탐구 동기

평소 버스를 탈 때 Magsafe 카드지갑에 넣은 교통카드를 단말기에 가까이 대었음에도 불구하고 카드가 잘 인식되지 않는 일이 자주 발생하였다. 처음에는 카드지갑의 두께 때문이라고 생각하였으나, 관련 자료를 조사한 결과 카드지갑 내부의 자석이나 금속 부품이 NFC 신호 전달을 방해할 수 있다는 사실을 알게 되었다. 이에 착안하여 전자기 유도 현상에서 금속이 가까이 있을 때 전자기파 신호가 어떻게 전달되는지 금속의 재질별·두께별로 비교해 보고, 이를 바탕으로 Magsafe 카드지갑의 구조를 어떻게 개선할 수 있을지 탐구하고자 한다.

탐구 가설

1)전자기 유도 현상에서 금속의 재질에 따라 전자기파 신호의 전달 정도가 달라질 것이다.

2)전자기 유도 현상에서 금속의 두께가 두꺼울수록 전자기파 신호 전달이 더 많이 방해될 것이다.

실험 준비물

NFC 리더기(카드 단말기), 교통카드, 동일한 두께(1mm)의 다양한 금속판(알루미늄, 구리, 철, 스테인리스 등), 동일한 재질(예: 알루미늄)의 여러 두께 금속판(0.5mm, 1mm, 2mm), NFC 신호 세기 측정 장치 및 소프트웨어, 자 또는 거리 고정 장치, 금속판 고정 도구(테이프, 받침대 등)

탐구 과정

가설 1에 대한 탐구 과정

동일한 두께(예: 1mm)의 여러 금속 재질(알루미늄, 구리, 철, 스테인리스 등)을 준비한다.

카드 단말기(NFC 리더기)와 교통카드 사이에 각각 다른 금속판을 삽입한다.

NFC 신호 세기 측정 장비를 이용해 카드 인식 여부를 실험적으로 기록한다.

금속 재질별로 신호 세기 또는 인식 성공 횟수를 측정·기록한다.

금속 재질에 따른 전자기파 신호 전달 정도를 비교·분석한다.

가설 2에 대한 탐구 과정

동일한 재질(예: 알루미늄)의 금속판을 여러 두께(예: 0.5mm, 1mm, 2mm, 3mm 등)로 준비한다.

카드 단말기(NFC 리더기)와 교통카드 사이에 두께가 다른 금속판을 삽입한다.

NFC 신호 세기 측정 장비(앱 또는 기기)를 이용하거나 카드 인식 여부를 실험적으로 기록한다.

금속 재질별로 신호 세기 또는 인식 성공 횟수를 측정·기록한다.

금속 두께에 따른 전자기파 신호 전달 정도를 비교·분석한다.

변인통제

독립 변인 가설1: 금속 재질 / 가설2: 금속 두께

종속 변인 NFC 신호 세기 또는 카드 인식 성공 횟수

통제 변인 카드 종류, 단말기 기종, 카드와 금속판 사이 거리, 실험 환경(온도, 전자파 간섭 등), 금속판 크기 등

연구가설

1)전자석에 흐르는 전류의 세기가 커질수록 자기장의 크기가 커질 것이다.

2)온도가 높을수록 전자석의 자기장의 크기는 커질 것이다.

연구방법

독립변인:전류의 세기, 온도

통제변인:전자석의 코일 감은 횟수, 자성물질의 종류, 전선의 재질과 두께

종속변인:자기장의 새기 및 증가율

실험방법:

• 전자석 준비: 전자석을 준비하고, 전선으로 코일을 감고 자성 물질(예: 철심)을 포함시킵니다.

• 전류의 세기 조절: 전류의 세기를 단계적으로 조절합니다(예: 0.5A, 1A, 1.5A, 2A 등).

• 온도 조절: 실험 중 온도를 일정하게 변화시키기 위해 열판이나 냉각 장치를 사용하여 온도를 조절한다.

• 자기장 측정: 자기장 센서를 사용하여 각 전류 세기와 온도에서 자기장의 세기를 측정한다.

• 자기장 증가율 분석: 각 전류와 온도에서 자기장의 세기의 변화율을 계산하여 자기장의 증가율을 분석한다.

• 결과 분석: 전류 증가에 따른 자기장의 세기 변화와 온도가 미치는 영향을 비교 분석한다.

실험의 의의:

• 전자석의 성능 최적화: 온도와 전류의 세기가 전자석의 성능에 미치는 영향을 실험적으로 확인함으로써, 전자석의 효율과 최적 운용 조건을 찾을 수 있습니다.

• 자성 물질의 선택: 온도에 따른 자성 물질의 성질 변화를 실험적으로 확인하여, 자성 물질 선택에 대한 중요한 정보를 제공할 수 있습니다.

• 응용 분야: 전자석이 사용되는 전자기기, 모터, 변압기 등에서의 효율적인 설계와 운용에 중요한 데이터를 제공할 수 있습니다.

