초등 과학 표면장력 및 대기압에 관하여 학습하기

2011 + Autumn 59

표면장력 및 대기압에

관하여 학습하기

글∣박용우(서울면목초등학교 교사, pakywoo@hanmail.net)

문제상황

우리가 일상에서 생활하는 가운데 표면장력이나 대기압에 관

련된 일이 아주 많이 발생한다. 설거지를 할 때 세제로 기름 때

등을 씻어내는 것도 그릇과 때 사이를 벌리는 일도 알고 보면

표면장력의 영향이 많으며 빨래를 할 때도 표면장력의 영향을

많이 받는다고 보아야 할 것이다.

그리고 일선 학교에서도 표면장력과 대기압에 관한 실험을 많이

하는데 그 실험들이 어느 한 부분만이 아니라 함께 작용하는 경

우가 많아 이번에 복합적으로 실험해 보는 것으로 하고자 한다.

아래 사진은 플라스틱 컵에 모기장 망을 씌우고 고무밴드로

감은 다음 컵을 가득 물을 넣고 플라스틱 판으로 막은 다음 컵

을 거꾸로 든 모습이다. 그런데 도 컵 속에 들어 있는 물이 밑으

로 쏟아지지 않는다. 이것은 무엇으로 설명을 해야 할까?

활동내용

1. 물방울 렌즈를 만들자. 가. 준비물 : 유리판, 1회용 스포이트, 플라스틱컵, 물, 알코올,

석유, 물세제, 쥬스, 우유, 책, 동전, 등

나. 활동 방법

(1) 플라스틱컵에 있는 물을 스포이트로 유리판 위에 한

방울 떨어뜨려 보자. 물방울 모양이 어떻게 보이는가?

(2) 물을 한 방울 더 떨어뜨려 보자. 그리고 물방울의 모양

과 크기를 살펴보자.

(3) 볼록해진 물방울 밑에 책의 글씨를 받쳐보자. 글씨가

어떻게 보이는가?

(4) 유리판에 여러 종류의 액체를 같은 양 정도 떨어뜨려

보고 그 모양을 살펴보자.

(5) 유리판이 아닌 동전이나 금속판 위에도 같은 방법으로

실험을 해보자. 용액의 모양이 같은가?

(6) 물방울 떨어뜨리기 게임을 해보자. 동잔과 똑같은 스

포이트를 나누어 주고 누가 동전 위에 가장 많은 횟수

의 물방울을 떨어뜨리는지 게임을 해보게 한다. 아주

재미있다.

2. 페트리접시를 이용한 실험하기

가. 준비물 : 페트리접시, 스포이트, 물, 스티로폼 조각, 가루세제

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60 CHEMICAL EDUCATION

나. 활동 방법

(1) 페트리접시에 물을 가득 붓는다. 그리고 페트리접시의

물 모양을 살펴본다.

(2) 페트리접시에서 물이 쏟아지지 않을 정도까지 스포이

트로 물을 넣는다. 그리고 물의 모양을 살펴본다. 가운

데가 볼록한 물의 모양을 볼 수가 있을 것이다.

(3) 잘게 나눈 스티로폼 조각을 페트리접시 한 가운데에

떨어뜨려 본다. 스티로폼 조각은 어디로 이동을 하는

지 살펴본다.

(4) 가루세제를 페트리접시 위에 떨어뜨려 본다. 무슨 변

화가 일어나는지 살펴본다.

3. 실핀을 물에 띄워 보자.가. 준비물 : 페트리접시, 실핀, 물, 가루세제, 핀셋

나. 활동 방법

(1) 페트리접시에 물을 가득 넣은 다음 핀셋을 이용하여

실핀을 물 위에 띄워보자. 실핀이 물 위에 뜨는가?

(2) 실핀을 물 위에 뜨지 않으면 실을 이용한다. 페트리접시

위에 실 두 가닥을 페트리접시를 가로질러 놓는다. 그리

고 물에 젖지 않은 실핀을 핀셋으로 실 위에 올려놓는다.

