레이저 도청에 대한 탐구 중심의 교수학습 자료 개발

Abstract

과학 교육의 목표로 강조되는 학생의 과학 탐구 능력을 기르기 위한 일환으로 탐구 실험을 개발하고자 하였다. 최근 교육과정에 현대의 첨단 물리 내용이 대거 추가된 경향을 반영하여 교실 내에서 별도의 특수 장비 없이 간단하게 현대 물리에 관한 실험을 할 수 있는 주제를 개발하였다. 첫 번째로 제안하는 실험은 레이저의 유리창 반사를 이용한 유리창 내 소리 도청 실험이다. 실험 결과를 바탕으로 레이저 도청 실험을 계획하는 교사와 학생들을 위해 레이저 광선의 입사각, 진행거리, 입사 위치 사이의 관계를 분석하고 가장 유사한 소리가 재현되는 조건에 대해 제안하였다. 실험을 통해 작은 입사각과 가까운 거리에서는 레이저 광선의 반사각의 변화를 이용하여 유리창 안의 소리와 상당히 유사한 소리를 얻을 수 있음을 보여주었다. 더 나아가 2분할 포토다이오드를 이용해 결과의 질을 향상 시킬 수 있는 응용된 원리를 소개하였다. 두 번째로 제안하는 실험은 기존의 마이켈슨 간섭계 실험이 레이저의 파장 길이, 거울의 미소 변위 측정에 한정되어 있는 것과 달리 마이켈슨 간섭계를 이용하여 소리를 측정하는 새로운 실험이다. 기존의 마이켈슨 간섭계 장치에 압전구동기를 추가하여 한 거울을 진동시킨 후 압전구동기에 입력한 소리를 간섭무늬 세기 변화를 이용하여 재현할 수 있다. 압전구동기의 변위에 따라 재현되는 소리의 특징은 달라지며 이는 포토다이오드 회로와 말소리의 특성에 기인한다. 위 실험들은 학생들이 빛을 이용하여 소리를 측정하는 실험을 하며 레이저, 광센서, 간섭계 등 현대의 첨단 광학 장비를 사용해볼 수 있을 뿐만 아니라, 우수한 품질의 소리를 얻기 위해 반복 실험을 하는 동안 가설을 설정하고 변인을 통제하는 등 탐구의 과정을 경험할 수 있을 것이다.