실험 제목	앵그리 대포			실험 원리	폭발의 원리 이해
실험 시간	50분	실험 분야	물리, 공작	실험 방법	개별 실험
세트구성물	필름통, 압전세라믹, 나사못, 칼라보드. 전선, 절연테이프, 알코올, 양면테이프
교사준비물	드라이버(+)			학생준비물	꾸밈재료(대포알 꾸밀 때 사용합니다)
실험 결과	학생 각자 자신의 앵그리 대포 1개를 가져갈 수 있습니다.
실험팁	TIP 1. 압전 세라믹으로 장난쳐서 감전이 일어나지 않도록 주의하세요(따끔합니다.) TIP 2. 대포 발사 시 소리가 매우 큽니다. 놀라지 않도록 주위 사람들에게 미리 경고하세요. TIP 3. 완성된 알콜 권총을 사람을 향해 쏘지 않도록 지도하여주세요. TIP 4. 알콜로 인하여 화재사고가 나지 않도록 지도하세요. TIP 5. 반드시 지도교사 또는 부모님 지도 아래 발사 활동을 하도록 해주세요.

■ 교사용 실험 자료실 ■

폭발이란 무엇일까요?

폭발이란 격렬한 화학반응에 의해 순간적으로 엄청난 압력의 가스가 급격히 팽창하는 현상을 말합니다.

1. 필름통 안에서 기화된 알코올은 압전세라믹의 불꽃에 의해 불이 붙습니다. 이 때 필름통 내부의 변화   를 정리해봅시다.

기화된 알코올은 액체 알코올에 비해 표면적이 커서 불꽃에 의해 불이 잘 붙습니다. 이 때 필름통 내부의 온도 상승으로 부피가 급격히 팽창합니다.

2. 우리 주변에서 압전세라믹이 사용되는 예를 찾아봅시다.

가스레인지나 원터치 라이터를 점화할 때 사용됩니다.

3. 앵그리대포가 발사되면 필름통 뚜껑이 날아가면서 대포도 뒤 쪽으로 밀려 넘어집니다. 그 이유는 무엇일까요?

작용반작용의 법칙에 의해 팽창된 기체가 뚜껑을 미는 힘 만큼 뚜껑도 기체를 뒤로 미는데 이 때문에 대포도 뒤로 밀려 넘어집니다.

1. 각자의 처음속도를 대입하여 수평 도달 거리를 계산하여 봅니다.

2. 실제 측정 거리와 계산한 거리의 값이 차이가 난다면,

1) 발사할 때의 알코올의 양과 기화된 양이 다를 수 있고,

2) 공기의 저항 때문에 실제 날아가는 거리가 짧아질 수 있습니다.

3.

압전세라믹 유전체

압전세라믹 유전체는 압력이나 기계적인 충격이 가해지면 전압이 발생하는 특성을 가진 소자입니다. 이런 특성을 이용하여 가스렌지나 라이터의 불꽃을 만들 때 사용하는 것이고요.

압전식 점화장치 (이하 http://www.gasinfo.net/basic_info/definition/ 에서 발췌..)

세라믹 유전체(압전소자)에 압력 또는 힘이 가해지면 전기가 발생하며 이 현상을 압전기효과라 하고, 압전식 자동점화장치는 이 압전기를 이용하여 불꽃 방전을 일으키며 이 에너지에 의해 가스를 착화시키는 것으로서 가스렌지와 가스난로 등 교류전원을 사용하지 않는 연소기의 점화에 많이 이용되고, 압전기를 발생하는 유전체(誘電體)에는 여러 가지가 있으나 가스기기에 사용되고 있는 압전소자에 충격을 가하면 14㎸이상의 고전압이 발생하게끔 만들어져 있으며, 고전압이지만 전류량이 적어서 일반적으로는 안전하다

압전소자[ 壓電素子 , piezoelectric element ]

압전기(壓電氣) 현상을 나타내는 소자.

피에조전기소자라고도 한다. 수정, 전기석, 로셸염 등이 일찍부터 압전소자로서 이용되었으며, 근래에 개발된 티탄산바륨, 인산이수소암모늄, 타르타르산에틸렌디아민 등의 인공결정도 압전성이 뛰어나다.