연구 가설 : 에너지 드링크에 들어있는 성분들이 생물의 생장과 발달에 나쁜 영향을 끼칠 것이다.

탐구 방법

1. 에너지 드링크의 산성 물질이 식물의 기공에 미치는 영향

-실험 도구 : 물, 에너지 드링크, 크기와 종류가 같은 식물 4개( 국화나 장미 같은 식물 ), 스프레이, 무게저울, 랩 등등

-실험 과정 : 크기와 종류가 같은 식물 4개를 준비한다( 대조군 2개 , 실험군 2개 ). 잎 앞면과 뒷면에 각각 다른 액체를 스프레이를 이용해서 뿌린다

대조군으로는 물을 사용해서 뿌리고, 실험군에는 에너지 드링크를 사용해서 뿌린다. 그리고 잎을 랩으로 완전히 덮고 밀봉한다. 이를 통해서 기공에서 나오는 수분이 응결될 수 있도록 해준다. 이들을 햇빛이 있는 곳에 1~2시간 동안 둔다. 그리고 나서 랩 내부의 잎의 응결 정도와 잎의 변색을 측정한다. 여기서 잎의 응결 정도는 잎의 무게를 통해서 측정할 수 있다. 수분 손실량은 실험 전 무게 - 실험 후 무게이기 떄문에 무게 차이가 더 많이 날 수록 수분이 활발하게 증발 했음을 알 수 있다. 잎의 변색은 색을 측정하는 휴대폰의 어플을 통해서 측정할 수도 있다.

-원리 : 에너지 드링크에는 구연산(C6H8O7) 같은 산성 물질들이 들어있다. 이 산성 성분들과 당분이 식물의 기공을 자극해서 기공의 수축과 닫힘이 일어나게 되어 수분 증발량이 감소할 것으로 예상된다.

-조작변인 : 식물에 쓰이는 물과 에너지 드링크

-통제변인 : 햇빛을 받는 곳이나 형광등 아래에서의 같은 빛

-종속변인 : 잎의 변색, 수분 증발량

2. 에너지 드링크의 점도에 따른 이동 차이

-실험 도구 : 샐러리 줄기 또는 흰색 꽃 2개, 투명 컵, 물, 에너지 드링크, 자 등등

-실험 과정 : 먼저 줄기를 비슷한 길이로 잘라 준비한다. 이후 컵 두개에 각각 대조군인 물 + 파란 식용 색소, 실험군인 에너지 드링크 + 색소(원래 색도 가능)을 넣는다. 그 다음 이 샐러리 줄기를 각각의 액체에 꽂는다. 1시간 간격으로 줄기 색 변화, 잎 상태를 측정하고 마지막에 줄기를 세로로 잘라서 안쪽을 관찰한다.

-원리 : 줄기 물관을 통해서 물이나 액체가 올라가기 때문에 이를 실험할 수가 있다.

-조작변인 : 식물에 쓰이는 물과 에너지 드링크

-통제변인 : 줄기를 액체에 꽂는 시간

-종속변인 : 줄기의 이동 차이

평소에 에어팟을 한쪽만 낄 때 외부 소리와 겹쳐 잘 안 들리는 경우가 있다. 그래서 소리의 방향을 조절하여 고막까지 직접 전달할 수 있게 만들면 잘 들릴 수 있다 생각해 시도해 보고자 함.

연구 가설:

에어팟에서 나오는 소리의 방향을 고막 중심 방향으로 조절하면, 일반적인 착용 상태보다 소리 전달 효율(소리의 명확도)이 더 높아질 것이다.

연구 방법:

독립 변인: 에어팟의 소리 방향

종속 변인: 고막 위치에서 측정된 소리의 세기

통제 변인: - 재생되는 소리의 종류 및 크기
,에어팟의 볼륨, 에어팟과 귀 모형 간의 거리, 귀 모형의 재질과 구조, 측정 장비의 위치, 측정 환경

1.모형 내부에는 실제 소리가 통과할 수 있도록 관을 형성하고, 고막에 해당하는 위치에 소리의 세기를 측정할 수 있는 센서를 부착한다.

2.실험은 두 가지 조건으로 나누어 진행한다. 대조군은 에어팟을 일반적인 방향으로 장착한 상태이고, 실험군은 에어팟의 출력 방향이 고막 중심을 향하도록 조절한 상태로 설정한다.

3.두 조건 모두 동일한 음원을 동일한 볼륨으로 출력하며, 에어팟의 위치, 소리 크기, 주변 환경, 귀 모형 구조 등은 모두 일정하게 유지한다.

4.각 조건에서 고막 위치에 설치된 센서를 통해 소리의 세기(dB)를 측정하고, 이 과정을 3회 이상 반복해 평균값을 구한다.

5.실험군과 대조군의 측정값을 비교해 에어팟의 소리 방향 조절이 소리 전달 효율에 미치는 영향을 분석한다.

