헬륨풍선과 작은 종이컵 또는 일회용 스포이트를 이용한 부력 실험

<추가>

최근에는 일회용 스포이트 대신 소주잔 크기의 종이컵을 사용합니다. 

헬륨풍선을 나눠주고 꼭지에 실을 묶게 합니다. 그리고 풍선이 천장위로 날아가도 책상위에 올라가지 않고 손을 뻗어 풍선에 매단 실을 잡을 수 있는 만큼 실을 남기고, 그 끝에 소주잔 크기의 종이컵을 매달게 합니다. 그리고 종이컵에 물을 넣어가며 조절하면 됩니다. 

종이컵은 스카치테이프로 손잡이를 만들어 주고, 손잡이에 실을 묶게 하면 됩니다. 

본문 아래에 자세하게 설명해 놓았습니다. 참고하세요

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헬륨풍선과 일회용스포이트를 이용한 부력과 중력 크기 맞추기 실험이다.

우선 시합동영상을 보자. (녹색 풍선의 역전승)

 

 

1. 모둠별로 자리를 배치할때 가장자리로 앉도록 해서 가운데 경기장을 미리 확보해야 한다.

2. 사전설명을 하고 과학부장에게 각 모둠별로 종이컵과 물을 나누어 주게 시킨다. 그러는 동안 앞에서 반장의 도움을 받아 풍선에 헬륨가스를 넣고 일회용스포이드를 스카치테이프로 붙여서 모둠별로 1개씩 나누어 준다.
(학생들은 자리에 앉아 있고 만들어 진 헬륨풍선을 나누어 준다.)

3. 시간을 10분 정도 주고 모둠별로 풍선의 부력과 중력의 크기(무게)를 맞춰서 공중에 떠 있게 만들어 보게 한다. (모둠별로 자유롭게 이것 저것 해 볼 수 있는 시간을 준다. 소음경보기를 작동시켜 시끄러워 지는 것을 예방한다. 소음경보기 프로그램( http://sciencelove.com/1493). 

소음경보기3(타이머) - 선생님 목소리 반응안함.

4. 10분이 지나면 모둠별 대표가 풍선을 들고 중앙으로 나와 시합을 하게 한다.
이때 주의할 점은 나머지 모둠원은 자리에 앉아 있어야 하며, 풍선을 놓은 모둠대표는 천천히 뒤로 물러나 벽쪽으로 이동해야 한다. 풍선을 놓을때도 가능한 손을 쭉 뻗어서 몸에서 멀리떨어진 위치에 놓게 한다. 빨리 이동하면 공기의 흐름이 생겨서 풍선이 따라 이동하게 되고 이로인해 싸움이 날수도 있다. (시작 전에 철저하게 주의를 주어야 한다. 바람이 불면 풍선이 움직이는 것 때문에 시비가 붙기도 한다. 싸우지 않게 다른 모둠에 방해가 되지 않게 철저하게 사전에 교육을 시킬 필요가 있다.)

5. 규칙은 간단하다 벽이나 바닥 또는 천장에 닿지 않고 가장 오랫동안 떠 있는 모둠이 승리한다. 따라서 가능한 교실 중앙에서 풍선을 날리는 것이 유리하다.  (벽에 닿거나 했을 때도 탈락 시킨다. 사람의 몸에 닿았을때는 선생님의 지시에 따른다.)

6. 1번째 경기를 마치고 나면 아쉬워 하므로 바로 2분 있다 2번째 경기를 진행한다. 이때 한번 참가한 모둠대표는 참가할 수 없다. (시간 조절을 잘하면 모둠원 4명이 각자 한번씩 다 나와서 경기에 참여할 수 있다.)
1번째 경기가 끝나면 나름대로 노하우가 생겨 거의 바닥에서 풍선을 놓는 팀고 있고, 의자를 놓고 올라가 거의 천장에서 풍선을 놓는 팀도 있다. (풍선을 놓는 위치는 어디에서 놓아도 상관 없다.)

7. 시간이 지나면 처음에 맞춰놓은 균형이 깨지게 된다. 따라서 미리 몇분후에 시합을 진행할 거라고 공지하고 시합을 갖는 것이 좋다.(그럼 그 시간 예측해서 풍선의 무게조절을 할 수 있다.)

이 실험 아이디어는 김상협 선생님 블로그( http://phys.pe.kr/220569537227)에서 아이디어를 얻었다.

<무게조절 팁>

1. 경기를 치르다 보면 급하게 무게를 조절해야 할때가 있다. 이럴때는 일회용 스포이드에 있는 물을 손바닥위에 한방울 떨어 뜨리거나 손바닥 위에 있는 물을 다시 빨아 들이면 종이컵을 사용하는 것보다 훨씬 빠르게 미세하게 무게를 조절할 수 있다.

