학습목표
-각 종 자동차 제작을 통하여 에너지 전환과정을 설명할 수 있다.
상황제시
올 겨울은 사람뿐만 아니라 동물들에게 유독 추운 것 같습니다. 그래서 그런지 오늘은 저녁 식사를 마치고 뉴스를 보는데 이런 얘기가 나오지 뭐 에요?
“요즘 같은 겨울 철 출근하실 때 자동차를 주의 깊게 살펴보셔야 할 것 같습니다. 고양이가 자동차 보닛 속에 들어가서 지낸다고 합니다. 자동차 의 시동을 껐을 때 자동차 속의 열기가 남아 따뜻하기 때문이라고 합니다.
그래서 자동차의 시동을 켤 때는 보닛을 두드려 고양이를 내보낸 후 시동 을 켜야 합니다. 왜냐하면 고양이가 자동차의 기관에 끼어 자칫하면 사고 로 연결될 수 있기 때문입니다.”
‘가여운 고양이가 다칠 수 있겠구나?’ 뉴스를 보던 산타 할아버지는 내 일 아침에는 꼭 한 번 보닛을 두들겨 봐야겠다고 생각했습니다. 그리고 다 음 날, 산타 할아버지는 혹시나 하는 마음에 보닛을 똑똑 두들겼는데 글 쎄, 정말로 고양이 한 마리가 쏙 빠져나와 달려가는 게 아니겠어요? 자칫 잘못하면 고양이가 정말로 다칠 수도 있었다는 생각에 안도의 한숨을 내 쉬었습니다.
그런데 한편으로 산타 할아버지는 궁금하기도 했습니다. ‘도대체 자동차 안은 얼마나 따뜻한 거지? 얼마나 따뜻하기에 고양이가 추운 겨울을 따뜻 하게 보낼 수 있는 거지? 그리고 왜 그렇게 따뜻한 거지?’ 사실 산타 할아 버지도 자동차에 대해서는 잘 모르시거든요. 혹시 여러분은 그 이유에 대 해 알고 계시나요?
Ⅶ
수업 내용
내용과 활동
■ 하이브리드 자동차와 에너지 전환
하이브리드 자동차는 배터리, 연료 탱크, 발전기, 전기모터, 엔진, 변속기 등으로 구성되어 있다. 하이브리드 자동차는 내부에서 다양한 에너지의 변 환이 일어난다.
아래 빈 칸을 채워보기 바랍니다.
구조 기능 투입 에너지 산출 에너지
연료 탱크 자동차의 연료 저장
엔진 연료를 연소시켜 동력 발생
변속기
기어비를 조정하여 속 도와 힘의 크기를 변 화
발전기 운동 에너지를 전기 에너지로 저장한다.
배터리
브레이크나 발전기에 서 생산된 에너지를
■ (활동) 무동력 자동차 만들기 4인 1조로 팀의 구성하여 주어진 재료만 을 이용해 별도의 동력원 없이 경사면에 서 최대한 멀리 이동할 수 있는 자동차를 제작해 보고, 자동차가 보다 멀리 이동하 려면 어떤 조건이 필요한지 생각 해 보 자.
■ (활동) 무동력 자동차 계획하기
계획 및 정보 수집하기 20 년 월 일 교시 1. 무동력 자동차의 필수 구성 요소에는 어떤 것들이 있을까?
2. 주어진 재료를 어떻게 활용할 수 있을까?
재료 용도 비고
나무젓가락 견출지
빨대 나무꼬치
골판지
3. 과제의 성공적 수행을 위해 역할을 어떻게 분담할까?
이름 역할 비고
4. 자동차의 외형을 스케치해 보세요.
[지도상 유의점]
학생들은 자유롭게 제작하라고 제시를 하면 자유로운 생 각에 너무 치우쳐 주제와 임무를 잠 시 잊는 경우가 있 습니다. 그러한 경 우를 줄이기 위해 자동차 계획단계에 서 자동차에 대한 평가를 인식할 수 있도록 지도해 주 세요. 평가 기준에 대한 인식이 곧 문 제인식이므로 문제 인식 단계부터 올 바른 경험을 할 수 있도록 지도해 주 세요.