준비물:
실리콘, 투명 튜브 또는 빨대, 일반 에어팟, 소리 방향 조절 가능한 에어팟, 음원 재생 기기, 소리 측정용 마이크

각 전선 타입(말이집, 민말이집, 랑비에 결절이 없는 말이집 뉴런 유사 전선)에 대해 예상되는 결과를 바탕으로 가설을 설정했다.

가설 : 말이집 뉴런 유사 전선은 전류 속도가 가장 빠르고, 전류의 흐름이 가장 효율적일 것이다. 이는 말이집 구조가 전류가 도약 전도로 빠르게 흐를 수 있도록 도와주기 때문이다.

민말이집 뉴런 유사 전선은 전류 흐름이 느리며, 전류 효율성도 낮을 것이다. 민말이집 구조는 전류가 연속적으로 흐르기 때문에, 전도 속도가 상대적으로 낮아질 수 있다.

말이집 뉴런 유사 전선이지만 랑비에 결절이 없는 전선은 말이집 전선보다는 전류 속도가 늦지만, 효율성은 다소 향상될 수 있다. 결절이 없는 전선은 전류가 일정하게 흐를 수 있어 효율성은 높을 수 있으나 속도는 느릴 수 있다.

2. 변인 :

조작 변인: 전선의 종류 (말이집 유사 전선, 민말이집 유사 전선, 말이집 전선 + 랑비에 결절이 없는 전선)

각 전선의 설계 및 구조 차이를 의미합니다.

종속변인:

전류의 흐름 속도: 전선에서 전류가 흐르는 속도를 측정합니다.

전류의 세기: 전선에서 흐르는 전류의 양을 측정합니다.

효율성: 전선이 전류를 얼마나 효과적으로 전달하는지, 즉 전력 손실이나 저항이 얼마나 발생하는지 측정합니다.

통제변인:

전선의 길이: 각 전선의 길이를 동일하게 맞춰서 실험합니다.

온도: 전선의 온도가 실험에 영향을 줄 수 있으므로 일정한 온도를 유지해야 합니다. 전선이 과열되면 전류의 흐름이 달라질 수 있습니다.

전압: 각 실험에서 동일한 전압을 사용하여 실험합니다.

전선의 재질: 같은 도체(구리 등)를 사용하여 실험합니다.

3. 탐구 방법

탐구를 진행하는 실험적 방법은 세 가지 다른 전선 구조에서 전류 속도, 전류 세기, 그리고 효율성을 측정하는 방식으로 구성할 수 있습니다.

1. 전선 설계 및 제작

말이집 유사 전선

도선 재료: 구리(혹은 은, 금속 합금)와 같이 전기 전도성이 높은 재료를 사용합니다.

절연체: 폴리머(예: 테플론, 실리콘)와 같은 물질을 사용하며, 절연체가 간헐적으로만 도선을 감싸도록 합니다. 이 간헐적인 절연체 구간이 말이집의 역할을 모방하여, 전류가 그 구간을 건너뛰도록 설계합니다.

민말이집 유사 전선

도선 재료: 전도성이 높은 구리를 사용합니다.

절연체: PVC나 고무와 같은 재료를 사용하여, 연속적으로 전선을 감싸도록 설계합니다. 전선 전체에 절연체가 감싸져 있어, 전류가 연속적으로 흐르게 됩니다.

말이집 유사 전선 + 랑비에 결절 없는 구조

도선 재료: 전도성이 높은 구리를 사용합니다.

절연체: 고온 내구성이 좋은 실리콘이나 테플론 같은 물질을 사용하여, 전선 전체를 일관되게 절연체로 감싸며 전류 흐름을 최적화합니다. 전류의 흐름 속도는 느릴 수 있지만, 효율성은 가장 높은 구조가 될 수 있습니다.

2. 실험 장비 및 설정

전류 측정기: 각 전선에 동일한 전압을 걸어 전류의 흐름을 측정합니다. 이를 통해 전류의 세기와 효율성을 비교할 수 있습니다.

전류 속도 측정 장치: 전류가 전선 내에서 흐르는 속도를 측정합니다.

온도계: 실험 동안 일정한 온도를 유지하고, 온도가 전류 흐름에 미치는 영향을 확인합니다.

3. 실험 절차

전선 준비: 세 가지 전선 구조를 동일한 조건에서 준비합니다. (길이, 재질 등)

전류 흐름 측정:

각 전선에 동일한 전압을 가하여 전류가 흐르게 합니다.

전류 속도를 측정: 전류 속도 측정 장비를 사용하여 전류가 각 전선에서 얼마나 빠르게 흐르는지 확인합니다.

전류의 세기를 측정: 각 전선에서 흐르는 전류의 세기를 측정하여, 세 가지 전선 간의 차이를 비교합니다.

효율성 측정:

전력 손실을 측정: 전선의 전류 흐름을 통해 발생하는 전력 손실을 비교하고, 이를 통해 효율성을 평가합니다.

