KR20180111706A - 대류 실험용 과학 기자재 - Google Patents

Abstract

대류 현상을 뚜렷하게 관찰할 수 있고, 효과적으로 이해할 수 있도록 해주는 대류 실험용 과학 기자재가 개시된다. 대류 실험용 과학 기자재는 대류 흐름이 발생하도록 서로 다른 온도를 갖는 물질이 두 부분으로 구분되어 보관될 수 있도록 두 개의 보관부가 마련된 그릇 부재와, 이 그릇 부재를 상방으로부터 덮을 수 있도록 일측에 개구부가 형성되고, 그 내부에 대류 흐름을 위한 내부 공간이 마련된 투명한 재질의 덮개 부재와, 그릇 부재의 내부 공간을 두 부분으로 구분하고 그릇 부재로부터 후방으로 인출될 수 있게 설치되는 칸막이를 포함한다.

Description

대류 실험용 과학 기자재{SCIENCE TOOLS FOR CONVECTION EXPERIMENTS}

본 발명은 대류 실험용 과학 기자재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 대류 현상을 뚜렷하게 관찰할 수 있고, 효과적으로 이해할 수 있도록 해주는 대류 실험용 과학 기자재에 관한 것이다.

대류란 기체나 액체와 같은 유체에서 물질이 이동하여 열이 전달되는 현상을 말한다. 유체의 일부가 가열될 때, 가열된 유체는 팽창하고 주변보다 밀도가 낮아 가벼워지면서 위로 올라간다.

한편, 대기의 경우, 태양열에 의해 지표면이 불균등하게 가열되기 때문에 온도 차이가 발생하고, 데워진 공기는 팽창하면서 주변 공기보다 밀도가 작아지며, 밀도가 작아진 더운 공기는 상승하면서 열을 위로 전달하는 역할을 한다. 이때, 상대적으로 무겁고 차가운 공기는 지표 가까이 내려오고 지표 가까이 내려온 공기가 다시 데워지면 위로 올라가게 되는데, 이러한 연직교환을 대류현상이라고 한다.

한편, 바다는 열용량이 커서 태양에 의해 데워지는 데에 시간이 오래 걸리고, 바닷물이 섞이면서 물 표면의 온도가 늦게 상승한다. 반면 육지의 표면은 바다에 비해 열용량이 작아 빠르게 데워지고 빠르게 식는다. 이러한 육지와 바다의 부등가열로 일어나는 중규모 해안풍을 해륙풍이라고 하며, 다음과 같이 해풍과 육풍으로 구분된다.

낮에는 육지가 먼저 가열되어 육지 위의 온도는 높아지고, 육지 위의 데워진 공기는 팽창하여 가벼워지면서 위로 상승한다. 반면 바다 위 공기는 부등가열로 인해 육지보다 온도가 낮으므로 밀도가 높다. 이러한 낮에 발생하는 육지와 바다 위의 온도 차이는 공기의 밀도 차이를 가져오고, 이는 기압차이로 나타나며, 기압의 재분포에 의해 낮에는 지표 부근에서는 바다에서 바람이 불어오고(해풍), 밤에는 육지가 바다보다 먼저 냉각되어 육지에서 바다로 바람이 분다(육풍).

한편, 초등학교 교육과정에는 위와 같은 대류현상을 실험을 통해 관찰할 수 있는 대류상자 실험이 계속적으로 포함되어 왔으며, 대류상자 실험을 위한 과학 기자재 또한 계속적인 개선을 통해 개발되어 왔다.

종래의 대류상자 실험용 과학 기자재는 굴뚝형과 수조형으로 나누어 볼 수 있다. 굴뚝형은 제6차, 제7차 2007개정 교육과정에 활용되었고, 수조형은 제5차 2009개정 교육과정에 활용되었다.

굴뚝형의 경우, '어둠상자'를 개조한 실험 장치로, 향을 내부에 넣어 향 연기의 이동 모습을 계속 관찰할 수 있도록 한 것이다. 향이 계속 공급되므로 연기가 나갈 수 있는 구멍을 굴뚝 형태로 설치한 것이며, 낮에 육지와 바다의 온도 차이를 나타내기 위해 마른 흙과 얼음을 사용하여 실험을 행하였다.

굴뚝형은 얼음을 사용하기 때문에 온도 차이가 크고, 대류상자 내부가 어두워 학생들이 관찰하기 어려운 문제점이 있었고, 굴뚝이 대류 현상에 관여하는 요소처럼 보여 학생들에게 오개념을 갖게 할 수 있는 문제점이 있었다.

수조형의 경우, 투명한 부분이 많아 내부가 잘 보이지만 향 연기를 일시적으로 투입하기 때문에 연기가 금방 흩어져 관찰이 어렵게 되는 문제점이 있었다. 또한, 제5차 교육과정에서 직접 실험과 동시에 전구로 가열하는 경우, 전구 주변의 공기가 먼저 데워져 정확한 실험 결과를 얻을 수 없는 문제점이 있었으며, 2009개정 교육과정의 경우, 개선을 통해 열전구로 데운 뒤 넣었지만 데우는 시간이 오래 결려 준비 시간이 수업 진행에 방해 요소가 되는 문제점이 있었다.

또한, 공통적으로 역대 교육과정에서 제시된 대류상자 실험용 과학 기자재의 가장 큰 문제점은 연기가 이동하는 모습을 관찰하기 어렵다는 점이고, 대류 순환이 형성될 수 있는 충분한 높이도 확보되지 않았기 때문에 대류보다는 온도 차이로 인해 향 연기가 일시적으로 대략 사선 방향으로 이동하는 것을 살펴보는 활동이 중점이 되어 효과적인 실험 학습 효과를 얻을 수 없는 문제점이 있었다.

공개실용신안공보 제20-2011-003993호(2011.04.22.) 공개특허공보 제10-2011-0107602호(2011.10.04.) 공개특허공보 제10-2015-0017257호(2011.04.22.)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 대류상자의 폭을 개선함으로써 대류의 순환구조가 선명하게 관찰될 수 있도록 하거나, 대류상자의 내부 공간을 구분하는 칸막이를 후방으로 인출될 수 있게 설치함으로써 칸막이 존재시 모래 위 공기와 물 위 공기의 온도 차이가 뚜렷하게 비교될 수 있도록 하거나, 칸막이 분리시 대류 흐름의 시작 순간부터 관찰할 수 있도록 하며, 모래와 물의 온도 차이를 30℃로 설정함으로써 대류 흐름이 오래 관찰될 수 있도록 하거나, 대류상자 내측의 상단 모서리 부분이 곡선 형태가 되도록 함으로써 대류상자 내측의 상단 모서리에서 생기는 와류를 제거하여 대류 흐름이 순환하는 형태로 관찰될 수 있도록 하거나, LED 조명등을 설치함으로써 조명 기구로 인한 자체 열 발생을 최소화하여 대류 흐름에 주는 영향을 최소화하여 대류 흐름이 또렷하게 관찰될 수 있도록 하거나, 칸막이가 설치된 상태에서 칸막이에 의해 분리된 각각의 공간에 향을 투입할 수 있는 투입구를 설치함으로써 온도에 따른 공기의 움직임을 관찰할 수 있게 하여 학생들로 하여금 공기의 움직임을 예상하고 추리할 수 있도록 하는 대류 실험용 과학 기자재를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 대류 실험용 과학 기자재는, 서로 다른 온도의 실험용 물질을 각각 수용하기 위한 두 개의 보관부가 마련된 그릇 부재; 상기 그릇 부재를 상방으로부터 덮을 수 있도록 일측에 개구부가 형성되고 그 내부에 내부 공간부가 마련되며 직방체 형상 또는 사각 박스 형태를 구비하고 적어도 일면이 투명한 재질로 형성되는 덮개 부재; 및 상기 덮개 부재의 내부 공간부를 두 영역으로 구분하도록 설치되고 상기 덮개 부재의 후방으로 이동하여 상기 두 영역을 하나의 영역으로 형성하도록 설치되는 칸막이를 포함한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 대류 실험용 과학 기자재는, 대류 흐름이 발생하도록 서로 다른 온도를 갖는 물질이 두 부분으로 구분되어 보관될 수 있도록 두 개의 보관부가 마련된 그릇 부재와, 이 그릇 부재를 상방으로부터 덮을 수 있도록 일측에 개구부가 형성되고, 그 내부에 대류 흐름을 위한 내부 공간부가 마련된 투명한 재질의 덮개 부재를 포함하는 대류상자와, 상기 대류상자의 내부 공간부를 두 부분으로 구분하거나 구분하지 않을 수 있도록 상기 대류상자의 덮개 부재에 후방으로 인출될 수 있게 설치되는 칸막이와, 상기 그릇 부재의 두 부분으로 구분된 각각의 보관부에 담기는 서로 다른 온도를 갖는 실험용 물질과, 상기 대류상자의 덮개 부재를 관통하여 삽입될 수 있고, 상기 내부 공간부에 대류 흐름이 시각적으로 도출될 수 있도록 연기를 제공하는 연기 발생 부재를 포함할 수 있다.

