<수업설명팁> 기체의 입자(분자) 운동 모형 가상실험 - 압력,보일,샤를 법칙 모두 설명

2013년에 만들었던 분자 운동 가상실험을 대대적으로 업데이트 했다.

이 프로그램 하나로 기체의 압력, 보일의 법칙, 샤를의 법칙 등등 기체의 성질과 관련된 대부분을 설명할 수 있다. 

아래 링크에서 실행하면 된다. 

https://sciencej1.cafe24.com/html5/Molecularmotion/molecularmotion2.html

1. 수업시간에 활용방법

 

  <수업 도입부분에서>

공기를 넣은 풍선을 보여주면서 질문한다. 이 풍선은 왜 더 이상 부풀어 오르지 않는 것일까? 이 풍선을 더 부풀어 오르게 하려면 어떻게 해야 할까?

풍선 안쪽과 바깥쪽의 충돌횟수가 같아질때까지 풍선은 부풀어 오른다. 따라서 풍선을 더 부풀게 하려면, 풍선 안쪽의 분자들의 충돌횟수를 많게 하거나, 바깥쪽의 충돌횟수를 줄이면 된다.

풍선에 바람을 더 불어 넣으며 ‘이렇게 풍선 안쪽에 분자들을 더 넣어주면 풍선 안쪽의 충돌횟수가 많아 질테고, 그럼 더 부풀어 오르게 된다. 언제까지? 안쪽과 바깥쪽의 충돌횟수가 같아질때까지! (요 설명이 중요하다. 앞으로 계속 이 설명을 반복하게 될 것이다.)

만약 풍선 주둥이를 묶어서 더 이상 바람을 불어 넣을 수 없다면 풍선을 더 부풀어 오르게 할 수 없는 것일까? (이때는 온도를 높여 풍선 안쪽의 분자들의 운동을 활발하게 만들면 된다. 그럼 순간적으로 안쪽의 충돌횟수가 더 많아 질테고 풍선은 안쪽과 바깥쪽의 압력이 같아질때까지 부풀어 오르게 된다.

* 풍선은 풍선 안쪽과 바깥쪽의 기압이 같아질 때 까지 부풀어 오른다. 온도가 같다면 충돌횟수를 기압으로 볼 수 있기 때무에 충돌 횟수가 같아질 때 까지 부풀어 오른다 고 말할 수 있다. 하지만 풍선 안과 밖의 온도가 다르면 기체 입자가 벽에 충돌하는 속력이 빨라지기 때문에 충돌횟수가 같아 질때 까지 풍선이 부풀어 오르는게 아니라, 안과 밖의 기압이 같아질 때 까지 부풀어 오른다.

(만약 안쪽 온도가 더 높다면 안과 밖의 기압이 같아 졌을 때 안쪽 충돌횟수는 바깥쪽 보다 적어 진다. 그래서 가상실험에서도 충돌횟수와 압력을 따로 표현해 놓았다.)

또 한가지 방법은 풍선 바깥쪽의 분자들을 없애는 방법이다. 그럼 풍선 안쪽의 분자들의 충돌횟수가 많아지니까 마찬가지로 더 부풀어 오르게 된다.

  * 과학적으로 충돌횟수 보다는 내부 압력과 외부 압력이 같아질때 까지라고 표현하는 것이 맞다. *

 

2. 가상실험 조작 방법

초기화, 풍선, 탁구공을 선택해서 다양한 상황을 만들어 볼 수 있다.

입자수는 0-20까지 조절할 수 있고, 입자수가 0이 되면 진공이 된다.

대기압 일정에 체크 하면 왼쪽의 압력은 오른쪽 공간의 팽창이나 축소와 상관 없이 항상 일정한 기압으로 작용한다.

우측 상단에 X100 을 누르면 입자크기가 작아지고 입자수가 1000개가 된다. 입자수가 적을 때는 중심벽이 크게 요동치지만 입자수가 많아질 수록 요동치지 않는 다는 걸 확인할 수 있다.