(3) 실핀이 실 위에 올려지면 핀셋으로 실핀을 건드리지 말고

실을 물 속으로 내려보내면 실핀이 물 위에 떠 있게 된다.

(4) 실핀이 물 위에 떠 있으면 가루세제를 조금만 떨어뜨

려 보자. 실핀은 어떻게 되는가?

4. 물 속에서 젖지 않는 화장지

가. 준비물 : 플라스틱 컵, 삼각플라스크, 수조, 핀셋, 화장지

나. 활동 방법

(1) 플라스틱 컵을 물이 든 수조 속에 수면에 직각이 되도

록 거꾸로 누른다. 컵 속에 물이 들어가는가? 아무리

힘껏 눌러도 컵 속으로 물이 들어가지 않는다. 이것은

공기도 부피가 있다는 것을 알 수 있다.

(2) 컵 속에 물을 넣으려면 컵을 살짝 기울여 보면 공기방

울이 밖으로 나오면서 컵 속으로 물이 들어간다.

(3) 삼각플라스크 속에 화장지를 핀셋으로 밀어넣는다. 그

리고 삼각플라스크를 거꾸로 수조의 물 속에 눌러넣는다.

삼각플라스크 속에 있는 화장지는 물에 젖지 않는다.

5. 물의 높이에 따른 압력 실험하기

가. 준비물 : 페트병, 송곳, 이쑤시개, 물

나. 활동 방법

(1) 페트병에 위에서 아래로 일렬로 송곳으로 작은 구멍을

뚫는다. 그리고 이쑤시개로 구멍을 단단히 막는다.

(2) 페트병에 물을 가득 넣고 뚜껑을 막는다.

(3) 이쑤시개를 뽑는다. 그래도 페트병에서 물이 쏟아지지

않는다. 어째서 이쑤시개를 뽑아도 물이 새지 않는지

그 이유를 알아보자(이때 이쑤시개가 헐렁하게 꽂히면

물이 샐 수 있다).

(4) 뚜껑을 살짝 돌려 열면 물이 쏟아지기 시작한다. 뚜껑

을 모두 열어놓는다. 물의 놀이에 따라 물 줄기의 길이

가 다른 것을 볼 수 있다.

(5) 또 다른 페트병에는 중간 부분에 둥글게 구멍을 꽂고

윗수분에는 한 개의 구멍만을 뚫어 이쑤시개를 힘껏

눌러 꽂는다.

(6) 같은 방법으로 물을 넣고 뚜껑을 닫는다. 이쑤시개를

뽑아도 물은 새지 않는다. 이때 맨 위에 있는 구멍의 이

쑤시개를 뽑으면 페트병의 둘레에서 분수처럼 물이 쏟

아지기 시작한다. 재미있는 모양을 만들 수 있다.

[구멍을 일렬로 뚫어 이쑤시개를 꽂는다.]

[아래쪽 구멍에서 물이 멀리 나간다.]

[이쑤시개를 둥글게 꽂은 모습, 한 개는 맨 위의 구멍]

2011 + Autumn 61

6. 컵을 거꾸로 하여 종이(판) 들어올리기(쏟아지지 않는 물)가. 준비물 : 플라스틱컵, 두꺼운 종이나 플라스틱판, 수조, 물

나. 활동 방법

(1) 두꺼운 종이나 플라스틱 판을 준비한다.

(2) 플라스틱 컵 속에 물을 가득 넣은 다음 두꺼운 종이나

플라스틱 판을 덮는다.

(3) 판이 떨어지지 않게 하여 양손으로 판을 받쳐 들고 컵

을 거꾸로 뒤집는다.

(4) 그리고 손을 서서히 놓는다. 컵 밑에 판이 그대로 붙어

있다(이 실험은 물이 쏟아지는 경우를 대비하여 수조

위에서 하는 것이 좋다).

(5) 종이나 판이 떨어지지 않고 컵 밑에 붙어 있는 이유를

알아보자.

[컵 속에 물을 가득 넣은 다음 판으로 덮고 뒤집는다.]

