학생탐구활동1: 레이저 하프 제작 1차
학생탐구활동 1: 레이저 하프 제작 2차
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창의적 설계
-지난 차시에 제작한 아날로그 입력방식의 레이저 하프로 연주해본다.
-8음계(1옥타브) 가 안되는 이유를 생각해보자.
1. 레이저 하프 제작 2차 ※ 제작방법은 4차시 레이저 하프 제작 1차 제작방법 참고 (Arduino 컨트롤러 활용하여 1옥타브의 연주가 구현되게 제작)
레이저하프의 아날로그 입력방식으로는 8음계를 표현할 수 없다.
▲ 디지털 입력방식으로 교체한 2차 레이저하프
- 주어진 회로도를 보며 회로를 연결한다.
- usb로 연결하여 pc에서 음을 인식하고, 처리할 수 있게 소스를 입력
- 상판에서 조사하는 레이저의 각도를 조절하여 CdS 광센서로 향하게 하며, 광센서 머리 부분에 빨대나 튜브를 끼워 빛을 잘 받고, 주변의 영향을 덜 받게 한다.
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① 레이저하프 구성품 알아보자.
제품명 스쿨(학교) 가격 개수 판매처 링크
Arduino UNO
R3 39,900 1
http://mediaflow.cafe24.com/
product/detail.html?product_
no=42&cate_no=61&display_group=1
브레드보드 6,600 3
http://mediaflow.cafe24.com/
product/detail.html?product_
no=114&cate_no=71&display_group
스피커 400 1 http://www.ds-parts.co.kr/goods_
detail.php?goodsIdx=4875
CdS 광센서 200 10 http://www.devicemart.co.kr/goods/
view.php?seq=11364
레이저포인터 3,000 8 http://www.devicemart.co.kr/goods/
view.php?seq=38082
10K 옴 저항 x 10 100 1 http://www.devicemart.co.kr/goods/
view.php?seq=856
100 옴 저항 x 10 100 1 http://www.devicemart.co.kr/goods/
view.php?seq=895
점퍼케이블 7,260 1
http://mediaflow.cafe24.com/
product/detail.html?product_
no=187&cate_no=73&display_
group=1
12V전원(선택사항) 13,200 1
http://mediaflow.cafe24.com/
product/detail.html?product_
no=91&cate_no=74&display_group=
USB2.0 케이블 2,200 1
http://mediaflow.cafe24.com/
product/detail.html?product_
no=188&cate_no=71&display_group=
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② 레이저하프 조립하기
아두이노에 프로그램을 깔기 전, 먼저 레이저하프의 부품들을 기판 위에 조립할 것이다.
먼저 브레드보드 기판 3개를 준비하자. 앞서 제작하게 될 레이저하프는 8음계이므로 현들이 적당한 너비를 가지고 있어야하기 때문에 3개를 일렬로 길게 이어붙인 하나의 새로운 기판에 부품을 조립할 것이다. 그렇다면 어떻게 세 개의 기판을 하나로 합칠 수 있을까?
1단계: 세 개의 기판 합치기
다음 그림 a) 를 살펴보면 어떻게 합치는지 사진 한 장으로 설명되어있다. 먼저 두 브레드보드를 물리적으로 레고 끼우듯이 맞춘다. 그 다음, 점퍼 와이어로 +극은 +끼리, -극은 -끼리 연결한다. (그림에서는 짧은 점퍼로 대용함.) 마찬가지로 반대편도 점퍼 와이어로 연결하면 두 브레드보드는 하나의 보드랑 다름없는 구조를 가지게 된다. 이렇게 하나만 더 연결하면 끝이다.
2단계: 기판에 아두이노의 전원 공급
아두이노의 작은 덩치에도 불구하고 안정된 전원을 지속적으로 공급하면 5V의 꽤 많은 전력을 활용할 수 있다. 레이저하프의 레이저 모듈을 작동시키는 방법은 바로 이 아두이노의 전 력 을 이 용 하 는 것 이 다 . 그 림 a ) 와 같 이 기판의 끝을 같은 극끼리 점퍼 와이어로 연결 후, 아두이노의 5V, GND 단자를 각각 +, -와 연결한다.
3단계: 각종 저항, 센서, 레이저 포인터 활용 부품들의 여러 가지 특성 중 크게 두 가지로 분류가 가능한데, 이를 참고하고 조립하면 분명 도움이 될 것이다.
극의 구별이 있는 부품을 잘못 조립했다면 작동이 안 되니 이 점 유의하기 바란다.
