STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2022 빛이 알려주는 정보-스펙트럼 가천대학교 과학영재교육원 2022년 STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 구분 기관명 가천대학교 프로그램명 신규 (신규/수정보 완) 빛이 알려주는 정보-스펙트럼 주요 과목 과학, 수학 관련 과목 공학 주요 적용 학년 개발차 중2 시 주요 1단원 파동 단원 2단원 빛의 스펙트럼 4 관련 단원 Science: 진동과 파동. 빛 의 특성과 스펙트럼 Technology: 빛을 관측 STEM+I 요소 하는 방법 적용 Engineering: 빛이 보내 지역 주는 정보 Mathematics; 빛이 보내 주는 정보 분석과 해석 보조 주 개발자명 개발자 Ÿ 파동 현상에 대한 이해를 바탕으로 우리가 주변에서 인식하는 파동은 어떤 것이 있으며 그 중요성을 이해할 수 있다. 주요 수업 개요 Ÿ 우리가 인식하는 파동은 우리에게 무엇을 알려주는지 알아봄으로써 파동 현상의 인식을 넘어 현상의 의미를 생각할 수 있다. Ÿ 다양한 진동수 영역의 파동이 가지고 있는 정보들을 해석하고 이해함 으로써 과학 분야와 기술, 공학 분야에 대한 진로 방향을 탐색해 볼 수 있다. 1차시: 파동과 빛(전자기파)의 특성 이해하기 차시별 주요내용 (키워드 위주) 2차시: 빛의 스펙트럼과 스펙트럼이 알려주는 정보 알아보기 3차시: 스펙트럼 분광기 제작 및 다양한 광원의 스펙트럼 관찰하기 4차시: 광원의 종류에 따른 스펙트럼의 특징과 알 수 있는 정보 해석하 기 •빛 → 빛을 보여주는 물체에서 나오는 것 (라부아지에) 화학원론 (1789) 파 동 가시광선 파장 진폭 • 진동수 (????????) : 1초 동안 진동 횟수 • 파장 (????????) : 파동의 길이 • 에너지 (????????) ∝ 진동수 파장(nm) 진동수(Hz) ※ 파동(빛)의 속력 = (파장)ⅹ(진동수) ℎ = 6.63 × 10−34 Js • 전자기파 스펙트럼 1 eV = 1.6 × 10−19 J - 흡수 스펙트럼 - 분광기 제작: 스펙트럼 관측 • 회절격자 필름을 이용하여 분광기 제작 • 여러 광원의 스펙트럼 관찰 → 특징과 차이점 설명 광 원 1 태양 빛 2 LED 등 3 가스방전 관1 4 가스방전 관2 스펙트럼의 특징 

STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2020 무기 안료에 대한 이해와 탐구 충북대학교 과학영재교육원 2020년 STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관 명 충북대학교 과학영재교육원 프로그램 무기 안료에 대한 이해와 탐구 이름 주요 과목 화학 관련 과목 STEM 요소 관련 단원 물질의 성질/ 물리적 성질과 화학적 성질 물질의 변화/ 화학반응 관련 단원 S T E M 지역 차시 4 개발자 염료와 안료의 차이점에 대해 알아보고 안료에 속하는 유기 주요 수업 안료와 무기 안료의 장단점을 비교, 분광 광도계의 원리를 개요 이해하여 이에 대한 사용법을 익힘, 나아가 분광 광도계를 사용하여 다양한 무기 안료의 흡수 스펙트럼을 측정하고 분석 1차시: 개념도입, 안료의 개념에 대해 이해, 유기 안료와 무기 안료 에 대한 특징을 비교, 분광 광도계의 원리를 이해하고 이를 이용한 흡광 스펙트럼을 분석 2차시: 탐구 및 개념 확장, 유기 안료와 무기 안료의 특성을 비교 하여 각각의 장단점에 대하여 알아봄, 분광 광도계를 이용하여 다 차시별 주요내용 양한 무기 안료의 흡수 스펙트럼을 측정하고 분석 후 질의응답을 진행 (키워드 3차시: 과학기술 적용, 무기 안료의 특성을 이해하고 다양한 무기 위주) 안료를 직접 합성, 분광 광도계를 