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초등학생을 위한 기초과학 워크숍 제 1장

조회 수 10807 추천 수 0 2007.03.13 00:17:02
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기초과학이란 


공학이나, 응용과학의 밑바탕이 된다는 뜻에서 자연과학, 즉 순수과학을 일컫는 말이며, 아울러 여기에서의 방법론이라 함은 모든 과학의 기초가 될 만한 가장 기본적인 개념을 아이들이 알기 쉽게 간단히 설명하고 있는 방법을 통칭하여 말한다.


특히 생활 속에서 언제든지 실천 가능한 자연과학의 간단한 개념 정리에서부터, 각 주제별로 실험하는 방법을 소개한다.




제 1장, 초보적인 자연과학 개념을 알려주는 중요한 요소들




1. 식물의 잎






















(1) 증산작용...식물의 잎은 잎 표면의 수많은 기공(숨구멍)으로 이산화탄소를 받아들이고 산소를 내보낼 뿐만 아니라, 동물이 체내의 온도조절을 위해 땀을 흘리는 것처럼 수분을 증발케 하는 증산작용을 한다.


실험...잎이 많은 줄기를 물병에 꽂아 보자. 시간이 지남에 따라 물이 점점 줄어든다. 이는 뿌리에서 흡수한 물이 물관을 통해 줄기나 잎으로 가 필요한 만큼 쓰이고 남은 물은 기공을 통해서 계속 방출하기 때문입니다.


이렇게 기공을 통해서 물을 방출함으로써 식물체 내의 물의 양을 조절하는 것을 증산작용이라 한다.




(2) 광합성작용...식물의 줄기를 통해 올라온 땅과 물 속의 양분이 햇빛을 만나 식물이 자라는 데 필요한 양분(포도당-->녹말)이 만들어진다.


이렇게 햇빛을 이용해 양분을 만드는 것을 광합성작용이라 하며, 광합성 작용을 하면서 공기 중의 이산화탄소를 빨아들이고 산소를 내놓게 된다.


이것은 지구상 모든 생명의 기초가 되는 것이며, 인간의 호흡도 마찬가지이다.


실험...물풀이 담긴 시험관에 햇빛을 비추면 공기 방울이 생기는데, 이것이 바로 산소이다.




(3)엽록체와 엽록소...엽록체는 식물의 잎에 있는 많은 기관중에 가장 중요한 광합성을 담당하는 기관이며, 바로 그 염록체를 구성하고 있는 동글동글한 입자들이 바로 엽록소이다. 쉽게 말하자면 엽록체 안에 엽록소가 포함되어 있는 것인데, 엽록체 속에 들어 있는 엽록소가 녹색을 띠고 있기 때문에 식물의 잎은 초록빛을 띠게 되는 것이다.




(4) 자연보호와 식물의 중요성...아이들에게 자연보호와 함께 식물의 중요성을 가르치는 것은 매우 중요하다.


생명의 근원인 태양 다음으로 중요한 것이 식물이라 할 수 있는데, 그 먹이사슬의 맨 아래쪽에 있는 식물로 인해 지구의 생명은 시작된다고 할 수 있다.


자연파괴의 역사와 인간의 역사가 함께 해왔음을 아이들에게 가르치고, 지구의 허파라 할 수 있는 열대우림지역의 숲파괴에 대해 이야기해줄 수 있어야 한다.




2. 자석


(1) 자석의 종류...막대자석, 말굽자석, 원형자석, 고무자석, 액체자석, 전자석, 나침반의 자침










 






 


요즘은 철이 아닌 알미늄, 니켈, 코발트를 섞어 가볍고 강력한 자석을 만들고 있다. 이 자석의 이름은 원료들의 첫 자를 따서 알리코 자석이라고 하며, 물로 된 자석, 종이로 된 자석도 발명되어 사용되고 있다.




(2) 자석의 역사...고대 그리스, 고대 중국에서 자연 상태에서 자성을 지닌 자철석 등의 천연자석이 쓰였다.


