1. 관련단원 : 중학교 2학년 6단원 빛과 파동 2. 준 비 물 : 호루라기(플라스틱), 주사기(10ml), 글루건, 송곳, 줄톱, 칼 3. 구입방법 : 자체제작 4. 소요경비 : 1000원 정도
▸ 실험방법
1. 주사기 앞부분(돌출 부분)을 줄톱으로 자른 후 가위로 다듬어 매끈하게 만든다. 2. 주사기의 다듬어진 부분에 글루건을 바르고, 호루라기의 구멍 부분에 붙인다. 3. 끼워진 호루라기 가장자리를 글루건으로 메운다. 빈 틈이 없이 메워야 하고, 글루건에 기포가 들어가지 않도록 하는 것이 좋다. 4. 호루라기를 불면서 주사기 피스톤을 밀고 당겨 보면서 음계를 찾는다.
▸ 수업시간 활용방법
1. 파동이란 한 곳에서 생긴 진동이 차례로 퍼져 나가는 현상임을 설명하고, 파동의 실례에는 무엇이 있을지 생각해보게 한다. 2. 파동의 하나인 소리의 발생에 대해 설명하기 전에 호루라기 피리를 불어보면서 소리를 내게 해본다. 주사기의 피스톤을 밀면 고음이 나는 이유가 무엇인지 질문하여 소리의 높낮이와 진동수의 관계를 이해할 수 있도록 한다.
▸ 유의점
1. 호루라기의 구멍을 내는 방향은 오른손잡이는 오른쪽면에 왼손잡이는 왼쪽 면에 뚫는다. 2. 호루라기와 주사기를 빈틈이 없이 메운다.
▸ 과학적 원리
1. 파동과 소리의 발생 파동이란 한 곳에서 생긴 진동이 차례로 퍼져 나가는 현상이다. 파동은 매질을 통해 전달되며 매질은 물, 공기, 고체 등 다양하다. 소리는 파동의 한 예로, 물체나 공기의 진동에 의하여 만들어지는 파동이다. 소리가 나기 위해서는 공기를 진동시켜야 한다. 사람이 들을 수 있는 소리의 진동수는 20∼20,000Hz이다. 2. 소리의 높낮이, 세기, 음색 소리의 높낮이는 진동수와 관련이 있다. 진동수(매질의 한 점이 1초 동안 진동하는 횟수, 단위: Hz)가 클수록 높은 소리가 난다. 소리의 세기는 진폭(진동 중심에서 마루나 골까지의 거리)과 관련이 있는데, 진폭이 클수록 큰 소리가 난다. 마지막으로 소리의 음색은 파형과 관련이 있다. 소리의 음색이 다른 것은 파형이 다르기 때문으로 사람들의 목소리가 다른 것은 이와 관련이 있다. 진동수와 진폭이 같더라도 파형이 다르면 음색이 달라지게 된다. 3. 호루라기 피리의 원리 호루라기 옆에 구멍을 뚫어 주사기를 연결하면 호루라기 안에서 나는 것보다 더욱 다 양한 음역의 소리를 낼 수 있다. 왜 그럴까? 공기가 들어 있는 공간에 바람을 불어넣으면 공기의 진동으로 소리가 생긴다. 이렇게 공기의 진동으로 발생하는 소리를 기류음 이라고 한다. 호루라기 피리에 공기를 불어 넣을 때 공기의 진동이 발생하여 소리가 나게 되는 것이다. 그러면 호루라기 피리에서 소리의 높낮이는 어떻게 달라지는 것일까? 주사기의 피스 톤을 움직이면 주사기 내부의 공간이 변화하게 되고, 이러한 공간의 변화는 소리의 높고 낮음을 결정하는 요인이 된다. 공간이 작을수록 진동수가 커서 높은 소리가 난다. 따라서 주사기의 피스톤을 밀면 주사기 속의 빈 공간의 크기가 작아져서 높은 소리가 나게 되는 것이다.
▸ 창의적 문제
문 : 유리잔에 물의 양을 각각 다르게 넣고 막대기로 가볍게 쳐서 소리를 내어 보자. 물의 양에 따라 소리가 어떻게 달라질까? 답 : 유리컵에 물을 넣고 두드릴 때 소리가 나는 것은 유리컵이 진동하기(떨리기) 때문이다. 이때 물의 양이 적으면 유리컵이 빠르게 떨리므로 진동수가 커서 높은 소리가 난다. 반대로 물의 양이 많으면 유리컵이 느리게 떨리므로 진동수가 작아낮은 소리가 난다. 문 : 진공용기 안에 핸드폰을 넣어두고 펌프로 공기를 뺀 후에 전화를 걸면, 진공용기 밖에서 전화를 걸때와 비교했을 때 전화벨 소리가 어떻게 다를까?
답 : 소리는 공기가 있어야 전달될 수 있다. 펌프를 이용해 진공용기 안의 공기를 빼내면 매질인 공기가 거의 없으므로 전화벨 소리가 거의 들리지 않게 된다. 문 : 헬륨 가스를 마시고 나서 말을 하면 목소리가 변하는 이유는 무엇일까? 답 : 목소리는 폐(肺)에서 나오는 공기가 목 아랫부분에 있는 성대 중앙을 통과한 다음 발성 통로를 지나 밖으로 나오면서 만들어 진다. 성대의 긴장으로 인해 공기압력이 변화되고 성대와 그 사이의 공기가 진동해서 소리가 다양하게 만들어지게 되는 것이다. 목소리를 변화시킬 수 있는 또 하나의 요인은 입안에 있는 공기의 종류이다. 사람이 말을 하게 되면 폐에서 나온 공기가 발성통로를 지나면서 발생되는 소리는 입안에서 공명을 하게 되는데, 이때 입안에서 울리는 소리의 속도는 입안에 있는 공기의 밀도에 따라 변하게 되고, 이에 따라 소리가 다른 진동수를 갖게 돼 목소리가 변하는 것이다. 보통공기의 경우 약 29g/㎤의 밀도를 가지고 있으며, 공기를 통과하는 소리의 속도는 0℃에서 약 3백31m/초 정도라고 한다. 동일한 온도에서 헬륨의 밀도는 4g/㎤으로 밀도가 공기보다 낮기 때문에 헬륨을 통과하는 소리의 속도는 음속의 3배 정도인 8백91m/초가 된다. 그러므로 입안에 헬륨이 있는 상태에서 말을 하게 되는 경우 이 소리의 주파수는 보통 공기의 경우보다 2.7배 정도 높아져 목소리가 평상시보다 2.7 옥타브 정도 높아지게 된다.
