과학하는 소녀

안녕하세요! :)
과학하는 소녀 곰지입니다.

10월 26일까지가 시험기간이었던지라 (ㅠ_ㅠ)
아직도 폭풍같이 많은 실험보고서와 퀴즈가 남아있긴 하지만
주말을 이용해서 미뤘던..포스팅을!


이번 실험은 <광섬유 램프>입니다.
처음에 WISE 실험교실 멘토 워크샵 할 때 가장 재미없어 보였던 (;;) 실험 주제였죠.
10월 1일에 대전여자중학교에서 실험이 진행되었는데요 =)
학생들도 시험기간 직전인지라 매우 피곤해보여서 안쓰러웠다는..


그럼 바로 실험 설명 들어갑니다잉!

* 학습 목표: 여러 색깔로 빛을 내는 광섬유램프를 만들어보고, 광섬유에 대해 알아봅니다.

* 생각해 보기
빛은 반사, 굴절, 산란 등 여러 가지 성질을 가지고 있습니다. 빛의 여러 가지 성질 중 반사의 종류에는 어떠한 것이 있을까요?

<반사의 종류>
- 정반사: 거울과 같이 매끄러운 표면에서 빛이 일정하게 반사하는 것
- 난반사: 종이와 같이 표면이 울퉁불퉁해 반사된 빛이 여러 방향으로 흩어지는 것
- 전반사: 빛이 다른 물질로 진행할 때 굴절되지 않고 100% 반사되는 현상

* 준비물
광섬유 1m 3개, 램프케이스 1개, 전지 끼우개 1개, 건전지 2개, 스위치 1개, 커넥터 2개
3색 LED 1개, 5 cm 길이로 자른 빨대 1개, 전선 연결 탭 3개(전선과 전선을 이을 때 사용), 가위, 송곳

* 실험 과정

1. 램프케이스 뚜껑에 빨대가 들어갈 만큼의 구멍을 낸 후 빨대를 넣습니다. 앞쪽에 스위치를 끼워 넣습니다.
(※ 램프케이스에 구멍을 뚫을 때 너무 크게 하면 빨대가 빠질 수 있습니다. 스위치를 끼울 때 힘을 주어 누르면 , 구멍을 뚫지 않아도 들어갑니다.)

2. 3색 LED의 다리가 긴 쪽(+극)을 커넥터의 빨간색전선이 달린 구멍에 끼워 넣습니다.

3. 건전지 끼우개에 건전지를 넣은 후 빨간색 전선을, 2번에서 만든 LED가 끼워진 커넥터의 빨간색전선과 연결합니다.

4. (LED가 끼워진 커넥터의 검은색 전선+ 또 다른 두 번째 커넥터의 검은색 전선) 연결 하고
(두 번째 커넥터의 빨간색 전선+ 건전지 끼우개의 검은색 전선)을 연결합니다.

5. 전선연결 부위를 절연테이프로 감싼 후 램프케이스 안에 넣습니다. 빨대에 LED를 끼웁니다.

6. 램프케이스 뚜껑의 스위치와 커넥터를 연결 한 후 뚜껑을 닿고, 빨대 안쪽에 광섬유를 잘라 넣은 후 스위치를 켜봅니다.
(※ 광섬유를 자를 때는 깨끗이 잘라 단면이 울퉁불퉁하지 않아야 빛이 잘 보입니다.)

아참!
가위나 송곳 사용 시 안전에 꼭 유의하시구요 :)


실험 과정이 쉬워보여도 은근히 어려워서
30~40분 쯤 후에 처음으로 완성항 학생 등장!

총 3개의 작품(?)을 뽑았는데,

가장 앞쪽에 있는 학생의 광섬유 램프는
원래 광섬유 자체의 성질상 한 쪽 끝에서 빛을 받으면 그 빛이 섬유를 통하여 다른쪽 끝에서만 점의 형태로 나타나는데
섬유 중간중간에서 빛이 나고 있네요.
학생은 빛이 새어나올 수 있도록 섬유의 중간에 가위로  내어 아름다운 작품을 만들고자 하였다고...ㅋㅋ

두번째 작품은 두 개의 전지를 직렬연결하여 두 개의 LED에서 빛이 나오도록 하는 것이었고
세번째는 전지에 두 개의 LED를 병렬연결하는 방법이었죠.

실제로 1개의 전지에 직렬로 두 개의 LED를 연결하는 경우에는 전압이 약해서인지 빛이 희미하게만 보였어요 (ㅜㅜ)

학생들의 창의적인(?) 발상에 무지무지 놀랐다는!ㅎㅎ



실험을 정리하고 학생들과 결과에 대해서 생각해 보는 시간에 학생들이 잘 집중해주었어요 :)

<실험 결과 및 정리>
* 광섬유의 어느 쪽에서 빛이 보였나요?
- 3색 LED가 끼워져 있는 반대쪽 끝에서 빛이 보인다.