저항 측정: 전선의 저항을 측정하여 각 전선이 얼마나 효율적으로 전류를 전달하는지 확인합니다.

데이터 분석:

각 전선의 전류 속도, 전류 세기, 효율성을 비교하고, 각 전선의 성능을 평가합니다. 예를 들어, 말이집 뉴런 유사 전선이 전류 속도가 빠르다면, 이는 도약 전도와 비슷한 효과로 해석할 수 있습니다.

4. 결과 해석 및 결론 도출

각 전선의 실험 결과를 바탕으로 다음과 같은 질문들을 탐구할 수 있습니다:

어떤 전선 구조가 전류의 흐름 속도를 빠르게 하는가?

각 전선 구조의 전류 효율성 차이는 무엇 때문인가?

최적의 전선 설계는 무엇인가? (예: 빠른 전류 흐름을 유지하면서 효율성이 높은 전선)

이 실험을 통해 말이집 뉴런의 전도 방식이 전선에 어떻게 적용될 수 있는지, 그리고 전선 설계에서 중요한 요소가 무엇인지를 깊이 탐구할 수 있을 것입니다.

결론

이 탐구는 물리적, 전기적 특성을 분석하는 매우 창의적이고 심도 있는 주제입니다. 가설, 변인 통제, 탐구 방법을 체계적으로 설정하고 실험을 통해 전선 설계의 최적화를 도출하는 과정은 매우 흥미롭고 유익한 연구가 될 것입니다.

연구가설

유화제와 계면활성제의 비율이 일정 범위 내에서 적절히 조정되면 유화가 더욱 안정적이고, 그 이상으로 비율을 변경하면 유화가 불안정해진다.

연구방법:

-독립변인

유화제와 계면활성제의 비율

-통제변인

유화제의 종류

계면활성제의 종류

혼합속도 및 시간

실험 용기 동일한 크기와 형태를 사용

기름과 물의 비율 일정하게 유지

실험 온도 일정하게 유지

-종속변인

유화의 안정성

유화된 혼합물의 분리 시간

(유화가 안정적일수록 혼합물이 분리되는 데 더 오랜 시간이 걸리므로 유화제와 계면활성제 비율의 효과를 평가할 수 있음)

1.유화제와 계면활성제의 다양한 비율을 설정한다.

2.각 비율에 따라 유화제와 계면활성제를 물과 기름에 혼합한다.

3.일정한 속도로 혼합하고, 혼합 시간을 기록한다.

유화의 안정성 측정:

4.일정 시간후 유화의 분리 여부를 관찰하고 기록한다.

5.광학 밀도 측정기 or 분광광도계로 유화의 농도를 측정하여 비교한다.

(유화액의 광학 밀도를 측정하여 유화의 농도를 평가하는 이유는 안정한 유화는 더 높은 광학 밀도를 나타내기때문)

6.각 비율에서 유화의 안정성을 비교하고, 안정적인 비율과 불안정한 비율을 알아낸다.

7.그래프를 작성하여 결과를 시각적으로 표현한다.

8.실험 결과를 바탕으로 가설을 검증하고, 유화제와 계면활성제의 최적 비율을 제안한다.

실험1: 빛의 색(파장)이 자색 비황세균의 수질 정화 효율에 미치는 영향

가설: 특정 파장의 빛에서 자색 비황세균의 오염물 분해 정도가 증가할 것이다.

조작변인: 빛의 색

종속변인: 물의 탁도 변화(혹은 pH변화)

통제변인: 세균의 양, 배양시간, 오염물의 종류 및 양, 온도…

실험과정: 자색 비황세균을 배양하고, 오염물질로 사용할 용액을 준비한다. 세균과 오염물의 혼합물을 배양병에 담고 일정한 시간동안 각각 다른 파장의 빛을 비춘다. 같은 시간에 물의 탁도와 pH변화를 측정한다.

실험2: 빛의 색(파장)이 자색 비황세균의 수소 생성에 미치는 영향

가설: 특정 파장의 빛에서 자색 비황세균의 수소 생성량이 증가할 것이다.

조작변인: 빛의 색

종속변인: 수소 생성량

통제: 세균의 양, 배양시간, 오염물의 종류 및 양, 온도…

실험과정: 자색 비황세균을 배양하고, 오염물질로 사용할 용액을 준비한다. 세균과 오염물의 혼합물을 배양병에 담고 일정한 시간동안 각각 다른 파장의 빛을 비춘다. 수소 기체를 포집하여 부피를 측정한다.(발생량 비교)

최근 들어 LED전구를 사용하는 빈도가 늘고 있는데, LED전구와 기존 전구 중 어느 것이 더 적은 전력량을 사용하는지 궁금했다. 또한 종종 어른들이 말씀하시길, 전등을 반복해서 키고 끄면 전기세가 더 많이 나온다고 하시곤 하는데, 이것이 진짜일지에 대해 의문이 들어 탐구해보고자 한다.

