2001년도 이공계 대학 진학을 위한 심층면접 내용이 화제가 되고 있다. 단순히 교과서에서 암기한 지식을 테스트하는 것이 아니라 여러 과학분야에 대한 통합적 사고를 요구하고, 실생활과 과학의 연관성을 강조한 질문들이 대거 등장했기 때문이다. 대표적인 사례가 지난 1월 15일 치러진 서울대 심층면접, 2002년도 대학입시에 본격적으로 도입될 심층면접에 대비하려면 단순 암기 방식을 벗어나 교과서 내용을 끊임없이 실생활과 연관시켜 고민하는 훈련이 필요하다. 과학동아를 통해 그 해법을 찾아보자.
단순 암기 벗어나 '재미있는 과학' 추구해야
왜 철기시대는 청도깃히대보다 나중에 왔을까?
이번 서울대 자연과학대학 심층 면접에서“왜 철기시대가 청동기시대보다 나중에 왔지?”“왜 지구에는 철이 구리보다 많은가?”와 같은 질문이 나왔다. 우리 주위의 사물에 대해평소에 관심을 가지고 생각을 하는 습관이 있었다면, 더구나 자연과학도가 되려고 하는 학생이라면 한번쯤은 생각해 봤을 법한 내용이다. 그런데 수험생들은 의외의 질문에 당황했다고 한다. 우리나라 주입식 교육의 실태를 보는 듯해 해설을 해본다.
사람은 누구나 자기가 하는 일의 중요성을 깨달을 때 하는 일에 보람을 느끼고 신이 나게 마련이다. 공부도 마찬가지다. 교과서에서 배우는 내용이 실생활과 관계가 지어지고 중요성이 부각되면 공부가 재미있어진다. 재미가 있으면 누가 시키지 않아도 열심히 하게 되고 성적도 오르게 마련이다.
“무조건 외우면 재미없다”
예를 들어보자. 고등학교 1학년 공통과학 교과서에는 금속의 이온화경향이 나온다. 대부분 학생들은 열가지 정도 금속의 이온화경향을 순서대로 외우고 있을 것이다. 무조건 외우면 재미가 없다. 그런데 금속의 이온화경향의 차이가 인류 문명사에 결정적인 영향을 끼쳤다고 하면 문제가 달라진다. 그뿐 아니라 오늘날까지 철기문명이 계속되고 있는 이유가 별의 진화 과정과 직결돼 있는 것을 이해하면 자연과 자연의 일부
로서 인간사회를 바라보는 눈이 달라진다.
구체적으로 이야기해보자. 나트륨, 철, 구리, 금 4가지 원소를 놓고 보면 나트륨은 이온화경향이 아주 높다. 따라서 자연에 금속 나트륨은 존재하지 않고 소금에서 볼 수 있듯이 나트륨이온(Na+)으로 존재한다. 대부분 학생들이 아는내용이다. 반면에 금은 이온화경향이 아주 낮아서 녹이 슬지도 않고 웬만한 산에 녹지도 않는다. 그래서 금은 귀금속이고 1천5백년 전에 만든 신라 금관이 아직도 반짝인다.
철과 구리의 이온화경향은 위의 두 극단적인 경우에 비하면 중간 정도에 속한다. 그래도 둘중에는 철이 구리보다 이온화경향이 높다. 역시 학생들이 외우고 있는 내용이다. 자연에서 이온화경향이 제법 높은 철은 원소 상태로 발견되는 일이 거의 없고, 쉽게 산소와 반응해서 산화철로 존재한다 (물론 산소가 별로 없는 우주 공간에서 날아 들어온 운석에는 산화되지 않은 철이 들어있다). 산소는 전자를 끌어당기는 경향이 강해서 전자를 내어주고 쉽게 이온이 되는, 즉 이온화경향이 큰 철과 쉽게 반응하기 때문이다.