상기 덮개 부재는 그 외형이 직방체 형상으로 이루어지고, 그 가로 길이 또는 높이 길이는 그 폭 길이의 수 배일 수 있다. 덮개 부재의 가로 길이는 높이 길이보다 클 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 일례로, 덮개 부재의 가로, 높이 및 폭의 비율은 약 5 : 4 : 1 일 수 있다. 구현에 있어서, 덮개 부재의 폭은 5㎝ 초과, 20㎝ 미만인 것이 바람직하며, 약 10㎝인 것이 더욱 바람직하다. 이러한 덮개 부재를 포함한 대류상자를 이용하면, 과학 기자재의 관찰 및 보관에 가장 적합할 수 있다.

상기 그릇 부재에 담기는 서로 다른 온도의 실험용 물질은 모래와 물이며, 모래와 물의 온도 차이는 5℃ 이상, 40℃ 이하인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 20℃ 내지 30℃일 수 있다. 실험용 재료들 간의 온도 차이가 5℃ 이상, 20℃미만이면 동일한 사이즈의 대류상자에서 20℃ 내지 30℃의 경우에 비해 상대적으로 느린 대류 현상을 관찰할 수 있고, 30℃ 초과, 40℃ 이하이면 상대적으로 빠른 대류 현상을 관찰할 수 있다.

상기 대류상자 내측의 상단 모서리 부분은 대류 흐름이 순환하는 형태로 관찰될 수 있도록 곡선 형태로 이루어지는 것이 바람직하다. 곡선 형태는 덮개 부재의 대응 부분을 곡면 형태로 직접 가공하는 구성을 포함하거나, 덮개 부재의 내측 상부의 양측 가장자리에 위치하는 직각 코너 부분에 별도의 모서리 보완 장치를 설치하는 것을 포함할 수 있다. 모서리 보완 장치는 덮개 부재의 돌기나 홈과 결합하는 홈 또는 돌기를 구비하고 일면이 오목한 곡면 형태를 구비하는 블록을 포함할 수 있다. 이 블록은 유선형 코너 형성 블록으로 지칭될 수 있다.

상기 칸막이(800)는 덮개 부재의 폭 방향으로 왕복 운동 가능하게 설치될 수 있다. 그 경우, 칸막이는 덮개 부재와 분리되거나 분리되지 않을 수 있다. 분리되는 경우, 대류 실험용 과학 기자재는 칸막이가 출입하는 덮개 부재의 측면 개구부를 막는 측면 덮개를 더 구비할 수 있다. 측면 덮개는 검정 아크릴 배경과 유사한 색상을 가지고 측면 개구부를 막을 수 있는 수단이나 부재라면 특별히 한정되지는 않는다. 측면 덮개는 덮개 부재와는 다른 유연한 부재로 형성되어 덮개 부재에 부분적으로 고정될 수 있다. 유연한 부재는 천, 고무 등을 포함할 수 있다.

상기 대류상자에는 대류 흐름의 뚜렷한 관찰을 위한 조명 기구가 설치되며, 상기 조명 기구는 대류 흐름에 열에 의한 영향이 최소화될 수 있도록, LED(light emitting diode) 조명등을 포함하는 것이 바람직하나, 이에 한정되지는 않는다. 조명 기구는 유기 발광 다이오드(OLED) 등 기존의 다른 광원을 이용하는 조명 장치가 사용될 수 있다.

상기 조명 기구는 외부에 위치하는 배터리에 연결되고 배터리 전원에 의해 작동될 수 있다. 배터리는 휴대용 기기의 충전을 위한 보조 배터리를 포함할 수 있다.

상기 연기 발생 부재는 상기 대류상자의 덮개 부재에 칸막이가 설치된 상태에서 상기 칸막이에 의해 구분된 대류상자 내부의 양쪽 공간에 각각 투입되는 것이 바람직하다. 이를 위해 덮개 부재에는 칸막이에 의해 구획되는 두 영역에 대하여 외부에서 연기를 주입하거나 연기 발생 부재를 삽입할 수 있는 홀이 구비될 수 있다. 이러한 홀은 대류상자를 정면에서 볼 때 대류상자의 왼쪽 측면과 오른쪽 측면에 각각 형성될 수 있다.

상기 칸막이에 의해 구분된 대류상자 내부의 양쪽 공간에는 각각 온도에 따른 대류 흐름을 정확히 측정 가능하게 해주는 디지털 온도계가 설치되는 것이 바람직하다. 디지털 온도계는 덮개 부재의 내부에 위치하는 실험용 물질상의 대기 온도를 측정하도록 설치될 수 있다.

상기 대류 실험용 과학 기자재는 상기 대류상자의 덮개 부재에 반복적으로 탈부착가능하여 실험 중 붙여볼 수 있고, 실험이 끝나면 떼어서 보관할 수 있는 직관 유추에 도움을 주는 다수의 이미지 카드를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 이미지 카드는 대류 흐름이 나타나는 곳에 붙일 수 있도록 화살표 모양이 표시된 제1 이미지 카드, 공기의 양이 상대적으로 많은 곳에 붙일 수 있는 '공기'가 표시된 제2 이미지 카드, 고기압과 저기압인 부분을 구분해서 붙일 수 있는 '고기압' 및 '저기압'이 표시된 제3 이미지 카드, 대류에 의해 상승한 더운 공기가 위치한 부분에 붙일 수 있는 수증기 모양이 표시된 제4 이미지 카드, 관찰자인 남학생 또는 여학생 모습이 표시된 제5 이미지 카드, 밤 또는 낮에 대한 제6 이미지 카드 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 다른 측면에 따른 대류 실험용 과학 기자재는, 서로 다른 온도의 실험용 물질을 각각 수용하기 위한 두 개의 보관부가 마련된 그릇 부재; 상기 그릇 부재를 상방으로부터 덮을 수 있도록 하부측에 개구부가 형성되고 그 내부에 내부 공간부가 마련되며 직방체 형상 또는 사각 박스 형태를 구비하며 적어도 전면이 투명한 재질로 형성되는 덮개 부재; 상기 덮개 부재의 내부 공간부를 두 영역으로 구분하도록 설치되고 상기 덮개 부재의 후방으로 이동하여 상기 두 영역을 하나의 영역으로 형성하도록 설치되는 칸막이; 및 상기 덮개 부재를 정면에서 볼 때, 상기 덮개 부재의 왼쪽 측면과 오른쪽 측면에 각각 배치되며 상기 덮개 부재를 외부에서 내부로 관통하는 두 개의 투입 홀을를 포함하고, 여기에서, 상기 덮개 부재의 내측 상단 양측 모서리 부분은 곡면 형태를 구비하며, 상기 칸막이는 판 형태의 몸체와, 상기 몸체의 전방측 단면에 결합하고 상기 몸체가 상기 후방으로 이동한 상태에서 상기 몸체가 통과하는 개구부를 상기 덮개 부재의 내부 측에서 막는 전면수직커버와, 상기 몸체의 후방측 단면에 결합하고 상기 몸체가 전방으로 이동하여 상기 덮개 부재의 전면에 접하는 상태에서 상기 덮개 부재의 후면 외측에서 상기 개구부를 막는 외부노출손잡이를 구비한다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 또 다른 측면에 따른 대류 실험용 과학 기자재의 작동 방법은, 그릇 부재 상의 두 보관부에 담긴 서로 다른 실험용 물질의 온도를 20℃ 초과, 40℃ 미만으로 설정하는 단계; 상기 그릇 부재 상에 덮개 부재를 덮어 대류상자를 형성하는 단계-여기서, 덮개 부재의 내부 공간부는 횡 방향으로 연장하는 판 상의 칸막이에 의해 좌우의 두 공간부들로 나누어짐-; 상기 덮개 부재의 양 측면의 투입홀을 통해 연기 발생 부재를 투입하여 상기 두 공간부들 각각에 연기를 생성하는 단계; 및 상대적으로 온도가 높은 실험용 물질 상의 연기가 해당 공간부 전체에 퍼질 때 상기 칸막이를 움직여 상기 두 공간부들을 하나로 형성하는 단계를 포함한다.