[판을 잡았던 손을 놓는다.]

7. 모기장으로도 쏟아지지 않는 물

가. 준비물 : 플라스틱컵, 두꺼운 종이나 플라스틱판, 모기장

망, 고무밴드, 수조, 물

나. 활동 방법

(1) 모기장망을 플라스틱 컵에 씌우고 고무밴드로 2번 정

도 돌려감는다.

(2) 컵 속에 물을 가득 넣는다.

(3) 판으로 컵을 막고 양손으로 든 다음 컵을 거꾸로 든다.

(4) 조심해서 판을 컵에서부터 떼어낸다.

(5) 그래도 컵 속의 물이 쏟아지지 않는다. 그 이유에 대해

알아보자.

[컵에 모기장망을 씌우고 실험한다] [판을 잡았던 손을 놓는다]

8. 중력과 대기압에 의한 물의 이동 실험

가. 준비물 : 수조 2개, 50cm정도의 고무관, 약간 높이가 다른

책상이나 받침

나. 활동 방법

(1) 높이가 다른 책상 위에 수조를 올려놓고 높은 책상 위

의 수조에는 물을 가득 넣고 낮은 책상 위의 수조에는

물을 조금만 넣는다.

(2) 양쪽 수조에 고무관을 걸치게 놓는다. 그리고 입을 이

용하든지 하여 고무관 속의 공기를 모두 빼낸다.

(3) 그러면 높은 곳의 수조의 물이 반대쪽 수조로 옮겨간다.

(4) 이때 낮은 쪽의 수조를 반대로 높이 들면 오히려 높은

쪽의 물이 낮은 쪽으로 흘러간다.

(5) 같은 높이에 수조를 놓으면 수조의 물의 높이가 같아

질 때까지 이동을 하다가 멈춘다.

(6) 물이 이동하는 이유가 무엇인지 알아보자.

*주변에 물을 많이 흘리지 않도록 조심해서 실험해야 한다.

9. 캔 찌그리기

가. 준비물 : 알루미늄캔, 알루미늄 테이프, 삼발이, 쇠그물,

도가니집개, 면장갑, 수조, 물, 알코올램프, 점화기

나. 활동 방법

(1) 빈 캔에 물을 조금만 넣고 가열시킨다.

(2) 물이 충분히 끓기 시작하면 도가니 집개로 집어 내린

다음 알루미늄 테이프로 입구를 빨리 막는다.

(3) 물이 든 수조 속에 면장갑을 낀 손으로 캔을 거꾸로 넣

는다.

(4) 캔의 변화를 살펴보자. 캔이 찌그러지는 이유가 무엇

인지 알아보자.

*화상을 입거나 데지 않도록 주의해야 한다.

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62 CHEMICAL EDUCATION

[캔을 가열하기] [캔이 가열되면 알루미늄 테이프로 입구를 막는다.]

[입구를 막은 캔을 수조 속에 빠르게 넣는다.]

10. 삼각 플라스크 안에 고무풍선 넣기

가. 준비물 : 삼각 플라스크, 고무풍선, 알코올램프, 삼발이,

쇠그물, 점화기, 면장갑

나. 활동 방법

(1) 삼각 플라스크 안에 물을 조금 넣고 끓인다.

(2) 물이 충분히 가열되어 수증기가 많이 나오게 되면 알

코올 램프를 끄고, 미리 만든 물풍선(플라스크 입구보

다 큰 풍선)을 플라스크 입구에 올려놓는다(면장갑을

끼고 실험해야 한다).

(3) 풍선이 플라스크 안으로 서서히 빨려 들어간다. 그 이

유가 무엇인지 알아보자. 고무풍선이 빨리 들어가게 하

려면 플라스크를 찬물 속에 넣으면 더 빨리 들어간다.

11. 삼각 플라스크 안에 삶은 달걀 넣기

가. 준비물 : 삼각 플라스크, 삶은 달걀, 알코올램프, 삼발이,

쇠그물, 점화기, 면장갑

나. 활동 방법

(1) 삼각 플라스크 안에 물을 조금 넣고 끓인다.