압전기란 어떤 종류의 결정판(結晶板)에 일정한 방향에서 압력을 가하면 판의 양면에외력에 비례하는 양 ․음의 전하(電荷)가 나타나는 현상 인데 1880년 프랑스의 자크 퀴리(Jacque Curie)와 피에르 퀴리(Pierre Curie; 1859~1906) 형제가 처음 발견하였다. 이후 한 장의 결정판에 나타나는 압전기는 미약하지만 금속박을 삽입하면서 여러 장을 겹칠 경우 그 양이 크게 증대된다는 것이 알려졌다. 또 결정판에는 고유의 진동이 있고 탄성진동과 전기진동이 일치하면 압전기와 결합되어 더욱 강한 진동이 일어난다는 사실도 발견되었다.

그리고 이들 현상을 이용하는 여러 가지 발명이 뒤따랐다. 이에 따라 마이크로폰이나전축의 픽업에는 로셸염, 전화기나 라디오의 스피커, 초음파 탐지기, 수정시계의 진동자, 방송기기, 원거리 통신회로 등에는 수정과 티탄산바륨 등이 압전소자로서 많이 사용되고 있다.

작용 반작용의 원리

작용 반작용의 법칙을 다른 말로 Newton의 운동 제 3 법칙이라고도 합니다.

작용 반작용의 법칙의 정의를 살펴보면

서로 다른 두 물체 A, B가 있을 때, 물체 A가 B에 힘을 작용시키면 물체 B도 물체 A에 반드시 힘(반작용)을 미친다는 법칙이며 이러한 힘의 상호작용을 운동 제 3 법칙이라합니다.

이 법칙은 물체의 운동상태에 관계없이 항상 성립하며, 서로 접해있는 물체뿐만 아니라 중력, 전기력, 자기력과 같이 서로 떨어진 물체 사이에도 성립한다는 법칙입니다.

작용 반작용의 조건으로는 작용과 반작용은 서로 크기가 같고 반대 방향.작용과 반작용은 동시에 발생하며 한 쌍으로 존재.

작용과 반작용은 서로 다른 두 물체 사이에 존재 일 경우 이며 작용 반작용의 예를 들어보면공을 바닥에 떨어뜨리면 공은 바닥에 힘을 작용하게 되고 동시에 바닥은 공에게 반작용을 작용합니다. 그 결과 공은 그 반작용의 힘을 받아 위로 튀어 오르게 되죠.

또 다른 예로는 얼음판 위에서 어른과 아이가 마주서서 밀 때, 강을 건널 때 줄을 잡아 당기면 잡아 당기는 쪽으로 이동을 하는 경우가 좋은 예가 됩니다.

폭발 [爆發, explosion]

급속히 진행되는 화학반응에서, 반응에 관여하는 물체가 급격히 또한 현저하게 그 용적을 증가하는 반응이다. 그 조건은 연소의 조건을 갖추고 있으며, 또한, 폭발물질이 산소와 화합하는 가연성 물질이고, 산소화합물이 혼합되어 있어야 한다. 보통 열폭발과 연쇄폭발로 구분되는데, 전자의 대표적인 예가 기체의 폭발이다.

그러나 폭발은 대부분 산소와의 반응이므로 보통은 기체의 발생에 수반되는 연소반응의 속도가 가연성 물질(可燃性物質)이 있는 한 증대하는 현상을 가리키는 경우가 많다. 폭발은 연소를 거쳐 진행되므로, 폭발이 일어나는 조건은 연소가 일어나는 조건을 갖추고 있어야 한다. 즉, 폭발물질은 산소와 화합하는 가연성 물질이어야 할 것, 또는 물질 자신이 산소원자를 함유하고 있든가 산소화합물이 혼합되어 있어야 할 것이 필요하다. 또, 연소의 반응열이 빠르게 다량으로 발생하고, 생성가스도 다량이어야 한다는 것도 조건이 된다.

다이너마이트·흑색화약·TNT·뇌홍(雷汞)·테르밋·각종 탄화수소 등은 이러한 조건들을 만족시키므로 폭발물이 된다. 폭발에 의한 급격한 열의 발생은 생성가스의 압력을 급격히 높이고, 그 결과 빛·충격파·폭음 등을 발생한다. 이렇게 해서 생기는 고압을 폭압(爆壓)이라 하는데, 폭압은 다시 물질을 단열압축(斷熱壓縮)하여 고열을 발생시킨다.

