거리를 움직일 수 있게끔 민다.)

활동 4 : 위에서부터 빨대를 물로 채우기

블루택 조각으로 좁은 빨대의 아래 부분을 막는다. 그 다음 피펫을 사용하여 빨대의 위에서부터 물을 채운다. 어려운가? 만약에 그렇다면 왜 이것이 쉽지 않다고 생각하는가? (공기가 방해가 된다.) 천천히 블루택을 제거한다. 어떤 일이 발생하고 그 이유는 무엇인가? (공기가 밖으로 나가기 때문에 물이 아래로 내려간다.)

활동 5 : 물 아래의 마른 휴지

단계 1 :

휴지를 공 모양으로 만들어서 컵 바닥을 빽빽하게 채운다. 휴지는 컵을 뒤집어도 빠지지 않게끔 한다. (단단히 뭉친 휴지 조각들이 하나의 휴지보다 떨어질 확률이 더 낮다.) 당신이 물속에서 컵을 뒤집었을 때 물과 휴지 뭉치에 어떤 일이 일어날지 예상해보자.

단계 2 :

이제 컵을 뒤집고 용기에 담겨있는 물속에 컵을 넣는다. 컵을 꺼내서 휴지를 만져본다. 무엇을 확인했는가? 휴지가 젖지 않은 이유가 무엇이라고 생각하는가? (컵 속으로 물이 차오르는 것을 공기가 막았다.)

단계 3 :

공기 주머니가 어디서 발생할 수 있는지 논의한다: 물의 관, 뒤집힌 카누, 뜨거운 라디에이터 중심 등

단계 4 :

• 진공이 무엇인지 논의한다.
• 지구 주변을 둘러싸고 있는 공기층을 우리는 무엇이라고 부르는가? (대기)
• 어떤 물체가 대기와 부딪힐 때 무슨 일이 발생하는가? (토론에서 마찰에 의한 열도 다루어져야한다. 학생들은 자신의 손을 비비거나 손뼉을 칠 수 있다. – 그들은 무엇을 느끼는가? 비행기 사고가 날 때 극심한 열로 인해 불길에 사로잡힐 수 있다.)
• 우주에서 임무를 다한 후 빠른 속력으로 지구를 향해서 돌아오는 우주선을 생각해보면 우주선이 처음으로 마주하는 것은 무엇인가? (공기. 실제로는 대기) 우주선이 해야 할 일은 무엇이라고 생각하는가? (속력을 낮추는 것) 그렇지 않으면 어떤 일이 발생하는가? (우주선이 부서지거나 불타버린다.)
• 우주선이 소진되는 것을 막을 수 있는 방법이 무엇이라고 생각하는가? (우주선을 단열 물질로 만들거나 느린 속도로 떨어지는 것이다.)

안전 : 활동 3에서는 의료 목적으로 사용된 적 없는 살균된 주사기를 항상 사용한다. 주사기의 크기에 유의하시오. – 큰 주사기는 작은 주사기를 큰 힘으로 밀어낼 수 있다.

수학 : 학생들에게 다음 문제를 제시하고 답하라고 한다.

1) 공기는 이산화탄소, 아르곤과 여러 가지 미량의 기체들로 이루어진 혼합체이다.

• 공기 중 (ⅰ)질소와 (ⅱ)산소의 함량은 각각 얼마인가?
• 공기의 질소 대비 산소의 비는 대략 몇인가?
• 세 가지 백분율을 정수로 나타낼 수 있는가?

2) 활동 3에서 크기가 다른 주사기를 튜브에 연결하고 주사기의 크기에 대한 비율을 계산한다. 두 주사기가 움직인 거리를 계산한다.

• 두 비율 사이에 상관관계가 있는가?
• 주사기의 어떤 조합이 큰 움직임을 나타내게 하는지 조사한다.

분석/결론: 공기는 공간을 채운다 (심지어 공기를 볼 수 없을지라도).

추가 활동 : 깔때기를 이용한 병 채우기

단계 1 :

병의 입구에 깔때기를 넣고 깔때기에 물을 부우면 어떤 일이 발생할지에 대해서 학생들에게 물어본다.

단계 2 :

학생들에게 깔때기에 물을 붓도록 하고 어떤 일이 발생하는지 관찰한다. (물은 병을 채운다.)