(2) 물이 충분히 가열되어 수증기가 많이 나오게 되면 알

코올 램프를 끄고, 미리 껍질을 벗겨놓은 삶은 달걀을

플라스크 입구에 올려놓는다(면장갑을 끼고 실험해야

한다).

(3) 달걀이 플라스크 안으로 서서히 빨려 들어간다. 그 이

유가 무엇인지 알아보자.

결과확인

• 표면장력(表面張力)이란?액체의 표면이 가능한한 작은 면적을 만들려고 하는 힘을 표면

장력이라고 한다. 이것은 액체의 표면을 이루는 분자층에 의하

여 생기는 것이다.

• 대기압(大氣壓)이란?공기의 무게 때문에 생기는 지구 대기의 압력이다. 또한 어느

일정한 기준이 정해진 것이 아니고 주위보다 상대적으로 높은

곳을 의미한다.

대기는 대략 1입방 센티미터의 단면적을 가진 높이 약 760mm

의 수은의 무게와 동일한 압력을 유리관 속의 수은면에 주고 있

다는 것을 알 수 있다. 이후, 이 실험을 통해서 얻어진 760mm의

수은(Hg)기둥의 높이를 1기압의 표준으로 삼았다. 참고로, 수

은의 비중은 13.6 정도이므로, 1의 비중을 가진 물에 비교한다

면 760mm의 수은의 무게가 주는 압력은 10여 미터 정도의 물

기둥의 무게가 주는 압력과 동일하다. 이것은 우리가 일상적으

로 받는 1기압의 압력은 10m 정도의 물기둥을 어깨에 이고 있

는 상태에서 받는 압력과 매우 비슷하다는 뜻이다. (만약 우리

가 해수면 기준으로 수중 10m의 물 속에 들어간다면 대기 중

의 1기압과 10m 물 속의 수중 압력 (1기압 가량이다)이 합쳐져

서 약 2기압의 압력을 받게 된다)

기압이 높아지면 이 수은주는 밀려 올라가므로 높아지고, 기압

이 낮아지면 수은주는 내려간다. 그러므로 이 수은주의 높이를

재서 기압을 측정한다.

1기압 = (1atm) = 760mmHg 여기서 1mmHg는 1토르 (Torr)라

고도 하는데, 이것은 토리첼리의 이름을 따서 만든 단위이다.

1기압 = (1atm) = 760mmHg = 760Torr

2011 + Autumn 63

초기에 대기압의 연구를 한 사람으로는 토리첼리와 블레즈 파

스칼이 유명하며, 유체 및 기체의 힘과 압력의 상관 관계를 연

구한 파스칼의 이름을 따서 만든 Pa(파스칼)도 대기압 측정에

쓰이는 중요 단위이다. 1파스칼은 1㎡의 면적에 1N(뉴턴)의

힘을 받을 때의 압력의 단위이다. 하지만 Pa(파스칼)은 그 단위

크기가 너무 작기 때문에 대기 기상 연구에서는 그 100배 단위

인 hPa (헥토파스칼)이 쓰인다. 그러므로, 기압의 단위로는 초

기에는 mmHg 단위와 Torr가 쓰였으나, 1946년 이후 통일된

기압의 단위로서 밀리바 (mb)를, 그리고 현재에는 hPa을 주로

쓰고 있다(1mb는 1바(bar)의 1,000분의 1로서 1㎡의 넓이에

100뉴턴(N)의 힘이 가해질 때의 적용되는 압력을 말하며, 1헥

토파스칼과 같다).

1hPa = 1mb＝1/1000 bar＝100 N/㎡＝0.75 mmHg1기압 = 1atm = 76cmHg = 760mmHg = 1013.25hPa1,000 hPa = 750.06 mmHg (발췌 : daum 백과사전)

• 용액을 이용하여 물방울 렌즈를 만들 수 있는 것은 물방울 분

자가 그 표면적을 최소화 하려는 표면장력 성질 때문이다. 그

리고 각 용액마다 표면장력의 힘은 각기 다르기 때문에 용액

이 유리판에 떨어뜨렸을 때 그 모양이 약간씩 다른 모습을 보

이는 것도 그 이유 때문이다.

