d라이브러리

재미있는 과학실험을 찾고 만들고 알려 주기 위해 늘 고민하는 섭섭박사. 그는 오늘도 어두운 방구석에 앉아 끙끙대고 있었다. 그런데 갑자기 눈앞이 환해지더니 한 무리의 검은 그림자가 등장! 놀라 자빠진 섭섭박사에게 그림자들은 으스스한 목소리로 명령을 내렸다.
“우리의 실험을 누구나 쉽게 이해하도록 세상에 알려라~!”
세상에, 저들은 역사에 이름을 남긴 유명 과학자 5인방이 아닌가! 실험의 기록을 보는 것은 어렵지 않다. 하지만 그걸 어떻게 바꿔서 어떻게 알리지? 다시 끙끙대던 섭섭박사는 문득 떠올렸다. 지금은 스마트 세상! 그래, 인터넷과 모바일을 이용하면 수백 년 전 과학자와 21세기의 어과동이 실험으로 연결될 거야! 이제 수백 년을 뛰어 넘은 스마트한 실험이 시작된다!

MISSION 1 망원경의 달인 갈릴레오 갈릴레이

나는 직접 제작한 망원경으로 우주를 들여다봤어. 아마 지구인 중에서는 처음일 거야, 에헴. 1609년에 만든 최초의 망원경은 물체를 3배 정도 확대할 수 있었지. 하지만 이후 렌즈와 경통을 조합해서 20~30배 짜리 망원경으로 개량했어. 난 이 망원경으로 달의 울퉁불퉁한 겉모습을 관찰하고 스케치를 남겼지. 게다가 목성의 위성을 최초로 발견하지 않았겠어? 그래서 목성 위성 네 개(이오, 칼리스토, 가니메데, 에우로파)를 ‘갈릴레이 위성’이라고 부른다고~.

실험 포인트

갈릴레이의 망원경은 빛을 퍼뜨리는 오목렌즈(접안)와 빛을 한 점에 모으는 볼록렌즈(대물)를 결합한 구조다. 볼록렌즈를 통과해 한 점에 맺힌 물체의 상은 오목렌즈를 통과하며 다시 커진다. 이렇게 렌즈를 통과한 빛이 꺾이는 현상인 ‘굴절’을 이용한 망원경을 ‘굴절망원경’이라고 한다.

잠깐! 배율과 망원경의 종류

망원경이 물체를 확대하는 정도를 ‘배율’이라고 한다. 갈릴레이의 굴절망원경은 물체의 상을 똑바로 보여 주지만, 배율에 한계가 있고 시야도 좁아 오래 쓰이지는 못했다. 1611년 독일의 요하네스 케플러는 접안렌즈를 볼록렌즈로 바꿔 시야를 넓히는 데 성공했다. 대물렌즈를 오목거울로 바꿔 빛을 모으는 ‘반사망원경’은 굴절망원경보다 상이 깨끗하고 크기도 자유롭게 키울 수 있어 천문대나 허블 우주망원경 같은 대형 망원경에 많이 쓰인다.

갈릴레이도 놀라 자빠질 종이 굴절망원경

준비물 검은색 골판지(3장), 볼록렌즈(지름 5~7㎝), 오목렌즈(지름 3~5㎝), 가위, 칼, 양면테이프
주의사항 렌즈나 망원경을 통해 해를 정면으로 보지 말 것! 실명할 수도 있다.

❶ 골판지 한 장의 골이 있는 면에 수직 방향으로 볼록렌즈가 고정될 홈을 만든다.
❷ 볼록렌즈를 끼워 빠지지 않도록 골판지를 둥글게 말아 고정하고 양면테이프로 붙인다.
❸ 다른 골판지 한 장의 골이 있는 면에 오목렌즈가 고정될 홈을 만든다.
❹ 오목렌즈를 끼워 빠지지 않도록 골판지를 둥글게 말아 고정하고 양면테이프로 붙인다.
❺ 남은 골판지를 골의 수직방향으로 두께 10㎝로 길게 잘라 띠를 여러 개 만든다.
❻ 10㎝폭의 골판지를 ❹에서 만든 통에 감는다. 이때 골이 있는 면이 겉을 향하도록 한다.
❼ 같은 방법으로 골판지 띠를 여러 번 감아 ❻의 통이 ❷의 통 안에 맞게 들어가도록 한다.
❽ 두 개의 통을 끼워 늘렸다, 줄었다 조절하며 멀리 있는 사물을 관찰해 보자.

재료는 어디서 구할까?
볼록렌즈 : 돋보기를 이용하자. 돋보기에 쓰는 렌즈가 볼록렌즈다.
오목렌즈 : 돋보기와 반대 역할을 하는 ‘졸보기’가 있다. 문구점이나 인터넷 쇼핑몰.