이용하여 다양한 색을 띠는 물질 에 적용할 수 있음을 확인 4차시: 공학적 산출물, 다양한 색을 띠며 서로 다른 화학식을 가지 는 무기 안료를 합성, 분광 광도계의 측정원리를 이해하여 각 샘플 에서 얻어지는 흡광 스펙트럼을 분석하여 비교, 탐구활동을 배경으 로 공학적으로 적용 (화학) 무기 안료에 대한 이해와 탐구 (6) 교수-학습 과정의 전개 1) 개념도입 1차시 [개념 도입] 조사해 보기 ◆ 색깔이 짙은 무기 화합물은 페인트나 물감의 색깔을 나타내는 무기 안료(inorganic pigment)로 많이 이용된다. 안료는 액체 또는 고체 결합체와 혼합하여 사용하는데 안료를 사용하는 재질의 색깔을 바꾸어주거나 보호해 주는 역할을 한다. 안료로 사용되는 화합물 이 빛을 흡수하면 보색에 해당되는 색깔이 나타나게 된다. 이러한 안료의 종류는 다양하게 존재하는데 특히 유색 안료의 종류에는 어떤 것들이 있는지 조사해보고, 각각 어떤 색을 나타내는지 알아보자. 색깔 화합물 적색 산화 철(III)(Fe2O3), 사산화 삼납(Pb3O4), 황화 수은(HgS) 황색 크롬산 납(PbCrO4), 크롬산 아연(ZnCrO4), 황화 카드뮴-황화 아연(CdS-ZnS) 녹색 산화 크롬(III)(Cr2O3), 수산화 크롬(III)(Cr2O(OH)4, 염기성 아세트산구리(Cu(C2H3O2)-2Cu(OH)2, 코발트 크롬 그린(Cr2O3-Al2O3-CoO) 청색 감청(Fe4[Fe(CN)6]3, 코발트 블루(CoO-Al2O3), 군청(Na8-10(Al6Si6O24)S2-4) ◆ 안료와 함께 사용되는 결합제는 안료가 재질에 단단히 달라붙도록 해주는 역할 이외 에도 재질의 부식을 막아주는 역할도 한다. 페인트와 같은 경우에는 재질의 표면에 단단 한 필름을 형성하는 고분자 물질을 용매에 녹인 결합제를 사용한다. 최근에는 염색 및 부식 방지 이외에도 다양한 기능을 가진 기능성 페인트도 개발되고 있다. 이러한 기능 성 페인트가 지녀야할 기능이 어떤 것이 있을지 각자의 의견을 자유롭게 적어보도록 하자. 기능 종류 광학적 기능 형광, 광선택 흡수, 자외선 차단, 레이저용, 액정 표시 전기적 기능 절연, 대전 방지, 전파 흡수, IC용 열적 기능 발열, 내열, 방화, 저온 환경 보존과 안전 기능 결빙×착상 방지, 미끄럼 방지, 방사선 차단, 방음, 누출 탐지 생물적 기능 곰팡이 방지, 살충×방충, 선박 오염 방지 - 21 - (화학) 무기 안료에 대한 이해와 탐구 2) 탐구 및 개념 확장 2차시 [탐구 및 개념 확장] 무기 안료 특성 이해하기 [탐구1] 무기 안료 탐구 * 염료와 안료의 차이점을 비교해 보고 유기 안료와 무기 안료에 대해 탐구해보기 * 무기 안료의 종류에 대해 조사하고, 어떻게 만들 수 있는지 조사 * 무기 안료가 색을 띠는 이유에 대해 설명 * 몇 가지 서로 다른 색을 띠는 무기 안료 합성해보기 * 각 반응 물질로부터 예상되는 침전물의 화학식 정리하기 * 주의사항: 실험에 사용하는 무기 화합물은 독성이 있으므로 실험 진행 시에는 반드 시 실험복을 입은 상태에서 장갑을 끼고, 보안경을 쓰고 실험하도록 지도 - 준비물 및 시약: 비커(100 mL) 2개 이상, 거름종이, 유리 깔때기, 염화코발트(CoCl2), 염화칼슘(CaCl2), 탄산나트륨(Na2CO3), 헥사사이아노철(II)산 칼륨(K4[Fe(CN)6]), 황산철(III) 산 암모늄-물(NH4Fe(SO4)2ㆍ3H2O), 규산나트륨(Na2SiO3) - 모둠별로 각 물질을 섞어 침전물을 얻은 후, 거름종이로 걸로 각 침전물을 얻기 - 얻은 침전물의 양과 색깔 결과를 아래의 표에 작성하기 ◆ 아래에 나타낸 표와 같이 A와 B를 반응시켜서 침전물을 만들고, 침전물의 색깔을 관찰하 고 적어보도록 하자. 