• 페트리접시 위에 실핀을 뜨게 할 수 있는 것도 표면장력의 성

질 때문이다. 그러나 실핀을 띄우기가 쉽지 않은데 실을 이용

하면 보다 쉽게 물에띄울 수가 있다. 그리고 실핀에 기름을

묻히면 더 잘 뜬다. 떠 있는 실핀 위에 가루 세제를 떨어뜨리

면 실핀이 가라앉는데 그것은 가루세제가 그 용액의 표면장

력을 떨어뜨리기 때문이다.

• 공기는 압력만이 아니고 일정한 부피를 필요로 한다. 그래서

컵이나 플라스크를 거꾸로 하여 물 속에 넣어도 공기 때문에

속으로 물이 들어가지 않는 것이다. 그러므로 삼각플라스크

속에 젖지 않은 화장지를 넣고 플라스크를 거꾸로 수조 속에

넣어도 화장지는 젖지 않는 것이다.

• 페트컵을 물이 든 수조 속에 넣어 물을 가득 채운 다음 두꺼

운 종이나 플라스틱 판으로 컵을 막은 다음 양손으로 컵을 거

꾸로 든다. 그리고 판을 받친 손을 놓아도 종이나 판은 밑으

로 떨어지지 않는다. 이것은 표면장력의 힘도 영향을 받지만

밑에서 위로 받쳐주는 대기압의 힘이 판이 아래로 떨어지려

는 힘보다 크기 때문에 판이 떨어지지 않는 것이다. 대기압은

한쪽으로 힘을 주는 것은 아니고 사방에서 골고루 힘을 주는

것이다. 같은 방법으로 컵을 모기장망으로 감싼 후에 모기장

을 고무밴드로 감고 컵 속에 물을 가득 채운다. 판으로 컵의

입구를 막은 다음 컵을 거꾸로 든다. 조심하여 막았던 판을

서서히 떼어내면 컵 속의 물이 아래로 쏟아지지 않는다. 이것

도 물의 표면장력이 모기장망 사이에 골고루 미쳐서 물이 아

래로 쏟아지지 않는 것이다. 물의 분자가 모기장망에 붙어서

떨어지지 않으려고 하는 성질 때문이다.

• 중력과 대기압에 따른 물의 이동실험은 높이가 다른 물이 높

이가 다른 곳, 즉 높은 위치에 있는 물이 고무관을 통해 아래로

이동을 하게 된다. 반대로 낮은 쪽의 수조를 높게 들면 그것의

중력이 커져 반대로 물이 이동을 하는 것이다. 물론 실험을 할

때는 고무관 속에 공기가 없게 해야 한다. 이것은 수조의 높이

에 따라 대기압이 받는 힘이 달라지기 때문이다. 산에서 밥을

지을 때 평지보다 낮은 온도에서도 밥이 끓는 이치와 같은 것

이다. 기압이 낮으면 온도가 낮아도 물이 끓게 되는 것이다.

• 캔을 가열한 후 캔의 입구를 알루미늄 테이프로 막은 후 찬물

속에 넣으면 뜨겁던 캔이 식으면서 캔 속의 공기의 부피가 작

아져 캔이 찌그러지게 된다. 이것도 캔 밖과 안의 기압 차이

때문이다.

• 삼각플라스크에 물을 조금 넣은 후 충분히 가열을 시킨다. 그

런 다음 알콜램프를 끄고 그 위에 물풍선이나 삶은 달걀을 입

구에 올려놓으면 플라스크 속의 물이 식으면서 부피가 줄어들

게 된다. 그러면 플라스크 안과 밖의 기압 차이가 생겨 물풍선

이나 삶은 달걀을 플라스크 안으로 잡아당기게 된다. 시각적으

로 보이는 실험으로 학생들이 신기해 하고 좋아하는 실험이다.

*참고자료 : http:megascience.co.kr