MISSION 2 번개를 맞은 사나이 벤자민 프랭클린

1752년, 비가 쏟아지는 어느 날이었어. 나는 하늘에 연을 띄우고 번개가 치길 기다렸지. 번개가 번쩍이는 순간, 연실에 연결된 열쇠에 재빨리 손을 갖다 댔단다. 찌릿하게 울리는 그 통증이라니! 지금까지 내가 믿고 있던 이론이 ‘사실’이라는 것을 확인한 순간이었지. 번개가 전기 현상이라는 사실 말이야. 연실을 따라 이동한 전하가 금속인 열쇠에 모여 몸을 통과할 때 감전된 거였어. 온몸을 내던진 이 실험으로, 나는 번개의 전기를 한 점에 모아 흘려보낼 수 있는 ‘피뢰침’을 발명했지.

실험 포인트

피뢰침은 끝이 뾰족한 금속이다. 이런 부분에는 전기를 흐르게 하는 입자인 전하가 모이기 쉽다. 전하는 공기 중에서도 쉽게 움직이기 때문에, 금속의 뾰족한 끝과 끝을 연결하면 전하가 그 사이를 이동한다.

잠깐! 번개의 전기

감전의 위험도는 전압이 아닌 전류의 양에 따라 결정된다. 예를 들어 사람이 감전되어 죽는 전류의 양은 50~100mA 정도다. 전류의 크기는 옴의 법칙(전압=전류x저항)에 따라 전압에서 저항을 나눈 값이다. 우리 몸의 저항은 건조할 때 50만Ω(옴)이지만 젖어 있을 때는 500분의 1인 1000Ω까지 줄어든다. 번개의 전압은 1억~10억V(볼트)이므로 비가 오는 날 바깥에 서서 번개를 맞을 경우 이론상 몸에 최대 100만A의 전류가 흐르게 된다. 번개에 맞아 죽기 싫다면 프랭클린의 방법은 절대 따라하지 말 것!

프랭클린의 가슴도 찌릿하게 울릴 미니 피뢰침

준비물 캐릭터 도면, 압전기, 실, 은박 테이프, 검은 도화지(2장), 가위, 풀
주의사항 압전기를 누르면 순간적으로 고압전류가 흐르며 스파크가 튄다. 절대 피부나 눈에 대고 누르지 말 것. 타기 쉬운 물체도 마찬가지다.

실험 순서
❶ 검은 도화지에 은박 테이프로 사람 뼈대, 집뼈대, 구름, 연 몸체 등을 만들어 붙인다
❷ 캐릭터 도면을 사람 뼈대 위에 붙인다. 은박 테이프로 만든 뼈대가 손끝에 닿도록 주의.
❸ 캐릭터 도면의 손과 연 몸체를 길게 자른 은박 테이프로 연결하고 그 위에 실을 붙인다.
❹ 남은 도화지로 집을 만들어 캐릭터 도면과 간격을 두고 집 뼈대 위에 붙인다.
❺ 아랫 부분이 집 뼈대와 닿도록, 지붕에 은박 테이프 피뢰침을 만들어 붙인다.
❻ 구름과 피뢰침 사이에 번개 모양으로 은박 테이프를 붙인다.
❼ 같은 방법으로 연 몸체와 구름 사이에 작은 번개를 만든다.
❽ 주변을 어둡게 한 뒤, 압전기 끝을 구름에 대고 스위치를 누른다.

재료는 어디서 구할까?
압전기 : 인터넷 과학교구 쇼핑몰. (검색 키워드는 ‘압전기’ 또는 ‘압전세라믹’)
캐릭터 도면 : 어과동 블로그의 실험 페이지에서 내려 받을 수 있다.

MISSION 3 건전지의 원조 알렉산드로 볼타

18세기 후반 이탈리아의 의학자 루이지 갈바니는 동물의 몸 속에서 전기가 만들어진다고 주장했어. 하지만 같은 시기 이탈리아의 한 물리학자가 동물이 아닌 금속과 습기가 전기를 만들어낸다고 반박했지. 1800년 세계 최초로 만들어낸 ‘전지’는 이런 주장을 바탕으로 한 거야. 바로 내 이름을 딴 ‘볼타 전지’! 은판, 아연판, 소금물에 적신 종이를 마치 패스트리처럼 겹겹이 쌓은 뒤 양 끝에 서로 다른 금속을 붙인 형태지. 여기에 전선을 연결하면 전류가 흐른단다.

실험 포인트

우리가 현재 쓰는 건전지의 원리는 볼타 전지와 같다. 음전하를 내놓는 금속과 음전하를 받아들이기 쉬운 금속을 각각 (+)극과 (-)극에 두고 그 사이를 전하가 흐르기 쉬운 전해질 용액으로 채운 것. 같은 원리로 금속을 전해질 용액에 넣으면 전류가 흐르는 간이 전지를 만들 수 있다. 소금물은 우리 주변에서 구하기 쉬운 전해질 용액이다.

