액체 내에서의 광속과 음속 측정에 관한 연구
울산대학교 교육대학원
물리교육학과
노 재 전
광속과 음속을 측정하는 방법에는 여러 가지가 있으나, 초·중등학생들이 측정하기란 쉬운 일이 아니다. 더구나 액체 속에서의 광속과 음속을 측정해 내기는 더욱 어렵다. 따라서 본 연구에서는 학생들이 개념을 이해하기 쉬운 측정법, 복잡한 장비 없이 간단한 기기만으로 측정이 가능한 광속과 음속 측정법을 연구하였다.
광속 측정은 여러 가지 방법 중, 학생들이 가장 이해도가 높으면서도 측정의 효과성과 편리성이 뛰어난 비행시간법을 선택하였다. 그리고 그 방법의 효과성과 편리성 등을 검토하였다. 이 방법으로 공기 중에서의 광속과 물, ...
액체 내에서의 광속과 음속 측정에 관한 연구
울산대학교 교육대학원
물리교육학과
노 재 전
광속과 음속을 측정하는 방법에는 여러 가지가 있으나, 초·중등학생들이 측정하기란 쉬운 일이 아니다. 더구나 액체 속에서의 광속과 음속을 측정해 내기는 더욱 어렵다. 따라서 본 연구에서는 학생들이 개념을 이해하기 쉬운 측정법, 복잡한 장비 없이 간단한 기기만으로 측정이 가능한 광속과 음속 측정법을 연구하였다.
광속 측정은 여러 가지 방법 중, 학생들이 가장 이해도가 높으면서도 측정의 효과성과 편리성이 뛰어난 비행시간법을 선택하였다. 그리고 그 방법의 효과성과 편리성 등을 검토하였다. 이 방법으로 공기 중에서의 광속과 물, 클로로포름, 이황화탄소 등 액체 속에서의 광속을 측정해 보았다.
광속 측정에서 먼저, 연속 발진되는 다이오드 레이저 광을 주파수 발생기(HP 8116A)와 음향광학변조기로 5 MHz, 10 MHz, 20 MHz의 펄스광으로 변조시켰다. 다음으로 액체시료가 들어있는 실린더형 유리관을 통과시킨 후, 펄스 측정용 광 검출기(Hamamatsu C5658)를 이용하여 빛의 세기를 전기 신호로 변환하였다. 그리고 이 신호를 변조기 신호와 함께 오실로스코프로 관측하였다. 변조기와 광검출기 사이 거리를 1.5, 3, 6 m로 조정하면서 신호변화를 관측하였다. GPIB 통신을 이용하여 오실로스코프의 데이터를 PC로 전송한 후, 엑셀 프로그램으로 데이터들을 비교하였다. 광 검출기 신호와 주파수 발생기 신호 사이의 시간차와, 변조기와 검출기 사이의 거리를 이용하여, 광속을 (속도)=(거리)/(시간)의 개념으로 간단하게 계산할 수 있었다.
광속 측정결과 광변조기의 주파수가 높을수록 정확한 광속을 측정할 수 있었으며, 공기 중에서는 6 m거리의 광속 측정시 국제적으로 공인된 값과는 5～7 %내에서 일치하였다. 물속에서는 3 m거리의 광속 측정시 0.4 %, 클로로포름에서는 4.5 %, 이황화탄소 내에서는 14.3 % 범위에서 일치하였다. 이황화탄소(CS2)의 경우는 높은 휘발성으로 인해 액체 실린더의 랩마감 처리 부분의 변형이 발생하여 광선의 진행에 영향을 줌으로써 높은 오차가 발생한 것으로 생각된다.
음속의 측정은 여러 가지 측정 방법 중에서 간섭법을 선택하였다. 선택법 중에서 가장 접근하기 쉬운 Debye-Sears 효과 (Raman-Nath법)를 이용하였고, 이 방법으로 물, 알코올, 설탕물, 글리세린 등에서의 음속을 측정해 보았다.
음속 측정 장비는 아래쪽에 1.66 MHz의 초음파 진동자를 배치한 뒤, 그 위에 원통형 유리관을 수직으로 세우고, 원통형 유리관 내부를 액체 시료로 채운 뒤, 윗부분을 초음파 흡수용 스티로폼으로 막아서, 초음파가 반사되는 것을 방지하였다. 초음파가 액체시료에 전달되면, 액체내부에 주기적인 밀도변화가 형성되며, 이 현상이 532 nm파장의 레이저광에 대해 회절격자로 작용하여, 스크린에 회절무늬를 형성한다. 형성된 회절무늬 간격을 측정하여 액체시료를 통과하는 음속도를 측정하였다. 또한 온도조절장치를 이용하여 시료의 온도변화(20 ~ 50 ℃)에 따른 음속도 변화를 측정하였다. 측정 결과, 상온에서 4가지 액체의 음속도가 문헌값과 ± 4% 이내에서 일치하였으며, 온도상승에 따라 분자운동이 더욱 활발하게 되어 음속도가 상승한다는 것을 알 수 있었다. 또한, 용액의 농도를 증가시키면서 음속도 변화를 측정한 결과, 농도가 증가할수록 음속도가 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
본 연구결과가 초중등 학생들이 실험적 경험을 통해 빛의 성질을 이해하고, 음속 개념과 소리의 성질을 이해시키는데 교육적 의의를 가지고 있을 것으로 생각된다.