* 위 실험에서 광섬유의 빛이 그렇게 보인 이유는 무엇일까요? 광섬유의 구조와 빛의 성질을 함께 생각해 보고 간단히 적어보세요.
- 광섬유는 고순도의 유리 섬유를 플라스틱으로 코팅한 것
- 빛이 전파되는 유리 섬유 부분 (코어, 높은 굴절률) + 보호해주는 유리섬유 (클래딩, 낮은 굴절률)
- 빛이 높은 굴절률 -> 낮은 굴절률로 진행할 때 전반사가 일어남

* 광섬유의 특징을 나타내는 전반사란 무엇일까요?
- 전반사란 빛이 굴절률이 큰 물질에서 작은 물질로 입사할 때 입사각이 특정 각도 이상이면 그 경계면에서 빛이 전부 반사되어 굴절광선이 존재하지 않게 되는 현상
- 임계각: 전반사가 일어날 수 있는 최소의 각


오래간만에 물리와 빛의 성질에 대해서 공부?ㅋㅋ해 볼 수 있었던 좋은 기회였습니다 :0
이것이 저에게 배정된 올해 마지막 실험이라는 게 아쉽네요.. ㅠ-ㅠ

바로 이 곳! 여중, 여고가 붙어있는 곳이었는데.. 시골마을 분위기가 나면서 괜히 저 중학교 때 생각이 나더군요.

4층 과학실로 찾아가서 아이들과 인사하고 간단하게 WISE 소개와 KAIST 소개를 한 후 바로 실험 진행! :)
일단 원리부터 알아볼까요?

* 고분자
- 고분자는 물질의 가장 기본적인 단위인 원자가 수십만 또는 수백만 개 이상 결합하여 만들어진 거대한 분자를 뜻합니다. 고분자에는 천연고분자와 합성고분자가 있습니다. 녹말과 셀룰로오스, 단백질처럼 천연적으로 만들어진 것을 천연고분자라하고, 나일론이나 폴리우레탄, 폴리에틸렌처럼 인공적으로 만든 것을 합성고분자라 합니다.

* 나일론 합성의 원리
- 헥사메틸렌디아민은 물과 섞이는 용매[극성]에, 염화아디포일은 물과 섞이지 않는 용매[무극성]에 녹여 접촉시킴으로써, 두 용액의 경계면에서 중합반응[간단한 작은 분자를 이용하여 거대한 크기의 분자를 만드는 반응]이 일어나게 됩니다. 이러한 중합반응을 계면중합이라고 하며, 이 경계면에서 생긴 중합체(나일론)의 필름을 집게로 집어 올리면 필름이 제거됨과 동시에 그 자리에 새로운 중합체가 계속 생성되게 되는 연속반응으로 인하여 끈이나 실 모양의 고분자 중합체를 만들 수 있습니다. 또한, 섞이지 않는 두 용액은 혼합기를 사용하여 세게 흔들어주면, 두 면의 접촉면이 넓게 되어 짧은 시간에 많은 중합체를 얻을 수 있습니다.
 
* 극성과 무극성
- 극성이란 물질 속의 전자가 한 쪽으로 치우쳐 전기적인 성질을 띠는 것[물, 에탄올, 메탄올 등]을 말하고, 무극성이란 전자가 어느 한 쪽으로도 치우치지 않아 전기적인 성질을 띠지 않는 것[사염화탄소, 벤젠]을 말합니다. 극성과 무극성은 서로 섞였을 때 성질이 비슷한 것끼리 섞이려고 하는 성질을 가지고 있습니다. 즉, 극성은 극성끼리, 무극성은 무극성끼리 섞입니다.

<실험 준비물>
염화아디포일, 디클로로메탄, 헥사메틸렌디아민용액, 유리 용기 1개, 스포이드 2개, 꼬지막대 1개, 비닐장갑 1쌍,종이컵 2개, 색소, 투명컵 (※ 직접 준비하세요 : 깨끗한 물)


<실험 과정>
1. 스포이드를 이용하여 미리 준비한 염화 아디포일과 디클로로메탄을 섞은 용액 약 2ml 정도 유리 용기에 넣습니다.
 (※ 실험시 반드시 비닐장갑을 착용하고 실험하세요.)
 (※ 시약이 피부에 묻었을 경우 반드시 흐르는 물로 씻어내세요.)
 (※ 시약으로 장난치지 마세요,)

2. 헥사메틸렌디아민 용액 약 3ml 정도를 유리 용기의 벽면을 타고 흘러내리게 합니다.

3. 병 안의 두 용액 층에 생성된 막을 꼬지 막대를 이용해 조심스럽게 들어올리고 회전 시켜 감아올립니다.
(※ 실험과정 ③번에서 시간이 지나면 덩어리가 지므로 바로 나일론실을 감아올리세요.)

4. 빈 종이컵에 세워놓고 물을 부어  씻어내고 나일론실을 풀어냅니다.
(※ 나일론실을 만들고 물로 충분히 헹궈주세요.)
(※ 나일론 세척 시 2개의 종이컵을 활용하세요. [ex. 물컵, 빈컵])

5. 나일론실의 일부를 잘라 원하는 색소에 넣고 남은 나일론실을 물로 씻고 말립니다.

6 병 안의 용액을 버리고 물로 헹군 후, 물을 채웁니다. 색소에 넣었던 나일론실을 꺼내어 유리 용기에 넣습니다.
 (※ 시약을 오래 보관할 경우 변질 또는 용기의 파손이 일어날 수 있으니 실험 후 즉시 폐기하세요.)


이렇게 만들어 집니다.
한 학생 빼고 모두 실험 성공!
계면중합이라, 용액의 경계면에서 나일론 실을 뽑아 낼 때 조심조심 뽑아내야 해요.