그림 a) 두 판을 이어붙인 모습
그림 b) 아두이노로부터 전력 공급받기
그림 c) CdS 셀 연결
+극, -극을 구분하는 부품 극의 구별이 없는 부품
레이저 포인터, 스피커 모든 저항, CdS 셀, 각종 전선
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4단계: 부품 조립
필요한 부품은 10K옴 저항, 빨간색 지렁이 모양의 센서, 점퍼 와이어이다. 그림c) 와 같이 센서모듈을 만든다.
이때 브레드보드에 장치를 꼽는 방식은 그림d) 와 같은데, 선으로 연결된 부분끼리는 모두 내부에 금속으로 만나게 된다. 따라서 두 장치를 이을 때 납땜 없이도 간편히 조립할 수 있는 간편한 보드다.
브레드보드의 내부 구조를 이해하면 장치를 꼽는 방식을 더 잘 이해할 수 있다.
예를 들면 지금 CdS 센서와 저항과의 연결 관계는 직렬연결 관계인 걸 찾아낼 수 있다. 그리고 두 장치 사이에 아두이노 입력 단자가 껴있다.
5단계: 부품 조립
성공적으로 센서와 저항을 연결했다면 그림e) 처럼 7개를 더 연결해보자. 이때 노란색 선은 디지털 단자의 2~9까지의 번호 순으로 접속되어있다.
6단계: 레이저 설치
레이저는 센서조립보다 더 간단한 모습을 하고 있다.
단순히 레이저, 저항을 직렬연결하면 끝이다. 그림f) 를 참고하여 레이저 포인터의 극을 주의하여 저항 100옴과 같이 직렬로 조립해보자. (-)는 검은색, (+)는 빨간색이다. 이때 센서를 위쪽에 설치했으면 아 래 쪽 에 공 간 이 남 으 므 로 아 래 쪽 에 맞 추 어 조립해보자. 이 역시 7개를 추가로 연결해서 센서의 개수와 같아지도록 한다.
7단계: 스피커 연결
스피커는 그림g) 와 같이 극을 주의하며 조립한다.
이때 밖으로 나가는 주황색 선은 디지털 단자 10번과 연결된다.
그림 d) 브레드 보드
그림 e) 센서 8개를 연결한 모습
그림 f) 레이저 포인터 연결
그림 g) 스피커 연결
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③ 아두이노 코드 삽입
1. 아두이노와 USB케이블을 연결하여 컴퓨터에 꽂는다.
2. 아두이노 프로그램을 실행한다.
3. 아두이노 프로그램 디렉토리의 라이브러리 폴더에 들어간다.
예: (C:\Program Files (x86)\Arduino\libraries) 4. 그곳에서 ‘pitches’ 라는 이름의 폴더를 만든다.
5. 첨부된 pitches.h 파일을 폴더에 집어넣는다.
6. 보고서 파일에 첨부된 .ino 프로그램을 실행한다.
7. 제어판-> 하드웨어 및 소리-> 장치 관리자 -> 포트에서 아두이노의 포트 이름을 알아낸다.
8. Tools-> Serial Port->에서 아두이노 포트와 같은 것을 클릭한다.
9. 화살표 => 모양의 upload 버튼을 누른다.
④ 레이저하프 작동하기
프로그램을 업로드 하자마자 스피커에서 이상한 소리가 날 수 있다. 사실 그것은 레이저하프가 매우 성공적으로 완성됐다는 뜻이다. 즉, 센서가 빛의 어두움을 감지했다는 뜻이다. 그러나 소리가 안 나온다면 밝은 조명 아래에서 장치를 갖다 놓고 손으로 센서를 가려보자. 그래도 소리가 안난다면, 안타깝게도 장치를 제대로 만들지 못한 것이다.
부품을 제대로 끼웠나 확인하고, 프로그램이 제대로 업로드 된지 확인해보자.
2. 에너지의 양자화 (1) 바닥상태와 들뜬상태
① 바닥상태: 전자가 가장 낮은 에너지 준위 궤도에 있는 상태
② 들뜬상태: 전자가 바닥상태보다 높은 에너지 준위 궤도에 있는 상태
③ 바닥상태에 있는 전자가 에너지를 공급받으면 들뜬상태로 전이
④ 들뜬상태에 있는 전자는 빛(광자)을 방출하면서 바닥상태로 전이
▲pitches.h 경로 ▲포트 설정
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(2) 전자가 전이할 때 방출되는 광자의 에너지는 두 에너지 준위의 차와 같다.
