슐리렌 장치 영상 기획자료

 

SLT 실험계획서

작성 일시: 2019 년 8 월 16 일	작성자: 류관형
실험 스타일: (선택) (귀납적)
실험 제목: 막의진동은 유체에서도 유효한가?
<연역적인 경우> 가설: 조작 변인: 종속 변인: 통제 변인:
<귀납적인 경우> 관찰 대상: 유체가 만드는 정상파 예상 결과: 이산화탄소와 같이 대기보다 무거운 기체에서 정상파가 형성 일반화: 나중에

참고: https://m.blog.naver.com/arete_minzee/220640735695

2. 이론과 실험방법

(제목 / 간략 내용 / URL 순서로 작성) 바탕이 되는 이론: 빛의 반사, 굴절, 그리고 광선근사를 이용한다. 빛의 일부에 차광판을 달아도 상이 변하지 않고 밝기만 달라진다는 점을 이용한다. 따라서 공기가 가지는 미세한 굴절률 차이로 명암이 구별된다. 실험데이터와 비교할 이론: 역학적 진동(모래)에서의 막의진동과 영상을 직접 비교하여 클라드니 도형이 나타나는지, 같은 주파수에서 같은 모양을 가지는지 볼 것 이다. 설명해줘야 할 이론: 1. 왜 저런 현상이 일어나는가? 2. 광선광학의 원리 3. 부수적인 실험에 대한 설명(음파 등)
(준비물) 제품명	수량	예상금액	URL
오목거울	삼
거치대(기자재 주문 완료)	제작예정
카메라
광원 및 가리개	있음		가리개는 3D프린터로 제작
학교 기자재	사용용도		실험실 분과	수량
거치대
면도날
첨단기자재실			수, 목요일
발명공작실	불가피하게 화요일 이석		화요일
실험방법: 거치대 제작 – 도면에 맞게 제작, 타공, 조립 후 각도 캘리브레이션 2. 슐리렌 장치 셋팅 – 광원과 면도날을 스탠드로 세우고 카메라는 삼각대 3. 자세한 내용은 영상기획서 참조 (분석방법, 출처 포함)
실험 구성: (모식도, 사진 등(출처 포함), 글자처럼 취급으로 넣을 것)

 

영상기획서

SLT

제목	슐리렌 장치를 이용한 음파 톺아보기
유튜브 제목	소리가 눈에 보인다! 슐리렌 장치로 도플러 효과까지?
작성일시	2019.07.08	분과	물리
작성자	류관형	비용	17만원(최대)

영상 순서(순서대로 번호를 넣고, 안넣을 경우 x 표시)

컨텐츠	미리보기	인트로	실험과정	결과	설명	고찰	결론
번호	x	1	4	3, 5	2	6	7

0. 개요 (영상 순서는 개요가 우선입니다)

