탐구주제	갈릴레오 온도계
교과영역	액체리
관련단원	중2 액체질의 특성

경기도교육청지정 과학교육선도학교

경기도교육청지정 과학교육선도학교

「이천중학교」

「이천중학교」

「이천중학교」

활동준비

준 비 액체 : 과학완구(갈릴레오 온도계)

구입방법 : 놀면서 배우는 과학(http://scienceisfun.co.kr/)

소요경비 : 15,000원

활용방법

갈릴레오 온도계를 학생들에게 보여주며 왜 일부는 가라 앉아 있고 일부는 떠 있는지 생각해 보게 합니다. 실린더 안에 들어있는 액체과, 유리구슬 중 어떤 것의 밀도가 더 큰지를 생각해 보게 합니다.(액체보다 밀도가 큰 것은 가라앉는다는 개념을 인지시킴)

학생들에게 기를 모아 달라고 부탁한 후 두 손으로 갈릴레오 온도계를 감싸 떠 있던 유리구슬이 가라앉는 것을 보여 줍니다. 교사가 감싸고 있기 힘들 경우에는 앞에 앉은 학생들 2명을 불러 두 손으로 감싸게 합니다. 떠 있던 유리구슬이 왜 가라앉게 되었는지를 생각해 보게 합니다. (떠 있던 유리구슬의 밀도가 액체의 밀도보다 커졌기 때문에 가라앉습니다.)

온도가 올라감에 따라 실린더 안의 액체의 밀도가 작아 진 것인지, 아니면 유리구슬의 밀도가 커진 것인지를 생각해 보게 합니다.(유리구슬은 외부와 차단되어 있으므로 질량과 부피가 변하지 않습니다. 따라서 유리구슬의 밀도는 변하지 않습니다)

갈릴레오 온도계를 차갑게 하면 어떻게 될지도 생각해 보게 한 후 갈릴레오 온도계를 찬액체가 담긴 비커나 수조에 넣어 갈릴레오 온도계 안에 들어 있는 유리구슬들이 떠오르는 것을 보여 줍니다 .(어떻게 온도계로 사용될 수 있는지 생각해 보게 합니다.)

유의점

갈릴레오 온도계를 미리 냉장고에 넣어 두거나 아니면 찬액체에 담가두어 차갑게 해서 들어가면 손으로 감쌌을 때 유리구슬이 내려오는 것을 훨씬 더 빨리 관찰 할 수 있습니다.

손으로 감쌀 때 가라앉는 유리구슬을 손에 가리지 않게 감싸도록 합니다.

온도는 떠있는 유리구슬 중에 가장 아랫부분에 떠 있는 유리구슬의 온도가 현재의 온도입니다.

측정할 수 있는 온도는 18도부터 26도 까지만 가능하므로 너무 차갑게 하면 반응하는데 시간이 너무 오래 걸릴 수 있으므로 주의해야 합니다.

냉동시키면 깨질 위험이 있으므로 상온에서 보관합니다.

과학적 원리

갈릴레오가 발견한 원리를 이용하여 만든 온도계입니다. 액체가 들어있는 실린더 안에 5개의 서로 다른 색깔의 오일이 들어 있는 유리구슬이 온도의 변화에 따라 떠오르거나 가라앉으며 온도를 나타내어 줍니다. 즉 실린더 안 액체의 밀도와 오일이 들어있는 유리구슬의 밀도가 다르기 때문에 온도가 변하면 실린더안의 액체의 부피가 팽창하거나 수축하면서 유리구슬이 떠오르거나 가라앉게 됩니다.

이러한 원리를 이용하면 정확하게 온도를 측정할 수 있습니다. 실린더 안에 있는 유리구슬은 온도가 변화함에 따라 떠오르거나 가라앉는데 떠있는 유리구슬 중 가장 아래 부분에 있는 유리구슬이 현재 온도를 가리켜 줍니다. 유리구슬 안에 붙어있는 금속은 온도를 나타내는 숫자가 쓰여 있으며 무게를 조절하는 추의 역학을 합니다.

온도가 변화하여도 실린더 안에 있는 유리구슬의 밀도는 변하지 않습니다. 이유는 간단합니다. 밀도는 질량을 부피로 나눈 것인데, 유리구슬 안에는 공기와 오일이 들어 있지만, 외부와 차단되어 있으므로 온도가 올라가서 유리구슬 안에 오일의 부피가 증가하고, 유리구슬 안에 공기의 부피가 감소한다 해도, 유리구슬 전체의 부피는 변하지 않습니다. 외부와 차단되어 있으므로 유리구슬의 질량도 변하지 않습니다. 따라서 유리구슬의 밀도는 변하지 않는 것입니다. 유리구슬은 외부의 온도 변화와 관계없이 자신의 밀도를 항상 유지하게 되는 것입니다.

반면에 실린더 안에 들어있는 액체의 밀도는 온도의 변화에 따라 달라지게 됩니다. 온도가 올라간다면, 실린더 안의 액체의 질량은 변화가 없지만, 액체의 부피가 증가하게 됩니다. 그러면 액체의 밀도는 작아지게 됩니다. 따라서 실린더 안에 떠있는 유리구슬의 밀도보다 더 작아지는 순간 유리구슬은 가라앉게 되는 것입니다.

반대로 온도가 내려가면 액체의 부피는 작아지므로 실린더 안의 액체의 밀도는 점점 커지게 되고, 실린더 안에 있는 유리구슬의 밀도보다 액체의밀도보다 커지는 순간 유리구슬들은 떠오르게 되는 것입니다.

참고자료

- http://scienceisfun.co.kr/ 홈페이지에 교수도우미 및 메뉴얼(회원가입필요)