철보다 이온화경향이 낮은 구리는 상당한 양이 원소 상태로 자연에 존재한다. 그래서 석기시대 사람들에게 구리는 철보다 먼저 접근이 가능했다. 더욱이 철의 녹는점은 1천5백40℃인데 비해 구리의 녹는점은 1천83℃ 밖에 안된다. 거의 5백℃나 되는 이 차이는 고대인에게는 엄청난 기술적 장벽이었을 것이다. 따라서 구하기 쉽고 녹는점이 낮아서 다루기 쉬운 구리가 먼저 사용된 것은 당연한 일이다. 더욱이 연한 구리에 아연이나 주석 같은 다른 금속을 섞어주면 무기나 도구의 재료로서 훨씬 쓸모가 늘어난다는 사실을 알아내면서 청동기시대가 도래했다.
산화철에서 산소를 떼어내면, 즉 환원시키면 철이 얻어진다. 그런데 이 환원기술이 쉽지 않다. 아마도 청동기시대 후기에 우연히 산화철을 포함한 광석이 숯 성분(탄소)과 섞여있는 상태에서 높은 온도로 가열되면 철이 분리돼 나오는 모습이 관찰됐을 것이다. 요즘도 포항제철에서는 탄소로 이루어진 코크스와 철광석을 높은 온도로 가열해서 철을 얻는다. (왜 산소는 철과 결합한 상태로 그냥 있지 않고 탄소로 자
리를 옮기는 것일까?) 그런데 일단 얻은 철은 구리보다 녹는점이 높은 대신 강도가 높아서 무기의 재료로서 구리에 견줄 정도가 아니다. 청동기시대가 철기시대로 대치되는 것은 시간 문제였다.
교과서 행간 읽는 연습 필요
아무리 철광석에서 철을 뽑아내는 기술과 철의 장점을 터득했다 하더라도 자연에 철이 많지 않다면 철은 그림의 떡으로 끝났을지도 모른다. 지금은 많은 부분이 플라스틱으로 대체됐다 하더라도 건축 자재나 각종 도구의 재료로서 철의 사용량은 타의 추종을 불허한다. 일단 철이 풍부하기 때문이다. 왜 자연에는 철이 많을까.
왠만해서는 한 종류의 원소는 다른 원소로 바뀌지 않는다. 그렇다면 애초에 원소들이 만들어질 때 철의 원자핵이 안정하기 때문이다. 이 말은 철이 쉽게 산화된다. 즉 화학적으로 불안정하다는 말과 배치되지 않는다. 원소의 종류가 바뀌는 것은 원자핵에 들어있는 양성자수가 바뀌는 것을 의미하기 때문이다. 철의 원자핵이 안정하기 때문에 원자핵 주위의 전자를 내줘 산화는 쉽게 될지언정 원자핵 속의 양성자 수는 좀처럼 바꿀 수 없다는 뜻이다.
원자핵의 안정도에 대한 단서는 어떻게 찾아볼 수 있을까. 일단 이 문제는 원자핵에 관한 문제이기 때문에 핵의 변환에 대해 생각해봐야 한다. 우리가 알고 있는 핵변환에는 핵분열과 핵융합이 있다. 오토 한과 리제 마이트너가 핵분열을 발견한 이후 엔리코 페르미는 핵분열을 실용화하는 길을 열어놓았고, 핵분열을 이용하는 원자탄은 2차 세계대전의 종결을 가져왔다. 지금도 많은 전력을 생산하는데 핵분열이
이용된다. 핵융합을 이용하는 수소 폭탄은 1950년대 미소냉전 하에서 개발돼 시험에 성공했다. 그러나 핵융합을 이용하는 발전은 아직 실용화되지 못하고 있다.
