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고등학교(과학탐구실험)

분광기 만들기- 분광필름 이용한 곽분광기 (택배박스 이용2)

by 민서아빠(과학사랑) 2022. 3. 19.

분광기는 빛을 무지개처럼 색깔별로 나눠서 보는 도구다. 보통 불꽃반응을 통해 금속원소의 성분을 분석하거나, 천문학에서 별의 구성성분을 알아볼 때 사용한다. 물리에서는 빛의 합성을 이용한 모니터나 디스플레이 화면에서 RGB 색들이 어떻게 합성되어 있는지 확인할 때도 사용한다.

택배박스를 이용해서 분광기를 만드는 이유는 실험할때만 조립해서 관찰하고, 보관할 때는 펼쳐서 보관하기 위함이다.

학생들은 분광기를 엄청난 실험 도구로 착각하는 경우가 있다. 

과학은 원리만 알면, 모든게 설명이 가능하다. 
아래는 학생들에게 설명하는 방법이다.

먼저 동영상을 보자.

https://youtu.be/hVO5UjPhX4Q

 

<수업설명팁>


학생들과 분광기 만드는 수업을 할 때 맨 처음 이렇게 시작한다.

‘집에 분광기는 하나씩 키우고 있지? 설마 책꽂이에 분광기 없는 사람도 있나? 뭐 정말로 없다고? 이런! 그럼 오늘 분광기 하나씩 분양해 줄테니 받아서 오늘부터 키우도록!’ ‘세상에 집 책꽂이에 분광기가 없는 학생들도 있다니, 놀랍군!’

1. 분광기는 스펙트럼처럼 생각하면 이해하기 더 쉽다. 
 분광기는 우리눈에 들어오는 빛을 분광필름(회절필름)을 이용해서 프리즘처럼 빛을 색깔별로 나눠주는 도구다. 그런데 분광필름만 있어도 빛을 프리즘처럼 색깔별로 나눠주기 때문에 생각하기에 따라서는 분광필름 자체가 그냥 분광기라고 봐도 된다. 분광기를 감싸는 틀이 필요 없다는 의미다. 


분광필름을 직접 눈이나 스마트폰 카메라 렌즈에 대고 전등을 봐라(절대 햇빛을 직접 바라보면 안됨) 가장자리가 무지개색으로 나눠지는 걸 볼 수 있을 것이다. 
 빛이 색깔별로 나눠졌으니 성공. 

분광기 설명 끝.

2. 그런데 왜 분광기를 감싸는 틀이 필요한걸까? 


 분광필름만 손에 들고 보니까 내가 원하는 빛만 보고 싶은데 주변에 필요없는 다른 빛들도 들어 온다. 원하는 빛만 보기 위해 감싸주는 틀이 필요하다. 우리는 택배박스로 감싸고 관찰구멍을 만들어 그곳에 분광필름을 붙이도록 하자. 그럼 주변에서 오는 필요 없는 빛들은 택배박스가 다 차단해 준다. 

3. 그런데 빛이 하나도 안들어오니. 깜깜하지. 

따라서 내가 원하는 빛은 봐야 하니까 관찰구멍 반대쪽에 빛이 들어오는 구멍이 필요하다. 슬릿구멍을 만들어 주자. 

슬릿구멍은 두꺼운게 좋을까? 얇은게 좋을까? 두꺼우면 내가 원하는 빛 뿐만 아니라 필요없는 빛들도 들어오게 될거야. 그러니까 얇은게 좋을 듯 하구나.

슬릿구멍은 너무 두꺼운 것 보다. 가능한 얇은 것이 좋다. 그래야 내가 원하는 빛만 정확하게 받아들일 수 있으니까. 따라서 슬릿구멍 두께가 얇을수록 원하는 빛만 받아 들일 수 있고 분해능도 좋아지므로 좋은 분광기라고 볼 수 있다. 
 하지만 우리가 만드는 분광기는 슬릿구멍 두께를 2mm 정도로 만들 거다. 우리가 만든 분광기가 훨씬 더 잘보인다는 걸 알게 될 거다. 이유는 싸구려라 그렇다.
슬릿구멍이 두꺼워 지면 분해능은 안 좋아지지만, 들어오는 빛의 양이 많아져서 실험실에 있는 비싸고 좋은 분광기 보다 훨씬 잘 보이게 된다. 일부 친구들은 우리가 만든 분광기가 더 좋다고 생각하겠지만, 아까 말한 것처럼 사실 싸구려 분광기라 밝게 잘 보이는 거다. 슬릿구멍 두께가 얇은 분광기가 어둡게 보이긴 하지만 더 좋은 분광기라고 볼 수 있다. 하지만 우리는 아주 정밀한 실험을 하지 않을 거라, 좀 더 잘보이는 분광기를 만들려고 한다.

4. 자 이렇게 해서 만들어진게 우리가 오늘 만드는 분광기다. 

사실 분광필름만 있어도 되지만, 원하는 빛만 가지고 스펙트럼을 만들기 위해 분광기를 감싸는 틀이 필요했다. 분광기틀은 무엇으로 만들어도 상관 없다. 얼마든지 응용이 가능하다.

5. 분광기는 

아무틀이나 가져다가 분광필름을 붙일 관찰구멍과 반대쪽에 빛이 들어오는 슬릿구멍만 만들어 주면 된다. 그래서 택백박스를 이용한 곽 분광기를 만들어 보았다. 택배박스를 사용한 이유는 실험할 때만 조립해서 보고, 실험하지 않을 때는 접어서 책꽂이에 보관하기 위해서다.