질문	답변
무엇을 볼 수 있는가?	공기의 굴절률 차이로 나타나는 모든 것을 볼 수 있다. 예시로 소리의 전달과 알코올 램프가 있다. (완료)
원리가 무엇인가?	PV=nRT에 의해 나타날 수 있는 굴절률의 변화는 공기의 압력 변화와 온도 변화가 있다. (빛이 굴절되는 이유 선행) 거울에서 반사되어 나온 빛에서 굴절률이 변한 공기를 투과하는 성분이 초점으로 모일 때 각각의 위치가 산란되고, 이를 면도날로 덜어내 주면 상에 대비가 생긴다
결과화면	주로 온도 변화 결과를 보여줌
어떻게 만들었는가?	슐리렌 세팅과정 및 유의사항을 요약해서 정리
압력변화는 어떻게 보이는가?	결과화면을 보여줌
압력변화가 안보이는 이유는?	풍동이 만드는 방 안의 유체 흐름이 지지대를 흔들어서 깜박임을 만들었다. 유체 속도가 160mm를 통과하는 시간이 너무 빨라 초고속 카메라로만 보인다.(이유는 유체가 만드는 아지랑이가 슐리렌으로 나타난다-결과화면 보고 판단) 그리고, 거울이 좋지 않아 보이지 않는 것으로 추측할 수 있다.
모든 대사(괄호 안: 자막): 아래 나오는 영상을 보시면, 불꽃이 만드는 아지랑이가 보이는데요, 이는 공기의 온도 차에 의해 만들어진 대류가 발생하면서 슐리렌 장치에 나타나고 있는 모습입니다. 소리, 즉 음파 또한 공기의 압력 차로 전달되는 파동입니다. 이것도 공기가 움직이므로 슐리렌 장치에 나타나는데요, 안녕하세요 연구 노트의 관형입니다. 오늘 이 영상에서는 슐리렌 장치의 원리, 만드는 과정, 그리고 이를 이용한 음파 실험 몇 가지를 해보겠습니다. 슐리렌 장치는 공기의 굴절을 이용합니다. 일반적으로 공기 속에서 빛의 속도는 진공에서보다 느린데, 매질의 굴절률 n을 이 속력의 비로 정의합니다. 같은 공기 에서도 공기분자의 밀도 차이에 따라 굴절률이 미세하게 달라지는데, 이상기체 상태방정식에서 공기의 몰수, 기체상수가 변하지 않는다고 가정하면 압력과 온도만 공기의 밀도를 결정합니다. 다른 밀도의 공기를 통과한 빛은 초점의 가장자리로 꺾이게 되고, 이때 면도날을 이용해 빛을 덜어내 주면, 덜어내지 않은 쪽으로 꺾인 빛은 더 밝아지고, 덜어낸 쪽으로 꺾인 빛은 어두워져 상의 대비가 생깁니다. 빛의 경로를 간단한 그림으로 광선도표를 그려보면 다음과 같고, 상의 도립/정립, 배율 등을 알아낼 수 있습니다. 광선도표의 핵심은 1번 선과 3번 선 사이의 영역에 모두 빛이 지나간다는 점입니다. 오목거울을 반으로 쪼갠다 해도 상의 밝기가 줄어들 뿐 상의 크기나 모양은 변하지 않습니다. 슐리렌 장치도 면도날로 덜어주면 같은 효과를 내므로 같은 원리로 동작합니다. 실험에 사용한 거울은 지름이 160mm, 초점거리가 1300mm이고 구면 오목거울로 분류됩니다. 거울이 구면이므로 초점거리에서 출발한 빛은 거울에 수직으로 반사되어 다시 초점에 상이 맺힙니다. 그렇다고 해서 아무런 구면 오목거울이나 사면 되느냐, 그건 아닌 것이 구면수차라고 해서 각도가 큰 부분에서 상의 흐려짐이 발생할 수도 있습니다. 그래서 구면수차가 잘 보정된 거울을(비싼) 구매해야 합니다. 알코올램프의 열기가 슐리렌 장치에 비춰진 모습입니다. 