그런데 잘 아는 대로 핵분열에는 우라늄이나 플루토늄 같이 원자번호가 높은 무거운 원소가 사용된다. 무거운 원자핵이 분열해서 가벼운 원자핵이 될 때 많은 에너지를 내는 것을 보면 일반적으로 무거운 원자핵은 불안정하다는 사실을 알 수 있다. 많은 수의 양성자 사이의 쿨롱법칙에 따른 반발 때문이다. 반면 핵융합 폭탄을 수소 폭탄이라고 부르는데서 알 수 있듯이 핵융합은 가벼운 원자핵 사이에서 일으키는 것이 유리하다. 반발력 때문에 양전하가 큰 무거운 원자핵들을 융합할 수 있는 거리로 가져오는 것이 어렵기 때문이다. 아무튼 핵융합에서도 많은 에너지가 나오는 것을 보면 아주 가벼운 원소의 경우에는 융합해서 무거워지는 편이 안정해지는 방향이라는 것을 알 수 있다. 태평양에는 아시아와 미 대륙 양쪽에서 물이 흘러들어 오듯이 어느 중간에 가장 안정한 원자핵이 있다는 말이다. 그 가장 안정한 원자핵이 바로 철이다. 그래서 자연에는 철이 많다.
태양과 같은 초기 단계의 별에서는 약 1백억년에 걸쳐 주로 수소가 헬륨으로 바뀌는 핵융합이 일어난다. 그 다음에는 탄소를 거쳐 철의 합성까지 이어진다. 수소에서 철까지는 에너지 면에서 내리막길이다. 그 다음부터는 오르막길이다. 이런 원리를 따라 어느 별의 내부에서 만들어진 철이 우주 공간으로 퍼져나갔다가 다시 모여들어 다른 원소들과 함께 태양계와 지구를 만들었다. 철은 철기 문명뿐 아니라 혈액 속에서 헤모글로빈의 주요 성분으로 산소와 결합해서 산소를 몸의 구석구석에 전달하는데 핵심적인 역할을 담당한다. 철이 산소와 결합하는 반응은 이래저래 아주 중요한 의미를 지니고 있다.
위의 예를 보아 알 수 있듯이 교과서에 나오는 내용은 하나 하나가 모두 중요한 원리와 아울러 실제적인 면들을 지닌다. 뿐만 아니라 이제 우리는 과학의 여러 분야들을 통합적으로 이해할 수 있는, 과학을 재미있게 공부하기에 좋은 시점에 와있다. 그러니 만큼 교과서의 내용을 받아들이는데 그치지 말고, 행간을 읽는 연습을 통해 통합적인 사고력을 기르고 나아가서는 배우는 내용을 자신의 언어로 풀이하고 이야기를 엮어보는 것이 자연에 친근해지는 지름길이 될 것이다.
과학동아로 풀어본 심층면접 문제
식혜가 단 이유는? 식혜 제작 3단계를 바꾸면 식혜가 만들어지지 않는 이유는?
식혜는 여러 회사에서 캔음료로 팔고 있기 때문에 누구나 쉽게 사먹을 수 있다. 자연 옛날처럼 집에서 식혜를 만드는 일이 드물어졌으니 학생들에게 황당한 질문일 수밖에 없었다.
식혜를 만드는 순서를 알아보자. 우선 껍질째 빻은 엿기름가루를 고운 체로 거른 다음, 물을 부어놓으면 2시간쯤 지나 아래의 뿌연 물과 위의 맑은 물로 분리된다. 그런 다음 밥을 되게 지어 항아리에 담고 엿기름의 맑은 물만을 붓는다. 그 뒤 4-5시간이 지나 밥알이 삭아 동동 떠오르면 조리로 건져 찬물에 헹군 뒤 다른 그릇에 담고 나머지 식혜 물을 끓인다. 마실 때는 식힌 식혜에 밥알을 띄우고 생강, 유자 등을 넣어 맛과 모양을 내기도 한다.
식혜가 단맛을 내는 것은 엿기름에 들어있는 아밀라아제라는 효소가 밥알 속의 탄수화물을 분해시켜 당분으로 만들어 주기 때문이다. 여기서 엿기름이란 엿으로 만든 기름이 아니라 맥아(麥芽), 즉 보리싹을 틔운 것을 말한다. 보리가 싹을 틔울 때는 씨 속에 들어있는 녹말을 아밀라아제로 분해시켜 맥아당이라 불리는 말토오스란 당을 만들어 에너지원으로 사용한다. 밥을 오래 씹으면 단맛이 나는 것도 사람 침 속에 들어있는 아밀라아제가 같은 작용을 해서다.