연구 가설&설계//

가설 1:LED 전구가 기존에 사용하던 전구에 비해 더 적은 소비전력을 가질 것이다.

가설 2: 껐다 키기를 반복한 횟수가 많을수록 전구의 평균 소비전력이 더 클 것이다.

[실험 1]

통제 변인:전구의 밝기,전구를 켜는 시간

독립 변인:전구의 종류

종속 변인:전구를 켜는데 쓰인 전력량

[실험 2]

통제 변인:전구의 종류,전구의 밝기,전구가 켜져 있는 총 시간

독립 변인:중간에 전구를 껐다 키는 횟수,

종속 변인:전구가 켜져 있던 시간 동안의 평균 전력량

탐구과정//

[실험 1]

1.두가지 전구를 각각 전원 공급 장치에 연결하고 각 전구 회로에 전류계와 전압계를 연결한다.

2.각 전구가 완전히 켜졌을 때의 전류와 전압을 측정하고, 둘을 곱해 전력을 구한다.

3.구한 전력의 크기를 비교한다.

[실험 2]

1.같은 종류의 전구 두개(이하 A,B)를 각각 전원 공급 장치에 연결하고, 각 전구 회로에 전류계와 전압계를 연결한다.

2.A를 30초동안 연속해서 켜 두고, 30초 동안의 평균 전력량을 구한다.

3.B를 10초씩 세번에 걸쳐 켜 두고, 키거나, 끄는 순간의 전류와 전압의 변화를 확인한다.

탐구 동기: 요즘 들어 사막화 현상과 지구온난화에 따른 물 부족 현상이 계속 되고 있다는것을 들었다. 그렇기에 이를 해결 할 수 있는 방법을 찾던중 여러가지 담수화 기술에 대해 알게 되었다. 그리하여 각각의 담수화 기술에 따른 담수 효율에 대해 탐구하고자 한다.

탐구가설: 1.증발-응축 방법(태양열 방식)이 담수화가 가장 잘 될 것이다 2.역삼투압 방법이 담수화가 가장 잘 될 것이다. 3.전기분해 방법이 담수화가 가장 잘 될 것이다

변인통제

-독립변인: 각각의 담수화 효율

-통제변인: 똑같은 농도의 소금물, 소금의 종류, 같은 종류의 염도계+전도도계

-조작변인: 담수화 방법

탐구과정: 먼저 3.5% (해수의 염도)로 맞춘다. 이 농도는 실제 해수의 염도와 유사하기 때문에 현실적인 실험이 될 수 있기 때문이다. 이렇게 소금물을 3개를 만들어 실험을 한다.

1.증발-응축 방법의 같은 경우 얕은 유리 접시나 플라스틱 용기에 준비한 소금물을 넣는다. 투명한 유리 덮개나 투명한 플라스틱 랩을 용기의 위에 덮어주고 이 덮개는 실험을 할때 수증기가 응축되어 떨어지게 하는 역할을 합니다.

2.역삼투압 방법의 같은 경우 두 개의 투명 플라스틱 컵을 준비합니다.한 컵에는 염수를 넣고,다른 컵에는 순수한 물(담수)을 넣는다. 이 두 컵을 반투막으로 연결한다.반투막은 두 컵을 완전히 가로지르는 방식으로 설치해야 합니다. 이때, 반투막은 염수와 순수한 물을 구분하는 벽 역할을 한다.

3.전기분해 방법의 같은 경우: 용기의 크기에 맞는 두 개의 전극을 준비한다. 전해 셀로 사용할 용기(예: 유리컵)에 준비한 염수를 채운다. 전극은 보통 그래파이트(연필심)나 구리 전극을 사용할 수 있다. 수소 기체는 음극에서 발생해 기포를 형성하고,산소 기체는 양극에서 발생한다. 그리고 전극을 염수에 잠기도록 용기에 설치한다. 전극은 용기의 양쪽에 위치시켜야 하며 전극의 끝 부분이 염수에 잠기도록 설정한다. 전극의 플러스(+) 전극과 마이너스(-) 전극을 정확히 구분하여 배치한다.전원 공급 장치를 염수의 전극에 연결한다. 일반적으로 플러스 전극에서는 산소가 발생하고, 마이너스 전극에서는 수소가 발생합니다 이 기체들은 각각 전극 위에서 기포로 보일 것이다. 전기분해가 진행되면, 염수에서 수소와 산소가 생성되고,이로 인해 염수의 염분 농도가 감소하게 된다.

마무리: 각 방법으로 얻은 담수의 양이나 염분 농도를 비교하고, 실험 조건에 따른 효율성 차이를 분석할 수 있다. 그 후, 실험에서 얻은 데이터를 기반으로 시각화 자료로 만든다

탐구 가설 및 설계

가설: 카페인의 농도가 증가할수록 세균의 성장 억제 효과가 강하게 나타날 것이다

조작 변인: 카페인 농도

통제 변인: 배양 온도(37°C)

• 배양 시간

• 세균 초기 농도

• 배양 배지

• 세균의 종류(휴대폰 액정에 있는 세균)

종속 변인: 세균 군집의 밀도

탐구 과정

(1) 카페인 용액 준비

카페인 용액을 준비한다.

