공모연수4-1(스마트에너지여행)-김정식(레이저현미경)

코로나19로 인해 신과수연구회 워크숍을 계속 원격으로만 만나다가

이번주 토요일과 다음주 토요일에 대면으로 진행하기로 하였다.

실험을 하는 연구회의 특성상 언제까지나 원격으로만 만나기에는 한계가 있는 것이 아닌가?

그러나 방송에서 쏟아지는 코로나 환자 뉴스를 보면서 걱정이 되고 불안한 것이 사실이다.

워크숍 참석하기 전에 체온재기, 방문자 등록 체크하기, 등록부 작성하기 등등의 준비를 했음에도 아직도 불안하다.

 

그래도 학생들도 온라인과 오프라인을 교대로 하는 만큼 우리 과학교사들은 만나야 하기는 할 것이다.

아침 일찍 1시간 전부터 나와 함께 연수장으로 만드는 것을 도와준 황영하 샘.

남의 학교 정보실에 가서 미처 제작하지 못한 플랜카드를 제작하고 책상을 나르고 정산까지 해주었다.

참석하는 선생님들의 이름표를 다 만들어 주시고 복도에 차 마시는 곳을 준비해준 한미선 샘.

처음 참석하자마자 프린트물을 나누고 분리 수거까지 도와준 박세은 샘.

실험실에는 마스크를 상시 마스크를 쓰고 있을 것, 음료수 및 과자를 가지고 실험실에 들어가지 말 것 등.

학생에게 하듯 계속 이야기를 했지만 불평 불만없이 열심히 연수에 참여해준 우리 선생님들.

그리고 오늘의 강의를 준비해주신 멋진 선생님들께 너무 감사한 마음이다.

인원이 많기에 실험재료비가 만만치 않아 몇 명만 재료비를 지원할 수밖에 없었는데 아낌없이 재료를 준비해준 우리 선생님들께 뜨거운 동지애를 느낀다.

정말 준비하기를 잘했다는 생각이 드는 보람된 시간이었다.

내가 할 수 있는 일이 있음에 행복해지는 시간이다.

 

<레이저 포인트로 만드는 현미경>

                                      김정식(이천중)

 

첫번째 발표자는 우리 김정식 수석님.

김정식수석님께서는 워낙 자료들을 인터넷상에 무한정 공개하시는 분이라서 내용이 익숙한데도

실물로 보는 내용과는 다르다는 생각을 다시 하게 된다.

오늘의 주제는 레이저 포인트를 이용한 현미경 만들기였다.

물리 전공자(?)인 나로서는 생물 관련 주제에 관심이 없었기에 주제를 들었을 때는 아쉬웠는데

막상 연수에 참여해보니 이래서 융합된 연수가 필요하구나 하는 생각이 들었다.

글로만 보았을 때는 말그대로 내가 알고 있는 범위내의 좁은 범위만을 보게 되는데

실물로 만나는 실험을 통해  많은 감동이 느껴진다. (내용은 김정식수석님 홈피에서 퍼온다. )

 

시작은 열화상 카메라에 찍힌 유령이야기로 시작한다.

열화상 카메라는 적외선을 감지하는 카메라이다.

사람의 눈은 가시광선을 본다.

가시광선 대부분은 유리를 통과하지만 적외선은 유리에서 대부분 반사가 된다.

 

 

즉 적외선 입장에서는 유리가 거울과 같은 역할을 하는 것이다.

열화상 카메라에 촬영된 영상은 사실 카메라 뒤에 서있는 사람들이 현관문 유리에 반사된 영상이다.

열화상 카메라로 보면 잘 반사되지 않는 금속표면에서도 거울처럼 반사된 사람의 모습을 볼 수 있다.

 

원리를 모르는 사람들은 유령이 촬영되었다고 착각하기 쉽다.

빛은 가시광선만 있는 것이 아니다. 빛에는 자외선, 적외선도 있다.

 

다만 우리는 빛의 영역에서 아주 작은 영역인 가시광선만 볼 뿐이다.

우리가 보는 세상은 극히 일부에 불과하다.

눈에 보이지 않는 빛들도 빛의 성질을 따르며 우리가 알지 못하는 더 다양한 정보를 제공하기도 한다.

 

본 수업에 들어가기 전에 소소한 실험 및 과학상식을 이야기해주시는데

많이 듣던 이야기였는데도 다시 상기하면서 유용한 시간이다.

 

열전도율 실험에서도 알루미늄 포장과 비닐포장을 비교하는 실험 이야기를 해주셨다.  

대부분의 초콜릿은 은박지나 금박지(?)로 포장이 되어있다.

상식적으로는 알루미늄 포장이 열전도를 잘 하니까 더 빨리 녹을 것 같지만

전도가 잘 되어 열을 골고루 퍼지게 하니까 사진처럼 한곳을 손가락으로 누르고 있으면

열이 퍼지지 않는 비닐봉지에 비해 더 천천히 녹는다

 

공기의 압력과 탄성력을 이용한 놀이기구를 이용한 실험

 

주기율표 원소 실물들도 가져오셨다.

자유낙하 실험도 몇 번 들었던 내용인데도 재미있다.

이렇게 간단하면서도 실물로 와닿는 실험들이 있지.

