- 1 -

구분성명 지도교사 출품학생 김창원 이진규 노성철

- 1 -

그림 1 분진폭발의과정 - 2 - - 3 -

그림 2 로켓의구조 우리의실험에서제일중요한부분은로켓의원료와 산화제이다. 로켓의원료인등유대신곡물가루를사용하 며여러산화제중산소발생장치로구할수있는산소를 산화제로사용하여분진로켓을만들려고한다. - 4 - - 5 -

양초가연소하면서통안의산소를소모하기때문에산소의양에따른로켓의발사높이측정실험의정확성이떨어졌다. 그래서전기에너지를이용한로켓발사장치를구상하고제작하도록지도하였다. 그림 3 로켓발사장치제작과정 몇번의실험후 PT 병이우그러들고촛불이고정이되지않아다른로켓발 사장치를구상하고제작하도록지도하였다. 팬부분발사관고정장치스위치장치전기발생장치전극고정장치 그림 4 전기점화장치와팬을이용한로켓발사장치 (1) 의부분별사진 그림 5 전기점화장치와팬을이용한로켓발사장치 (1) 의사진 전기점화장치를이용한로켓발사장치는팬을돌렸을때가루가통의가장 자리로만돌아통안에고르게분산되지않았다. 팬의속도도고정되어있어 많은양의가루는아예날리지도않았다. 결국깔때기를이용분사방법으로 실험을하게하였다. 이실험장치로는산소의양에따른폭발의세기실험과 발사관의지름에따른폭발의세기실험을실시하도록지도하였다. 팬부분가루삽입구멍폭발전폭발시스위치스파크발생장치 그림 6 전기점화장치와팬을이용한로켓발사장치 (2) 의부분별사진 - 6 - - 7 -

발사관의옆에서바람을불어넣어가루를 고루퍼지게만들고팬의속도도 10 단계로조절 하게하여가루의양에따라적절한세기의바 람이나오도록제작하였다. 그러나윗부분을막 지않았을때는순환이잘되었으나로켓모형 을덮으면가루가순환이되지않았다. 결국실 험에는사용하지못하고다른장치로개조를하 도록지도하였다. 그림 7 전기점화장치와팬을이용한로켓발사장치 (2) 의사진 전체사진피스톤이올라간모습피스톤의세기조절 그림 8 피스톤을이용한로켓발사장치의부분별사진 이실험장치도실험에는실패를하였다. 아래그림과같이피스톤의올라가는 힘에의해발사관안의공기가압축이되고그압축된공기의힘에의해로켓이 먼저발사가되었다. 그리고로켓이발사된다음에가루가폭발하였다. 피스톤작동공기의힘에의해날아간로켓뒤늦게폭발하는가루 그림 9 피스톤을이용한로켓발사장치의실패원인 전체사진가루분사장치점화장치위치조절발사관윗부분 그림 10 분사장치를이용한로켓발사장치의부분별사진 이실험장치를이용하여폭발의위치에따른폭발의세기, 폭발하는힘이한곳에집중될때의폭발의세기를측정하도록지도하였다. 에어로켓용이나자전거용에어펌프는공기의압력이너무세기때문에풍선용에어펌프를사용하였다. 그림 11 분진폭발실험장치 - 8 - - 9 -

(4) 그림 12 가루의종류와분진폭발실험 가루프림밀가루설탕표고버섯소금분필가루철가루구리가루 폭발유무 폭발세기아주강함아주강함약함강함 아주강함 < 표 4> 분진폭발의유무와폭발의세기 소금의경우 3 학년 1 학기과학책에알코올램프로가열할때타지않고톡톡 튄다는내용이있었다. 그래서분진폭발과연소와의관계를알아보기위해다 음과같이알코올램프가열실험을실시하도록지도하였다. 가루 반응타는데걸린시간 프림밀가루설탕표고버섯 소금분필가루 철가루구리가루 < 표 5> 가루의연소정도 가연성물질은유기물이며탄소가들어있는물질들로산소, 수소, 질소와안정 적으로결합하면서연소반응이잘일어난다는내용을지도하였다. 금속가루의폭발은이온화경향과관계가깊다. 그러나이온화경향은초등학 생수준에너무어려운내용이라금속은폭발이일어나는금속과일어나지않는 ( 반응이느린 ) 금속으로나누어지며폭발이일어나지않는금속에는구리, 수은, 은, 금등이있다는내용만지도하였다. 1-가의실험결과에의하면곡물가루들과철가루의폭발이잘일어났다. 이중우리주변에서쉽게접할수있으며가격이싼곡물가루들을이용하여폭발의세기를비교해보도록지도하였다. 그리고이결과에따라폭발이가장잘일어나는곡물가루를중심으로실험을진행하도록지도하였다. 밀가루쌀가루조가루고구마전분녹두 그림 14 곡물가루의폭발실험 위의실험결과에따라우리주변에서구하기쉽고가격이싼밀가루를주로이용하여시험을하도록지도하였다. - 10 - - 11 -

