마이켈슨 간섭계를 이용한 관의 공명에서 기체 분자의 진동에 대한 연구 및 교재 개발

Abstract

소리는 주변에서 쉽게 접하는 과학현상이지만 일반인뿐만 아니라 물리를 전공한 대학생도 어려워하고 있다. 특히 소리의 정상파는 시각화하여 관찰할 수 있는 자료가 부족하여 추상적이기 때문에 고등학교 교과서 등에서는 소리의 정상파가 마치 횡파처럼 관 내에서 진동하는 것으로 표현하고 있다. 이러한 정형화된 시각자료는 학생들에게 많은 혼란을 주고 심지어는 교사들조차도 이에 대한 설명을 제대로 하지 못해 오개념을 유발하기도 한다. 이 논문에서는 관 내 정상파에 의한 공기 변위의 방향이 관의 지름 방향이 아니라 길이 방향이라는 것을 학생들이 이해하는 것에 도움을 줄 수 있는 실험을 개발하였다. 학생들이 실험을 실제로 수행하거나, 여건이 안된다면 교사가 시범실험을 수행하여 관 내 정상파의 마디와 배에서, 공기 분자의 변위를 측정하고 이를 시뮬레이션하여 실제 수학적으로 예상되는 결과와 비교하여 볼 수 있다. 학생들이 직접적으로 탐구활동을 수행하는 것이 더욱 의미가 있는데 이는 현재 시행되고 있는 2009 개정 교육과정, 그리고 고등학교에서 2018년부터 순차적으로 시행될 2015 개정 교육과정에 의거한 것이다. 탐구활동의 중요성은 1970년대의 제3차 교육과정부터 꾸준히 강조해왔다. 그러나 과학 교육에서 과학적 탐구를 계속해서 강조함에도 불구하고 탐구 활동 대부분은 탐구 학습을 강조할 뿐 실험문제, 실험방법과 절차를 제시하여 매뉴얼을 따라가기만 하면 예측되는 실험 결과를 얻도록 한다. 관 내 정상파는 시각적으로 관찰하는 것이 힘들다. 그러므로 학생들은 예상한 결과를 현상과 비교해볼 수 없고, 종파 모향을 발달시키는데 어려움을 겪을 수밖에 없다. 이는 학생들뿐만 아니라 예비교사들조차도 겪고 있는 어려움이다. 그래서 본 연구에서는 관 내 정상파에 의해 발생하는 압력차가 야기하는 공기분자의 변위의 방향이 음파의 진행방향과 평행하다는 것, 즉 관에서 발생하는 정상파의 변위가 현재 교과서 등에서 도식으로 제시되고 있는 방향이 아닌 세로 방향임을 효율적으로 설명할 수 있는 탐구 실험을 개발하였다. 우선 길이 2m, 내경 40mm의 아크릴 관을 제작하여 고정시킨 뒤 공명진동수를 측정하였다. 그리고 관 내에 마이켈슨 간섭계의 한 쪽 거울 역할을 수행할 수 있도록 거울을 설치하고, 실제로 관 내에 정상파를 발생시켜 거울의 움직임을 마이켈슨 간섭계로 측정하였다. 이론적으로 예상되는 마디, 배, 그리고 마디와 배의 중간 지점의 변위를 입력한 음압에 따라 실험적으로 확인하였고, 특히 7배 진동에서 마디와 마디 사이의 변위를 3cm 간격으로 측정하여 이론적인 추정치와 비교하였다. 그리고 학교 현장에서 학생 실험으로 활용할 수 있도록 결과가 가장 잘 나오는 몇 가지 요인들을 분석하여 제시하였다. 또한 Excel Visual BAsic(VBA) 프로그램을 이용하여 학생들 또는 교사가 직접 측정한 변위를 위치별로 입력하면, 그 변위에 맞게 정상파가 움직이도록 시뮬레이션을 코딩하여 제시하였다. 마이켈슨 간섭계가 없거나 수량 부족, 시간 부족 등의 여건으로 탐구 실험이 불가능한 경우에는 시범실험 등을 통해 데이터를 얻고, 이 시뮬레이션을 활용하여 학생들에게 간섭적으로라도 관 내 정상파의 종파적 흐름을 체험하게 해 줄 수 있을 것으로 기대된다.