12세기 경에는 철을 센 자석으로 문지르면 자석의 성질을 갖게 되는 성질을 이용해 자침을 만들어 항해용 나침반으로 사용했다는 기록이 남아 있다.


(3)자석의 당기는 힘...





 

자석의 당기는 힘은 자석의 면적이 크면 클수록 커진다.




(4)붙는 것과 붙지 않는 것










(5) 자극의 성질...자기력(자석의 힘)이 가장 강하게 작용하는 양쪽 끝지점을 자극이라 하는데, N극과 S극으로 구별된다. 나침반을 수평한 곳에 놓았을 때 북쪽을 가리키는 극이 N(North)극, 남쪽을 가리키는 극이 S(South)극이다.


자극은 같은 극은 밀어내고 다른 극 끼리는 서로 당기는 성질이 있는데, 이같은 성질를 이용한 것 가운데 자기부상열차가 있다.


궤도(기찻길)와 차륜(차바퀴)이 서로 접촉하지 않으며, 서로 밀어내는 자석의 성질을 이용하여 열차가 1cm 정도 허공에 떠서 달리게 되므로 마찰에 의한 소음과 진동이 없어 높은 속도와 함께 안락함이 특징이다.


중국 상하이의 자기부상 열차는 시속 430km정도라고 한다.


일본, 중국, 독일 등에서 이미 실용화되었으며 우리나라도 부산, 대구에 곧 실용화 될 예정이다.










(6) 자석의 힘...자석의 힘은 어떤 물체를 통과하기도 하고(X선 촬영) 회전에너지(모터)를 내기도 한다.


전기 모터, 발전기, 마그네틱 스위치, 냉장고 부착형 병따개, 나침판, 자동차 시동모터, 컴퓨터 하드디스크(기록장치), 컴퓨터 플로피 디스켓드라이브, 냉장고 문닫힘 장치, 신용카드, 전화카드(정보기록), 전자레인지 마그네트론(열전파 발사), 옛 전신기, 릴레이(붙고 떨어지게 하는 기능), 전기계량기(회전력), 바늘전압계(고정자석), 전류계(고정자석), 대문개폐기(당기거나 미는데 사용), CT(컴퓨터 단층 촬영), 녹음기 헤드(스피커)


실험...여러 개의 못을 이용한 자석의 힘의 전달실험




(7)자석 만들기...반복하여 충돌시키면 자석의 힘을 갖게 된다.


실험...막대자석과 큰 못 몇 개와 압정-->막대자석에 충분히 마찰한 못으로 압정 붙여보기




(8)지구의 남극과 북극...지구가 자전을 하는 두 축이 북극과 남극이며 그 중심축에는 자석의 성질(자성)을 갖고 있어 나침반의 바늘이 남북을 향하게 되는 것이다.


질문...왜 지구엔 남극과 북극은 있는데 동극과 서극은 없나요?




3. 천둥과 번개


(1) GrofeGrand Canyon Suite 중에서 12곡 Cloudburst 감상.


(2) 번개와 천둥...먼저 번개는 빛이고 천둥은 소리이다.


둘은 동시에 일어나지만 빛의 속도와 소리의 속도가 틀림으로 우리가 보고 듣기에는 번개가 먼처 치고 그다음 천둥소리가 들리는 것이다. 이것은 방전이 일어난 곳에서 우리가 있는 장소까지의 거리가 멀수록 번개와 천둥의 시간차가 커진다.


천둥과 번개는 여름의 강한 태양열로 지표의 공기가 가열되어 생기는 심한 상승기류에 의해 급격히 발생한 뭉게구름이 소낙비구름이 되면서 생긴다.


거대한 소낙비 구름을 이루고 있는 작은 물방울들이 강한 상승기류에 의해 인해 흩어지면서 양전기(+)를 띠게 되고 주변의 공기는 음전기(-)를 띠게 되어, 서로 부딪히면서(대전하면서), 양전기(+)를 띤 물방울은 구름의 윗부분으로 올라가고 아랫쪽에 위치한 (-)음전기의 양이 많아지면서 서로 충돌하여 방천하면서 땅으로 떨어진다(=낙뢰).