아말라아제와 같은 효소는 생명체의 각종 화학반응에서 촉매역할을 한다. 그래서 식혜를 만들 때에는 화학반응이 일어날 만큼 따뜻하게 해줘야 한다. 섭씨 60-70도가 적당한 온도다. 그런데 만드는 순서를 바꾸면 식혜가 안되는 이유는 뭘까. 서울대 화학부 김희준 교수는 이를“효소작용의 기본은 효소 단백질의 화학적 구조에 달려 있는데 계란을 반숙할 때 볼 수 있듯이 단백질 구조는 열에 의해 쉽게 바뀐다. 그러니까 식혜를 만들 때에도 엿기름의 효소가 탄수화물을 당분으로 바꾼 다음 끓여야지, 만일 먼저 끓이면 효소의 구조가 바뀌어 제 기능을 잃어버리게 돼 식혜가 만들어지지 않는 것이다”라고 설명했다.
■ 효소에 대해서는 과학동아 1998년 3월호‘효소라는 이름의 촉매’에서 간단한 설명을 하고 있으며, 1997년 8월호 특집 생체모방공학 중 '소재’편에는 효소와 이 원리를 이용한 촉매에 대해 나와 있다. 수능대비 특집으로 만든 1997년 2월호의‘음식 속에 숨은 영양소 어떻게 알아내나’ 엔 음식물 속에 들어있는 성분들이 어떤 과정을 거쳐 에너지원으로 이용되는지 소개돼있다. 효소작용의 기본인 단백질에 대해서는 1994년 9월호 특집‘인공단백질’이 잘 정리했다.
행성에 구덩이가 생기는 이유는? 수성이 지구보다 구덩이가 많은 이유는?
먼저 행성에 구덩이가 생기는 이유를 살펴보자. 물론 여기서 말한 행성은 표면이 딱딱한 물질, 즉 암석으로 이뤄진 지구형 행성이다. 주로 수소와 헬륨과 같은 기체로 구성된 목성형 행성표면에는 구덩이가 생기지 않기 때문이다.
우리가 쉽게 접할 수 있는 지구상에 나타나는 구덩이는 어떤 것이 있을까 생각해보자. 크게 두종류를 떠올릴 수 있다. 하나는 한라산의 백록담, 백두산의 천지와 같은 분화구가 있고 또다른 하나는 미국 애리조나의 배링거 운석공과 같은 충돌구 (크레이터)가 있다. 이로부터 유추해보면 지구와 같은 행성에 구덩이가 생기는 이유는 두가지가 있다. 즉 분화구와 같은 구덩이는 행성 자체의 화산활동 때문이고, 운석공과 같은 충돌구(크레이터)는 태양계를 떠돌던 소천체(운석이나 소행성)가 행성에 충돌했기 때문이다.
여기서 한걸음 더 나아가 수성이 지구보다 구덩이가 많은 이유를 살펴보자. 사실 행성에 존재하는 구덩이는 분화구보다는 충돌구가 많다. 현재 소천체가 충돌하는 빈도가 줄었지만 태양계 초기에 행성이 형성될 때는 행성 형성에 참여하지 못한 소천체가 태양계에 엄청나게 많았기 때문이다. 그래서 지구형 행성 표면에는 이런 소천체의 충돌이 잇달아 수많은 구덩이가 생겨났다.
그런데 수성이 지구보다 구덩이(충돌구)가 많은 이유는 무엇일까. 이것을 흔히 지구의 대기가 소천체 충돌시 작은 것은 태워버리는 역할을 하기 때문이라고 생각하기 쉽다. 하지만 이에 대해 서울대 이명균 교수(천문학)는“이보다는 충돌로 생긴 구덩이가 지구 대기와 물로 인해 풍화∙침식작용 때문에 충돌 흔적이 사라졌다”고 강조했다. 따라서 수성이 지구보다 구덩이가 많은 이유는 지구에는 대기와 물이 존재해 구덩이가 많이 사라졌지만 수성은 그렇지 못했기 때문이다.