잠깐! 이온화 경향

금속이 음전하를 잃고 (+) 전기를 띠는 현상을 산화, 음전하를 얻는 현상을 환원이라고 한다. 원자나 분자가 전하를 얻거나 잃는 이온이 되려는 경향을 ‘이온화 경향’이라고 하는데, 이온화 경향이 클수록 음전하를 잃고 산화되기 쉽다. 볼타 전지에 쓰인 금속 가운데 아연은 이온화 경향이 크고, 은은 이온화 경향이 작은 금속인데 이렇게 이온화 경향의 차이가 크면 전류가 잘 흐른다. 구리도 이온화 경향이 작아 은을 대신할 수 있다.

볼타의 눈도 번쩍 뜨일 금속 화학전지

준비물 아연판, 구리판, 소금, 물, 큰 컵, 작은 컵, 집게전선, 꼬마전구
주의사항 실험에 사용한 용액이나 재료는 금속 이온이 녹아 나오거나, 다른 실험 도구로 인해 오염될 수 있다. 절대 입에 넣거나 먹지 말 것.

실험 순서
❶ 물에 소금을 넣어 진한 소금물을 만든다.
❷ 소금물을 작은 컵에 반씩 따른다.
❸ 아연판과 구리판 끝을 각각 구부려 고리처럼 만든다.
❹ 작은 컵에 아연판과 구리판을 각각 건다. 소금물에 끝이 잠기도록 주의.
❺ 준비한 금속판을 건 작은 컵들을 나란히 늘어놓는다. 구리판은 다른 컵의 아연판, 아연판은 다른 컵의 구리판과 닿아야 한다.
❻ 양끝의 아연과 구리에 각각 집게전선을 하나씩 물린다.
❼ 아연에 물린 집게전선의 다른 한쪽 끝을 전구에 닿게 한다.
❽ 구리에 물린 집게전선의 다른 한쪽 끝을 ❼의 전구에 대고 밝기 변화를 관찰한다.

재료는 어디서 구할까?
아연판, 구리판 : 인터넷 과학교구 쇼핑몰.(검색 키워드는 ‘금속판’)
꼬마전구, 집게전선 : 문방구, 인터넷 과학교구 쇼핑몰.

MISSION 4 자전을 눈으로 보여 준 장 베르나르 푸코

갈릴레이가 “그래도 지구는 돈다”고 주장한 지 200년이 흐른 19세기. 그러나 아직도 지구의 움직임에 대해 의문을 표하는 사람들이 있었지. 이 때 프랑스의 물리학자였던 나, 푸코가 역사적인 실험을 했어. 일명 ‘푸코의 진자’. 1851년 나는 수도 파리에 있는 돔형 건물인 ‘팡테옹’에 진자를 매달았어. 길이 67미터의 실 끝에 매달린 28㎏짜리 추가 흔들리는 면, 즉 ‘진동면’은 사람들이 지켜보는 가운데 24시간 동안 한 바퀴 회전했단다. 바닥에 해당하는 지구가 24시간 동안 한 바퀴 도는 ‘자전’을 한다는 사실이 증명되는 순간이었지.

실험 포인트

푸코의 진자 실험에서 실제 움직인 것은 진자의 진동면이 아닌 바닥이다. 하지만 우리는 자전을 몸으로 느끼지 못하기 때문에 바닥이 아닌 진자가 움직인 것처럼 느낀다. 작은 진자를 만들어 푸코의 진자와 똑같은 환경에 놓고, 바닥을 회전시키면 진동면이 고정됐다는 사실을 확인할 수 있다.

잠깐! 진자 운동

진자는 어느 한 쪽 끝에 매달려 일정한 점이나 축을 중심으로 왕복운동을 하는 물체나 장치를 말한다. 시계추가 대표적인 예다. 진자의 추는 축에 가까워질수록 빠르게, 먼 거리를 움직인다. 이 때 축 양쪽으로 추가 이동한 거리는 각각 똑같다. 진자는 양 옆으로만 움직이기 때문에 진자의 추가 흔들리는 진동면은 항상 직선이다.

푸코도 따라 돌 섭섭박사의 진자

준비물 : 캐릭터 도면, 빨대, 클립, 지구판, 실, 찰흙, 알루미늄 포일, 테이프, 가위
주의사항 빨대와 클립 끝은 날카롭기 때문에 잘못 건드리면 상처가 날 수 있다. 피부나 눈에 대고 긋거나 찌르지 말 것.