폭발의세기를객관적으로나타내기위해아래와같이폭발의힘으로올라 가는로켓의높이로폭발의세기를측정하도록지도하였다. 순서 1, 촛불켜기순서 2, 밀가루넣기순서 3. 펌프연결순서 4. 프림분사순서 5. 분진폭발 그림 15 로켓발사실험순서 1000 cm3는가로, 세로, 높이 10 cm인정육면체의부피와같음을인지시켰다 그림 16 가루의양에따른로켓의높이변화그래프 분진폭발은가루가공기중에떠있을때표면적이넓어지면서산소를더많이공급 받아순간적으로급격한연소가일어나는것이다. 그런데가루의양이너무많으면입 자가접하는산소의양이줄어들어폭발이일어나지않는다는것을지도하였다. 프림가루의양 0.1g 0.2g 0.3g 0.4g 0.5g 0.6g 0.7g 폭발유무 로켓발사유무 < 표 6> 미량의가루의분진폭발유무 0.5g아래에서는폭발은일어났으나로켓은발사되지않아폭발의유무로만표시함. 분진폭발은가루가공기중에떠있을때표면적이넓어지면서산소와접촉하는면적이넓어져순간적으로급격한연소가일어나는것이다. 그런데가루의양이너무많으면입자가산소와접촉하는면적이적어폭발이일어나지않는다는내용을지도하였다. 순서1, 믹서기로갈기순서2, 막자로갈기순서3. 체로거르기순서4. 분류하기순서5. 현미경보기 그림 17 입자의크기별분류하기 100배의실체현미경으로관찰하여디지털카메라로촬영한뒤사진상에서입자의크기를측정한다. 그크기를다시 100을하면실제입자크기가된다. 현미경사용방법과길이의단위인μm에대하여지도하였다. - 12 - - 13 -

600 μm 350 μm 150 μm 100 μm 50 μm 그림 18 현미경으로관찰한입자의크기 입자크기 600 μm 350 μm 150 μm 100 μm 50 μm 폭발유무 로켓높이 0cm 0cm 0cm 0cm 4cm < 표 7> 입자의크기에따른폭발의정도 μm 나 ) 초 1 개초 2 개초 3 개초 4 개 그림 19 점화원의에너지양 촛불1개촛불2개촛불3개촛불4개 그림 20 점화원의에너지양에따른로켓의높이 초의수 1개 2개 3개 4개 로켓의 16cm 20cm 25cm 0cm 높이 < 표 8> 초의수에따른폭발의세기 초가 4개일때는로켓을덮고잠시뒤에초가꺼졌다. 그이유를초의연소와산소의성질과관련지어생각해보게하였다. 그리고이문제점을해결하기위한해결책을생각해보게지도하였다. 열에너지에소모되는산소의양을조사하게하였다. 조사한바에의하면 ( 네이버지식인 ) 1000cm3안의산소는부탄가스의경우 0.22g이연소될때다소모가된다고한다. 산소와폭발의세기와의관계에대해알아보기위해 6학년 1학기과학교과에나오는산소발생장치를이용하도록지도하였다. - 14 - - 15 -