2. 또 급하게 무게를 늘려야 하는데 일회용 스포이드로 무게 조절을 할 시간이 없으면 물 한방울을 풍선위에 떨어뜨려도 된다.

<추가사항>

1. 풍선대신 일회용비닐봉지를 사용해도 되지만 헬륨을 넣고 묶는 것이 불편하다.

2. 겨울에는 정전기 때문에 몸에 달라 붙는다. 최대한 멀리 떨어지게 할 것

3. 개인적인 생각 - 헬륨풍선이 간신히 떠오르게 만들고 바닥부근에서 시작하는 것이 좋을 것 같다. 시간이 지나면 헬륨풍선안에 헬륨이 서서히 빠져나가게 된다. 따라서 조금 가볍게 만들어서 바닥에서 띄우면 천천히 떠오르다가 다시 내려오지 않을까? 또는 풍선 표면에 물을 발라 놓으면 처음에는 가라앉다가 물이 증발하면서 다시 떠오르게 할 수 있지 않을까? 개인적인 생각

 

<경기후 헬륨풍선 처리 방법 - 헬륨가스 마시기>

경기가 끝나고 나면 학생들이 헬륨가스를 마시고 싶어 한다. 예능 프로그램에서 연예인들이 하는 것을 많이 본 모양이다. 판매되는 헬륨가스에는 마시지 말라고 되어 있다.

마시지 말라고 되어 있는데 마시게 하는 것은 권장하지 않는다. 하지만 헬륨가스가 생각처럼 위험한 가스는 아니다.  어떤 가스든지 많이 마시면 건강에 좋지는 않을 것이다.

그래서 학생들에게 공지하고 꼭 마시고 싶은 사람은 헬륨풍선에 든 헬륨의 1/4 만 마시라고 했다. 그 정도 양이면 한번 들이마시고 말 한마디 하면 목소리 변조되고 바로 사라지는 양이다. (양이 워낙 적기 때문에 어떤 아이들은 들이마시고 어떤 말을 해야 될지 고민하다가 이미 끝나 버려 목소리가 변하지 않는 경우도 있다. 그래서 미리 어떤 말을 할지 마음속으로 준비하고 한번 깊게 들이마신 다음 바로 말하게 해야 한다. 할말 없는 사람은 ‘안녕하세요’ 라고 말하게 시켰다. 미리 어떤 말을 해야 할지 연습하고 마시게 해야 한다.)

중요한 것은 양이다. 그래서 반드시 조금만 마시라고 주의를 주고, 원치 않는 사람은 마시지 말라고 이야기 했다.

민감한 친구들은 헬륨가스를 심호흡 했을 때 어지러움을 느끼기도 한다. 그래서 가능하면 풍선에 입을 대고 마시지 말고, 헬륨가스를 손해 보더라도 입 근처에서 헬륨가스를 분사하면서 공기와 함께 마시는 것이 좋다. 학생수가 많다 보면 민감한 학생이 있을 수 있다. 꼭 희망자만, 양도 조금만 마시게 하자. 

[다음은 과학향기에서 발췌한 내용이다. -  헬륨은 불활성 기체로 풍선에 든 것을 몇 번 들이마시는 정도로는 인체에 영향을 끼치지 않는다. 헬륨은 혈액에 대한 용해도가 낮아서 잠수용 통기가스나, 해독을 위해 산소를 인공 흡입해야 할 때 사용되기도 한다. 하지만 지나치게 들이키는 것이 건강에 좋을 리 없다. 재미를 위해 헬륨을 마실 때는 1~2회로 그치는 것이 좋다.]

남학교라 거의 모든 학생이 마신다. 지금까지 몇 번을 해 봤지만 이정도 양을 마시고 문제가 된 적은 없다. 결국 양이 문제다. 그래서 1번만 마시게 하고, 여러번 마시지는 못하게 했다.

헬륨가스통에도 마시지 말라고 되어 있으므로, 사람에 따라 민감한 사람(천식이 있거나, 호흡기 계통에 문제가 있다고 판단되는 학생은 절대 마시지 않도록)도 있을 수 있으니 너무 많이 마시지 않도록 주의해야 한다. 그리고 위험하다는 생각이 들면, 풍선 입구에 입을 대지 말고, 약간 떨어진 곳에서 헬륨을 분사하면서 공기와 함께 들이 마시도록 하면 좋다. 안전은 몇번을 강조해도 지나치지 않다.

실험한 헬륨풍선을 다시 풀어서 헬륨을 마시기는 쉽지 않다. 그래서 헬륨풍선 꼭지 부분을 두 손으로 잡고 늘려서 가지고 오면 매듭부분을 가위로 잘라 준다. 그럼 가지고 들어가서 원하는 친구들끼리 나눠 마시고 말해 보면 된다. 원리는 나중에 파동 부분에서 고음 저음을 가르칠 때 다시 상기시켜 이야기 해 줄 것이다.

