보일의법칙(분자운동)가상실험.zip

보일의 법칙을 설명하기 위해 만든 가상 실험 프로그램이다.
단순하게 보여주는 것이 아니라 실제 시뮬레이션 결과를 보여주는 프로그램이다.

<추가:보일샤를의 법칙 가상실험 프로그램>
보일샤를의법칙(분자운동)가상실험.zip

학생들로 하여금 실제 실험하는 것처럼 화면을 보고 그래프를 그려보게 해도 좋을 듯 하다.
이 실험에서 변하는 부피는 실제 입자의 충돌에 의해서 나타나는 부피이다. 입자수가 적기 때문에 부피가 변하는데 시간이 많이 걸리고,  실제 실험값과 약간의 오차도 발생한다.

오차가 발생하는 이유는 입자의 숫자가 너무 적고, 또 표현된 입자의 크기가 너무 크기 때문이다.

보일의 법칙 실험에서 입자의 운동속도는 변하지 않는다는 것을 표현하기 위해 처음 시작하면 입자가 위 아래로 일정한 속도로 움직이게 했다. 외부압력을 높여 부피가 줄어 들어도 입자의 운동속도는 변하지 않는다.

실제입자운동에 체크 하면 입자들은 당구공처럼 실제로 이곳 저곳 충돌하면서 운동한다. 그러다 보면 입자의 속력이 변하게 된다. 이는 실제 상황에서도 입자의 평균운동속도는 일정하지만 입자 하나 하나의 운동속력은 조금씩 다 다르기 때문이다. 그래서 입자의 운동은 통계학으로 처리한다.

사람모형은 학생들에게 보일의 법칙을 설명할때 우리가 직접 입자 입장이 되어 설명해 주기 때문에 추가로 만들어 보았다.

처음에는 그래프를 감춰놓고 실제 부피값을 기록해서 그래프를 그려보게 하면 실제 실험과 같은 효과를 볼 수 있을 것이다.

왼쪽 녹색 피스톤을 마우스를 이용해 위 아래로 드래그 할 수 있다. 강제로 부피를 줄이거나 늘여 놓고 부피가 어떻게 제자리를 찾아가는지 관찰 시킬 수 있다.

<수업 시간에 설명하는 방법>

수업시간에 학생들을 입자로, 교실을 주사기로 비유해서 보일의 법칙을 설명한다.
책상이 없는 빈교실에 학생(입자)들을 넣고 머리에 헬멧을 씌우고 입자운동을 시킨다고 가정해보자. 그러면 학생들은 정지해 있지 못하고 어느 한 방향으로 뛰어가야 한다. 뛰어 가다가 충도하면 방향을 바꿔서 뛰어 다닌다고 가정해 보자.

교실 칠판은 주사기의 피스톤에 해당한다. 입자가 충돌하면 충돌하는 순간 뒤로 조금 밀려난다고 가정해 보자. 그럼 학생들이 뛰어다니면서 칠판(피스톤)에 충돌하면 칠판은 계속 조금씩 밀려날 것이다. 칠판 뒷편에서는 선생님이 다른반 친구들을 데리고 와서 교실(주사기)쪽으로 칠판(피스톤)을 밀고 있다.

그랬더니 주사기 안과 밖의 압력이 같아지는 곳에서 주사기의 피스톤은 멈춰 있다.

만약 칠판뒤쪽에서 선생님이 지금보다 2배 더 많은 친구들을 데려다가 밀면 언제까지 교실면적이 줄어들게 될까? 칠판이 교실쪽으로 밀려오면 올수록 부피가 작아지게 되고, 부피가 작아지면 교실안에서 움직이는 입자들의 이동거리가 짧아져서 충돌횟수가 증가하게 되고, 결국 외부에서 2배의 압력을 가한다고 했으니 내부 압력이 처음의 2배가 될때 멈추게 될 것이다. 처음에 2배가 되려면 충돌횟수가 2배가 되어야 하니까 조금만 생각해 보면 부피가 1/2로 줄면 내부에 있는 입자의 충돌횟수가 2배가 되어 내부압력이 2배가 된다는 것을 알 수 있다.

즉 외부 압력이 2배가 되면 부피가 1/2로 줄어야 내부 압력도 2배가 되어 칠판(피스톤)이 멈추게 된다. 외부압력이 3배가 되면 부피는 1/3 이 되어야 멈춘다. 

아래 분자운동 프로그램과 함께 사용하면 좋다.
http://sciencelove.com/965

보일샤를의 법칙 종이 학습지도 함께 사용
http://sciencelove.com/2095

샤를의 법칙 가상실험프로그램은 아래링크에서
http://sciencelove.com/2300

Posted by 민서아빠(과학사랑)