상단에 막대그래프에서 색깔은 충돌 수가, 검은색 선은 압력을 나타낸다. 온도가 같을 때는 충돌횟수와 압력이 같지만, 온도가 달라지면 충돌횟수와 압력이 달라진다. 참고로 온도가 높아지면 더 적은 충돌횟수로 같은 압력을 낼 수 있다. 

중심벽을 마우스로 드래그 해서 이동시킬 수 있다. 어느 한쪽으로 이동시켰다 놓면 기압이 같아 질 때까지 다시 제자리로 돌아오는 걸 볼 수 있다. 보통 주사기 끝을 막고 피스톤을 눌렀다 놓면 다시 제자리로 돌아오는 것과 같다. 

 

3. 가상실험에서 해 볼 수 있는 내용들

 

<가정> 가운데 벽은 분자와 충돌할때 마다 조금식 뒤로 밀려나는 벽이다. 오로지 충돌에 의해서만 밀려난다. 

 

1. 하늘로 올라가는 풍선은 어떻게 될까?

- 풍선화면으로 이동한다.

- 왼쪽과 오른쪽에 기체분자 10개를 채워 넣어 중심벽이 중심에 오게 한다.

- 하늘로 올라갈 수록 기압이 감소하니까 왼쪽에 분자를 하나씩 감소시키면서 중심벽이 왼쪽으로 이동해 가는 것을 보여준다.

- 그러면서 질문해 보자 '풍선은 언제까지 부풀어 오를까?'

- 정답은 온도가 같다면 왼쪽과 오른쪽의 분자의 충돌횟수가 같아질때 까지

 

2. 그렇다면 진공에서는 어떻게 될까?

- 왼쪽에 있는 기체 분자를 모두 제거 한다. 그럼 중심벽은 언제까지 이동할까?

- 충돌횟수가 같아질 때 까지 이동해야 하는데 왼쪽에는 충돌하는 분자가 없으니까 이론적으로 무한대로 이동한다. 결국 풍선은 계속 부풀어 오르다 터질 수 밖에 없다. 

 

3. 풍선의 크기를 크게 하는 방법은?

-풍선 안의 분자의 충돌횟수를 풍선밖 보다 더 크게 해서  풍선벽을 밖으로 밀어내면 된다.

1) 풍선안쪽의 기체 분자수를 늘리면 된다.(풍선을 불면 된다.)

2) 풍선 입구가 묶여 있다면 온도를 높여 풍선 안쪽의 분자의 운동속도를 빨라지게 하면 된다.

3) 풍선 입구가 묶여 있고, 온도도 높이지 못하는 경우에도  방법이  있다. 아이들에게 찾아 보라고 하면 좋다.

   - 풍선 바깥쪽의 분자충돌횟수를 줄이는 방법이 있다. 

   실제 풍선안에 곰인형 넣는 도구가 이런 방법을 이용해서 풍선안에 곰 인형을 넣는다.

https://sciencelove.com/964

풍선안에 곰인형 넣기

 

 

4. 보일의 법칙 설명

- 왼쪽에 분자의 수를 증가시키면서 충돌횟수(압력)가 증가하는 것을 보여 주면서 압력이 증가하면 부피가 작아진다는 것을 설명

- 언제까지 (분자의 충돌횟수가 같아질때 까지)

 

 

5. 샤를의 법칙

- 찌그러진 탁구공 펴기 화면으로 이동

- 오른쪽에 분자의 온도를 증가시키면서 분자 운동 속도가 증가하면 부피가 팽창한다는 것을 설명

- 언제까지 (이때는 안과 밖의 온도가 다르기 때문에 분자의 충돌횟수가 아니라 안쪽과 바깥쪽의 압력이 같아질때 까지)

