물이 묻으면 색이 진해지는 어두워지는 이유 과학 수행평가 탐구 보고서 (모세관 현상, 빛의 난반사)

<과학 수행평가 탐구 보고서>

물이 묻으면 일시적으로 색이 어둡게 (진하게) 변하는 물질과 그 이유

목차

탐구 주제, 탐구하게 된 동기, 탐구를 통하여 알아보고 싶은 점

탐구방법 및 과정

탐구 결과, 탐구를 통하여 알게 된 점, 탐구를 통하여 느낀 점, 참고문헌

①탐구 주제

물이 묻으면 일시적으로 색이 어둡게(진하게) 변하는 물질과, 그러한 현상이 나타나는 이유

 

②탐구하게 된 동기

비오는 날에 옷이 비에 젖었다. 옷이 비에 젖은 것이 싫어서 젖은 부분을 보았더니, 그 부분은 다른 부분보다 약간 어둡게 보였다. 그래서 ‘물은 투명한데 물에 묻은 부분은 왜 색이 어두워질까?’라는 생각이 들었다.

 

③ 탐구를 통하여 알아보고 싶은 점

1) 물이 묻으면 일시적으로 색이 변하는 물질 (혹은 그러한 물질들의 공통적인 특성)

2) 물이 묻으면 색이 어둡게 변하는 이유

 

④ 탐구방법 및 과정

1.물이 묻으면 색이 어둡게 변하는 물질

우선 물이 묻으면 색이 변하는 물질과 그렇지 않은 물질을 구분하기 위하여 주변의 여러 가지 물질에 물을 묻혀본다. 수건, 종이, 플라스틱, 휴지, 가공목재, 옷(섬유류)에 물을 묻혀 본 결과는 다음과 같다.

	수건	종이	플라스틱	휴지	가공목재	옷
변화 여부	O	O	X	O	X	O

 

위 결과를 바탕으로 판단한 ‘색이 변한 물질들’의 공통적인 특성은 물을 흡수하는 것이라고 판단했다.

이번에는 색이 어떻게 변하는지(밝게/어둡게) 명확히 규정하기 위해 여러 가지 색으로 실험을 했다.

여러 가지 색의 옷에 물을 묻혀본 결과, 색이 어둡게 변한다는 것을 알 수 있었다.

2.물이 묻으면 색이 어둡게 변하는 이유

왜 이러한 현상이 일어나는지 생각해 보았다. 가장 먼저 ‘물질이 물을 흡수하면 물이 묻은 부분의 분자들은 서로 뭉치려고 하기 때문에 색깔이 진해져 보이는 것이다.’라는 생각이 떠올랐다. 이것을 가설로 설정하고 가설의 진위여부를 판단하기 위해 다음과 같은 실험을 했다.

 

* 실험 - 물이 묻으면 부피가 줄어들까?

 

가설 설정 : 물질이 물을 흡수하면 물이 묻은 부분의 분자들은 서로 뭉치려고 하기 때문에 그 부분의 밀도가 높아져서 색깔이 진해져 보이는 것이다.

 

탐구 설계 : 이 가설이 옳다면, 물이 묻으면 결국 물이 묻은 물체의 부피는 줄어든다는 뜻이 된다. 따라서 물이 묻으면 부피가 줄어드는지 확인할 수 있는 실험을 하겠다.

휴지가 반응을 잘 하므로(물을 조금만 묻혀도 변화가 빠르게 많이 일어남) 휴지로 실험을 하겠다.

 

탐구 수행 : 물을 묻힌 휴지(실험군)와 물을 묻히지 않은 휴지(대조군)의 부피를 비교한다. 단 휴지는 평면에 가까우므로 면적으로 비교한다.

한 휴지 전체에 물을 묻히고 그 휴지의 가로와 세로에 같은 종류의 휴지를 놓아서 휴지의 가로, 세로길이의 변화를 관찰했다.

자료해석, 탐구 결과 : 물을 묻힌 휴지의 가로, 세로길이가 물을 묻지 않은 휴지와 차이가 거의 없으므로 이 실험의 가설은 옳지 않다.

- 실험 종료

 

필자의 생각이 옳지 않았으므로, 기본 개념부터 이해하기 위해 이 탐구와 관련이 있는 내용들을 조사했다.