(2) 휴대폰에서 세균 채취

휴대폰 액정에서 세균을 채취한다.
멸균된 스왑을 사용하여 휴대폰 액정의 여러 부분을 문질러 세균을 채취한다.

(3) 세균 배양 배지 준비

배양 배지를 준비한다.
LB 배지 페트리 접시에 고르게 한다.

(4) 세균 접종

채취한 세균을 페트리 접시에 도포한다.
멸균된 스왑을 사용하여 배지에 세균을 고르게 퍼지도록 접종한다.

(5) 카페인 용액 적용

세균이 도포된 배지에 각 농도의 카페인 용액을 분주한다.

(6) 배양

배양기에서 페트리 접시를 24~48시간 동안 배양한다.
배양 온도는 37°C로 설정하여 세균이 최적으로 자랄 수 있도록 한다.

(7) 세균 성장 관찰

배양이 끝난 후 세균 군집의 크기와 밀도를 관찰한다.
카페인 농도가 높은 접시에서 세균 군집이 작아지거나 자라지 않는 지를 확인한다.

생성된 콜로니의 개수를 세서 세균이 억제되는 정도 파악하기

(콜로니는 세균이 배지에서 증식하면서 형성하는 집합체를 말한다. 세균이 단독으로 또는 여러 개의 세균이 함께 자라면서 하나의 덩어리처럼 보이는 구조를 만들게 된다. 이 콜로니는 육안으로 볼 수 있을 만큼 커지고, 각 콜로니는 원래 한 마리의 세균에서 유래한 것으로 간주된다)

더 생각해볼 것...

세균 초기 농도

가설

가설 1: 특정 식물 추출물은 DPPH를 소거하는 데 있어 강한 항산화 효과를 보일 것이다

가설 2: 농도가 높을수록 식물 추출물의 항산화 활성은 강해질 것이다.

1차 실험: DPPH 분석법을 이용한 항산화 효과 측정

방법:

1. 식물 추출물 준비: 녹차, 블루베리, 사과 등 다양한 식물에서 추출물을 준비합니다.

2. 알코올추출법을 활용하여 열매를 에탄올에 담근후 여과하여 항산화물질을 추출한다

3. DPPH 용액과 혼합: 추출물을 DPPH 용액과 혼합하여 반응시킨 후, 흡광도를 측정하여 항산화 활성을 계산합니다.

4. 농도별 실험: 여러 농도(예: 0.1, 0.5, 1 mg/mL)의 추출물로 실험을 진행합니다.

5. 흡광도 측정: 분광광도계를 사용하여 517nm에서 흡광도를 측정하고, 이를 통해 항산화 효과를 평가합니다.

+각 식물마다 가지고있는 항산화 성분이 다르다

폴리페놀(녹차,블루베리 등)

비타민C(귤,레몬 등)

과 같은 다양한 항산화 성분이 있다

2차 실험: 항산화 효과 비교 및 표준 물질 대조군 설정

• 목적: 비타민 C와 같은 표준 항산화 물질과 비교하여 실험한 식물 추출물의 항산화 효과를 비교합니다.

• 방법:

  1. 비타민 C 준비: 표준 항산화 물질인 비타민 C를 준비하여 농도별로 실험을 진행합니다.

  2. 비타민 C와 식물 추출물 비교: 각 추출물과 비타민 C의 흡광도 변화와 항산화 효과를 비교합니다.

  3. 반복 실험: 동일한 절차로 실험을 반복하여 정확한 결과를 추출한다.

조작변인, 통제변인, 종속변인

• 조작변인

  • 식물 추출물의 농도 (예: 0.1 mg/mL, 0.5 mg/mL, 1 mg/mL)

  • 식물의 종류 (예: 녹차, 블루베리, 사과 등)

• 통제변인

  • DPPH 용액의 농도 (고정된 농도 사용)

  • 실험 환경 (온도, pH 등)

  • 반응 시간 (30분 고정)

  • 분광광도계의 설정 (λ=517nm)

• 종속변인

  • 흡광도 (517 nm에서 측정)

  • 항산화 활성 (DPPH 색 변화율)

준비물

• 식물 샘플 (녹차, 블루베리, 사과 등)

• 에탄올 (식물 추출을 위한 용매)

• DPPH 용액 (색변화 확인)

• 비타민 C (표준 물질로 사용)

• 분광광도계 (흡광도 측정을 위해 사용)

• 실험용 플라스크 및 시약병 (혼합용)

• 파이펫 및 마이크로피펫 (정확한 시료 측정을 위해)

• 타이머 (반응 시간을 측정)

• pH 측정기 (필요시)

기대효과

• 항산화 물질의 유효성 평가: 이 실험을 통해 식물 추출물이 얼마나 항산화 효과가 있는지 평가할 수 있습니다.