휴지와 책을 이용한 간단한 자유낙하 실험이 재미있다.

sciencelovestudy.tistory.com/18

 

자유낙하 가상실험 프로그램

본격적으로 현미경 만들기

초록색레이저가 비싸다는데 전 인원이 실험해볼 수 있는 레이저를 구입해오셔서 선물로 제공해주셨다.

레이저를 고정한 상태에서 물방울을 렌즈로 하여 불빛을 벽에 비치면서 굴절이 되게 하도록 하는 것이다.

현미경보다는 이를 이용한 간섭무늬를 이용하여 머리카락 굵기를 측정하는 실험이 재미있었다.

레이저를 이용하여 머리카락을 지나는 빛의 회절 현상과 단일 슬릿에서의 회절 현상을 이용하여 스크린에 생긴 무늬를 보고 머리카락의 두께를 측정해보는 활동이다.

 

주사기로 현미경을 만들 수 있는 원리 및 실험과정을 설명하시고.레이저 광을 이용한 현미경을 만들어  보았다.  

투영방식을 이용한 현미경은 여러명이 함께 관찰할 수도 있고, 별다른 준비물 없이 레이저만 있으면 쉽게 만들 수 있기 때문에 활용도가 높다. 실제 수업시간에 조명을 끄고 교실벽에 투영시켜 줄 수도 있다. 작은 미생물의 움직임에서 부터, 작은 입자들의 브라운 운동까지도 확인할 수 있다.

 

1. 준비물

가. 칼라더블클립 대형

나. 그린 레이저 포인터

다. AAA건전지 2개

라. 3cc 주사기 24G

마. 다이소 머리끈 고무줄

 

2. 원리

표면장력에 의해 매달려 있는 작은 물방울에 레이저를 비추면 물방울 내부에 들어있는 물질들을 투영시켜 볼 수 있다. 작은 물방울이 렌즈 역할을 하기 때문에 통과한 레이저 광이 물 안에 있는 물질들의 확대된 그림자를 스크린에 비추게 된다. 일반 빛으로는 보기 어렵지만 레이저 광선을 이용하면 비교적 뚜렷한 그림자를 얻을 수 있기 때문에 관찰이 용이하다. 암실에서 스크린과의 거리를 멀리하면 훨씬 더 크게 확대해 볼 수 있다.

 

제작한 레이저포인트를 이용한 현미경

레이저포인터의 또다른 이용- 전반사실험도 해보시는 김정식 수석님.

두번째 실험은 빛의 회절현상과 단일 슬릿에서의 회절현상을 이용해 머리카락 굵기를 구해보는 실험

물리전공자로서는 이 실험이 참 재미났다.

 

1. 단일슬릿에 의한 회절

회절한 빛이 스크린에 도달하면 슬릿 내의 다른 점들로부터 나오는 파동들이 서로 간섭을 일으키고 결과적으로 밝고 어두운 띠들로 이루어진 회절무늬를 만들게 된다. 회절무늬의 중앙에서 밝은 띠가 형성되는 이유는 슬릿의 모든 점에서 출발하는 파동들이 무늬의 중심에 도달하는데 같은 거리를 진행하게 되므로 중심에서 모두 동일한 위상을 갖고 보강간섭이 이루어지기 때문이다.

단일 슬릿의 경우 중앙과 맨아래에서 출발한 빛의 경로차이가 반파장 (λ/2) 만큼 차이가 생기면 스크린에서 빛이 만나는 지점은 상쇄간섭이 생겨 어두운 무늬가 나타난다. 즉 단일 슬릿의 경우 가 λ 만큼 차이가 생기면 첫번째 어두운 무늬가 생긴다는 것을 알 수 있다. 우리는 머리카락 굵기를 구할 것이기 때문에 첫 번째 상쇄간섭이 일어나는 곳 까지의 거리만 따져 보도록 하자.

계산값에 dsinθ=λ가 되는 곳에 어두운 첫 번째 간섭 무늬가 생긴다는 걸 알 수 있다.

이때 θ 값이 충분히 작다면 sinθ=x/L로 쓸 수 있고, 식을 다시 써보면

dsinθ=λ는 d×x/L =λ 로 표현할 수 있다.

 

결국 슬릿 간격 d=λ× L/x = 가 된다. 즉 레이저 파장 λ 와 슬릿에서 스크린 까지의 거리 L 그리고 회절무늬 중심에서 첫 번째 어두운 무늬가 나타나는 곳 까지의 거리 x를 측정하면 슬릿간격 d를 알아낼 수 있게 되는 것이다.

http://sciencej.cafe24.com/html5/hairthickness/hairthickness.html

 

sciencelove.com/2478

hairthickness

레이저 파장을 바꾸거나, 벽까지의 거리를 변화시켜 가며 측정해 기록한 양식

대상	레이저 파장(λ)	슬릿에서 벽까지의 거리(L)	중심에서 첫 번째 어두운 무늬까지 거리(x)	머리카락 두께(d)

 

간단하고 재미있는 공기의 흐름에 대한 풍선 실험도 했다.

2005년에 학생들과 해보면서 재미있어 했던 실험인데 또 새롭고 재미있다.

풍선 두개를 관으로 연결하여 놓으면 큰 풍선과 작은 풍선 중에서 어느 쪽으로 공기가 이동을 할 것인가?

언뜻 생각하기에는 큰 풍선에서 작은 풍선으로 공기가 이동을 할 것이라 생각되지만

실제로는 작은 풍선은 더 작아지고 큰 풍선은 더 커지는 것을 볼 수 있다.