일실시예에서, 상기 덮개 부재의 폭은 5㎝보다 크고 20㎝보다 작고, 상기 덮개 부재의 전면 가로 길이 및 높이 길이는 상기 폭 길이의 수 배이며, 상기 가로 길이는 상기 높이 길이보다 크다.

상술한 바와 같은 대류 실험용 과학 기자재에 따르면, 대류상자의 폭을 개선함으로써, 대류의 순환구조가 선명하게 관찰될 수 있고, 대류상자의 내부 공간을 구분하는 칸막이를 후방으로 인출될 수 있게 설치함으로써, 칸막이 존재시 모래 위 공기와 물 위 공기의 온도 차이가 뚜렷하게 비교될 수 있게 되고, 칸막이 분리시 대류 흐름이 빠르게 형성되면서 오랫동안 지속될 수 있게 되며, 모래와 물의 온도 차이를 30℃로 설정함으로써, 대류 흐름이 오래 관찰될 수 있게 되고, 대류상자 내측의 상단 모서리 부분이 곡선 형태가 되도록 함으로써, 대류상자 내측의 상단 모서리에서 생기는 와류를 제거하여 대류 흐름이 순환하는 형태로 관찰될 수 있게 되며, LED 조명등을 설치함으로써, 조명 기구로 인한 자체 열 발생을 최소화하여 대류 흐름에 주는 영향을 최소화하여 대류 흐름이 뚜렷하게 관찰될 수 있게 되고, 칸막이가 설치된 상태에서 칸막이에 의해 분리된 각각의 공간에 향을 투입함으로써, 온도에 따른 공기의 움직임 관찰을 가능케 하여 학생들이 공기의 움직임을 예상하고 추리할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 대류 실험용 과학 기자재를 나타낸 도면.
도 2a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 대류 실험용 과학 기자재에서 칸막이를 제거한 상태에 대한 개략적인 정면도.
도 2b는 도 2a의 대류 실험용 과학 기자재에 대한 배면도.
도 2c는 도 2b의 대류 실험용 과학 기자재에 칸막이를 설치한 상태에 대한 배면도.
도 2d는 도 2c의 칸막이에 대한 평면도.
도 3a는 도 2c의 대류 실험용 과학 기자재에 대한 우측면.
도 3b는 도 2c의 대류 실험용 과학 기자재에 대한 평면도.
도 3c는 도 3b의 대류 실험용 과학 기자재의 칸막이에 대한 구조 및 작동 원리를 설명하기 위한 도면.
도 4는 도 2c의 대류 실험용 과학 기자재에 적용할 수 있는 이미지 카드에 대한 예시도.
도 5는 도 2c의 대류 실험용 과학 기자재의 작동 원리를 설명하기 위한 도면.
도 6은 본 실시예의 대류 실험용 과학 기자재에서 대류상자의 폭을 결정하기 위한 실험 장면을 나타낸 도면.
도 7은 본 실시예의 대류 실험용 과학 기자재에서 대류상자의 내부 공간의 분할을 결정하기 위한 실험 장면을 나타낸 도면.
도 8은 본 실시예의 대류 실험용 과학 기자재에서 물질의 온도를 결정하기 위한 실험 장면을 나타낸 도면.
도 9는 본 실시예의 대류 실험용 과학 기자재에서 대류상자의 형태를 결정하기 위한 실험 장면을 나타낸 도면.
도 10은 본 실시예의 대류 실험용 과학 기자재에서 대류상자의 형태를 결정하기 위한 실험 장면을 나타낸 도면.
도 11은 본 실시예의 대류 실험용 과학 기자재에서 연기 투입 부재의 투입 위치를 결정하기 위한 실험 장면을 나타낸 도면.
도 12a 내지 도 12f는 도 2c의 대류 실험용 과학 기자재의 대류 실험을 위한 준비 과정에서 실제 대류 실험 과정을 설명하기 위한 도면들.

본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 용어가 동일하더라도 표시하는 부분이 상이하면 도면 부호가 일치하지 않음을 미리 말해두는 바이다.

그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이는 실험자 및 측정자와 같은 조작자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들조의 합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

또한, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 도면부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 대류 실험용 과학 기자재를 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 대류 실험용 과학 기자재(100a)는 전면을 대략 직사각형 형태를 구비하고, 두께(W)가 5㎝보다 크고 20㎝보다 작으며, 전면의 종방향 길이가 두께(W)의 수 배이고, 횡방향 길이가 두께(W)의 수 배이며, 종방향 길이가 횡방향 길이보다 큰 사각 박스 형태를 구비한다.

대류 실험용 과학 기자재(100a)는 그룹 부재(110), 덮개 부재(120), 칸막이(200), 투입홀(121), 조명장치(500) 및 온도계(600)를 구비한다.

그룹 부재(110)는 바닥판(111)과 상기 바닥판(111) 상에 배치되고 서로 다른 온도의 실험용 물질을 각각 수용하는 두 개의 보관부(112, 113)를 구비한다. 서로 다른 온도의 실험용 물질들은 서로 다른 열용량을 구비하여 날씨나 태양광에 의해 하루 중 동일 시간에 서로 다른 온도를 갖는 육지와 바다에 대응할 수 있는 재료라면 어떠한 재료라도 사용가능하다. 재료는 예컨대, 모래와 물일 수 있다.

덮개 부재(120)는 적어도 전면과 두 측면에 투명한 부재로 이루어질 수 있다. 덮개 부재(120)는 그릇 부재(110)를 상방으로부터 덮을 수 있도록 하부측에 개구부가 형성되고 그 내부에 내부 공간부가 마련되며 직방체 형태 또는 사각 박스 형태를 구비한다. 여기서, 덮개 부재(120)의 내측 상단 양측 모서리 부분은 곡면 형태를 구비한다. 이러한 곡면 형태는 덮개 부재(120)의 내측 상단 코더에 별도의 코너 메움 부재(122)를 배치함으로써 구현될 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 코너 메움 부재(122)는 삼각 단면을 가진 짧은 삼각 막대의 일면을 오목한 곡면으로 형성한 구조를 구비할 수 있으며, 이하 '블록'이라 지칭하기로 한다.

덮개 부재(120)의 양 측면들 각각에는 투입홀(121)이 설치된다. 투입홀(121)은 덮개 부재를 관통하여 연기 발생 수단을 삽입하거나 연기 발생 수단에서 발생하는 연기를 주입하기 위한 구성부이나, 투입홀(121)은 연기 발생 과정을 완료한 후 덮개 부재(120) 내부와 외부의 유체 유동을 차단하도록 구성되는 것이 바람직하나 이에 한정되지는 않는다. 일례로, 외부에 부착되는 소정의 돌출부에 의해 투입홀(121)의 유체유동구간은 덮개 부재(120)의 측면 부재의 두께보다 두꺼워지면서 일정 길이만큼 연장하도록 설치될 수 있고, 그에 의해 투입홀(121)을 출입하는 유체의 유동을 제한하여 소기의 목적을 달성할 수 있다. 이러한 투입홀(121)의 구성에 대하여는 후술되는 투입홀 구조를 추가로 적용할 수 있음은 물론이다.