• 자연 유래 항산화 물질 개발: 식물에서 추출한 물질이 건강 보조제나 화장품 등의 원료로 사용될 가능성을 확인할 수 있습니다.

• 세포 손상 예방 연구: 활성산소를 제거하는 자연 유래 항산화 물질의 중요성을 강조하고, 건강 증진에 기여할 수 있습니다.

추가탐구

-항산화물질의 추출법을 바꾼다(물)

-

제언

-만약 항산화물질의 농도가 과도하게 높아졌을경우 항산화 물질간의 상호작용이 오히려 반응속도를 늦출수있다

->같은 활성산소를 표적으로 할때 상호작용 속도가 저하될수있음

-너무 많은 항산화 물질이 세포간 신호전달을 방해할수있다

미세플라스틱, 특히 폴리스티렌은 환경에 축적되어 심각한 문제를 야기하고 있다. 기존의 물리적 여과 방법은 미세한 부유 입자를 완벽하게 제거하기 어렵기 때문에, 화학적 반응인 광촉매 반응을 활용하여 폴리스티렌을 분해할 수 있는 효율적인 방법을 찾고자 한다. 이산화티타늄(TiO₂)은 자외선에서 활성화되는 광촉매로 알려져 있으며, 이를 가시광선에서도 활성화할 수 있도록 탄소 도핑을 적용하여 효과적으로 폴리스티렌을 분해할 수 있는지 확인하려 한다.

실험 원리:

광촉매 원리 : 빛을 받으면 광촉매 표면에서 전자 정공 쌍이 생성 -> 생성된 전자와 정공이 각각 산화 환원 반응을 촉진(전자는 빠져나가고 정공은 산소와 반응해 하이드록실 라디칼과 초산화 이온등을 생성) -> 이를 통해 산화 환원 반응, 유기물 분해, 향균 작용등이 가능(하이트록실 라디칼 같은 활성 산소종들이 탄소의 결합을 끊음)

가설:탄소 도핑된 이산화티타늄은 일반 이산화티타늄보다 가시광선 하에서 폴리스티렌 분해 효율이 높을 것이다.

조작변인- 광촉매 도핑 여부 / 종속변인- 폴리스티렌이 분해 정도(질량 변화)

준비물:

폴리스티렌 (PS), 이산화 티타늄 분말 (TiO₂), 구연산 (탄소원), 증류수, UV램프 (자외선 광원), 교반기, 전자저울, 원심분리기

실험 준비 - 이산화티타늄 탄소 도핑하기:

탄소가 이산화티타늄의 띠 간격을 좁혀서 가시광선에서도 전자를 들뜨게 만들어주는 것

탄소가 산소 자리를 대체함 . 일반적인 산소 이온은 2⁻인데, 탄소는 전자 상태가 달라  전자 구조 왜곡 발생하고 띠 간격 변화함. 

1.이산화티타늄과 구연산을 1:1 비율로 혼합한다. (이산화티타늄과 탄소원인 구연산을 결합)

2.혼합물을 건조시켜 탄소가 이산화티타늄에 도핑되도록 준비한다.

3.밀폐된 환경에서 고온으로 열처리 (300~500°C)하여 도핑된 이산화티타늄을 만든다.

실험 진행:

1.일정량의 폴리스티렌을 증류수에 넣고 교반기로 잘 섞어 미세플라스틱 현탁액을 만든다.

2. 이산화티타늄 분말과  탄소 도핑된 이산화티타늄 분말을 각각 현탁액에 첨가한다. 교반기를 사용하여 균일하게 섞어준다.

3.두 실험군 모두 UV램프와 LED등 아래에  배치하여 자외선과 가시광선에 노출시킨다.

4.원심분리기를 사용하여 폴리스티렌 입자와 이산화티타늄이 침전되도록 한다. 상등액을 제거하고, 고형물 (침전물)을 회수한다 ( 감소한 이산화티타늄과 폴리스티렌 입자만을 측청하기 위함).

5.고형물의 질량을 측정하고 실험에 사용한 폴리스티렌과 이산화티타늄의 질량을 바탕으로 분해 효율을 계산한다.   

이산화티타늄필터 만들기

1. 탐구동기: 생명과학 분야에 관심이 많아서 관련 주제를 탐색하던 중, 친환경 연료인 바이오디젤에 눈길이 갔다. 바이오디젤의 원료가 중성지방이라는 것을 알게되었고, 더 세부적으로 중성지방이 포화지방과 불포화지방으로 나뉘기 때문에, 이들이 연료로 만들어졌을 때 연료로서의 효능이 어떻게 차이가 나는지 궁금해져서 탐구를 계획하게 되었다.