1시간 동안 짧은 시간이었지만 모둠별로 재미있는 활동이 되었다.

부력관련 가상실험은 아래 링크 참고
http://sciencelove.com/2274

부력 가상 실험 - 물에 뜨는 물체

헬륨풍선에 모터 매달아서 날리기는 아래 링크 참고

https://sciencelove.com/2322

헬륨풍선 드론 모터 이용하여 날리기

실을 묶은 헬륨풍선 중간에 떠 있게 하기는 아래 링크 참고 https://sciencelove.com/2277

헬륨풍선 중간에 떠 있게 하기(부력과 중력의 평형)

 

<재료구입>

G마켓에서 구입

1. 일회용 헬륨통 50인용(22.5L 4.1kg) 1통가격 38,900원
2. 고무풍선 10인치 30개 3,900원

모둠별로 1개씩 나눠 주니까 1반당 8개면 된다. 4반 수업을 했는데 1통 가지고 실험을 다하고도 남았다. 

 

<추가 - 추천방법 - 여러번 실험하다 보니 아래 방법이 제일 좋다. 그래서 최근에는 일회용 스포이드 대신 소주잔 크기의 종이컵을 이용한 실험을 주로 한다.>

1. 헬륨풍선을 놓치면 천장에 붙어서 내리기 힘들다. 그래서 처음 헬륨풍선을 받으면 제일먼저 천장에 헬륨풍선이 붙어도 잡을 수 있도록 적당한 길이의 실을 묶어 둔다.

2. 일회용 스포이드 대신, 종이컵(소주잔크기)을 풍선 밑에 실을 이용하여 매달아 열기구 처럼 만든 후 물을 채워 넣으면서 하는 것이 더 좋음

3. 개인전이 끝나면, 헬륨풍선 여러개를 이용하여 (예를 들어 개인별로 1개씩 헬륨풍선이 있는 경우, 모둠별로 4개씩 모아서 비행선 모양으로 만든다) 종이컵을 아래에 달고 단체전을 할 수 있다. 

각각 개별 풍선의 부력크기를 측정하게 한후, 3-4개의 풍선을 모아 계산된 부력의 크기와 같아지게 종이컵에 물을 넣어서 무게를 맞춘 다음, 연습없이 바로 시합하게 할 수 있다. 계산된 값과 맞으면 성취감을 느낄 수 있다.

각각의 풍선 부력의 크기를 알아내는 방법은 전자저울위에 무거운 물체를 올리고, 헬륨풍선을 연결해서 가벼워진 무게가 그 풍선의 부력의 크기가 된다.

이때 실을 묶는 것 보다. 스카치테이프로 무거운 물체에 붙이고, 스카치테이프를 종이컵에 그대로 붙이면 오차를 더 줄일 수 있다. 그리고 헬륨풍선에 묶여 있는 실의 무게도 고려해야 하므로, 헬륨풍선 실 맨 끝부분을 스카치 테이프로 붙이는게 좋다. 

4. 드론 모터를 이용하여 비행선을 만들어 볼 수 있다. 종이컵 밑에 드론 모터를 달아 비행선을 만들 수 있다.

 

 

추가 : 

이 실험에 가장 큰 문제점 중에 하나는 헬륨풍선을 놓쳤을 때 풍선이 천장에 붙기 때문에 풍선을 잡으로 책상위로 올라가야 한다는 점이다. 그래서 최근에는 헬륨풍선을 받자 마자 천장에 풍선이 붙어도 손을 뻗어 잡을 수 있게 풍선에 실을 먼저 묶도록 하고 있다. 

실을 묶고 나니 활용도가 더 많아 졌다. 

그래서 일회용 스포이트도 실 끝에 매달게 하고 있다.

경기할때는 실이 길면 손해를 볼 수 있다. 빨리 바닥에 닿기 때문이다. 그래서 적당하게(천장에 헬륨풍선이 올라갔을 때 손을 뻗어서 잡을 수 있을 정도) 실의 길이를 생각해서 묶게 하는 것이 좋다. 

일회용 스포이트 대신 고무찰흙을 실에 붙이게 해도 되고, 종이 소주컵을 실에 묶게 한 다음. 소주컵 안에 고무찰흙이나 물을 넣게 해도 된다. 고무 찰흙대신 화장지 휴지를 넣게 해도 된다.  아래 그림 참고

개인적으로 추천하는 방법은 종이컵+물 이다. 준비도 간편하고 실험하기도 편하다. 

 

추가실험

종이컵에 물양을 조절해서 천장까지 풍선이 떠오르는 시간 맞추기 게임

선생님이 요구한 시간에 천장에 도달하도록 물의 양 조절하기