위의실험결과표는측정된산소의양에삼각플라스크안에들어있던공기의양 250cc 를뺀수치이다. 삼각플라스크에물을넣고그물을메스실린더에넣어측 정해보도록지도하였다. 과정 1, 산소발생장치만들기 과정 2, 집기병에모으기 과정3, 매스실린더에모으기 과정 4. 생수병 (2l) 에모으기 그림 21 이산화망간과과산화수소수의양에따른산소의양측정 과정 5 생수병의물의양측정하기 산소발생장치꾸미기는 6 학년 1 학기과학교육과정에나온다. 과산화수소수의양 5ml 10ml 15ml 20ml 25ml 이산화망간의양 0.5g 180cc 425cc 700cc 1000cc 1320cc 1g 180 cc 440 cc 710 cc 1040 cc 1380 cc 1.5g 184 cc 425 cc 707 cc 1080 cc 1370 cc 2g 160 cc 410 cc 720 cc 1030 cc 1310 cc < 표 9> 이산화망간과과산화수소수의양에따른산소의양 그림 22 이산화망간과과산화수소수의양에따른산소의양그래프 산소를아래쪽에서공급할때 산소를위쪽에서공급할때 그림 23 산소의공급위치에따른폭발의정도 이산화망간은촉매로써과산화수소 수의반응속도를빠르게도와줄뿐 이며반응이끝나면원래의상태대로 돌아간다는것을지도하였다. (2) 처음산소를공급하여폭발 실험을할때아래쪽으로산소 를공급하니폭발이잘일어나 지않았다. 그런데, 산소를위쪽에서공급 을하니폭발이잘일어났다. - 16 - - 17 -

5 cm ( 점화원아래 ) 10 cm ( 점화원과같은높이 ) 15 cm ( 점화원위 ) 그림 24 산소의공급위치에따른로켓의높이측정 앞선 < 마-1) 이산화망간과과산화수소수의양에따라산소는얼마나만들어지는가? > 의결과에따라이산화망간은 1g의양으로고정하고과산화수소수만 11ml, 20ml, 27ml로변화를주도록하였다. 이이상은삼각플라스크가너무과열되어폭발의위험이있어서실험하지않게하였다. 산소발생장치는 < 마-2) 산소의공급위치에따라폭발의세기는어떻게되는가? > 의결과에따라점화원보다높은위치에서연결하여산소를공급하도록지도하였다. 산소공급위치 로켓의높이 5cm( 점화원 아래 ) 10cm( 점화원 15cm( 점화원 높이 ) 위 ) 10cm 18cm 35cm < 표 10> 산소공급위치에따른폭발의세기 공기의무게를 1이라고할때산소의무게는 1.1이다. 그래서아래쪽에서산소를공급하면촛불아래쪽으로산소가가라앉아폭발이잘일어나지않는다는것을지도하였다. (2) 그림 25 산소발생장치꾸미기 산소공급안할때산소 500cc 주입산소 1000cc 주입산소 1500cc 주입 그림 26 산소의양에따른로켓의높이실험 산소가공급되었을때와되지않았을때의확실한비교를위해 0.5g의밀가루를넣어산소가공급되지않았을때는약간의폭발만일어나도록조절하였다. 그림 27 산소의양에따른로켓의높이그래프 - 18 - - 19 -

그림 28 전기를이용한로켓발사장치꾸미기 양초를이용한실험은발사관안의산소를소모시키기때문에정확한실험을위해전기를이용한발사장치를제작하도록지도하였다. 산소공급안할때산소 500cc 주입산소 1000cc 주입산소 1500cc 주입 그림 30 산소의양에따른전기장치로켓의높이실험 그림 31 산소의양에따른로켓의높이그래프 아크릴통의부피가 1800cm3정도이며원래통안에있던공기가있기때문에 1500cc주입시는산소가다주입되지않는다는것을지도하였다. 산소의양을더공급시키기위해서는통안에있던공기를빼내어진공상태로만들고산소를공급하야여한다는것을생각하도록하였다. 오른쪽그림과같이밀가루 5g을분사하니로켓이너무높게발사되어높이비교가되지않았다. 그래서밀가루는 0.8g, 이산화망간은 1g으로고정시키고과산화수소수의양을 11ml, 20ml, 27 ml로조절하여주입시켜실험을실시하였다. 2. 곡물가루는어떤조건에서폭발이잘일어나는가? 에쓰인통은 1000cm3이며이번실험부터쓰는통은 1800cm3이다. 그래서나실험에서의적정량의밀가루는 3g에서 5g으로마-3의실험에쓰인 0.5g은 0,9g으로조절하게하였다.) 그림 29 천장에닿아서떨어지는로켓 ) - 20 - - 21 -