■ (활동)무동력 자동차 제작
제품의 제작 과정을 그림을 그리거나 사진을 찍어서 붙이고 밑에 간단한 제목과 설명을 적으세요.
1
→ 2
3
→ 4
5
→ 6
5
[지도상 유의점]
무동력 자동차를 제작하는 과정마다 사진을 찍어두고 무엇을 하고 있는 지 간략하게 설명 할 수 있도록 해주 세요. 그렇게 한다 면 만약 자동차가 제대로 작동하지 않을 때 어떤 과정 에서 문제가 생겼 는지 찾기 쉬울 것 입니다.
■ (활동)무동력 자동차 평가
1) 경사면에서 굴려보고, 경사면의 높이를 바꿨을 때 얼마나 어떤 변화가 생기는 지 적어보자.
경사 각도 20° 30° 40° 50° 60°
이동 거리
2) 잘된 점과 개선점 찾기
잘된 점 개선점
3) 느낀 점 적어보기
[지도상 유의점]
무동력 자동차 평 가는 경진대회라고 볼 수 있습니다.
그러므로 처음 시 작부터 학생들에게 간단하게라도 룰을 설명할 수 있도록 지도합니다. 그리 고 자동차를 굴리 는 횟수를 1번 보 다는 시간이 되는 대로 많은 횟수를 굴리게 하여 평균 을 내는 것이 효과 적입니다.
■ (활동)탄성자동차 만들기 고무줄을 바퀴축에 연결해서 탄 성에너지를 저장한 후에 이 힘 을 이용해 이동하는 고무줄 자 동차를 만들어보자. 고무줄의 탄 성 에너지를 최대한 이용하고, 동력 전달과정에서 손실되는 마 찰에너지를 최소화시켜야만 가 장 멀리 이동할 수 있다. 어떻게 제작을 해야 가장 멀리 갈 수 있을까 생각을 써봅시다.
■ (활동)탄성자동차 계획 및 정보수집
계획 및 정보 수집하기 20 년 월 일 교시
1. 실제 자동차에서 고무줄에 해당하는 부품은 어떤 것인가? (V표를 하세 요)
바퀴 축 엔진
몸체 발전기 변속기
2. 고무줄 자동차에서 사용하는 에너지의 종류는?(예: 역학적 에너지, 전 기 에너지)
3. 만약 고무줄의 종류가 달라진다면 어떻게 될까? 고무줄이 길어진다면?
고무줄이 두꺼워 진다면?
4. 고무줄의 에너지가 어떻게 자동차를 움직이게 할 수 있을까?
5. 바퀴 축으로 사용할 나무꼬치는 얇다. 하지만 CD의 중간 구멍은 이보 다 훨씬 크다. 어떻게 하면 CD를 나무꼬치에 연결할 수 있을까?
6. 과제의 성공적 수행을 위해 역할을 어떻게 분담할까?
이름 역할 비고
[지도상 유의점]
탄성자동차의 디자 인과 제작방법이 이미 제시되어있는 활동이므로 에너지 전환을 효율적으로 하는 방법을 찾는 활동에 활동의 초 점을 맞추는 것이 효과적입니다.
■ (활동)탄성자동차 제작
1) 골판지를 일정한 크기로 자른 후에 고무줄을 감아주기 위한 홈을 ㄷ자 모양으로 잘라낸다.
2) 몸체에 축을 연결한다. 축을 연결할 때 양쪽이 대칭을 이루도록 한다.
3) 축의 일부를 잘라서 고무줄 걸쇠를 만들어 준 다. 고무줄 걸쇠는 떨어지지 않도록 튼튼하게 고정시켜야 한다.
4) 바퀴 축에 CD를 연결한다. CD의 중앙 구멍이 바퀴 축보다 크기 때문에 CD의 양쪽에 골판지 를 붙여준 후에 바퀴 축을 CD에 붙어있는 골판 지와 연결한다.
5) 고무줄을 몸체에 붙여준다.