이는 우리가 흔히 아지랑이라고 부르는 현상인데요, 눈에 보일만큼 강한 굴절이 나타나기에 뚜렷한 모습이 보입니다. 그것뿐만 아니라 손을 갖다대어도 그 주변에 미세한 대비가 생기는 것을 볼 수 있습니다. 온도차가 해봤자 약 섭씨 6도(실험실 온도는 섭씨 25도입니다)밖에 안되는데 그럼에도 현상이 나타난다는게 신기하네요. 이처럼 뜨거운 공기는 대류에 의해 상승하고, 그렇다면 차가운 물체는 어떨까요? 그래서 드라이아이스를 준비했습니다. 종이 위에 올려놓은 모습인데요, 주변 물체와의 온도차이가 심해서 다른 물체로는 이를 집을 수 없답니다. 실루엣 옆으로 흐르고 있는 유체가 드라이아이스에서 나온 것입니다. 쉬엄 그럼 어떻게 이 장치를 구성할까요? 필요한 준비물은 거울, 광원, 카메라, 면도날 네 가지입니다. 그리고 이들을 고정할 적절한 장치만 있으면 됩니다. 광원은 자전거 라이트를 사용했습니다. 시중에 나와있는 대부분의 라이트가 그렇듯, 중간에 LED가 있고 주변에 오목한 반사판이 있어서 광량을 높이는 구조입니다. 하지만 이는 뚜렷한 슐리렌 상을 만드는 것을 방해하기 때문에, 3D 프린터로 빛의 가리개를 만들어 순 LED의 빛만 통과하도록 했습니다. 거울은 광학실험의 기본인 미세조정이 가능하게 만들었습니다. 다음 영상을 참고했어요. 모양보고 설계해서 만들 수 있지만, 유의해야 할 점은 뒷 판의 구멍을 뚫을 때 나사의 사이즈보다 더 크게 뚫어야 조정이 가능하고, 거울과 뒷 판 사이를 고정할 때 나일론 너트 등을 써서 나중에 나비너트로 조절할 때 볼트 자체가 움직이지 않도록 해야한다는 점입니다. 카메라는 DSLR을 사용하였고 초점거리 300mm의 망원렌즈가 필요합니다. 카메라 셋팅방법과 구매한 기자재 등 추가정보는 아래 링크(ghlabnote.tistory.com)에 나와 있습니다. 마지막으로 면도날은 장치의 상이 회색으로 나타나도록 조절해주면 됩니다. 이론적으로, 온도변화가 보이면 압력변화도 보여야 합니다. 그래서 풍동과 스피커를 준비했습니다. (결과) 저희의 예상과는 달리, 나타나지 않았습니다. 그래서 실패 이유를 추려봤습니다. 풍동의 팬을 켜면 카메라에 깜박임이 나타납니다. 근데 이게 진짜 흐르는 공기가 낮은 기압을 형성하여 발생한 현상인지 확신할 수 없는데, 광원과 면도날의 지지대가 부실하기 때문에, 바람이 만든 실험실 내의 흐름에 지지대가 흔들려서 발생한 건지 모르기 때문입니다. 두 번째는 거울의 지름이 160mm, 즉 16cm밖에 안되어 유체가 이 길이를 통과하는 시간이 너무 짧기 때문일 것이라 추측했습니다. 즉 지금 카메라로는 안되고 망원렌즈를 지원하는 초고속 카메라가 필요한 것이죠. 마지막으로 거울이 8만 5천원인데 구면수차가 커서 압력을 관찰하기에 턱 없이 부족한 가격일 수 있습니다. 다음은 Havard에서 실험한 영상인데요, 초음파가 슐리렌 장치를 통해 나타나는게 보이죠. 결론적으로 슐리렌 장치를 구성하려면 점광원과 거울이 필요하고, 점광원은 고휘도 LED면 충분합니다. 거울은 한국에서는 찾기 힘들고 10만원이면 적절한 퀄리티가 나옵니다. 이 수준으로는 온도변화에 의한 빛의 산란만 관찰할 수 있지만 손의 열기 같이 미세한 온도변화도 나타나는 것을 볼 수 있습니다. 감사합니다.