실험 순서
❶ 빨대 여섯 개의 양쪽 끝에 클립을 끼운다 .
❷ 클립을 서로 연결하여 정사면체 모양을 만든다.
❸ 찰흙을 둥글게 뭉쳐 추를 만든다.
❹ 긴 실의 한쪽 끝에 추를 매단다.
❺ 추를 알루미늄 포일로 감싸고 캐릭터 도면을 각각 붙인다.
❻ 정사면체 중심에 실을 단다. 바닥에서 살짝 닿지 않을 정도의 높이에 추가 오도록 주의.
❼ 진자가 지구판의 중심에 위치하도록 올려놓고 진자 운동을 시킨다.
❽ 지구판을 지구 자전 방향으로 천천히 돌린다.

재료는 어디서 구할까?
지구판, 캐릭터 도면 : 어과동 블로그의 실험 페이지에서 내려 받을 수 있다.

MISSION 5 전기를 소리로 바꾼 알렉산더 벨

전화는 소리를 먼 곳까지 전달하는 장치지. 말의 음파를 전류, 또는 전파로 바꿔 멀리 떨어진 곳까지 전달하거나, 전달된 전파를 음성으로 바꾼단다. 나는 1876년 미국에서 전자석에 전류가 흐르면 자석의 성질을 갖는 원리를 이용해 전화기를 발명했어. 전자석의 양극 근처에 얇은 철판을 두고 소리를 내면 철판이 떨면서 전자석에 전류를 흘리지. 이 때문에 자성을 갖게 된 전자석이 끌려갔다 멀어졌다 하면서 진동하고 이 진동이 수화기 끝에서 다시 소리로 재생되는 거야. 사실 이 시기에 똑같은 원리로 전화기를 발명한 여러 경쟁자가 있었지만, 나는 누구보다 빨리 남들과는 다르게 특허를 신청해 ‘전화기 발명가’로 이름을 남기는 데 성공했단다.

실험 포인트

소리는 공기를 울리는 진동인 ‘음파’다. 전기를 전달하는 전파 역시 소리와 마찬가지로 진동의 일종이다. 전화기의 송신기나 마이크는 소리의 음파를 전류로, 수신기나 스피커는 전류를 음파로 바꾸는 기계다. 스피커에 들어 있는 코일에 소리의 전기 신호가 흐르면 자기장의 힘으로 코일 사이에 있는 철 조각이 움직인다. 이 진동이 진동판을 다시 울리며 소리가 나온다. 소리 신호와 자기장, 전기, 진동판이 있다면 스피커를 만들 수 있다.

잠깐! 유도 전류

전기와 자기는 달라 보이지만 사실 서로 통하는 힘이다. 자석 주변에 생긴 자기장과 전선이 가까이 있을 경우, 자기장의 움직임으로 전선에 전류가 흐른다. 이런 현상을 ‘전자기 유도’라고 하고, 이 때 흐르는 전류를 ‘유도 전류’라고 한다. 전화기, 스피커 뿐 아니라 전류를 생산하는 발전기 같은 중요한 전자 기기들은 전자기 유도 원리를 이용한다.

벨도 귀가 솔깃할 자석 헤드폰

준비물 에나멜선, 네오디뮴 자석, 이어폰잭(스테레오), 사포, 알루미늄 철사, 종이테이프, 강력 양면테이프, 병뚜껑, 송곳
주의사항 자석을 절대 입에 넣거나 삼키지 말 것. 네오디뮴 자석의 자성은 매우 강력하기 때문에 자칫하다가는 내장 안팎에 서로 달라붙어 내장 벽에 큰 구멍을 내거나 벽을 찢을 수 있다.

실험 순서
❶ 사포에 양면테이프를 붙이고 병뚜껑 크기만큼 둥글게 자른다.
❷ 둥글게 감은 에나멜선을 사포에 붙이고 떨어지지 않게 종이테이프로 고정한다.
❸ 강력 양면테이프로 병뚜껑 안쪽에 네오디뮴 자석을 붙여 고정한다.
❹ 병뚜껑 한쪽에 송곳으로 구멍을 뚫고, ❷의 에나멜선 끝을 병뚜껑 구멍으로 통과시킨다.
❺ 사포에 부착된 에나멜선이 병뚜껑의 안쪽을 향하게 해 떨어지지 않게 고정한다.
❻ 에나멜선의 끝부분을 벗겨내고 이어폰잭과 연결한다.
❼ 귀에 걸 수 있는 모양으로 알루미늄 선을 구부려 병뚜껑에 고정한다.
❽ 이어폰잭을 MP3나 휴대전화에 꽂고, 음악을 재생한 뒤 헤드폰으로 들어 보자.

재료는 어디서 구할까?
에나멜선, 사포, 네오디뮴 자석, 강력 양면테이프 : 대형 문구점, 인터넷 과학교구 쇼핑몰.