기체 입자의 운동 모형 초고속 촬영해서 기체의 압력 설명

기체분자운동 실험장치를 이용해서 분자(입자)운동에 대해 설명하곤 한다.

이번에 갤럭시S9 슈퍼슬로우모션(초고속 촬영)을 이용해서 실험장치에 실제 정확하게 볼 수 없었던 쇠구슬의 움직임을 촬영해 보았다.  그냥 볼때 보다 더 실감이 난다.

이제는 쇠구슬이 입자가 운동하는 것처럼 상단피스톤에 충돌하는 것을 정확하게 확인시켜 줄 수 있다.

실제 실험을 보여 줄 때 함께 보여주려고 초고속촬영해서 동영상으로 만들어 보았다.

실제 수업시간에는 다음과 같이 사용한다. 수업시간에는 주사기와 실험장치를 함께 가지고 들어가서 우선 주사기만 가지고 질문을 한다.

'선생님이 끝이 막힌 주사기를 눌렀다 놓으면 어떻게 될까? 언제까지 밀려 올라올까?

반대로 피스톤을 잡아 당겼다 놓으면 어떻게 될까? 언제까지 끌려들어 갈까?

그렇다면 주사기 안에서는 어떤일이 벌어지고 있을까?'

결론은 주사기 내부에 기체의 충돌에 의해 생기는 압력과 외부에서 주사기를 미는 압력이 같아질때까지 피스톤은 움직이다 멈춘다.
강제로 끝이 막힌 주사기 피스톤을 잡아 당기면 주사기 내부에 있는 입자들은 먼 거리를 이동해야 하므로 충돌횟수가 감소해서 내부 압력은 작아지게 된다. 반면에 피스톤 바깥의 압력은 여전히 변화가 없다. 그래서 손을 놓으면 피스톤은 안으로 이동하게 된다. 피스톤이 안으로 이동하면 할 수록 입자의 충돌횟수는 많아지고 압력도 커지게 된다. 그래서 피스톤은 언제까지 이동하냐고? 결국 안쪽과 바깥쪽의 압력이 같아질때 까지 이동한다.

직접 주사기로 시연을 해 준다음 분자운동 실험장치로 위 동영상처럼 함께 실험을 해 주면 학생들을 쉽게 이해시킬 수 있다. 시간이 여유가 있으면 학생들을 주사기 안에 들어있는 입자라고 생각하고 자신이 입자가 되어 주사기 안에서 어떻게 하고 있는지 서로 설명해 보게 해도 좋다.

아래 링크에 있는 분자운동 가상실험 프로그램을 함께 사용하면 쉽게 입자운동을 설명할 수 있다.
https://sciencelove.com/965

분자운동(기체분자운동) - 가상실험프로그램