<택배박스 이용한 곽분광기 만들기>

 

1. 택배박스(A형B골200x100x100mm), 분광필름(500line 추천) , 칼, 자, 테이프 준비



2. 택배박스 안쪽에 접착부위 위치를 확인하고, 접착부위를 피해서 관찰구멍을 뚫는다. 
관찰구멍은 분광필름을 붙이고 눈을 대고 관찰하는 구멍이다. 크기는 (가로 1.5cm X 세로 1cm 정도) 너무 크게 뚫으면 분광필름을 크게 잘라 줘야 한다. 그런데 전교생이 다 만들면 분광필름 값이 비싸다. 관찰구멍을 너무 크지 않게 뚫는 이유다.



3. 관찰구멍 반대쪽에 슬릿구멍을 뚫는다. 슬릿구멍은 빛이 들어오는 구멍이다.

   슬릿구멍 크기(가로 2cm X 세로 0.2cm). 세로 두께는 0.2 – 0.3cm 정도로 뚫어주면 된다. 슬릿구멍 두께가 얇을수록 좋지만, 얇을수록 들어오는 빛의 양이 줄어들어 어둡게 보인다.
팁 : 택배박스에 슬릿구멍을 깔끔하게 잘라내야 스펙트럼이 잘 보인다. 그런데 실제로 만들어 보면 슬릿구멍이 매끄럽지 않아 스펙트럼이 지저분해 진다. 이럴때는 테이프를 슬릿구멍에 통과시킨 후 위쪽과 아래쪽을 깔끔하게 붙여 주면 된다. (이 간단한 방법을 생각해 내는데 상당히 오랜시간이 걸렸음을 밝혀 둔다.)


4. 관찰구멍에 분광필름을 붙인다.

  분광필름(회절필름)은 방향성이 있다. 슬릿구멍 위 아래쪽 방향으로 무지개가 생기는지 확인하고 붙이도록 한다. 좌우로 가늘게 무지개가 생기면 곤란하다. 제대로 붙이기 전에 미리 꼭확인하고 이상이 없을 때 테이프로 단단하게 붙이도록 하자. 



5. 완성되면 H자 모양으로 만들어 관찰구멍에 눈을대고 전등을 관찰하면 된다. 

무지개 색이 나타나면 성공.


6. 필요하면 고무줄을 이용해서 택배박스를 임시로 고정시켜 놓고 관찰해도 된다.


<응용> 손분광기 만들기

분광필름만 있으면 손으로도 분광기를 만들 수 있다.
주먹을 살짝 쥐고 망원경처럼 만든 다음, 눈으로 들여다 보는 엄지손가락 쪽에 분광필름을 붙이고, 새끼손가락 쪽을 살짝 벌려 슬릿구멍처럼 만들면 된다.

영상으로 보자

https://youtu.be/6MhLSnasBwA

 

<추가사항 및 한계점>


1. 회절필름의 격자 간격이 촘촘할 수록 보이는 스펙트럼은 슬릿구멍으로부터 먼 곳에 생긴다. 영의 이중슬릿 실험과 비슷한 원리다. 택배박스에서 회절격자 1000line 짜리를 사용해 보니, 슬릿구멍으로부터 너무 먼곳에 생겨 관찰하기가 좋지 않다. 그래서 본 실험에서는 500line 짜리를 사용했다.  가운데 사진은 모든방향으로 생기는 홀로그램 필름이다. 

전문적인 분광기는 1000line 짜리를 사용하는게 더 좋다. 그래야 더 넓은 스펙트럼을 만들 수 있다. 


2. 실제 전문적인 분광기보다 더 잘 보인다고 말하는 사람들이 있다. 슬릿구멍이 전문적인 분광기 보다 넓기 때문에 빛이 많이 들어와서 더 밝게 잘 보인다. 하지만 전문적인 분광기 보다 분해능이 떨어진다. 슬릿구멍이 얇을수록 분해능이 좋아지기 때문이다.

만약 정밀한 분광기를 만들고 싶다면, 슬릿구멍을 얇게 만들고 암실에서 관측대상을 관찰하는 것이 좋다. 또 판매되는 분광기처럼, 분광기 길이나 넓이도 더 크게 만들면, 선 스펙트럼의 정확한 위치도 비교할 수 있다.

여기에서 만드는 분광기는 단순히 학생들 호기심을 불러 일으키는 정도로 생각하면 좋겠다. 전문적인 분광기 만큼 분해능이 좋지는 않지만, 중,고등학교 수준의 스펙트럼을 관찰하는 데는 큰 문제가 없다. 



<기존에 CD를 이용해서 스마트폰에 연결하는 분광기 만들기는 아래 링크 참고>
https://sciencelove.com/1998

스마트폰용 투과형 분광기
https://sciencelove.com/2583

<함께 사용하면 좋은 프로그램>

참고로 동영상에 나온 빛의 삼원색 합성 프로그램은 아래 링크에서 다운 받을 수 있습니다.
https://sciencelove.com/1175

스마트폰용 빛의 삼원색 합성 프로그램을 이용하면 노트북 없이도 2명의 학생이 함께 앉아 한명은 분광기를 다른 한명은 스마트폰화면으로 빛의 삼원색 어플을 실행시켜 관찰 할 수 있습니다.
https://sciencelove.com/1514

스마트폰을 이용한 분광기 관찰용 어플은 아래 링크 참고
https://sciencelove.com/1154

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