2. 바이오디젤: 동물성 유지(소기름, 돼지기름) 및 식물성 유지(폐식용유, 유채유)을 메탄올과 반응시켜 생산한 친환경 수송연료(지방산 메틸에스테르)로, 폐식용유 재활용을 통한 수질 개선 및 대기 오염 물질 배출이 없는 친환경 신재생 에너지이다. 디젤 연료와 비슷한 끓는점과 점도를 가지고 있어서 디젤 엔진에 넣어도 연소가 잘 되고 엔진 손상 없이 작동 가능하다. 산소 원자가 포함되어있어 일산화탄소나 그을음이 적다. 

3. 에스터화 반응과 전이에스터화 반응: 에스터화 반응은 알코올과 산이 반응하여 에스터와 물이 만들어지는 반응이다. 바이오디젤을 만들 때는 전이에스터화 반응을 주로 이용하는데 자유지방산의 함유량에 따라 에스터화반응을 먼저 진행한 후 전이에스터화 반응을 진행한다. 전이에스터화 반응은 염기성 촉매를 이용하는데 자유지방산은 염기와 만나면 비누화 현상이 일어나 연료의 순도가 낮아진다. 이에 자유지방산이 많은 원료의 경우 산 촉매를 사용하는 에스터화 반응을 먼저 진행하여 자유지방산을 바꾸고, 그 다음 전이 에스터화를 진행한다. 클로렐라, 해바라기유, 코코넛오일은 자유지방산의 함유량이 높지 않아 바로 전이 에스터화 반응을 진행한다. 메탄올 혹은 에탄올을 이용하여 지방산 메틸에스터(=바이오디젤)를 만든다.

4. 실험과정: 

사용하는 원료: 해바라기유(불포화지방산), 코코넛 오일(포화지방산), 클로렐라(균형있는 조성)

1. 건조된 클로렐라에 에탄올을 넣고 교반한 뒤 여과하여 상층 기름을 추출한다. (해바라기유와 코코넛 오일은 기름을 따로 추출할 필요 없이 바로 진행한다.)

2. 각각 같은 양의 (추출한) 오일을 준비하고 메탄올과 수산화칼륨(촉매)을 녹여 촉매 혼합물을 만든다.

3. 그리고 이들을 혼합한 뒤 교반하고 (에스터화 반응), 분액깔때기에 담아 일정시간이 지나 층이 분리되면 위층의 바이오디젤을 추출한다.

4. 만들어진 바이오디젤 3종을 면심지에 동일한 양을 흡수시키고 점화한다. 불이 붙은 순간부터 완전히 꺼질 때까지의 시간을 측정하며, 연소되는 동안 부가적으로 불꽃의 밝기, 연기 여부(그을음) 등을 확인한다.(연소 시간 비교)

5. 일정한 양의 바이오디젤을 피펫에 넣고 눈금실린더에 일정한 높이에서 떨어뜨리며 전부 흐를 때까지의 걸리는 시간을 측정한다. 흐를 때의 끊김 여부도 확인할 수 있다. (점도 비교)

6. 일정한 양의 바이오디젤을 각각 냉장고에 넣고 일정 시간 간격으로 흐르는 상태 유지 여부를 확인한다.(냉각안정성)

탐구 동기: 뉴스에서 화성의 일몰 사진을 보았을 때 전반적으로 푸른색이 나타나는 것을 보고 지구의 일몰과 왜 차이가 나는지 탐구하고 싶었다.

조작 변인: 공기에 존재하는 물질의 입자의 크기

통제 변인: 빛의 파장, 빛과 용기 사이의 거리, 빛과 측정 센서 사이의 거리, 주변 배경색, 용기의 크기와 형태

통제 수준: 백색광 손전등, 검정 배경(암실), 손전등과 용기 사이의 거리,  

용기: 관이 있고 안의 물질들을 밀폐시킬 수 있는 용기         

조작 변인: 빛의 채도

실험 과정

1. 밖에서 빛이 들어오지 않도록 검은색 종이로 빛이 들어오는 곳을 막는다.

2. 용기를 책상 위에 두고, 용기와 일정 거리 떨어진 지점에서 손전등을 용기에 비추었을 때 빛이 용기의 한 면의 중심에 위치하도록 손전등 거치대로 고정시킨다.

3. 손전등의 빛의 채도를 측정한다.(비교 위함)

- 대조군

1. 용기 안에 공기 청정기로 필터링한 공기를 주입한다.

2. 손전등을 켜고, 실험실 전등은 끈 상태에서 용기에 들어있는 공기를 통과한 빛의 채도를 측정한다.

- 실험군

1. 용기 안에 작은 송풍기를 넣고 작동시킨다.(미세 산화철 분말을 분산시키기 위함)

2. 용기 안 공기를 밀폐시킨 후, 관을 통해서 미세 산화철 분말 넣는다.

3. 손전등을 켜고, 실험실 전등은 끈 상태에서 용기에 들어있는 물질을 통과한 빛의 채도를 측정한다.

     5. 대조군과 실험군에서 측정한 빛의 채도를 비교한다.