[지도상 유의점]
탄성자동차의 제작 은 비교적 간단하 게 할 수 있지만 재료가 규격화 되 어있지 않아 정교 하게 만들지 않으 면 원하는 결과를 얻을 수 없습니다.
그러므로 최대한 정교하게 만들 수 있는 환경을 제공 해 줄 수 있도록 지도해 주세요.
■ (활동)탄성자동차 평가
- 완성되었으면 고무줄을 바퀴 축에 붙어 있는 고무줄 걸쇠에 끼우고 바 퀴를 돌려서 탄성 에너지를 모아서 전진시켜본다.
항목 결과 조치
바퀴축이 회전할 때 마찰저항이 없이 회전하는 가?
예
아니요 바퀴가 회전할 때 편심이 생기지 않고 고르게
회전하는가?
예
아니요 바퀴가 회전하면서 몸체와 닿지 않고 원활하게
회전하는가?
예
아니요 고무줄을 걸쇠에 걸고 감았을 때 몸체가 휘거
나 걸쇠가 빠지지 않는가?
예
아니요
바퀴축이 몸체와 수직으로 되어 있는가? 예
아니요
바퀴와 바퀴축이 수직으로 되어 있는가? 예
아니요
[지도상 유의점]
탄성자동차의 평가 에서 중요한 포인 트는 항목의 결과 가 실패했을 때 조 치를 취할 방법을 생각할 수 있는 능 력입니다. 실패에 대하여 정밀한 원 인분석을 할 수 있 도록 충분한 피드 백을 주는 지도를 하셔야 합니다.
■ (활동)탄성자동차 더 생각해보기
1) 고무줄 자동차의 에너지 변환 과정을 적어보시오.
2) 에너지 변환의 관점에서 고무줄 자동차와 일반 자동차의 차이점은?
3) 바퀴와 바퀴축이 고르게 회전하기 위해 필요한 요소는?
4) 바퀴의 크기를 변화시켰을 때 어떤 일이 일어날까?
[지도상 유의점]
탄성자동차에 대한 이론적인 학습과 이론을 적용한 발 전된 자동차를 생 각할 수 있는 기회 를 가질 수 있습니 다. 과학이론을 적 용한 사고실험을 통하여 결과를 예 측하고 토론할 수 있는 기회를 제공 하시면 더 효과적 입니다.
5) 고무줄을 많이 감으면 더 멀리 이동할까? 고무줄을 감은 만큼 더 멀리 이동하지 않는 이유는 무엇일까?
6) 몸체의 무게가 더 가볍거나 무거워 진다면 어떤 일이 일어날까?
7) 고무줄의 길이를 변화시키면 어떤 일이 일어날까?
8) 이 활동을 통해 알게 된, 실제 자동차의 효율을 높이기 위해 설계 시 고려되어야 할 점은?
Ⅷ
평가와 보상
■ 평가
평가대상 평가 항목
평가 대상 ( ) 5
(매우좋음)
4
(좋음)
3
(보통)
2
(나쁨)
1
(매우나쁨)
마찰저항이 많은가?
바퀴가 고르게 회전하는가?
바퀴가 몸체와 닿지않는가?
고무줄 걸쇠의 내구성은 우수한가?
바퀴축과 몸체가 수직인가?
바퀴와 바퀴축이 수직인가?
■ 보상
조별 평가 점수를 합산 하여 순위를 산정하여 보상
■ 에너지 전환 1) 에너지와 에너지원
가) 에너지 : 일을 할 수 있는 능력
나) 에너지원 : 에너지를 가진 물질이나 자연 현상
※ 일 : 물체에 외부 힘이 작용하여 그것이 힘의 방향으로 움직일 때, 외부의 힘이 물체에 일을 했다라고 표현함.
W = F·s 일의 단위 MKS단위 : 1J = 1N×1m
※ 일률 : 일의 능률, 1초 동안에 1J의 일을 할 때의 일의 능률 W(와트) = 1J/1s = 1J/s, 1W·h = 3600J, 1kcal = 4.18J×103