ΔΕ에너지준위=Ε광자=hf
3. 광센서 (CdS(황화카드뮴) 셀) 의 기능
일반적으로 12-16족의 화합물은 반도체의 성질을 지닐 수 있다. 황화카드뮴도 따라서 반도체이며, 최근 들어 자주 사용되는 광센서이다. 이 반도체는 빛을 흡수하면 전기 저항이 감소하고, 빛을 받지 못하면 전기 저항이 증가한다.
반도체가 빛을 받아 전기 저항이 변하는 원리를 이해하려면, 먼저 광전효과를 알아야한다.
광전효과에 의하면 자유전자들이 있는 금속에 빛을 비추면 알갱이와 같은 빛이 전자에 부딪쳐서 전자를 튕겨낸다. 이는 마치 당구공끼리 부딪칠 때 당구공이 튕겨 나가는 것과 같은데, 이때 튀어나온 전자를 광전자라고 한다.
광전효과의 실험적 사실에 대해 알아보면 첫째, 금속에서 광전자가 튀어나오게 하기 위해서는 금속에 비추는 빛의 진동수가 특정 진동수보다 커야한다. 이때 이 특정진동수를 한계진동수하고 한다. 둘째, 아무리 세기가 약한 빛이라도 그 진동수가 한계진동수 보다 크면 시간 지연 없이 광전자는 즉시 튀어나온다. 셋째, 광전자의 운동에너지는 빛의 세기와는 관련이 없고 진공수와 관계한다. 넷째, 같은 진동수의 빛을 쪼일 경우에 튀어나오는 광전자의 수, 즉 광전류는 빛의 세기에 비례한다.
위와 같은 실험적 사실이 빛의 파동성으로는 설명할 수 없어서 빛의 파동 모형 이외에 다른 이론이 필요하게 되었다.
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1. 광전 효과
금속 등의 물질에 특정 (진동수) 이상의 빛을 비추었을 때, 금속의 표면에서 전자(광전자)가 튀어 나오는 현상
2. 광전자의 운동 에너지
광전자의 운동 에너지는 빛의 세기와는 관계가 없고 빛의 (진동수)에 비례한다.
3. 레이저 빛이 백열등이나 LED에서 나온 빛과 다른 점은 무엇인가.
레이저는 단색광이며, 방출된 빛의 위상이 모두 같다.
4. 매질의 상태 이외에 어떤 기준으로 레이저를 분류할 수 있는지 알아보자.
레이저마다 방출하는 빛의 진동수에 따라서 적외선 레이저, 가시광선 레이저, 자외선 레이저 등으로 분류할 수 있다.
감성적
체험 형성평가
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생각
되돌아보기
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74
75
PART 02.
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고등학교 1,2학년
STEAM 감성 ICT와 정보 전달
1. 주제 개요
본 프로그램은 유도전류의 개념과 페러데이 전자기 유도법칙을 다양하게 활용하는 방법에 대해 이해하며 다양한 미래의 진로를 탐색해 본다. 첫째, 상황제시를 통해 음악 속에 담겨진 수학의 원리와 그 아름다움에 대해 이해하며, 아름다운 음을 내주는 악기의 고유진동수에 대해 학습한다. 또한, 재생의 원리에는 물리가 있음을 확인한다. 골드웨이브 프로그램을 통해 주파수와 음계의 파형을 탐색해 본다. 창의적 설계 단계에서는 구체적인 과학적 탐구로써 전자기유도의 원리와 페러데이 법칙을 활용한 레이저 광통신 장치를 제작하게 되는데, 이때 제작된 장치를 개선할 수 있는 방법을 평가하고 설계, 모색하는 과정을 경험하게 된다. 감성적 체험 단계에서는 학습한 내용을 바탕으로 다양한 ICT기술을 이용하여 정보를 전달해 본다. ICT 관련 유망직업을 찾아보고, 조사한 직업 중 미래의 명함에 QR코드를 입력하는 등 창의적 아이디어를 표현하여 자기소개 자료 만들기를 실행한다.
2.학습 목표
○ 내용 목표
- 황금비, 피보나치 수열의 원리를 이해하고 실생활에서의 적용된 예를 들어 설명할 수 있다.
- 줄의 정상파의 원리를 설명할 수 있다.
- 전자기 유도의 원리를 설명할 수 있다.
○ 과정 목표
- ICT 관련 직업을 조사해 보며, ICT 유망 직업으로 미래를 설계할 수 있다.
- ICT 관련 직업 탐색하는 수행과정에서 자신의 흥미와 적성에 맞는지 모둠별로 발표하도록 한다.