* 주의할점 : 엄밀히 말하면 샤를의 법칙에서는 용기내부와 외부의 충돌횟수가 같지는 않다.  온도가 올라가면 내부에 있는 기체 분자들은 외부 기체 분자 보다 속력이 빨라진다. 따라서 안쪽에서 속력이 빠른 기체 분자가 한번 충돌할때 운동량이 외부에서 충돌하는 기체 분자의 운동량보다 크다. 기압이 같아 질 때 온도가 높은 안쪽의 충돌횟수가 더 적다. (고등학교에서 가끔 문제로 출제되기도 한다)

 

6. 바깥쪽 압력이 커지면 안쪽 압력은 어떻게 될까?

- 바깥쪽 압력이 커지면 안쪽 압력도 커진다는 것을 보여줌

- 중심벽의 위치가 똑같아도, 분자의 속도가 느릴때와 분자의 속도가 빠를때를 비교해 보면 충돌횟수가 크게 차이가 나는 것을 볼 수 있습니다.

**** 가장 중요한 것은 모든것을 분자의 충돌횟수가 같아질때 까지 팽창한다는 것에서 위 설명들을 이끌어 낼 수 있다는 것이지요 ***

 

  <수업 설명 팁> - 학생들을 분자 모형으로 만들기

수업시간에 많이 활용하는 방법이다. 학생들을 모두 기체 입자(분자)가 되어 생각하라고 최면을 건다.

우리반 교실에 의자를 다 빼고 너희들을 분자모형으로 만들 거다. 그럼 너희는 어떻게 될까? 그렇지! 끊임없이 운동해야지.

자 이리저리 마음대로 돌아다니면 된다. 친구랑 충돌하거나 벽이랑 충돌하면 방향을 바꿔서 앞으로 직진하면 된다. 

그런데 교실 앞에 있는 칠판은 충돌하면 조금씩 밀리는 칠판이다. 너희들이 무작위로 돌아다니다가 칠판이랑 충돌하면 칠판은 뒤로 조금씩 밀려 난다. 그럼 칠판은 언제까지 뒤로 밀려 날까?  계속 끝없이 밀려 날까?

불행히도 옆반 친구들도 너희처럼 기체 입자가 되어 돌아다니고 있다. 그래서 칠판은 앞 뒤로 왔다 갔다 하면서 현재의 자리를 거의 유지하게 될 거다.

만약 우리 교실을 더 넓게 만들고 싶다면, 그렇지 다른반 친구들을 더 데리고 와서 우리교실에서 놀게 하면 된다. 그럼 우리 교실쪽에서 출돌 횟수가 훨씬 많을 테니까 우리 교실이 커질 것이다.

만약 다른반 친구들을 데리고 올 수 없다면? 선생님이 바닥에 철판을 깔고 가열을 할 거다.

그럼 발바닥이 뜨거우니까 너희들은 지금보다 훨씬 더 빨리 뛰어다니게 될 거다. 그래서 벽에 충돌하는 횟수가 많아지고 마찬가지로 우리 교실이 점점 커지게 될 거다.

만약 다른반 친구도 데려올 수 없고, 온도도 높일 수 없다면? 한가지 방법이 더 있다. 옆반 친구들을 모두 교실밖으로 빼내면 된다. 그럼 우리반 쪽에서 벽에 충돌하는 횟수가 많아 지니까 우리 교실이 더 커지게 될 거다.

눈치챘겠지만, 우리 교실은 풍선과 같다. 우리는 지금 풍선이 커지는 3가지 방법을 알아 본거다. 

<참고>

보일의 법칙 가상실험 프로그램

https://sciencelove.com/2299

보일의 법칙 가상 실험 프로그램

 

샤를의 법칙 가상실험 프로그램

https://sciencelove.com/2300

샤를의 법칙 가상 실험 프로그램

 

예전에 만든 분자운동 가상실험 프로그램

https://sciencelove.com/965

분자운동(기체분자운동) - 가상실험프로그램