■ 이에 관한 내용은 과학동아 지난 2001년 1월호 소행성 특집으로 나갔다. 특집 세번째 글에서는“지구상에 운석 충돌에 의해 생겨난 흔적이 지각변동, 풍화작용, 기후변화 등에 의해 많이 사라졌다”고 밝히고“만약 지구에 대기와 물, 화산활동 등이 없었다면,지구도 달과 수성처럼 운석공 천지였을 것이다”라고 강조했다.
일정한 속도와 고도를 유지하는 비행기에 작용하는 힘은? 그리고 비행기가 왼쪽 날개를 틀어 올리고 오른쪽 날개를 내렸을때 비행기는 어떻게 될까?
우선 비행기에 작용하는 힘이 어떤 것인지를 생각해보자. 지구에 있는 모든 물체에는 기본적으로 작용하는 힘, 중력이 있다. 그런데 무거운 비행기가 중력을 이기면서 공중에 떠있으려면 어떤 다른 힘이 있어야 할 듯 싶은데 어떤 힘일까. 양력이다. 날개의 윗부분을 둥글게 만들어 공기의 이동거리가 길고, 아래부분은 평면으로 짧다. 따라서 아래보다 윗부분에 흐르는 공기의 속도가 빠르고, 압력은 낮아진다. 이 압력차를 이용해 공중에 뜨게 되는 것이다.
일정한 속도를 유지하기 위해서는 어떤 힘이 필요할까. 앞으로 나아가는데 필요한 힘이 있다. 바로 추진력. 하지만 비행기가 일정한 속도, 즉 가속도가 0인 상태가 되면 힘과 가속도의 관계, F=ma에 따라 힘도 0이 된다. 그러면 추진력과 동일한 힘이 이 비행기의 진행을 막고 있다는것을 눈치챌 수 있다. 바로 공기의 저항력이다.
왼쪽 날개가 올라가고, 오른쪽 날개가 내려가면, 앞에서 볼 때 양력 방향(각도)이 오른쪽으로 치우치게 된다. 즉 중력과 반대 방향으로 평형을 이루던 양력이 오른쪽 방향으로 바뀌어 비행기는 오른쪽으로 구심력이 생기고, 그 방향으로 원운동을 하게 된다. 또 중력에 대응되는 양력이 약해지므로 비행기는 아래로 하강하게 된다. 이렇게 비행기는 방향을 바꾼다.
하지만 비행기가 흔들림에 의해서 아주 미세하게 기울어졌을 때는 이와 다른 현상이 나타난다. 점보747 같은 여객기는 날개 끝이 약간 위로 향해 있다. 비행기가 약간 오른쪽으로 기울면 오른쪽 날개는 평형상태가 되고 왼쪽은 더 올라간 상태가 된다. 그러면 오른쪽 날개의 양력이 왼쪽에 비해 강해져 다시 오른쪽 날개가 위로 들리게 된다. 즉 다시 평형 상태를 유지하게 되는 것이다. 이처럼 여객기는 미세한 흔들림에 비행기 자체가 스스로 보정할 수 있도록 역학적으로 설계돼 있다.
서울대 물리학부 모교수는“문제의 의도가 평소 물리로 대화를 얼마나 해봤는지, 즉 일상생활에서 물리를 이해하고 있는지를 평가하기 위한 것이기 때문에 정확한 답은 존재하지 않는다”고 말했다. 즉 양력을 모르더라도‘중력에 대응되는 어떤 힘이 있어야 균형을 이룰 것 같다’고 답하면 충분하다는 것이다. “이 문제는 F=ma를 제대로 이해하면 충분히 답변할 수 있는 문제다”라고 덧붙여 말했다.
■ 양력에 대한 설명은 과학동아 1998년 2월호‘베르누이가 말한다’를 보면 베르누이의 정리를 통해 자세히 알 수 있다. 또한 1997년 7월호 Q&A ‘부메랑의 윗면이 둥글고 아래면이 평평한 이유’를 통해서도 도움을 받을 수 있다. 힘과 균형은 1999년 9월호‘외줄 타는 사람은 왜 긴 막대를 가지고 있을까?’, 1997년 5월호‘뉴턴의 3가지 운동법칙’, 1996년 4월호‘힘과 운동-그래프 해석 중요’등의 기사를 통해 이해할 수 있다. 2000년 인터넷 기사로 올라온‘역사속 비행체’를 보면 비행기의 구조와 역사를 아는데 도움을 얻을 수 있다.