`

인트로

대사: 아래 나오는 영상을 보시면, 불꽃이 만드는 아지랑이가 보이는데요, 이는 공기의 온도 차에 의해 만들어진 대류가 발생하면서 슐리렌 장치에 나타나고 있는 모습입니다. 소리, 즉 음파 또한 공기의 압력 차로 전달되는 파동입니다. 이것도 공기가 움직이므로 슐리렌 장치에 나타나는데요, 안녕하세요 연구 노트의 관형입니다. 오늘 이 영상에서는 슐리렌 장치의 원리, 만드는 과정, 그리고 이를 이용한 음파 실험 몇 가지를 해보겠습니다. 자료화면: Harvard Schlieren – 촛불 켜는 화면

실험과정

실험 컨셉: 슐리렌 장치를 만들고, 음파와 풍동에서의 적용. 실제 질문, 막의 진동(정상파)은 유체(공기)에서도 작용하는가?
실제 실험과정(구체적으로)	보여줄 포인트(촬영포인트)[자막]
0. 아마존에서 구매했다는 설명 3D프린터로 만든 빛 조절기에 구멍뚫기+설명: 얼마나 뚫어야 하는지 나무 어떤거 구매했는지 설명 나무를 활용한 거울 고정기 제작 슐리렌 실험장치 셋팅 및 미세조정 결과로 넘어가기	edmund optics(가격표 부분 확대) 학교에 있는 반사망원경 아마존 화면녹화 및 배송대행화면 납땜하는 장면(선택) 산출물 및 작동여부 Fusion 360 화면 및 구멍 확대 자전거 라이트 작동화면 빛 조절기 3D 프린터 작동화면 1300mm 기준 중앙 빛 측정 계산 일러스트 구멍뚫기 일러스트 – 고안했던 것 유튜브 자료화면 발명공작실 화면 발명공작실에서 재단하는 화면 유리 지지대 만들기
대사(자막): (다음 결과는 몇분 몇초에 다시 나옵니다) 그럼 어떻게 이 장치를 구성할까요? 필요한 준비물은 거울, 광원, 카메라, 면도날 네 가지입니다. 그리고 이들을 고정할 적절한 장치만 있으면 됩니다. 광원은 자전거 라이트를 사용했습니다. 시중에 나와있는 대부분의 라이트가 그렇듯, 중간에 LED가 있고 주변에 오목한 반사판이 있어서 광량을 높이는 구조입니다. 하지만 이는 뚜렷한 슐리렌 상을 만드는 것을 방해하기 때문에, 3D 프린터로 빛의 가리개를 만들어 순 LED의 빛만 통과하도록 했습니다. 거울은 광학실험의 기본인 미세조정이 가능하게 만들었습니다. 다음 영상을 참고했어요. 모양보고 설계해서 만들 수 있지만, 유의해야 할 점은 뒷 판의 구멍을 뚫을 때 나사의 사이즈보다 더 크게 뚫어야 조정이 가능하고, 거울과 뒷 판 사이를 고정할 때 나일론 너트 등을 써서 나중에 나비너트로 조절할 때 볼트 자체가 움직이지 않도록 해야한다는 점입니다. 카메라는 DSLR을 사용하였고 300mm의 망원렌즈가 필요합니다. 카메라 셋팅방법과 구매한 기자재 등 추가정보는 아래 링크(ghlabnote.tistory.com)에 나와 있습니다. 마지막으로 면도날은 장치의 상이 회색으로 나타나도록 조절해주면 됩니다.

결과

산출된 데이터: 온도변화에 의한 굴절률의 변화
화면 구성(그림)	보여줄 형식
여러 영상의 컷 편집으로 구성	알코올램프: 셋팅과 결과가 같이 나옴 손: 결과화면만 드라이 아이스: 투캠 구성 / 컷편집 또는 화면에 동시에 보이게
대사: 알코올램프의 열기가 슐리렌 장치에 비춰진 모습입니다. 이는 우리가 흔히 아지랑이라고 부르는 현상인데요, 눈에 보일만큼 강한 굴절이 나타나기에 뚜렷한 모습이 보입니다. 그것뿐만 아니라 손을 갖다대어도 그 주변에 미세한 대비가 생기는 것을 볼 수 있습니다. 온도차가 해봤자 약 섭씨 6도(실험실 온도는 섭씨 25도입니다)밖에 안되는데 그럼에도 현상이 나타난다는게 신기하네요. 이처럼 뜨거운 공기는 대류에 의해 상승하고, 그렇다면 차가운 물체는 어떨까요? 그래서 드라이아이스를 준비했습니다. 종이 위에 올려놓은 모습인데요, 주변 물체와의 온도차이가 심해서 다른 물체로는 이를 집을 수 없답니다. 실루엣 옆으로 흐르고 있는 유체가 드라이아이스에서 나온 것입니다.

산출된 데이터: 압력변화에 의한 굴절률의 변화
화면 구성(그림)	보여줄 형식
여러 영상의 컷 편집으로 구성	스피커, 막의진동, 풍동 모두 투캠 구성이므로 교차 컷 편집
대사: 이론적으로, 온도변화가 보이면 압력변화도 보여야 합니다. 그래서 풍동과 스피커를 준비했습니다. (결과) 저희의 예상과는 달리, 나타나지 않았습니다. 그래서 실패 이유를 추려봤습니다.