이 고열은 폭발을 잇따라 전하여 폭발을 확대시켜 간다. 이 현상을 폭굉(爆轟:detonation)이라고 한다. 따라서 폭발은 물질을 가열(점화)함으로써 일어나는 것 외에, 압축하거나 충격을 가해서 단열압축을 일으켜도 일어난다. 화약이나 폭약을 기폭시킬 때 기폭제를 사용하는 것은 그 좋은 예이다. 기체의 폭굉에서 폭발파의 속도는 4,000m/sec, 압력은 50atm, 온도는 2,500~5,000℃에 이른다. 폭발은 보통 열폭발과 연쇄폭발로 대별된다. 연소가 열폭발로까지 충분히 진행하기 위해서는 반응에 의한 열의 발생속도가 주위로 산일(散逸)하는 열의 그것보다 빠르기 때문에 온도가 상승하여 반응속도가 격심하게 증대해야 한다. 기체의 폭발은 열폭발의 대표적인 보기이다.

[출처] 폭발 [爆發, explosion ] | 네이버 백과사전

샤를의 법칙 [Charles' law]

압력이 일정할 때 기체의 부피는 종류에 관계없이 온도가 1℃ 올라갈 때마다 0℃일 때 부피의 1/273씩 증가한다는 법칙이다.

이 법칙은 1802년 게이뤼삭이 발표하였으나 1787년의 샤를의 미발표 논문을 인용하였기 때문에 샤를의 법칙 또는 샤를-게이뤼삭의 법칙이라고 한다. 온도와 기체의 부피에 관한 법칙으로 기체팽창의 법칙이라고도 하며, 일정한 압력에서 기체의 부피는 그 종류와는 관계없이 절대온도에 정비례한다는 법칙이다.

즉, 압력이 일정할 때 기체의 부피는 종류에 관계없이 온도가 1℃ 올라갈 때마다 0℃일 때 부피의 1/273 씩 증가한다는 것이다. 일정한 압력일 때 기체 분자의 운동은 온도가 높아짐에 따라 활발해져서 용기의 벽에 충돌하는 횟수가 증가하므로 부피가 커지게 된다. V를 온도 t℃에서의 기체의 부피라 하고, V0을 0℃에서의 부피라고 하면, 다음의 관계식이 성립된다.

V = V0 * (1+t/273)                                     [출처] 샤를의 법칙 [Charles' law ] | 네이버 백과사전

포물선운동 [抛物線運動, parabolic motion]

일정한 크기와 방향을 가지는 힘이 작용하는 공간에서 물체가 힘의 방향과 일정 각도를 이루어 던져졌을 때 그 이동 경로가 포물선을 그리는 운동이다.

지표면에서 지면과 일정한 각도를 이루어 던져진 물체는 지면에 수직인 방향으로만 일정한 크기를 가지는 중력의 영향을 받는다. 수평 방향으로는 등속도 운동을 하며 수직 방향으로는 등가속도 직선 운동을 하게 된다. 이렇게 모든 지점에서의 힘의 크기와 방향이 같은 공간에서 물체가 힘의 방향과 일정 각도를 이루어 던져질 때 이 물체는 결과적으로 아래 [그림1]과 같은 형태의 포물선을 그리게 되며 이때 물체가 그리는 궤적을 포물선 운동이라고 칭한다.  [그림2]에서 노란색 점은 시간이 1초씩 흐를 때마다 실험 기기로 측정한 물체의 x 축 위치를, 파란색 점은 물체의 y 축 위치를 나타내며 각 점 사이의 간격을 관찰하면 단위 시간당 물체의 x 축 방향으로의 이동 거리, 즉 물체의 x 축 방향으로의 속도는 일정하지만 단위 시간당 물체의 y축 방향으로의 이동 거리는 점진적으로 증가하여 가속 운동을 하고 있음을 확인할 수 있다. 이때 단위 시간당 늘어나는 빨간색 점간의 간격의 길이는 일정하며 그 값은 중력 가속도의 크기인 9.8m/s2이다.