칸막이(200)는 덮개 부재(120)의 내부 공간부를 두 영역으로 구분하도록 배치되고 덮개 부재(120)의 후방으로 이동가능하게 설치된다. 칸막이(200)가 후방으로 이동한 상태에서 덮개 부재(120)의 내부 공간부의 두 영역은 하나의 영역으로 형성된다. 본 실시예에서는 칸막이(200)의 작동 구조를 명확하게 도시하지 않았으나, 후술하는 실시예의 작동 구조를 적용할 수 있음은 물론이다.

도 2a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 대류 실험용 과학 기자재에서 칸막이를 제거한 상태에 대한 개략적인 정면도이고, 도 2b는 도 2a의 대류 실험용 과학 기자재에 대한 배면도이고, 도 2c는 도 2b의 대류 실험용 과학 기자재에 칸막이를 설치한 상태에 대한 배면도이고, 도 2d는 도 2c의 칸막이에 대한 평면도이고, 도 3a는 도 2c의 대류 실험용 과학 기자재에 대한 우측면이고, 도 3b는 도 2c의 대류 실험용 과학 기자재에 대한 평면도이고, 도 3c는 도 3b의 대류 실험용 과학 기자재의 칸막이에 대한 구조 및 작동 원리를 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 도 2c의 대류 실험용 과학 기자재에 적용할 수 있는 이미지 카드에 대한 예시도이고, 도 5는 도 2c의 대류 실험용 과학 기자재의 작동 원리를 설명하기 위한 도면이다.

도 2a 내지 도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 대류 실험용 과학 기자재(100)는, 그릇 부재(110), 덮개 부재(120) 및 칸막이(200)를 포함한다.

그릇 부재(110)는 서로 다른 온도의 실험용 물질(301, 302)을 각각 수용하기 위한 두 개의 보관부(112, 113)를 구비한다.

덮개 부재(120)는 그릇 부재(110)를 상방으로부터 덮을 수 있도록 그 일측 또는 하부측에 개구부를 구비하며 직방체 형상 또는 사각 박스 형태를 구비하고 그 내부에 공간부(내부 공간)가 마련되며 적어도 일면이 투명한 재질로 형성될 수 있다.

칸막이(200)는 덮개 부재(120)의 내부 공간을 두 영역으로 구분하도록 설치되고 덮개 부재(120)의 후방으로 이동하여 상기의 두 영역을 하나의 영역으로 형성하도록 인출가능하게 설치된다.

그릇 부재(110)와 덮개 부재(120)의 결합 구조는 대류상자로 지칭될 수 있다. 대류상자는 전체적으로 직방체 형상으로 이루어지며, 교실이나 실험실의 책상 위나 바닥에 놓일 수 있다. 대류상자 내에 배치되는 두 보관부(112, 113)에는 실험용 물질(301, 302)이 담길 수 있다. 실험용 물질은 모래와 물일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

좀더 구체적으로, 그릇 부재(110)는 합성수지 재질로 이루어지며, 반드시 투명할 필요는 없으나, 그릇 부재(110)에 보관되는 실험용 물질(301, 302)이 정면에서도 확인될 수 있도록 적어도 전면은 투명한 재질로 이루어지는 것이 바람직하다. 그릇 부재(100)는 강도, 무게 및 비용을 고려할 때, 아크릴 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.

그릇 부재(110)는 바닥판(111), 이 바닥판(111) 상에 설치되는 두 보관부(112, 113)를 구비한다. 보관부(112, 113)는 각각에 보관되는 실험용 물질(301, 302)이 외부로 유출되는 것을 방지할 뿐만 아니라 대류하는 연기가 스며들지 않도록 상방만 개구되고, 나머지 부분에서는 틈이 없는 밀폐된 직사각형 상자 형상으로 이루어질 수 있다. 그릇 부재(110)에 밀폐성이 더해질 경우, 대류 관찰 시간은 180분 정도로 확장될 수 있다. 이는 그릇 부재(110)와 덮개 부재(120) 사이에 틈새가 존재하는 경우, 틈새의 영향에 의해 발생할 수 있는 와류가 제거되기 때문이다.

덮개 부재(120)는 합성수지 재질로 이루어지며, 대류 흐름의 관찰을 위해 투명한 재질로 이루어질 필요가 있으며, 강도와 무게 및 비용을 고려할 때, 투명한 아크릴 재질로 이루어지는 것이 바람직하다. 덮개 부재(120)는 그릇 부재(110)를 덮기 위한 개구부를 제외하면 대략의 직방체 형상으로 이루어지며, 그릇 부재(110)에 덮개 부재(120)가 완전히 결합한 경우, 덮개 부재(120)는 그릇 부재(110)의 바닥판(111)과 더불어 전체적으로 직방체 형상을 이루게 된다.

덮개 부재(120)는 그 외형이 직방체 형상으로 이루어지고, 그 가로와 높이와 폭(W)의 비율은 보관, 운반, 사용 등을 고려하여 적절하게 한정될 수 있다. 특히, 대류 실험용의 과학 기자재로서 대류 실험에 가장 적합한 사이즈를 구비할 수 있다. 일례로, 덮개 부재(120)의 전면의 종방향에서의 가로 길이 및 횡방향에서의 높이 길이는 덮개 부재(120)의 두께에 대응하는 폭 길이의 수 배일 수 있고, 가로 길이는 높이 길이보다 클 수 있다.

특정 실시예에서, 그릇 부재(110)의 바닥판(111)을 포함하거나 생략한 상태에서의 덮개 부재(120)나 대류 상자의 가로, 높이 및 폭의 길이 비율은 5 : 4 : 1 일 수 있다. 다만, 덮개 부재(120)의 폭(W)은 5㎝를 초과하고 20㎝ 미만인 것이 바람직하며, 특히 약 10㎝ 정도인 것이 가장 바람직하다. 전술한 바와 같이 덮개 부재(120)의 폭(W) 즉, 대류상자의 폭(W)을 종래와 대비하여 더 작은 크기로 축소하면, 대류상자 내 대류의 순환구조를 더욱 선명하게 관찰할 수 있다.

한편, 대류상자 즉 덮개 부재(120)의 내측의 상단 모서리 부분 즉, 덮개 부재(120)의 내측의 상단 모서리 부분은 곡면 형태로 이루어지는 것이 바람직하다. 대류상자 내측의 상단 모서리를 곡면으로 설치하는 경우, 상단 모서리에서 발생하는 와류를 제거하여 대류 흐름의 원활한 순환을 관찰할 수 있다.

전술한 덮개 부재(120)의 제조시 덮개 부재(120)의 내측 곡면 부분으로서 일체로 형성될 수 있다. 일례로, 덮개 부재(120)의 내측의 상단 모서리 부분이 곡면 형태가 되도록 금형을 통해 내측 상단 모서리 곡면(122a)을 구비하는 덮개 부재(120)를 제조할 수 있다.

구현에 따라서, 여러 개의 부품을 조립하여 덮개 부재(120)를 제조하는 경우, 덮개 부재(120)의 내측의 상단 모서리 부분은 별도로 제작되고 곡면(122a)을 구비하는 블록(122)에 의해 메워지도록 배치될 수 있다. 블록(122)은 곡면(122a)이 평면이라고 가정할 때 덮개 부재(120)의 폭에 대응하는 두께를 가진 3각 입체 블록 형태를 구비할 수 있다.

또한, 별도로 준비되는 블록(122)은 적어도 일측 표면에 적어도 하나 이상의 요철부를 구비하고, 덮개 부재(120)의 대응 요철부와의 끼워 맞춤 결합에 의해 덮개 부재(120)의 내측 상단 코너 모서리에 밀착 고정될 수 있다. 이러한 블록(122)은 착탈가능한 내부 모서리 곡면 형성 부재로도 지칭될 수 있다.