천둥이 한 번 칠 때의 전압은 무려 1∼10억 볼트이며, 그 에너지는 100와트 전구 10만개를 1시간 정도 켤 수 있을 정도의 막대한 양이다.




구름 속에서 양전기(+)와 음전기(-)가 부딪혀 방전하는 것을 번개방전이라 하며, 구름과 땅 사이에서 방전하는 것을 대지방전, 혹은 벼락이라고 한다.


아무튼 엄청난 규모의 방전이 순간적으로 이루어지면서 내는 빛과 열은 대단한 위력이다. 빛이 하늘을 가르는 방전로의 길이는 수km로부터 십 수km에 이르며, 순간적으로 빛과 열에 의해 데워진 공기가 찬공기를 밀어내면서 내는 거대한 소리인 천둥소리는 30km이내에서 크게 들을 수 있을 정도의 소리를 내게 되는 것이다.





(3) 뇌우...번개나 천둥과 함께 오는 비바람을 뇌우라 하며, 발달한 적란운에 의해 일어난다.


뇌우를 발생시키는 적란운은 심한 상승기류에 의해 습한 공기가 상승하면서 그 중의 수증기가 한 곳에 집중되어 모여 만들어진다.




(4) 천둥과 번개에 얽힌 이야기...천둥과 번개처럼 옛사람들을 놀라게 한 자연현상은 없었는데, 우리의 조상들은 하늘이 노해서 벼락을 내리는 것으로 생각해 여름이면 제사를 지내기도 했고 제물을 바치기도 했다.


이러한 천둥과 번개의 정체는 오랜 세월 두려움의 대상이었는데, 1600년대에 이르러 겨우 전기라는 것을 알게 되었고, 그때부터 천둥과 번개도 전기의 힘이라고 생각하는 학자들이 생겨나게 되었다.


미국의 뛰어난 정치가이자 과학자였던 프랭클린은 천둥과 전기의 관계를 규명하기 위해서 1752년 중요한 실험을 했는데, 이것이 바로 그 유명한 연의 실험이다.


연에다 30㎝쯤 되는 철사를 늘어뜨린 다음, 연줄의 끝에는 명주리본을 묶고 연줄과 리본을 이은 자리에 한 개의 금속열쇠를 매달았다. 연을 띄울 때는 감전을 방지하기 위해서 명주 리본을 잡고 띄웠다.


처음에는 잘 느끼지 못했으나 연줄이 비에 젖으면서 손가락을 살짝 열쇠에 가까이 대자 "퍽" 하고 불꽃이 튀며 손가락에 통증을 느꼈다.


그리하여 결국 그는 열쇠를 라이덴병에 대고 전기를 저장하는데 성공했다.




(5) 라이덴병...네델란드의 라이덴대학교에서 우연히 발견하게 된 초기의 전기저장 원리. 작은 유리병에 물을 조금 채운 후 코르크 마개로 막은 다음 철사나 못을 코르크 마개에 꽂아서 물에 닿게 한다. 이 병을 대전시키기 위해서 철사의 노출된 한쪽 끝에다 정전기를 일으키는 마찰기구에 접촉시키는데, 접촉을 끊고 나서도 철사에 손을 대보면 전기충격을 계속 받게 된다.


이것은 여전히 전기가 병 속에 남아 있다는 증거이다.




(6) 피뢰침...낙뢰로 인하여 생기는 건물의 화재나 파손 및 사람이나 가축에 대한 피해를 방지할 목적으로 미국의 B. 프랭클린이 발명한 것이다.


번개는 구름에 전기가 점차 쌓여서 지면과의 차가 커지면 그 사이에서 방전이 일어나는 현상을 말하는데, 전기는 가능한 한 가까운 곳으로 지나가고, 뾰족한 곳으로 먼저 지나가려는 성질이 있다. 피뢰침은 번개를 피하기 위한 것이 아니라, 이러한 전기의 성질을 이용하여 오히려 피뢰침에 가능한 한 전기를 빨리 떨어뜨려서 큰 피해를 막으려고 설치하는 것이다. 그 때문에 끝을 화살처럼 뾰족하게 하고 높은 곳에 세우게 되며, 끝이 3개로 나뉘어져 있는 것도 그만큼 전기가 쉽게 피뢰침에 떨어지도록 하기 위한 것이다.