처음전기를이용한로켓발사장치를만 들었을때는장치아랫부분에팬을설치하 여가루가통안에고루퍼지게만들고 전기스파크를발생시키려고하였다. 그러 나팬이돌면서통의가장자리로만가루 가날려실험이실패하였다. 그래서결 국팬을이용한장치대신분사장치를발사 관의옆면에연결하여실험을하게되었고 그로인해전기스파크장치가분사장치의 아래쪽에설치될수밖에없었다. 이문제 그림 32 전기점화장치와팬을이용한로켓발사장치의실패원인 점을해결하기위한방법을생각해보게하였고그결과발사관의아래쪽에서가 루를분사하도록하여스파크장치의위치도조절이가능하도록하였다. 로켓이나미사일의모양은전부가늘고긴형태이다. 왜그런지의문을가지게하고발사관의지름을조절하여실험해보도록지도하였다. 지름 5.4cm 지름 7.3cm 지름 9cm 지름 11.4cm 지름 14.3cm 그림 33 높이가다른점화장치의위치 그림 35 지름이다른발사관사진 발사관지름 5.4cm 7.3cm 9cm 11.4cm 14.3cm 발사관부피 687cm3 1254cm3 1907cm3 3060cm3 4815cm3적정가루양약 2.0g 약 3.7g 약 5.7g 약 9.1g 약 14.4g < 표 11> 발사관지름에맞는가루의양 10cm 높이의점화장치 15cm 높이의점화장치 20cm 높이의점화장치 그림 34 점화장치의위치에따른로켓의높이 지름 5.4cm 지름 7.3cm 지름 9cm 지름 11.4cm 지름 14.3cm 그림 36 발사관의지름에따른로켓의높이 - 22 - - 23 -

그림 37 발사관의지름에따른로켓의높이그래프 5.4cm보다더좁은발사관도실험해보도록지도하고싶었으나점화장치와분사장치의설치가어렵고감전의위험도있어지도하지못했다. 지금까지의실험에쓰인발사관은위와아래가같은일자형이었다. 그래서폭발하는힘이넓게퍼져로켓에힘이약하게전달되었다. 앞의 < 보조실험 > 결과에따라폭발하는힘이한곳으로집중되면로켓이더높이발사될것같아아래의그림과같은발사관을준비하여실험을하도록지도하였다. 로켓이발사된높이를정확히측정하기위해학교의강당에서실험을하게하였다. 기둥에 25cm마다테이프를붙이고로켓이올라간높이를테이프의수로측정하도록지도하였다. 그림 38 좁게만든발사관입구 로켓발사의실험과정은아래와같다. 1. 산소발생장치꾸미기 2. 발사관과연결하기 지름 10cm 의로켓 3. 밀가루넣기 4. 점화장치 5. 로켓장착 6. 산소주입 7. 로켓발사연결 그림 39 로켓발사의과정 지름 3cm 의로켓 그림 40 폭발력이한곳으로모였을때의로켓의높이 앞선실험 (2- 나 ) 에서가장폭발이잘일어나는가루의양은 1000 cm3당 3g 이었 다. 그러나이실험은촛불에의한산소의소모로인해서적절한가루의양을정 확히측정하지못하였다. 그래서산소의소모가없는전기점화장치를이용하여 로켓발사에가장적절한가루의양과산소의양을다시측정해보도록하였다. - 24 - - 25 -

그림 41 산소와가루의양에따른로켓의높이실험 산소의양 밀가루의양 1g 2g 3g 4g 5g 6g 7g 8g 9g 0cc 28 37 55 60 47 30 19 15 7 500cc 43 68 79 88 105 70 49 27 22 1000cc 65 80 99 107 128 150 178 130 76 1500cc 71 83 106 120 146 168 187 176 121 그림 42 산소와가루의양에따른로켓의높이그래프 < 표 12> 산소와가루의양에따른로켓의높이 - 26 - - 27 -

- 28 -