덮개 부재(120)는 그 측면 양측에 연기 발생 부재를 투입할 수 있는 관통된 투입 홀(121)을 구비할 수 있다. 투입 홀(121)은 유연한 막에 의해 막힌 형태를 구비할 수 있고, 연기 발생 부재의 투입에 따라 개방되는 구조를 구비할 수 있다. 또한, 투입 홀(121)은 덮개 부재(120)의 측면 부재의 두께보다 두껍도록 링 형태의 외부적층부재를 구비할 수 있다. 외부적층부재는 투입 홀(121)에 대응하는 중앙홀을 구비하여 투입홀(121)의 유체유동구간을 연장시킬 수 있다.

덮개 부재(120)는 전면의 배경이 되는 후면에 어두운 계열의 색상을 가질 수 있다. 이러한 후면의 색상은 전면에서의 대류 흐름 관찰을 용이하게 하도록 기능할 수 있다. 이러한 구성을 위해 덮개 부재(120)의 후면 내측면 또는 외측면에는 배경부재(190)로는 검정색 등의 어두운 계열의 색상을 가진 시트상의 합성수지 부재, 코팅액에 의해 도포된 후 경화된 코팅 부재 등이 배치될 수 있다.

칸막이(200)는 대류상자의 내부 공간을 두 부분으로 구분하고 대류상자의 후방으로 인출될 수 있게 설치된다. 칸막이(200)의 일부는 덮개 부재(120)와 동일하게 투명한 아크릴 재질로 이루어질 수 있으며, 덮개 부재(120)의 후방 개구부(180)를 통해 전후 방향(d1)으로 왕복운동 가능하게 설치되며, 배치 위치에 따라 덮개 부재(120)의 내부 공간을 두 부분으로 구분하거나 하나로 형성할 수 있다(도 3c 참조).

좀더 구체적으로, 도 2c 및 도 2d와 도 3b 및 도 3c에 도시한 바와 같이, 칸막이(200)는 판 형태의 몸체(210)와 상기 몸체(210)의 전방측 단면에 결합하고 몸체(210)가 후방으로 이동한 상태에서 몸체(210)가 통과하는 개구부(180)를 덮개 부재(120)의 내부 측에서 막는 전면수직커버(220)와, 몸체(210)의 후방측 단면에 결합하고 몸체(210)가 전방으로 이동하여 덮개 부재(120)의 전면 내측면에 접하는 상태에서 덮개 부재(120)의 개구부(180)를 후면 외측에서 막는 외부노출손잡이(230)를 구비할 수 있다. 전면수직커버(220)와 외부노출손잡이(230)는 덮개 부재(120)의 후방 개구부(180)를 칸막이(200)의 동작 상태에서 따라 덮개 부재(120)의 내측 또는 외측에서 각각 막을 수 있도록 개구부(180)에 대응하며 개구부(180)보다 큰 사이즈를 구비한다. 전면수직커버(220)는 판상의 탄성부재일 수 있고, 외부노출손잡이(230)는 손으로 잡기 편하도록 전면수직커버(220)보다 큰 두께나 폭을 구비할 수 있다.

전술한 칸막이(200)를 설치하면, 덮개 부재(120)의 내부 공간을 분리하여, 서로 다른 온도의 실험용 물질이 놓인 두 영역들에서, 한쪽 실험용 물질(예컨대, 모래) 위 공기와 다른쪽 실험용 물질(예컨대, 물) 위 공기의 온도 차이가 뚜렷하게 된 상태에서 대류 흐름 실험을 개시하고, 실험의 개시와 실질적으로 동시에 대류 흐름을 관찰할 수 있고, 또한 상대적으로 장시간 동안 대류 흐름을 관찰할 수 있는 작용효과를 얻을 수 있다.

이와 같이, 본 실시예에 따른 대류 실험용 과학 기자재(100)를 사용하는 경우에는, 칸막이(200)를 후방으로 인출하여 덮개 부재(120)의 두 내부 공간을 단일 공간으로 합치는 구조를 구비함으로써 대류상자 내 대류 흐름을 빠르게 형성하면서 오랫동안 지속되도록 할 수 있다.

실험용 물질(301, 302)은 대류상자의 내부의 공기의 일부를 데워 대류가 일어나도록 하기 위한 물질이며, 그릇 부재(110)의 두 부분으로 구분된 각각의 보관부(112, 113)에 서로 다른 온도를 갖도록 담길 수 있다. 일례로, 실험용 물질로는 모래와 물이 사용될 수 있고, 모래와 물이 각각 보관부(112, 113)에 담길 수 있다. 또한, 보관부(112, 113) 각각에 서로 다른 온도를 갖는 물이 담길 수도 있으며, 서로 다른 온도를 갖는 모래가 담길 수도 있다.

한편, 그릇 부재(110)에 담기는 서로 다른 온도의 실험용 물질은 모래와 물이 선택되는 것이 바람직하고, 이 모래와 물의 온도 차이는 약 30℃ 정도가 되도록 하는 것이 바람직하다. 두 실험용 재료의 온도 차이가 30℃가 되는 경우, 본 실시예의 대류상자 내에서 실험 시작과 함께 상대적으로 오랜 시간(예컨대, 180분) 동안 대류 흐름을 관찰할 수 있다.

위에서 언급한 연기 발생 부재는 대류상자의 덮개 부재(120)를 관통하여 삽입될 수 있고, 대류상자의 내부 공간에서 발생하는 대류 흐름을 시각적으로 보여주는 연기를 제공한다. 연기 발생 부재로는 연기를 발생시키는 다양한 부재가 사용될 수 있으나, 화재의 위험성과 유해 성분의 노출을 고려할 때, 이러한 위험을 최소화할 수 있도록, 향이 사용되는 것이 바람직하다.

또한, 연기 발생 부재는 대류상자의 덮개 부재(120)에 칸막이(200)가 설치된 상태에서 칸막이(200)에 의해 구분된 대류상자의 양쪽 공간에 각각 투입되는 것이 바람직하다. 이를 위해 앞서 설명한 것처럼, 대류상자의 덮개 부재(120)의 양 측면에는 각각 연기 발생 부재를 투입할 수 있는 투입 홀(121)이 형성될 수 있다.

한편, 대류상자에는 그 내부의 대류 흐름의 뚜렷한 관찰을 위한 조명 기구(500)가 설치되는 것이 바람직하다. 조명 기구(500)는 대류 흐름에 대한 열 영향을 최소화할 수 있도록, 대류상자 외측에 배치될 수 있고, 열 발생이 상대적으로 적은 LED 조명등으로 구성될 수 있다.

조명 기구(500)는 배터리나 상용전원에 의해 전원을 공급받아 동작할 수 있다. 다만, 휴대용 기기의 충전을 위한 보조 배터리에 연결되도록 구성되는 경우, 운반이나 사용 등에 있어 사용자 편의성을 제공할 수 있고, 장소의 제한을 받지 않으므로, 전원 콘센트가 마련되지 않은 곳에서도 실험을 행할 수 있는 장점이 있다.

또한, 칸막이(200)에 의해 구분된 대류상자의 두 내부 공간에는 내부의 온도를 측정하기 위한 온도계(600)가 설치될 수 있다. 온도계(600)는 디지털 온도계일 수 있다. 온도계(600)를 대류상자 내부에 배치하여 사용하면, 실험 중에 두 내부 공간의 온도를 확인할 수 있고, 그에 의해 현재 관찰되는 대류 흐름에 대한 온도 조건을 실시간 확인할 수 있는 장점이 있다.

한편, 온도계(600)는 덮개 부재(120)의 내벽에 착탈식으로 배치될 수 있으며, 그 경우 실험 전에는 실험용 재료의 온도를 재는데 이용하고, 실험 중에는 실험용 재료 위 내부 공간의 온도를 측정하는데 이용할 수 있다.

한편, 대류 실험용 과학 기자재(100)는 덮개 부재(120)에 반복적으로 탈부착가능한 이미지 카드(700)를 더 포함할 수 있다. 이미지 카드(700)는 실험자, 실험 중 대류 흐름 등에 대한 이미지, 안내 문구 등을 표현하기 위한 것으로, 실험자들이 볼 수 있도록 덮개 부재(120)의 외표면 상에 붙여질 수 있다. 그리고, 이미지 카드(700)는 실험이 끝난 후 떼어서 보관될 수 있다. 이러한 이미지 카드(700)를 이용하면, 대류 흐름 실험에서 대류 흐름에 대한 실험자의 직관 유추에 많은 도움을 줄 수 있다.