 

1) 모세관 현상

액체의 응집력과 관과 액체 사이의 부착력의 차에 따라 액면은 오목(凹)하거나 볼록(凸)해진다. 오목해진 것은 부착력이 더 강한 경우이고, 볼록해지는 것은 응집력이 강하기 때문이며, 어느 경우에나 안팎의 액면의 높이 h=2T cos θ/rρg 될 때 중력과 평형을 이룬다 (T는 표면장력, θ는접촉각, r는 관의 안지름, ρ는 액체의 밀도, g는 중력가속도). 이 관계는 액면의 상승 또는 하강의 접촉각의 실측값으로부터 표면장력을 구하는 데 이용된다. 모세관현상에 의해 만곡된 표면을 메니스커스라 하는데, 이 표면이 오목하면 관 안의 액면이 높아지고(물인 경우), 표면이 볼록하면 관 안의 액면은 낮아진다(수은인 경우). 이러한 현상은 자주 볼 수 있는 자연현상의 하나로서, 흡수지나 천에 물이 저절로 스며드는 까닭도 흡수지나 천의 섬유가 모세관 구실을 하여 물을 빨아올리기 때문이다. 식물의 뿌리에서 흡수된 수분이나 양분이 식물체 전체에 퍼지는 것도 역시 이 현상에 의한다.

이 탐구에서, 물이 묻으면 색이 변하는 물질은 물을 ‘흡수한다’라고 했는데 이것은 곧 모세관현상이라고 볼 수 있다.

 

2) 물의 빛 흡수

햇빛은 서로 다른 파장을 가진 여러 개의 색깔로 구성되어있다. 물은 빨강, 주황, 노랑, 초록, 파랑 순으로(파장이 긴 순서) 잘 흡수한다. 그래서 바다 속 깊은 곳에서는 모든 사물이 푸르스름하게 보이는 것이다.

 

3) 빛의 난반사

대부분의 물체의 표면은 매끄럽지 않다. 따라서 이러한 물체 표면에 빛이 입사하면 빛이 닿은 각각의 점에서는 반사의 법칙에 따라 반사하지만, 반사된 광선은 서로 다른 방향으로 나아간다. 이것이 난반사이다. 물체를 어느 방향에서나 볼 수 있는 것은 물체 표면에서 난반사가 일어나기 때문이다.

- 조사 끝

 

‘2)물의 빛 흡수’에 착안하여 물이 빛을 흡수하기 때문에 물이 묻으면 색이 어두워진다고 판단해서는 안 된다. 왜냐하면 색이 어두워지는 것은 빛의 파장 자체가 바뀌는 것이 아니라 빛의 강도가 약해지는 것이기 때문이다.

위의 조사내용을 바탕으로 ‘물이 묻으면 색이 어두워지는 이유’를 정리하겠다.

우리가 물질의 색깔을 느끼는 것은 그 물질이 반사한 색을 느끼는 것이다.

대부분의 섬유는 원래 표면이 매끄럽지 않아서 난반사가 일어나는데, 물을 묻히면 그 부분이 매끄러워져서 난반사가 줄어들어서 빛의 총 반사량도 줄어든다.

따라서 물이 묻은 부분은 색이 어두워진다.

⑤ 탐구 결과

물이 묻으면 일시적으로(물이 증발하면 원래의 색으로 되돌아옴) 색이 어두워지는 이유는 간단히 말하면, 표면에 매끄럽지 않은 물체에 물이 묻으면 그 부분이 매끄러워져서 반사량이 줄어들기 때문이다.(자세한 내용은 ‘④탐구방법 및 과정’및 바로 위의 굵은 글씨 참조)

이러한 현상이 일어나려면 섬유처럼 표면이 매끄럽지 않아야 하고, 물체가 물을 흡수하여 표면을 매끄럽게 해야 하므로 물이 묻으면 색이 어두워지는 물질은‘섬유와 같이 표면이 매끄럽지 않고, 물을 흡수하는 물질’이다.

 

⑥ 탐구를 통하여 알게 된 점

우선 탐구 주제인 ‘물이 묻으면 일시적으로 색이 어두워지는 물질과 그러한 현상이 나타나는 이유’를 알게 되었다. 또, 물이 빛을 흡수한다는 사실을 알게 되었다.

 

⑦ 탐구를 통하여 느낀 점

평소에 궁금했던 사실을 알게 되어 보람이 있었다. 탐구하는 것은 힘들었고 오랜 시간이 걸렸다. 특히 물이 묻으면 색이 어두워지는 이유를 알아내는 것이 골치 아팠다. 이것을 알아내기 위해서는 어떤 실험이 필요할지 어렵게 생각해내어 실험을 했는데 실험의 가설이 옳지 않다는 결론이 나와서 가슴이 아팠다. 하지만 이러한 고통이 있었기에 더욱 보람을 느낄 수 있었다. 물이 묻으면 색이 어두워지는 현상은 매우 자주 접하는 현상인데도 그 원리는 전혀 모르고 있었다. 이 현상 말고도 주변의 여러 가지 현상도 단순해보이지만 원리를 깊게 탐구하면 과학적인 내용이 복잡하게 얽혀있을 것 같다. 앞으로는 책 뿐 아니라 생활 속에서도 과학적인 현상을 찾을 것이다.

 

⑧ 참고 문헌

네이버 백과사전(모세관 현상 등 조사)