열화상 카메라를 이용한 열 현상의 가시화 실험에 대한 연구

Abstract

우리가 자연 현상을 인지할 때 모든 감각기관을 통하여 정보를 수용하지만 그 중 시각은 인간의 감각 중 가장 많은 정보를 받아들이며 효율적인 감각이다. 그러므로 인간의 감각으로 접근하기 어려운 자연 현상들을 눈으로 볼 수 있도록 가시화 하는 것은 학습 과정에 효과적으로 적용될 수 있다. 눈에 보이지 않는 과학 현상을 가시화한 자료나 탐구 활동을 통해 학생들은 직관적으로 이와 관련된 과학 현상을 감지할 수 있고 이는 학습에 도움을 줄 것이다. 또한 과학 현상의 가시화 과정을 과학 탐구에 적용하여 학생들의 과학적 탐구 능력을 향상시킬 수도 있다. 이 연구에서는 과학 현상 가시화의 방안으로 열화상 카메라를 이용하여 열 현상을 가시화 하는 두 가지 실험을 수행하고 이와 관련된 현상을 분석하였다. 열화상 카메라는 비접촉 방식으로 온도를 측정하고 실시간 영상으로 온도 분포를 확인할 수 있다는 장점이 있으며 이를 토대로 물리 교육에서 중요한 역할을 수행할 수 있다. 이 연구에서는 단순히 열 현상을 가시화 하는 것에 그치지 않고 열화상카메라로 온도 분포를 측정하고 이를 정량적으로 분석하여 열 현상을 설명하였다. 첫 번째로 열화상 카메라를 이용해 적외선을 탐지하는 실험을 수행하였다. 이는 1800년에 W. Herschel이 수행했던 적외선 발견 실험을 바탕으로 하였으며, 열화상카메라를 사용해 기존 실험을 재현하고 분석한 것이다. 실내에서 열화상 카메라를 이용해 적외선을 탐지할 수 있는 실험을 설계하고 수행하였으며 실험 장면을 촬영한 열화상과 온도 분포를 제시하였다. 이 실험을 분석하기 위한 모델을 설정하고 광학 이론으로 실험을 분석하였으며 허셜이 수행했던 기존의 실험과 일치하는 결과를 얻었다. 두 번째 실험에서는 저항에서 전류에 의해 열이 발생하는 줄 발열(Joule Heating) 현상을 가시화하고 분석하기 위한 수단으로 열화상 카메라를 사용하였다. 학생들은 전류가 흐르는 저항에서 열의 형태로 에너지가 손실된다는 사실과 손실되는 에너지의 크기를 공식으로 배우지만, 열은 눈에 보이지 않으므로 에너지 손실 상황을 실감하기가 쉽지 않다. 이 실험에서는 알루미늄 포일의 모양에 따라 저항의 크기가 달라지는 점을 이용해 저항의 연결 방법(직렬 또는 병렬)에 따른 발열을 열화상을 통해 관찰하고 분석하였다. 또한 줄 발열 현상의 정량적인 분석을 위해 포일의 너비와 이에 흐르는 전류의 세기에 따른 온도 변화를 열화상카메라를 이용해 측정하고 분석하였으며 이를 열전달 이론과 비교하였다. 이 연구에서는 두 가지 실험을 통해 열화상 카메라가 눈에 보이지 않는 열 현상을 가시화하여 이를 정성, 정량적으로 탐구하는데 유용함을 보이고자 하였다. 눈으로 볼 수 없는 물리 현상의 가시화는 학생들의 흥미를 유도함은 물론 자연 현상이나 물리 개념을 이해하는 과정에도 큰 도움을 줄 수 있다. 더 나아가 가시화를 통한 정량적 과학 탐구까지 가능하면 학습 효과는 더 커질 것이라 기대한다.

Visualization is an effective way of conveying physical concepts of invisible phenomena. In this study, two experiments are presented which use a thermal camera to visualize physical phenomena. We took thermal images and quantitatively analyzed the temperature. The first experiment is replication of a historical experiment which conducted by W. Herschel in 1800. Existence of Infrared rays was revealed in this experiment, It has very important meaning in physics history. W. Herschels experiment was introduced and analysed with the theory of optics in this study. We replicated the experiment using a thermal camera and got result that confirm the existence of infrared rays. The second experiment is related with Joule heating. One of the important and invisible phenomena is the heating of resistors in the electrical circuits. Since the heat is invisible, it is difficult to relate the formula to the actual power dissipation. To help students understanding, we took thermal images of resistors while passing current through them. We analyzed from the thermal images the temperature increase before reaching the equilibrium by using a heat dissipation theory including the convection loss. Resistance depends on the length and cross section of the material. To demonstrate this, we cut an aluminum foil in various shapes to make resistance of different values. The thermal images taken from the aluminum foil resistors successfully revealed how the resistance is related to the shape of the material. Thermal camera not only serves as a thermometer but also as a learning tool which improve students understanding of the physical concept on thermal phenomena. And our work serves as an example of how visualization can draw students interests into invisible phenomena and enhance their understanding of the underlying physics.