이미지 카드(700)는 대류 흐름이 나타나는 곳에 붙일 수 있도록 화살표 모양이 표시된 제1 이미지 카드(710), 공기의 양이 상대적으로 많은 곳에 붙일 수 있는 '공기'가 표시된 제2 이미지 카드(720), 고기압과 저기압인 부분을 구분해서 붙일 수 있는 '고기압' 및 '저기압'이 표시된 제3 이미지 카드(730), 대류에 의해 상승한 더운 공기가 위치한 부분에 붙일 수 있는 수증기 모양이 표시된 제4 이미지 카드(740), 관찰자인 남학생 또는 여학생 모습이 표시된 제5 이미지 카드(750) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다(도 4 참조).

전술한 대류 실험용 과학 기자재(100)를 이용한 대류 흐름 관찰을 위한 실험에서는 먼저 칸막이에 의해 구분되는 대류상자의 두 내부 영역에 향을 투입하여 두 내부 영역에 독립적으로 연기를 발생시키고, 일정 시간 후에 칸막이를 제거하여 실험을 시작할 수 있다. 칸막이가 제거되면, 두 내부 영역의 대기의 온도 차이에 의해 두 공기층이 형성되면서 두 내부 영역 간에 대류 흐름이 형성되게 된다.

모래와 물을 이용한 실험 결과를 예시하면 아래의 표 1과 같다.

이와 같이, 본 실시예에서는 대류 흐름을 관찰하기 위한 유용한 대류 실험용 과학 기자재를 제공할 수 있다.

이하에서는 앞서 설명한 본 발명에 따른 대류 실험용 과학 기자재에 적용된 주요한 기술적 특징들을 도출하게 된 과정을 상세히 설명한다.

도 6은 본 실시예의 대류 실험용 과학 기자재에서 대류상자의 폭을 결정하기 위한 실험 결과를 설명하기 위한 도면이고, 도 7은 본 실시예의 대류 실험용 과학 기자재에서 대류상자의 내부 공간의 분할을 결정하기 위한 실험 결과를 설명하기 위한 도면이고, 도 8은 본 실시예의 대류 실험용 과학 기자재에서 물질의 온도를 결정하기 위한 실험 결과를 설명하기 위한 도면이고, 도 9는 본 실시예의 대류 실험용 과학 기자재에서 대류상자의 형태를 결정하기 위한 실험 결과를 설명하기 위한 도면이고, 도 10은 본 실시예의 대류 실험용 과학 기자재에서 대류상자의 형태를 결정하기 위한 실험 결과를 설명하기 위한 도면이고, 도 11은 본 실시예의 대류 실험용 과학 기자재에서 연기 투입 부재의 투입 위치를 결정하기 위한 실험 결과를 설명하기 위한 도면이다.

<대류상자의 폭>

대류상자의 폭을 결정하기 위한 통제변인과, 조건변인 및 실험방법은 아래의 표 2에 나타낸 바와 같다.

통제변인	5mm 아크릴로 제작된 가로 50㎝/ 높이 40㎝ 상자, LED 조명등, 5℃와 45℃의 물, 향
조건변인	대류상자의 폭을 5㎝, 10㎝, 20㎝로 하여 실험한다. (내부 그릇 부재도 폭에 따라 5mm아크릴로 높이 5㎝의 그릇을 2개씩 제작함)
실험방법	1. 5℃와 45℃의 물을 각 그릇에 담는다.(디지털 온도계로 측정) 2. 대류상자를 그릇 위에 덮는다. 3. 투입 홀을 통해 20~30초간 향 연기를 넣는다. 4. 향을 제거한 뒤 대류 흐름이 보이는 순간부터 초시계로 시간을 측정한다.

표 2에 나타낸 바와 같은 실험을 통해 아래와 같은 결과를 도출할 수 있었다.

도 6에 나타낸 바와 같이, 대류상자의 폭이 5㎝인 경우, 향 연기 투입 후 약 30초 뒤부터 연기의 이동방향이 보인다. 2차원에 가까워 대류 순환의 방향을 파악하기 쉬운 반면, 물의 양이 적어 데워지는 공기의 양이 적다. 그래서 관찰시간이 다른 폭에 비해 짧다.

대류상자의 폭이 10㎝인 경우, 데워지는 공기의 양이 충분해서 왼편 끝까지 연기가 이동하며, 온도가 높은 쪽에서 상승하는 연기의 흐름이 잘 보인다. 대류 순환의 흐름이 폭 5㎝와 유사하게 잘 보인다.

대류상자의 폭이 20㎝인 경우, 폭이 넓고 내부 공간이 커서 대규모의 대류 흐름을 관찰할 수 있었고 관찰시간도 가장 길었다. 그러나 연기가 서로 부딪히며 와류가 많이 발생하였고 온도가 높은 쪽에 김이 많이 서렸다. 아크릴 그릇에 많은 양의 물이 필요해서 준비과정이 비교적 번거롭고 실험 장치를 이동시키거나 보관하기가 힘들었다.

위와 같은 실험 결과를 고려할 때, 폭 5㎝는 대류 순환의 방향을 파악하는 데 용이하지만 관찰시간이 짧은 단점이 있고, 폭 20㎝는 와류가 많이 생기며 준비가 번거로운 단점이 있다. 따라서 폭 10㎝인 적용하는 경우, 관찰시간과 와류 발생 측면에서 가장 적합한 효과를 얻을 수 있게 된다.

<대류상자 내부 공간의 분할>

대류상자 내부 공간의 분할을 결정하기 위한 통제 변인과, 조건 변인 및 실험 방법은 아래의 표 3에 나타낸 바와 같다.

통제변인	5mm 아크릴로 제작된 가로 50㎝/ 높이 40㎝/ 폭 10㎝ 상자, 높이 5㎝의 내부 그릇, LED조명등, 5℃와 45℃의 물, 향 2개
조건변인	칸막이 유, 무에 따라 실험한다. (뒤로 뺄 수 있는 칸막이를 제작함. 칸막이에 따라 내부 공간이 분할됨.)
실험 방법	1. 5℃와 45℃의 물을 각 그릇에 담는다. (디지털 온도계로 측정) 2. 대류상자를 그릇 위에 덮는다. 3. 투입 홀을 통해 20~30초간 향 연기를 넣는다. (칸막이가 있으므로 두 실험 모두 향을 양쪽 구멍에서 동시에 투입) 4. 향을 제거한 뒤 칸막이가 있는 경우와 없는 경우의 대류 흐름을 관찰한다. 5. 대류 흐름이 보이는 순간부터 초시계로 시간을 측정한다.

표 3에 나타낸 바와 같은 실험을 통해 아래와 같은 결과를 도출할 수 있었다.

도 7에 나타낸 바와 같이, 칸막이가 있는 경우, 실험장면에서 보듯, 온도가 높은 쪽과 낮은 쪽이 구분되어 연기의 흐름에 차이가 있다. 온도가 낮은 쪽은 향 연기가 천천히 떨어지며, 온도가 높은 쪽은 향 연기 투입과 동시에 매우 활발한 움직임으로 연기가 퍼진다. 칸막이가 있어서 양 쪽에서 서로 다른 온도의 공기로 충분히 데워질 시간이 확보된다. 그래서 칸막이 제거와 동시에 온도가 다른 두 공기 덩어리가 층을 이루며 대류 흐름을 형성한다. 또, 칸막이를 제거하며 생긴 초기 회전력이 지속되어 1시간 이상 관찰이 가능하다.

칸막이가 없는 경우, 공간이 막혀있지 않으므로 향 연기가 투입과 동시에 옆, 아래, 위로 흩어져서 연기가 흐리게 보인다. 바로 연기의 이동을 관찰할 수 있지만 대류 흐름보다는 향 연기 자체의 열로 연기의 이동방향이 결정된다.