[그림1]                                                                    [그림2]

[그림3]에서 보듯이 물체가 던져질 때 지면과 이루는 각도에 따라, 다시 지면에 떨어졌을 때 x 축 방향으로 물체가 도달하는 거리의 값이 달라짐을 확인할 수가 있다. 그러므로 골프공이나 포탄이 낙하하는 지점은, 대포의 포신이 지면과 이루는 각도나 공을 타격할 때 공이 날아가는 초기 각도를 조절해서 제어할 수 있다. 공기와의 마찰 등 중력 외의 외력을 고려하지 않을 때 지면과 45도의 각도를 이루도록 물체를 던지면 가장 멀리 날아간다는 사실이 수학적으로 증명되었다.

[그림3]                                                [출처] 포물선운동 [抛物線運動, parabolic motion ] | 네이버 백과사전

등속직선운동 [等速直線運動, uniform motion/uniform motion of straight line]

물체의 속도와 운동방향이 한 개의 값으로 일정하게 유지되는 운동이다. 속력이 일정하지만 운동방향이 변하는 것은 등속도운동이 될 수 없다. 등속도운동을 할 때에는 가속도가 0이고, 물체에 가해지는 힘도 0이다.

물체에 외부힘이 작용하면 모양이 변하거나, 운동의 제2법칙에 따라 속력이나 운동방향이 변한다. 반면 외부힘이 작용하지 않으면 물체의 속력과 방향이 일정한 등속직선운동을 한다. 이는 운동의 제1법칙으로 설명할 수 있다.

등속직선운동에서 속력, 거리, 시간의 관계

운동의 제2법칙에서 힘을 0로 두고 계산하면 이동거리 s는 속도 v와 시간 t의 곱으로 구해진다. 이로부터 s=vt, v=s/t, t=s/v의 관계식을 얻을 수 있다.

예를 들어, 100km/h으로 달리는 자동차가 직선도로를 두 시간 동안 달리면 100km/h * 2h = 200km의 거리를 이동한다. 등속직선운동을 하는 기차가 2시간 동안 500km의 거리를 간다면 기차의 속력은 500km / 2h = 250km/h이다. 10km의 거리를 걸어가는데 걷는 속도가 5km/h이라면 10km / 5km/h = 2h(시간) 동안 걸어야 도착할 수 있다.

[출처] 등속직선운동 [等速直線運動, uniform motion/uniform motion of straight line ] | 네이버 백과사전

등가속도직선운동 [等加速度直線運動, uniformly accelerated motion of straight line]

가속도의 크기와 방향이 일정한 운동이다. 일정한 크기의 힘이 운동방향과 같은 방향으로 작용할 때 물체는 이런 운동을 한다.

물체에 외부힘이 작용하면 모양이 변하거나, 뉴턴의 운동 제2법칙에 따라 속력이나 운동방향이 변한다. 정지한 물체에 일정한 크기의 힘이 일정한 방향으로 작용하면 물체는 그 방향으로 점점 빨라지는 운동을 한다. 이때 힘이 일정하므로 시간에 따른 속력의 변화는 일정하며 운동방향에 수직인 힘의 성분이 없으므로 직선으로 움직인다. 이것은 등속직선운동하는 물체에 일정한 힘이 운동방향과 같은 방향으로 작용할 때도 마찬가지이다. 단, 운동방향과 반대방향으로 작용할 경우에는 속력이 줄어든다. 이렇게 시간에 대해 일정하게 속력이 변하면서 직선으로 움직이는 운동을 등가속도직선운동이라고 한다.

중력에 의한 자유낙하운동

원칙적으로 만유인력의 원리에 의해 지구 중심에 가까울수록 지구가 물체를 잡아당기는 인력의 크기가 커진다. 하지만 지표면 근처에서 물체가 낙하한다면 지구 전체의 반지름에 비해 그 이동거리가 매우 짧으므로 중력의 크기 변화를 무시할 수 있다. 즉, 물체가 낙하하는 동안 일정한 힘이 물체에 작용한다고 가정할 수 있다. 그러므로 나무에서 떨어지는 사과나 수직 위로 던진 야구공처럼 지표면 근처에서 자유낙하하는 물체는 등가속도직선운동을 한다.

[출처] 등가속도직선운동 [等加速度直線運動, uniformly accelerated motion of straight line ] | 네이버 백과사전