<추가>웹상에서 실행되는 웹용 프로그램은 아래 링크에서 바로 실행시킬 수 있다.
sciencej1.cafe24.com/html5/Molecularmotion/Molecularmotion.html
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)
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 충돌횟수(X) 안쪽과 바깥쪽의 압력이 같아질때까지 부풀어 오르게 된다.
* 샤를의 법칙에서는 충돌횟수가 같아지는 건 아닙니다. 온도가 올라가면 입자 운동이 활발해 지기 때문에 충돌 강도가 더 커집니다. 따라서 안쪽과 바깥쪽 압력이 평형 상태를 이루었을때 충돌횟수는 안쪽이 더 적게 충돌합니다. 그런데 미묘하게 따져볼 일이 있습니다. 온도가 올라가서 처음에 팽창하는 동안은 충돌횟수가 증가할 수도 있다는 점입니다. 즉 완전히 평형을 이룬상태인지, 막 변화가 일어나는 상태인지에 따라 충돌횟수는 달라질 수 있습니다. 따라서 문제에서 변화가 일어나는 동안을 따지는 것은 조금 위험할 수 있습니다.
또 한가지 방법은 풍선 바깥쪽의 분자들을 없애는 방법이다. 그럼 풍선 안쪽의 분자들의 충돌횟수가 많아지니까 마찬가지로 더 부풀어 오르게 된다.
* 정확히 말하면 충돌횟수 보다는 내부 압력과 외부 압력이 같아질때 까지라고 표현하는 것이 맞습니다. 그런데 제가 충돌횟수라고 언급하는 이유는 사실 수업시간에 설명할때 내부에 있는 분자를 학생들로 비유해서 설명하기 때문입니다. 왼쪽은 1반 학생들 오른쪽은 2반 학생들 중심벽은 한번 밀면 조금씩 밀리는 벽, 그리고 교실안에 있는 학생들은 계속 앞뒤로 왔다 갔다 하면서 벽을 밀고 있다 라고 가정합니다. 그러다 보니 중학교 1학년 학생 수준에서 압력이나 에너지 보다는 몇번 충돌했냐고 자꾸 묻게 되다 보니, 충돌횟수 표현을 사용하게 되었네요. 반드시 내부압력과 외부압력으로 나중에는 정정해 주셔야 합니다. *
<실험에 볼 수 있는 내용들>
<가정> 가운데 벽은 분자와 충돌할때 마다 조금식 뒤로 밀려나는 벽이다.
1. 하늘로 올라가는 풍선은 어떻게 될까?
- 풍선화면으로 이동한다.
- 왼쪽과 오른쪽에 기체분자 10개를 채워 넣어 중심벽이 중심에 오게 합니다.
- 왼쪽에 분자를 하나씩 감소시키면서 중심벽이 왼쪽으로 이동해 가는 것을 보여줍니다.
- 하늘로 올라갈수록 공기 분자가 적어진다는 것을 설명해 주어야 겠지요
- 이때 질문 (언제까지 이동할까?)
답은 왼쪽과 오른쪽의 분자의 충돌횟수가 같아질때 까지겠지요 ^^
2. 그렇다면 진공에서는 어떻게 될까?
- 왼쪽에 있는 기체 분자를 모두 제거합니다. 그럼 중심벽은 언제까지 이동할까요?
- 충돌횟수가 같아질 수 없으므로 무한정 이동하겠지요. 그러다 보면 언젠가는 터지겠지요 ^^
3. 풍선의 크기를 크게 하려면 어떻게 하면 될까?
-풍선 안의 분자의 충돌횟수를 증가시키면 됩니다.
1) 풍선안쪽의 기체 분자수를 늘리면 된다.
2) 온도를 높여 풍선 안쪽의 분자의 운동속도를 빨라지게 하면 된다.
3) 한가지 방법이 더 있습니다. 아이들에게 찾아 보라고 하면 좋습니다.
- 풍선 바깥쪽의 분자충돌횟수를 줄이는 방법이 있습니다.
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 운동속도를 증가시키면서 온도가 증가하면 부피가 팽창한다는 것을 설명 - 언제까지 (분자의 충돌횟수(X) 안쪽과 바깥쪽의 압력이 같아질때 까지)
* 주의할점 : 엄밀히 말하면 샤를의 법칙에서는 용기내부와 외부의 충돌횟수가 같지는 않습니다. 외부의 충돌횟수가 내부보다 많지요. 왜냐하면 온도가 올라가면 내부에 있는 기체 분자들은 외부보다 속력이 빨라지기 때문입니다. 따라서 안쪽에서 속력이 빠른 기체 분자가 한번 충돌할때 운동량이 외부에서 충돌하는 기체 분자의 운동량보다 큽니다. 평형을 이루고 있을때 안쪽의 충돌횟수가 더 적습니다. 위 프로그램은 온도변화가 심하지 않아서 분자운동의 속력에 따른 운동량의 차이는 무시하는 경우라는 가정하에서 설명해 주시면 좋을 것 같습니다. 또는 새로운 문제로 제시할 수도 있습니다. 샤를의 법칙에서 안쪽과 바깥쪽의 충돌횟수가 같아질때까지 이동한다는 것이 맞는 말일까? (고등학교 문제지에 이런 문제가 나옵니다.)
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 ***
<참고>
보일의 법칙 가상실험 프로그램
보일의 법칙 가상 실험 프로그램
설치 없이 웹상에서 바로 실행되는 가상실험 프로그램추가 아래 링크에서 실행 http://sciencej1.cafe24.com/html5/boyleslaw/boyleslaw.html 학생 제공용 사이트 설명이 포함된 것은 아래 링크 참고 https://sciencel
sciencelove.com
샤를의 법칙 가상실험 프로그램
샤를의 법칙 가상 실험 프로그램
설치 없이 웹상에서 바로 실행되는 가상실험 프로그램추가 아래 링크에서 실행 http://sciencej1.cafe24.com/html5/charleslaw/charleslaw.html 학생 제공용 사이트 설명이 포함된 것은 아래 링크 참고 https://scienc
sciencelove.com