위와 같은 실험 결과를 고려할 때, 칸막이가 있는 경우 온도에 따른 기체 운동량을 비교하는 관찰이 가능하다. 또한, 칸막이 제거와 동시에 데워진 공기가 가벼워져서 위로 올라가고, 온도가 낮아진 공기가 아래로 가는 현상을 관찰할 수 있었고, 대류 흐름을 매우 뚜렷하게 관찰할 수 있었다. 따라서 칸막이가 있는 경우 더욱 효과적인 실험을 할 수 있게 된다.

<물질의 온도>

물질의 온도를 결정하기 위한 통제변인과, 조건변인 및 실험 방법은 아래의 표 4에 나타낸 바와 같다.

통제변인	5mm 아크릴로 제작된 가로 50㎝/ 높이 40㎝/ 폭 10㎝ 상자와 내부 그릇, LED조명등, 향
조건변인	물의 온도를 20℃, 30℃, 40℃ 차이로 하여 실험한다.
실험 방법	1. 10℃와 30℃/ 10℃와 40℃/ 10℃와 50℃의 물을 각 그릇에 담는다. 2. 대류상자를 그릇 위에 덮는다. 3. 투입 홀을 통해 20~30초간 향 연기를 넣는다. 4. 향을 제거한 뒤 대류 흐름이 보이는 순간부터 초시계로 시간을 측정한다.

표 4에 나타낸 바와 같은 실험을 통해 아래와 같은 결과를 도출할 수 있었다.

도 8에 나타낸 바와 같이, 두 실험용 재료의 온도가 20℃ 차이인 경우, 따뜻한 물이 미지근하여 실험 과정에 전혀 위험요소가 없다. 향 연기로 대류 흐름을 볼 수 있으나 희미한 편이다. 온도 차이가 적어서 기압차가 작고 관찰시간이 적다.

30℃ 차이인 경우, 20℃ 차이일 때보다 대류 흐름이 선명하게 보이며, 상승하는 공기의 양이 많아 대류 순환이 오래 지속된다.

40℃이상 차이인 경우, 30℃ 차이와 대류 흐름이 선명한 정도가 비슷하다. 온도차이가 커서 대류 흐름 속도가 빠르고 관찰되는 연기, 김서림의 양이 많다.

위와 같은 실험 결과를 고려할 때, 40℃이상 차이가 있는 경우, 관찰시간이 길고 대류 흐름이 가장 잘 보였으나, 30℃ 차이인 경우와 큰 차이는 없었다. 실험 목적을 두 경우 모두 달성할 수 있다면, 과학실 안전 측면을 고려할 때, 온도가 낮은 쪽이 적합하다. 따라서 물질의 온도 차이는 30℃ 차이인 경우가 가장 적합하게 된다.

<대류상자의 형태>

대류상자의 형태를 결정하기 위한 통제변인과, 조건변인 및 실험 방법은 아래의 표 5에 나타낸 바와 같다.

통제변인	5mm 아크릴로 제작한 폭 10㎝의 내부 그릇, LED조명등, 향
조건변인	대류상자의 형태를 직육면체 형, 곡선형, 모서리 보완형으로 실험한다.
실험 방법	1. 10℃와 40℃의 물을 각 그릇에 담는다. 2. 각 형태가 다른 대류상자를 그릇 위에 덮는다. 3. 투입 홀을 통해 20~30초간 향 연기를 넣는다. 4. 향을 제거한 뒤 대류 흐름을 관찰한다.

표 5에 나타낸 바와 같은 실험을 통해 아래와 같은 결과를 도출할 수 있었다.

도 9에 나타낸 바와 같이, 직육면체 형태인 경우, 양끝 모서리 부분에 향 연기가 부딪혀 튕겨 나와 와류가 생긴다. 보관과 제작이 편리한 편이다.

곡선형인 경우, 향 연기가 부딪히는 부분이 없어 대류 순환구조가 거의 타원형으로 관찰되며 흐름이 매끄럽고 속도가 빠르다. 그러나 학교에서 사용을 가정한다면 보관이 어렵고 쉽게 파손될 위험이 있다.

모서리 보완 형태인 경우, 직육면체 형에 모서리 부분만 보완한 것으로 직육면체 형과 곡선형의 장점을 모두 갖추었다. 대류 흐름을 방해하는 요소가 없어 순환 구조가 잘 보인다.

위와 같은 실험 결과를 고려할 때, 모서리 보완 형이 직육면체 형과 곡선형의 단점을 모두 보완할 수 있으므로 가장 적합한 것으로 된다.

<조명 기구>

조명 기구의 형태를 결정하기 위한 통제변인과, 조건변인 및 실험 방법은 아래의 표 6에 나타낸 바와 같다.

통제변인	5mm 아크릴로 제작된 가로 50㎝/ 높이 40㎝/ 폭 10㎝ 상자와 내부 그릇, 향
조건변인	백열전등과 LED 등으로 실험을 진행한다.
실험 방법	1. 10℃와 40℃의 물을 각 그릇에 담는다. 2. 대류상자를 그릇 위에 덮는다. 3. 백열전등 실험에서는 백열전등을 양 옆, 위에 설치한다. / LED 실험에서는 막대형 LED 등을 위에 설치한다. 4. 투입 홀을 통해 20~30초간 향 연기를 넣는다. 5. 향을 제거한 뒤 대류 흐름을 관찰한다.

표 6에 나타낸 바와 같은 실험을 통해 아래와 같은 결과를 도출할 수 있었다.

도 10에 나타낸 바와 같이, 백열전등인 경우, 그릇 안의 물질을 데우는 용도로 함께 사용가능하다. 그러나 광원 자체의 열로 인해 대류 상자 내부 공기가 데워진다. 실험에서 백열전등 부근의 공기가 데워져서 대류의 순환흐름이 생기지 못하고 흐름이 뒤섞이는 현상이 나타났다.

LED 등의 경우, LED는 발열이 거의 없기 때문에 광원에 의한 방해요소가 제거되었다. 싼 가격에 쉽게 구할 수 있으며 고르게 비추어 향 연기의 흐름을 선명하게 관찰할 수 있었다.

위와 같은 실험 결과를 고려할 때, 백열전등 자체 열로 인해 실험에 방해요소가 되고, 해륙풍 실험에서 물과 모래를 데우는 용도로는 그 열이 약하기 때문에 대류 실험에서 적절하지 않게 된다. 따라서 대류상자의 내부를 밝게 비춰 명확하게 관찰할 수 있도록 하는 용도이므로 LED 등이 적합하게 된다.

<향 투입 위치>

향 투입 위치를 결정하기 위한 통제변인과, 조건변인 및 실험 방법은 아래의 표 7에 나타낸 바와 같다.

통제변인	5mm 아크릴로 제작된 가로 50㎝/ 높이 40㎝/ 폭 10㎝ 상자와 내부 그릇, 향
조건변인	향을 내부에 설치, 한 쪽에 투입, 양쪽에 투입으로 나누어 실험한다.
실험 방법	1. 10℃와 40℃의 물을 각 그릇에 담는다. 2. 대류상자를 그릇 위에 덮는다. 3. 향을 내부에 설치, 한 쪽에 투입, 양쪽에 투입으로 위치를 나누어 실험한다. 4. 투입 홀을 통해 20~30초간 향 연기를 넣는다. 5. 향을 제거한 뒤 대류 흐름을 관찰한다.

표 7에 나타낸 바와 같은 실험을 통해 아래와 같은 결과를 도출할 수 있었다.

도 11에 나타낸 바와 같이, 내부 공급인 경우, 향이 가운데에 있어서 연기 방향이 잘 보인다. 연기 공급이 활발하나 내부에 연기가 가득 찬 뒤 제거하기 어렵다. 향 자체의 열기로 연기가 수직상승하면서 대류 순환 흐름을 가로지르는 방해요소가 된다. 나중에 연기가 자욱해져 관찰이 어렵다.

한쪽 투입인 경우, 향 연기가 따뜻한 물 부근에서 올라온 상승 기류와 함께 대류 순환 흐름을 타고 연기가 빠르게 확산된다. 그러나 실험을 반복할수록 연기가 흩어지고 잘 안 보이는 경우가 다수 생긴다.