액체 내에서의 광속과 음속 측정에 관한 연구
울산대학교 교육대학원
물리교육학과
노 재 전
광속과 음속을 측정하는 방법에는 여러 가지가 있으나, 초·중등학생들이 측정하기란 쉬운 일이 아니다. 더구나 액체 속에서의 광속과 음속을 측정해 내기는 더욱 어렵다. 따라서 본 연구에서는 학생들이 개념을 이해하기 쉬운 측정법, 복잡한 장비 없이 간단한 기기만으로 측정이 가능한 광속과 음속 측정법을 연구하였다.
광속 측정은 여러 가지 방법 중, 학생들이 가장 이해도가 높으면서도 측정의 효과성과 편리성이 뛰어난 비행시간법을 선택하였다. 그리고 그 방법의 효과성과 편리성 등을 검토하였다. 이 방법으로 공기 중에서의 광속과 물, 클로로포름, 이황화탄소 등 액체 속에서의 광속을 측정해 보았다.
광속 측정에서 먼저, 연속 발진되는 다이오드 레이저 광을 주파수 발생기(HP 8116A)와 음향광학변조기로 5 MHz, 10 MHz, 20 MHz의 펄스광으로 변조시켰다. 다음으로 액체시료가 들어있는 실린더형 유리관을 통과시킨 후, 펄스 측정용 광 검출기(Hamamatsu C5658)를 이용하여 빛의 세기를 전기 신호로 변환하였다. 그리고 이 신호를 변조기 신호와 함께 오실로스코프로 관측하였다. 변조기와 광검출기 사이 거리를 1.5, 3, 6 m로 조정하면서 신호변화를 관측하였다. GPIB 통신을 이용하여 오실로스코프의 데이터를 PC로 전송한 후, 엑셀 프로그램으로 데이터들을 비교하였다. 광 검출기 신호와 주파수 발생기 신호 사이의 시간차와, 변조기와 검출기 사이의 거리를 이용하여, 광속을 (속도)=(거리)/(시간)의 개념으로 간단하게 계산할 수 있었다.
광속 측정결과 광변조기의 주파수가 높을수록 정확한 광속을 측정할 수 있었으며, 공기 중에서는 6 m거리의 광속 측정시 국제적으로 공인된 값과는 5～7 %내에서 일치하였다. 물속에서는 3 m거리의 광속 측정시 0.4 %, 클로로포름에서는 4.5 %, 이황화탄소 내에서는 14.3 % 범위에서 일치하였다. 이황화탄소(CS2)의 경우는 높은 휘발성으로 인해 액체 실린더의 랩마감 처리 부분의 변형이 발생하여 광선의 진행에 영향을 줌으로써 높은 오차가 발생한 것으로 생각된다.
음속의 측정은 여러 가지 측정 방법 중에서 간섭법을 선택하였다. 선택법 중에서 가장 접근하기 쉬운 Debye-Sears 효과 (Raman-Nath법)를 이용하였고, 이 방법으로 물, 알코올, 설탕물, 글리세린 등에서의 음속을 측정해 보았다.
음속 측정 장비는 아래쪽에 1.66 MHz의 초음파 진동자를 배치한 뒤, 그 위에 원통형 유리관을 수직으로 세우고, 원통형 유리관 내부를 액체 시료로 채운 뒤, 윗부분을 초음파 흡수용 스티로폼으로 막아서, 초음파가 반사되는 것을 방지하였다. 초음파가 액체시료에 전달되면, 액체내부에 주기적인 밀도변화가 형성되며, 이 현상이 532 nm파장의 레이저광에 대해 회절격자로 작용하여, 스크린에 회절무늬를 형성한다. 형성된 회절무늬 간격을 측정하여 액체시료를 통과하는 음속도를 측정하였다. 또한 온도조절장치를 이용하여 시료의 온도변화(20 ~ 50 ℃)에 따른 음속도 변화를 측정하였다. 측정 결과, 상온에서 4가지 액체의 음속도가 문헌값과 ± 4% 이내에서 일치하였으며, 온도상승에 따라 분자운동이 더욱 활발하게 되어 음속도가 상승한다는 것을 알 수 있었다. 또한, 용액의 농도를 증가시키면서 음속도 변화를 측정한 결과, 농도가 증가할수록 음속도가 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
본 연구결과가 초중등 학생들이 실험적 경험을 통해 빛의 성질을 이해하고, 음속 개념과 소리의 성질을 이해시키는데 교육적 의의를 가지고 있을 것으로 생각된다.
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