[알라딘서재]과학 탐구 보고서 양식 : 형광등이 꺼진 후의 잔광에 대한 연구

과학 탐구 보고서 양식 : 형광등이 꺼진 후의 잔광에 대한 연구ｌ마이리스트

dnjndfjknbjk () l 2015-08-02 11:00

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과학 탐구 보고서 양식 : 형광등이 꺼진 후의 잔광에 대한 연구

형광등이 꺼진 후의 잔광에 대한 연구 , 형광등 잔광

형광등이 꺼진 후의 잔광에 대한 연구

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I. 탐구동기

학교 기숙사에서 밤에 형광등이 꺼진 후에 잔광이 남아서 깜박거리는 것을 보고 신기하게 생각하였다.
처음에는 형광등이 낡아서 그런 줄 알았으나, 다른 여러 방 뿐만 아니라 실험실, 미술실 등에서도 그 현상이 광범위하게 나타났다.
그래서 이것이 형광등을 이루고 있는 물질이 가지고 있는 어떤 고유한 성질 때문이라 생각해서, 그 성질과 이유를 알고자 연구를 시작하게 되었다.

II. 탐구 과정

1. 가설

형광등이 켜져 있을 때는 수은 증기에서 발생한 자외선이 형광등 벽면의 형광물질을 자극하여 빛을 낸다.
그러나 꺼져 있을 때에도 빛이 나오는 것은 설명하기가 힘들어진다.
이에 우리는 이 잔광이 형광등 벽면의 물질이 발생시키는 인광에 의한 것이라는 가설을 세웠다.
형광등의 점등 동안에 이 물질들은 계속 에너지를 받다가, 이론적 배경에서 설명한 대로 인광을 인출, 일정 시간 후에는 소멸될 것이다.
따라서 우리는 그 지속 시간 등을 측정, 그 양상을 알아보고자 한다.

2. 가설 검증 실험

가. 실험 1

초시계를 이용해서 형광등을 켜 놓은 시간에 따른 전체 잔광의 지속 시간을 측정한다.

<실험 과정>

형광등을 껐을 때의 잔광의 지속 시간을 켜 놓았을 때의 시간에 따라서, 10분, 30분, 1시간, 90분, 2시간으로 나누어 계측하였다.

<실험 결과>

정량적인 계측 결과의 제시에 앞서, 특기할 만한 사항이 두 가지가 발견되었다.

(1) 잔광이 시간의 흐름에 따라 미약해지는 것은 알 수 있었지만, 잔광의 완전한 소멸을 관측할 수 없었다.
단지 관찰할 수 있었던 것은, 형광등 가운데 부분의 잔광만이 없어지고, 형광등의 양 끝에서는 계속하여 잔광이 관찰된다는 것이었다.
잔광이 정말로 인광에만 의존한다면, 이런 현상은 설명될 수 없다.
따라서 우리가 세운 가설은 수정되었다.

(2) 형광등 두 개 중 하나는 새 것이고 하나는 헌 것을 사용하였는데, 새 것의 잔광이 좀 더 밝았을 뿐 잔광의 지속시간은 별 차이가 없었다.

<수정된 가설 2>

가설 1로는 형광등 중앙부의 잔광은 설명할 수 있었으나, 형광등 양 끝의 잔광이 더 밝은 것과 그 잔광이 오랫동안 지속되는 것은 설명할 수 없었다.

이 현상은, 형광등 구조 자체에서 기인하는 것으로 생각된다.
형광등의 구조에서 보았지만, 형광등의 양쪽 끝에는 전자를 방출하기 쉬운 알칼리 토금속의 산화물이 입혀져 있다.
스위치가 끊어진 상태에서도 미약한 전압이 걸려 전자가 방출될 경우, 이 전자들이 벽면의 물질에 에너지를 전달할 수 있을 것이다.
전자들은 등의 양 끝에서만 방출되므로, 충돌의 빈도는 양 극에서 높기 때문에 양 극에서의 잔광의 지속을 설명할 수 있다.
이대로는 지속시간의 계측이 의미가 없으므로, 여기서는 그 대안으로서 형광등 가운데의 잔광이 눈에 보이지 않을 정도로 미약해졌다고 인정되는 시점까지의 경과 시간만을 제시하겠다.