설명

설명 keypoint: 오목거울, 빛의 회절, 굴절, 반사, 유체에서의 적용, 슐리렌 장치의 구조, 원리, 차광판이 필요한 이유, 빛의 파동성, 음파, 도플러 효과 1. 슐리렌 장치가 어떻게 작동하는가?(구조, 원리) 2. 차광판이 하는 역할은?(빛의 성질) 3. 음파의 성질 및 도플러 효과
스크립트(그림 그리기 전에 쓰기)	그림 그려야 하는 것
슐리렌 장치는 공기의 굴절을 이용합니다. 일반적으로 공기 속에서 빛의 속도는 진공에서보다 느린데, 매질의 굴절률 n을 이 속력의 비로 정의합니다. 같은 공기 에서도 공기분자의 밀도 차이에 따라 굴절률이 미세하게 달라지는데, 이상기체 상태방정식에서 공기의 몰수, 기체상수가 변하지 않는다고 가정하면 압력과 온도만 공기의 밀도를 결정합니다. 다른 밀도의 공기를 통과한 빛은 초점의 가장자리로 꺾이게 되고, 이때 면도날을 이용해 빛을 덜어내 주면, 덜어내지 않은 쪽으로 꺾인 빛은 더 밝아지고, 덜어낸 쪽으로 꺾인 빛은 어두워져 상의 대비가 생깁니다. 빛의 경로를 간단한 그림으로 광선도표를 그려보면 다음과 같고, 상의 도립/정립, 배율 등을 알아낼 수 있습니다. 광선도표의 핵심은 1번 선과 3번 선 사이의 영역에 모두 빛이 지나간다는 점입니다. 오목거울을 반으로 쪼갠다 해도 상의 밝기가 줄어들 뿐 상의 크기나 모양은 변하지 않습니다. 슐리렌 장치도 면도날로 덜어주면 같은 효과를 내므로 같은 원리로 동작합니다. 실험에 사용한 거울은 지름이 160mm, 1300mm이고 구면 오목거울로 분류됩니다. 거울이 구면이므로 초점거리에서 출발한 빛은 거울에 수직으로 반사되어 다시 초점에 상이 맺힙니다. 그렇다고 해서 아무런 구면 오목거울이나 사면 되느냐, 그건 아닌 것이 구면수차라고 해서 각도가 큰 부분에서 상의 흐려짐이 발생할 수도 있습니다. 그래서 구면수차가 잘 보정된 거울을(비싼) 구매해야 합니다.

고찰

분석 대상	과정	결과물
압력변화에 의한 굴절률 변화	실패 이유	나타나지 않음
대사: 풍동의 팬을 켜면 카메라에 깜박임이 나타납니다. 근데 이게 진짜 흐르는 공기가 낮은 기압을 형성하여 발생한 현상인지 확신할 수 없는데, 광원과 면도날의 지지대가 부실하기 때문에, 바람이 만든 실험실 내의 흐름에 지지대가 흔들려서 발생한 건지 모르기 때문입니다. 두 번째는 거울의 지름이 160mm, 즉 16cm밖에 안되어 유체가 이 길이를 통과하는 시간이 너무 짧기 때문일 것이라 추측했습니다. 즉 지금 카메라로는 안되고 망원렌즈를 지원하는 초고속 카메라가 필요한 것이죠. 마지막으로 거울이 8만 5천원인데 압력을 관찰하기에 턱 없이 부족한 가격일 수 있습니다. 다음은 Havard에서 실험한 영상인데요(출처7), 초음파가 슐리렌 장치를 통해 나타나는게 보이죠.

결론

기획 내용의 요약	대사
집에서 슐리렌 장치를 구성하려면 점광원과 거울이 필요하다. 점광원은 고휘도 LED면 충분하다. 거울은 한국에서는 안팔고 10만원짜리가 잘보인다. 온도변화에 의한 빛의 산란, 즉 아지랑이만 관찰할 수 있으나 손의 열기 등 미세한 온도변화도 잘 보인다.	결론적으로 슐리렌 장치를 구성하려면 점광원과 거울이 필요하고, 점광원은 고휘도 LED면 충분합니다. 거울은 한국에서는 찾기 힘들고 10만원이면 적절한 퀄리티가 나옵니다. 이 수준으로는 온도변화에 의한 빛의 산란만 관찰할 수 있지만 손의 열기 같이 미세한 온도변화도 나타나는 것을 볼 수 있습니다. 감사합니다.

미리보기

(구체적인 부분 표시, 3~4초 내) 출처 3 영상이 인트로 부분에 화면 중앙 아래 작게 들어감

8. 출처

번호	출처(Chicago 양식으로 작성)
1	https://www.amazon.com/160mm-Telescope-Spherical-Mirror-1300mm/dp/B01N7A6T6Z?ref_=bl_dp_s_web_7713595011
2	https://www.youtube.com/watch?v=BPwdlEgLn5Q
3	https://www.youtube.com/watch?v=mLp_rSBzteI
4	https://www.youtube.com/watch?v=pIf5MQBLZS0
5	https://www.youtube.com/watch?v=JvHZT_wBpUE
6	https://www.youtube.com/watch?v=IZ0bYi9UFv8
7	https://www.youtube.com/watch?v=MBPh410Gnes
8