하늘에서 번쩍번쩍하며 번개가 떨어지고 있을 때에는 우산을 쓰고 걷는 것도 위험하며, 오히려 차 내부가 안전한 편이다. 그리고 피뢰침은 전기를 잘 받아들이도록 굵은 구리선으로 연결하며 땅속에는 묻은 구리판을 묻어 전기를 땅 속으로 이끌 수 있도록 한다.


실험...주변에서 피뢰침 찾아보기





4. 비와 눈


(1) 지구의 바다, 호수, 강...지구는 물이 풍부한 행성이며, 온도가 적당히 따뜻하여 오랜 옛날부터 물이 액체로 존재해 왔다.


                       


(2) 뜨거운 햇빛으로 물이 데워지면서 수증기가 발생한다.


데워진 수증기가 위로 올라가거나, 공기의 압력이 높은 곳에서 낮은 곳으로 수증기가 움직이면서 점점 차가워지고, 차가워지면 공기 속의 작은 물방울 입자들은 넓은 지역에 구름을 형성하게 된다.


크고 작은 물방울이 구름을 이루고 있다가 서로 엉기어 조금씩 커지면서 주변의 작은 물방울과 합쳐지고, 점차 커지게 되면서 그 무게를 이기지 못해 떨어지는 게 비이며, 날씨가 추워 결정 상태로 떨어지는 게 눈이다.




(3)산성비를 일으키는 물질...산성비를 일으키는 가장 큰 원인은 황(S)과 질소(N)산화물이다. 특히 황산화물들은 산성비 생성의 약 84% 정도의 원인이 된다고 한다.


황은 주로 무연탄, 석유와 같은 화석연료에 많이 포함되어 있어서, 자동차의 증가와 겨울철 석유류의 많은 소비는 산성비를 촉진시키는 원인이 되며, 우리의 건강에도 심각한 위협이 되고 있다.




5. 태풍




(1) 발생...태풍은 열대지역의 따뜻한 바다에서 주로 발생한다.


위도 약 5° 부근의 해면 수온이 약 27도 이상의 따뜻한 바다인데, 따뜻한 바다위에서 데워된 공기는 서서히 가벼워져 위로 상승하며 공기의 압력이 낮은 상태(저기압)가 되고, 시계 반대방향의 약한 소용돌이가 생기게 되면서 그것이 태풍의 씨앗이 된다.


바다에 있는 공기는 수증기를 많이 포함하고 있어 위로 올라가면서 물방울의 뭉침현상(응결)이 일어나 큰 규모의 구름이 만들어지게 되어 많은 양의 비가 내리기도 한다.




(2) 태풍의 이름...대서양과 멕시코 연안에서 발생하는 것은 허리케인, 아시아 남쪽지역에서 발생한 것은 태풍, 오스트레일리아 연안에서 발생하는 것은 윌리윌리, 인도양에서 발생하는 것은 사이클론이라고 한다.




(3) 토네이도...보통의 태풍과는 달리 수평방향보다 수직방향의 규모가 큰 강력한 회오리 바람으로, 대규모의 적란운에서부터 구름의 일부와 함께 깔대기 모양으로 아래로 걍력하게 불어 내려온다. 그러므로 태풍처럼 넓은 지역을 휩쓰는 것이 아니라 높이 솟아오른 바람 기둥이 어마어마한 파괴력으로 좁은 지역의 땅을 이리 저리 휩쓸고 지나게 되며, 주로 여름철 주로 미국연안에서 잦다.




 




 


(4) 용오름...주로 해상에서 발생하는 회오리현상을 말하는 우리말인데, 토네이도와는 발생과정이 조금 다르다.


해수면의 공기가 데워져 위로 공기가 상승할 때 소용돌이치며 올라가면서 바닷물도 함께 올라가는 현상으로, 토네이도와는 달리 아래에서 위로 올라가며 지나간다.




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