텔레비전에 자석을 갖다대면 화면이 휘어지는 이유는?
방안에 도선이 있다고 하자. 만약 이 도선에 직류가 흐른다면, 직접 만지지 않고 어떻게 이 사실을 확인할 수 있을까. 도선에 흐르는 전류는 눈으로 볼 수도 없다. 그렇다면 뭔가를 이용해야 하지 않을까.
이 문제를 해결하기 위해서는 중요한 과학적 사실을 알아야 한다. 전류가 흐르는 도선 주위에는 자기장이 생긴다는 사실을 말이다. 직선전류에 의한 자기장은 전류에 수직한 평면 내에서 도선을 중심으로 동심원 모양으로 나타난다. 따라서 도선에 전류가 흐르는지를 확인하는 문제는 바로 자기장의 유무를 확인하는 것과 같다. 그렇다면 자기장을 간단하게 확인하는 방법으로 어떤 것이 있을까. 도선 근처에 나침반을 가져가 보는 것이다.
이것 외에도 다른 방법이 있다. 자석에 의한 자기장 내에 전류가 흐르는 도선을 자기장의 방향과 수직으로 갖다 놓으면 도선이 움직인다. 자기장에 의해 전류가 힘을 받는다는 말이다.
그런데 전류가 흐르는 도선 근처에도 자기장은 형성된다. 따라서 전류가 흐르는지를 확인하는 또다른 방법은 전류가 흐르는 도선을 문제의 도선에 가까이 가져가 보는 것이다. 전류가 흐르면 주위에 자기장이 생기기 때문에 전류가 흐르는 다른 도선에 힘을 작용한다. 반대로 가까이 가져간 도선에 의해 자기장이 형성되기 때문에, 문제의 도선이 전류가 흐른다면 힘을 받게 된다. 각 도선의 전류에 의한 자기장으로 서로에게 힘을 작용하는 것이다. 이때 두 도선은 전류의 방향에 따라 서로 끌어당기거나 밀어낸다. 전기장과 자기장이 서로 밀접하게 관련돼 있는 것이다. 이같은 힘을 전자기력이라고 한다.
한편 전류는 바로 도체 내의 전하를 띠고 있는 전자의 흐름이다. 따라서 전류가 흐르는 도선이 자기장 속에서 힘을 받는다는 사실은 곧 전자가 힘을 받는다는 것과 같다. 바로 이것이 텔레비전에 자석을 가까이 가져가면 화면이 찌그러지는 이유다. 텔레비전 브라운관 안에는 전자빔을 내는‘전자총’이 있다. 따라서 여기에 자석을 가져가면 전자빔이 힘을 받고 휘게 된다. 이때 자석의 역할은 전자의 흐름 방향을 변화시킬 뿐 속도를 변화시키지는 않는다.
이 문제는 고등학교 물리의 전자기 부분을 잘 이해한다면 쉽게 풀 수 있다. 이번 구술면접시험을 평가한 모교수에 따르면, 핵심은 학생이 단순히 암기하지 않고, 얼마나 전자기의 성질을 이해하고 체득하는지를 보고자 했다고 한다. 또한 텔레비전과 같이 실생활에서 전자기가 어떻게 이용됐는지를 아느냐가 관건이었다.
■ 전기장과 자기장의 밀접한 관계를 다룬 과학동아 기사는 1998년 3월호‘나침반에서 오로라까지 자석’이다. 그리고 텔레비전에서 전자총의 역할에 대해서도 여러차례 다루었다. 1997년 2월호에‘전자시대최대의발명품 TV’, 1999년 1월호‘꿈을 표현하는 디스플레이’가 대표적인 기사다. 이외에도 과학동아는 전자기 원리를 다양한 주제로 소개했다.