양쪽 투입인 경우, 칸막이가 없는 경우에는 한쪽 투입과 유사한 현상이 관찰된다. 그러나 칸막이가 있는 상태에서는 양쪽에 동시에 연기를 투입한 것이 온도 차이에 따른 기체의 움직임을 관찰하는 데에 용이하다.

위와 같은 실험 결과를 고려할 때, 내부 공급의 경우, 중간에 향을 빼내야 하는 어려움이 있고, 향 연기를 외부에서 공급하는 방법으로는 한쪽, 양쪽 투입 모두 실험에 적절했다. 그러나 대류상자 내부 공간의 분할 실험에서 칸막이 설치가 적합하다고 결과가 나왔으므로 향 연기의 양쪽 투입이 적절하다는 결론을 얻을 수 있게 된다.

도 12a 내지 도 12f는 도 2c의 대류 실험용 과학 기자재의 대류 실험을 위한 준비 과정에서 실제 대류 실험 과정을 설명하기 위한 도면들이다.

본 실시예에 따른 대류 실험용 과학 기자재를 사용하는 대류 실험에서는, 먼저 도 12a에 도시한 바와 같이, 두 보관부(112, 113)에 각각 수납된 모래(301)와 물(302)의 온도 차이를 30℃로 설정한다. 설정 온도는 온도계(600)에 의해 확인할 수 있다.

다음, 도 12b에 도시한 바와 같이, 그릇 부재(110) 상에 덮개 부재(120)를 덮어 대류상자를 준비한다.

다음, 도 12c에 도시한 바와 같이, 덮개 부재(120)의 양 측면 투입홀을 통해 향(300)을 투입하고, 향(300)의 연기가 칸막이(200)에 의해 분할된 덮개 부재(120) 내부의 두 공간부에 일정량 생성되도록 한다.

다음, 도 12d에 도시한 바와 같이, 덮개 부재(120)의 두 내부 공간부에서 내부 온도의 차이에 의해 확산되는 연기의 상태가 다른 것을 확인할 수 있다. 이런 상태에서, 도 12e에 도시한 바와 같이, 칸막이(200)를 후방으로 움직여서 덮개 부재(120)의 두 내부 공간부 사이의 격벽 기능의 칸막이(200)를 제거함으로써 덮개 부재(120)의 두 내부 공간부를 하나의 공간부로 형성한다. 여기서, 상대적으로 온도가 높은 물의 상부 영역과 상대적으로 온도가 낮은 모래의 상부 영역에서 대류의 흐름이 발생하고, 대류의 흐름은 연기의 이동에 의해 가시화될 수 있다(도 12e 및 도 12f 참조).

다음, 도 12g에 도시한 바와 같이, 실험자는 화살표 스티커 형태의 제1 이미지 카드(710)를 사용하여 대류 흐름을 표시하고, 학생들이나 다른 사람에게 말하거나 서로 건의 토의를 통해 대류 실험 과정과 결과를 설명할 수 있다.

전술한 실시예에 따른 대류 실험용 과학 기자재에 의하면, 대류상자의 폭을 개선함으로써 대류의 순환구조가 선명하게 관찰될 수 있고, 대류상자의 내부 공간을 구분하는 칸막이를 후방으로 인출될 수 있게 설치함으로써 칸막이 존재시 모래 위 공기와 물 위 공기의 온도 차이가 뚜렷하게 비교될 수 있게 되고, 칸막이 분리시 대류 흐름이 빠르게 형성되면서 오랫동안 지속할 수 있다.

또한, 위의 구성에 더하여 모래와 물의 온도 차이를 30℃로 설정함으로써 대류 흐름을 약 180분 정도의 긴 시간 동안 관찰될 수 있고, 대류상자 내측의 상단 모서리 부분이 곡선 형태가 되도록 함으로써 대류상자 내측의 상단 모서리에서 생기는 와류를 제거하여 대류 흐름이 순환하는 형태로 관찰될 수 있다.

또한, 대류상자의 정면에서 보이는 배경 바탕에 짙은 색상(예컨대, 검정)의 부재(예컨대, 아크릴)을 배치함으로써 선명하게 대류 현상을 관찰할 수 있고, LED 조명등을 설치함으로써 조명 기구로 인한 자체 열 발생을 최소화하여 대류 흐름에 주는 영향을 최소화하여 대류 흐름이 뚜렷하게 관찰될 수 있게 되다.

또한, 그릇 부재들 사이 및 그릇 부재와 덮개 부재와의 사이에 실질적으로 빈틈을 제거하여 와류를 제거함으로써 정확한 대류 흐름을 유지할 수 있도록 하며, 덮개 부재의 중간 부분에 부착되는 디지털 온도계를 사용하여 육지 또는 바다 영역들의 표면 위 공기 온도를 측정할 수 있다.

또한, 칸막이가 설치된 상태에서 칸막이에 의해 분리된 각각의 공간에 향을 투입함으로써 온도에 따른 공기의 움직임을 효과적으로 관찰하여 학생들이 공기의 움직임을 예상하고 추리할 수 있도록 하며, 직접 대류 흐름을 관찰하면서 대류상자 상에 이미지 카드를 부착하고 이를 통해 학생들에게 해륙풍의 원리를 시각적으로 보여줄 수 있다.

이상, 본 발명의 특정 실시예에 관하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음이 이해될 필요가 있다.

100 : 대류 실험용 과학 기자재
110 : 그릇 부재
120 : 덮개 부재
200 : 칸막이
301, 302 : 실험용 물질
500 : 조명 기구
600 : 디지털 온도계
700 : 이미지 카드

Claims (5)

1. 서로 다른 온도의 실험용 물질을 각각 수용하기 위한 두 개의 보관부가 마련된 그릇 부재;
   상기 그릇 부재를 상방으로부터 덮을 수 있도록 하부측에 개구부가 형성되고 그 내부에 내부 공간부가 마련되며 직방체 형상 또는 사각 박스 형태를 구비하며 적어도 전면이 투명한 재질로 형성되는 덮개 부재;
   상기 덮개 부재의 내부 공간부를 두 영역으로 구분하도록 설치되고 상기 덮개 부재의 후방으로 이동하여 상기 두 영역을 하나의 영역으로 형성하도록 설치되는 칸막이; 및
   상기 덮개 부재를 정면에서 볼 때, 상기 덮개 부재의 왼쪽 측면과 오른쪽 측면에 각각 배치되며 상기 덮개 부재를 두께 방향으로 관통하는 두 개의 투입 홀을를 포함하고,
   상기 덮개 부재의 내측 상단 양측 모서리 부분은 곡면 형태를 구비하며,
   상기 칸막이는 판 형태의 몸체와, 상기 몸체의 전방측 단면에 결합하고 상기 몸체가 상기 후방으로 이동한 상태에서 상기 몸체가 통과하는 개구부를 상기 덮개 부재의 내부 측에서 막는 전면수직커버와, 상기 몸체의 후방측 단면에 결합하고 상기 몸체가 전방으로 이동하여 상기 덮개 부재의 전면에 접하는 상태에서 상기 덮개 부재의 후면 외측에서 상기 개구부를 막는 외부노출손잡이를 구비하는, 대류 실험용 과학 기자재.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 덮개 부재의 폭은 5㎝보다 크고 20㎝보다 작고, 상기 덮개 부재의 전면 가로 길이 및 높이 길이는 상기 폭 길이의 수 배이며, 상기 가로 길이는 상기 높이 길이보다 큰 대류 실험용 과학 기자재.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 덮개 부재 상에 설치되며 상기 칸막이에 의해 구분되는 상기 덮개 부재 내의 두 영역에서 상기 실험용 물질상의 대기 온도를 측정하는 온도계를 더 포함하는 대류 실험용 과학 기자재.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 덮개 부재의 내부에 빛을 비추는 조명 기구를 더 포함하는 대류 실험용 과학 기자재.
5. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 덮개 부재의 정면상에 탈부착가능한 이미지 카드를 더 포함하는 대류 실험용 과학 기자재.

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