단계 3 :

이제 깔때기를 병에 고정시켜서 두 물체 사이에 공간이 없도록 한다. 이 공간은 완전히 밀폐되어야한다. 학생들은 깔때기에 물을 부으면 어떻게 될지 다시 한 번 예측한다. 그 다음 깔때기에 물을 붓는다.

주석 : 밀폐되도록 봉합하는 것은 어려울 수 있다. DIY 상점에서 구할 수 있는 O링을 깔때기의 목 주위에 감고 손으로 깔때기를 누르는 것은 봉합을 잘 할 수 있는 방법이다. 잘 봉합하기 위해서 테이프로 감는 것도 좋다.

단계 4 :

어떤 일이 발생하는지 관찰한다. 무엇을 볼 수 있는가? 무엇을 들을 수 있는가? 물이 들어가기가 왜 어려운 것인가? (물 안쪽에 있는 공기가 방해한다.) 이외에 알아차릴 수 있는 것은 무엇인가? (완전히 밀봉되어서 공기가 방해하고 탈출 할 수 없기 때문에 어떠한 물도 병으로 들어갈 수 없다. 만약 공기가 약간 누출된다면 공기가 도망가기 위해서 공기 방울을 만들어 물이 조금 들어가면서 ‘그릉 그릉’ 소리를 낸다.)

학생들이 할 수 있는 것 :

• 뜨거운 라디에이터의 중심은 많은 열을 내뿜지 못하는데 안쪽에 갇혀있는 공기 때문이다. – ‘공기 폐색’과 공기가 방출되는 법
• 대기를 이루는 5개의 층에 대해서 탐구한다. – 그들의 이름을 찾고 구름, 비행기, 오존층, 인공위성, 국제 우주 정거장 등을 발견할 수 있는 층을 예상한다. 추가정보는 링크를 참고한다.

알고 있었는가?

2014년 1월, Space X Dragon 우주선은 국제 우주 정거장에서부터 생물학적 표본(우주에서 기른 식물 등이 포함됨)을 싣고 돌아오던 중 우주선이 대기층에 진입할 때 극심한 열에 휩싸이게 된다. 온도는 거의 화씨 3000도(섭씨 1649도)에 이르렀다. 다행히 우주선은 매우 강한 열 보호막에 의해서 보호를 받았다.

사진 출처: NASA/Space X

2015년 1월 19일 월요일에 아마추어 사진작가 south Co. Dublin은 Dalkey 섬 위를 지나가는 불덩어리를 촬영했다. (2015년 1월 20일 화요일에 Irish Examiner의 사진)

“그건 완전히 불덩어리 아니면 빛나는 운석이었다.” 아일랜드 천문 잡지의 편집장인 David Moore가 확신했다. “이러한 물체는 7000mph로 대기를 가로질러 오고 진입할 때 불에 휩싸인다. 그리고 이것이 사진으로 찍히는 일은 거의 없다.”

2013년 나이지리아 연안에서 전복된 보트 아래에 있는 공기주머니에서 한 낚시꾼은 60시간 동안 살아 있었다.

커리큘럼

추가정보

• 지구 대기의 다른 층들을 발견하기 위한 활동. 하늘은 얼마나 높은가?

http://astroedu.iau.org/activities/how-high-is-the-sky/

• 공기와 물의 힘

http://www.primaryscience.ie/media/pdfs/col/dpsm_class_activity_air_water.pdf

• 지구 대기에 진입하는 운석에 대해 영국 상공에서 촬영된 영상

www.esero.org.uk/news/meteor-fireball-seen-across-the-uk

• 대기를 이루는 층에 대해서 좀 더 자세히 안다.

www.ducksters.com/science/atmosphere.php

• ‘물 아래에 있는 휴지 말리기’ 활동에서 좀 더 자세한 자료를 찾기 위해서 NASA (National Aeronautics and Space Administration of the USA)의 ‘Aeronautics Educator’s Guide’: http://www.nasa.gov/pdf/205704main_Dunked_Napkin.pdf를 참고한다.

결론

이 활동에서 학생들은 각기 다른 각본을 만들어 낼 수 있는데 이것은 기체가 공간을 차지하고 있음을 보여주고 물체가 대기와 부딪혔을 때 어떤 일이 발생하는지에 대해서 학습할 수 있다. 이 활동은 대기 혹은 대기의 다른 층에 대한 수업이나 온실가스에 대한 활동들 이후에 진행될 수 있다.

 감사의 글

이 활동의 번역을 검토해주신 송인옥 박사님과 심현진 교수님, 이정애 박사님에게 감사의 인사를 전합니다.