형광등 점등 시간

중앙부 잔광의 지속 시간

0분간 점등(약1초)

2분 31초

10분간 점등

4분 51초

30분간 점등

5분 10초

60분간 점등

5분 14초

90분간 점등

4분 56초

120분간 점등

5분 13초

10～120분간의 평균

5분 4.8초

점등 직후(약 1초)를 빼 놓고는 중앙부 잔광의 지속 시간들이 거의 비슷한 것을 볼 수 있다.
따라서, 10분 이내에 형광등이 가열되어서 열평형 상태에 이르러 더 이상 온도가 증가하지 않을 것이라고 추측된다.
(이것은 형광등 기체 분자들이 최대 에너지 상태에 이르렀음을 시사해 주는 것이다.) 여기에서 우리는 형광등 가운데 부분의 잔광은 형광등 가열로 인해 높아진 온도와 관계있다고 생각할 수 있었다.
과연 이 생각이 옳은지를 검증하기 위해 온도가 다른 조건 하에서 대조 실험을 계획하고 시행해 보았다.
자세한 것은 실험 4에서 기록해 두었다.

나. 실험 2

형광등을 형광등 장치로부터 제거하고 잔광을 관찰한다.

<실험 과정>

형광등의 소등 후, 이를 형광등 장치에서 떼네고 관찰하고 사진을 찍는다.

<실험 결과>

이 실험은, 수정된 가설 2가 갑자기 대두됨에 따라 계획된 것으로, 장치로부터 제거한 결과 잔광이 전원으로부터 분리시키기 전에 비해 현저히 약해짐을 볼 수 있었다.
형광등이 뜨거워서 손으로 만지기 어려울 정도가 되었을 때에도 잔광의 지속 시간이 1분을 넘기지 못하고 또 그 잔광 조차 매우 미약하였다.
또 이때 특기할 만한 사실은 형광등 장치로부터 떼기 전에는 잔광이 형광등 전체에 고루 펴져 있는 가운데에서 양 극 부분의 제일 밝고 깜박거림의 정도가 심했으나, 형광등 장치로부터 뗀 후에는 그와 같은 양 극 부분만의 고유한 잔광은 사라지고 깜박거림 역시 찾아보기 어려웠으며, 잔광은 형광등 전체를 통해 일정한 밝기로 서서히 식어가면서 약해졌다는 것이다.
이 과정 역시 촬영했으나 너무 어두워서 인화가 되지 않았다.
이 결과는 잔광이 형광등의 구조와도 관계있다는 수정된 가설 2를 절대적으로 지지하는 것이다.

다. 실험 3

수동 카메라로 연속적인 1분 노출 사진을 통해 잔광의 양상을 알아낸다.

<실험 과정>

고감도의 인화지를 이용(Kodak Ektar 1000 필름, ISO 1000), 개방 셔터로 형광등 바로 밑에서 1분간 노출을 시행했다.
촬영은 연속적으로 시행, 시간 간격은 정확히 1분이 되도록 하였다.
역시 위 실험들과 같이 차광함으로써 빛의 영향을 막았다.

<실험 결과>

사진은 총 18컷이 촬영되었으나, 촬영 실수로 노출이 부족한 2장이 인화되지 않아, 총 16장이 현상되었다.
육안으로 관측한 것과 사진 촬영과는 큰 차이가 나지 않았다.
여기서 또 하나의 주목할 만한 현상이 발견되었다.
한 쪽의 극은 완전히 어두워져 버리는 현상이다.
어두워진 극에서는 계속 발광이 없었고 다른 쪽 극의 잔광도 소멸되지 않았다.

라. 실험 4

얼음으로 형광등의 온도를 낮추었을 때와 실온에서의 잔광의 다른 점을 관찰한다.

** 이 실험은 실험 1에서 언급한 것처럼 형광등 중앙 부위의 잔광이 형광등 점등 시간이 짧을 때의 형광등 점등 시간과 양의 상관 관계가 있는 것은 알게 되었기 때문에, 과연 이 형광등 중앙부의 잔광이 형광등이 가열되었을 때의 온도와 관계없는 지를 알아보기 위하여 계획한 실험이다.
이 실험의 결과로 형광등의 가열 정도 (형광등의 온도)와 형광등 중앙부의 잔광과의 관계를 알 수 있을 것이다.
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<실험 과정>

실험 3에서의 조건과 동일하게, 그러나 온도만을 낮추어 다시 촬영하였다.
냉각은 얼음 주머니를 형광등의 촬영되지 않는 면(형광등의 뒷면)을 둘러싸서 했다.<…

..... (중략:첨부파일 클릭 바랍니다)

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