반응 물질 A: B: A: B: A: B: A: B: A: B: A: B: 0.3 0.3 0.3 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 1.0 0.2 0.2 g CaCl2 g Na2CO3 g K4[Fe(CN)6] g CoCl2 g NH4Fe(SO4)2ㆍ3H2O g Na2CO3 g NH4Fe(SO4)2ㆍ3H2O g K4[Fe(CN)6] g CoCl2 mL Na2SiO3 g CoCl2 g Na2CO3 침전물 침전물 색깔 CaCO3 white CoFe(CN)6 ash green Fe(OH)3 brown KFe2(CN)6 blue CoSiO3 purple CoCO3 light purple - 23 - (화학) 무기 안료에 대한 이해와 탐구 3) 과학기술 적용 3차시 [과학기술 적용] 개념 이해 및 과학기술의 연관성 탐색 [탐구1] 무기 안료 탐구 - 설명하기: 염료와 안료의 차이점을 알아보고, 안료에 속하는 유기 안료와 무기 안료의 장단점을 비교해 보자. - 예측하기: 무기 안료가 색을 띠는 이유를 예측해 보자. - 과학 및 공학 (기술/수학)의 관계: 각 침전물의 화학식을 쓰고, 수득률을 계산해보자. * 수득률 = 실제로 얻은 양(mol) /이론적 수득량(mol) [탐구 2] 분광 광도계(spectrometer)의 원리 및 사용법 익히기 - 설명하기: 분광 광도계의 구성 요소 및 원리를 설명해 보자. 무기 안료가 가시광선 영역의 빛을 흡수하는 영역과 안료가 띠는 색과의 관계를 설명하고, 비어-람베르트(Beer-Lambert) 법칙에 대해 알아보자. - 예측하기: 무기 안료가 가시광선 영역의 빛을 흡수하는 영역과 안료가 띠는 색과의 관계를 예측해 보고 토론해 보자. - 과학 및 공학 (기술/수학)의 관계: 비어-람베르트의 법칙은 빛의 투과도, 농도, 및 큐벳의 길이와의 관계를 나타낸 법칙으로 아래에 나타낸 식으로 표현할 수 있으며, 시료 용액의 흡광도(A)는 단위를 쓰지 않는다. [탐구 3] 분광 광도계(spectrometer)를 이용하여 다양한 무기 안료의 흡수 스펙트럼을 측정하고 분석해 보자. - 설명하기: 시료 용액의 농도 변화에 따라 흡광 스펙트럼이 어떻게 변할지 토의해 보자. - 예측하기: 샘플의 농도 변화에 따른 흡광도의 세기가 어떻게 변하는지 예측해 보자. - 과학 및 공학 (기술/수학)의 관계: 시료 용액 색깔의 변화에 따라 흡과 스펙트럼이 나타나는 파장의 변화를 비교 분석하고 토의해 보자. 그리고 시료 용액의 농도와 흡수되는 빛의 양과의 상관관계를 분석해 보자. - 26 - (화학) 무기 안료에 대한 이해와 탐구 4) 공학적 적용 4차시 [공학적 산출물] 설계하기/공학적 결과 구현하기 분광 광도계의 원리 이해 1) 분광 광도계: 시료 용액에 자외선 및 가시광선 영역의 빛을 쪼여주어 시료 용액의 흡광도 를 측정하는 장치 2) 분광 광도계의 원리: 광원에서의 빛을 시료 용액에 투과시킨 후에 투과된 빛의 강도 를 전기 신호로 변환하여 시료의 흡광도를 측정 비어-람베르트 법칙과 분광 광도계를 이용한 물질의 고유한 흡광 계수 산출 제목: 무기 안료의 농도에 따른 흡광도 분석 실험방법: 1. RGB 색을 내는 무기 화합물을 합성한다. 2. 다양한 농도의 시료 샘플을 만든다. 3. 각 농도에 따른 시료의 흡광도를 분석하고, 서로 비교한다. 4. 비어-람베르트의 법칙을 이용하여 빛의 농도와 흡광도 사이의 관계를 분석하고, 물질 의 고유한 흡광 계수(ε)를 측정한다. 100% 100% 투 과 50% 도 투 과 50% 도 25% 25% 1C 2C 3C 4C 5C I1 농도 I2 I3 I4 I5 광 경로 길이 5. 시료 샘플 농도에 따른 흡광도의 차이와 파장을 비교한다. 6. 흡광 그래프를 이용하여 미지 시료 샘플의 흡광 스펙트럼을 분석하여 미지 시료 를 추정해본다. - 27 -