반중력(Antigravity) 낙하산 만들기
과목 과학 수업차시 1/3
단원 일과 에너지 전환
교육과정
‘힘과 운동’과 연계하여 운동 에너지와 위치 에너지를 알고 역학적 에너지 보존 법칙 을 이해하게 한다.
￭ 운동 에너지와 위치 에너지를 알고 역학적 에너지 보존법칙을 이해한다.
학습목표
￭ 공기 저항과 낙하시간의 관계를 이해할 수 있다.
￭ 베르누이의 원리가 적용된 낙하산을 설계할 수 있다.
￭ 낙하시간을 최대화한 낙하산을 제작할 수 있다.
학습과정 교수 학습 활동 준비물
도입 (15분)
Co 낙하와 관련된 영화의 한 장면 보여줌(캡틴아메리카2)
Co 종이의 낙하과정에 대한 예비 실험 시연
Tip! 책을 아래에 두고 종이를 위에 두었을 때 종이가 공기 저항을 받지 않음을 보여줌으로써 공기 저항에 대한 동기 유발
영화clip 종이
책
학습활동 (60분)
CD 공기 저항의 관계와 베르누이의 원리에 대한 이해 예비 실험 제시
Tip! 탁구공과 깔대기 실험, 드라이기를 이용한 탁구공 띄우기 실험
CD 탁구공의 낙하시간을 늘리기 위한 낙하산 설계 미션 제시
Tip! 탁구공 낙하산 제작을 예비로 실시할 수 있는 재료를 제공함으로써 prototype을 만들어 볼 수 있도록 함
CD 탁구공 낙하시간 최대화 한 낙하산 제작
Tip! 탁구공의 낙하시간을 최대한으로 늘린 낙하산 제작에 필요한 물품 이 충분히 제공되어야 함
ET 탁구공 낙하산 완성품 낙하시간 경진대회
Tip! 공기와 기류 영향을 덜 받도록 하기 위해 실내에서 실시함
탁구공 깔대기 드라이기 비닐봉지
실 가위 투명테이프
종이컵 활동지 필기구
마무리 (25분)
ET 가장 오랫동안 낙하한 팀, 가장 아름다운 팀을 선정하여 작은 상장 수여
ET 모든 팀이 돌아가면서 제작과정과 결과에 대해 발표할 수 있는 기 회 부여
Tip! 창의적인 아이디어를 제시한 팀을 추가적으로 선정하여 발표기회 부여할 수 있음
지도상의 유의점
￭ 학생들이 정확하게 문제를 인식할 수 있도록 모둠별 순회 지도를 한다.
￭ 동료평가 시 객관적인 평가가 이루어지도록 지도한다.
나만의 공기부양장치 만들기!
과목 물리 I 수업차시 2/3
단원 힘과 에너지의 이용
교육과정
물리학 이론의 개념적 구조뿐 아니라, 학생의 선행 개념과 지적 수준, 학생의 경험과 흥 미, 인지적 학습과정에서 밝혀진 연구 결과 등을 반영하여 제시한다. 또 내용의 이해를 돕 기 위해 다양한 학습전략과 활동들을 포함하여 능동적 학습이 이루어질 수 있도록 구성한 다.
￭ 베르누이 법칙을 이용하여 양력과 마그누스 힘을 이해하고, 항공기와 구기 운동에 대한 이용을 안다.
학습목표
￭ 비행의 원리가 무엇인지 이해할 수 있다.
￭ 공기의 힘을 활용한 공기부양장치를 설계할 수 있다.
￭ 공기의 힘을 활용한 공기부양장치를 제작할 수 있다.
학습과정 교수 학습 활동 준비물
도입 (15분)
Co 비행과 관련된 영상 보여줌(직접제작)
Co 떨어지지 않는 비행체(big mouth tumbling) 시연
Tip! big mouth tumbling은 science toy 사이트에 전개도가 있음
동영상clip bigmouth tumbling 우드락
학습활동 (60분)
CD 비행의 원리가 작용-반작용에 있음을 보여주는 사례 제시
Tip! 배면비행, 일반 비행기의 구조, 연, 풍등
CD 공기를 활용한 무마찰 상태 만들기 활동 제시
Tip! CD와 풍선을 활용한 간단한 무마찰 상태 만들기 상황 경험하도록 함으로써 작용-반작용을 통해 부양이 가능함을 보여줌
CD 나만의 호버크래프트 설계하기 미션 제시
Tip! 주어진 재료를 사용하여 창의적인 호버크래프트 설계가 가능하도록 함
ET 나만의 호버크래프트 제작 및 운행 경진대회
Tip! 호버크래프트 운행이 가능한 넓은 책상이나, 공간이 있는 실내에서 실시
얇은 스티로폼
가위 칼 목공용풀 미니모터 건전지 프로펠러
전선 투명테이프
활동지 필기구
마무리 (25분)
ET 가장 잘 움직이는 팀, 가장 아름다운 팀을 선정하여 작은 상장 수 여
ET 모든 팀이 돌아가면서 제작과정과 결과에 대해 발표할 수 있는 기 회 부여
Tip! 창의적인 아이디어를 제시한 팀을 추가적으로 선정하여 발표기회 부여할 수 있음
지도상의 유의점
￭ 학생들이 정확하게 문제를 인식할 수 있도록 모둠별 순회 지도를 한다.
￭ 동료평가 시 객관적인 평가가 이루어지도록 지도한다.
통계를 활용한 제품 제작 최적모형 찾기
과목 물리 I 수업차시 3/3
단원 힘과 에너지의 이용
교육과정
물리학 이론의 개념적 구조뿐 아니라, 학생의 선행 개념과 지적 수준, 학생의 경험과 흥 미, 인지적 학습과정에서 밝혀진 연구 결과 등을 반영하여 제시한다. 또 내용의 이해를 돕 기 위해 다양한 학습전략과 활동들을 포함하여 능동적 학습이 이루어질 수 있도록 구성한 다.
￭ 베르누이 법칙을 이용하여 양력과 마그누스 힘을 이해하고, 항공기와 구기 운동에 대한 이용을 안다.
학습목표
￭ 제품 제작에 있어 잡음 변인을 제거하는 설계방법을 이해할 수 있다.
￭ 종이 헬리콥터의 낙하시간에 영향을 미치는 측정변수를 발견할 수 있다.
￭ 종이 헬리콥터이 낙하시간에 영향을 미치는 측정변수를 측정하고 분석할 수 있다.
학습과정 교수 학습 활동 준비물
도입 (15분)
Co 일반 공산품은 통상 규격화 되어 있음을 영상으로 보여줌(직접제작)
Co 종이헬리콥터 시연 후, 학생에게 제품 개발팀 원이라는 미션 부여
Tip! 3가지 정도의 종이헬리콥터를 사전에 제작하여 사용
동영상clip 종이헬리콥터
클립
학습활동 (60분)
Co 종이헬리콥터를 제작하는데 있어 잡음변인이 작용하지 않도록 하는 방법을 발견하는 강건설계과정 제시
Tip! 통계에 대한 기본적인 내용 제시 필요(변수의 개념, 상관관계, 회귀 분석)
CD 종이헬리콥터 낙하실험에 영향을 미치는 측정변수 제시 및 설계하 기
Tip! 측정변수로 날개길이, 날개폭, 몸통길이 제시하며, 설계는 반드시 전개도를 그리도록 함
CD 전개도에 따라 종이헬리콥터 제작 후 교차 측정 실시
Tip! 교차 측정은 측정자, 제작자 변인의 영향을 알아보기 위한 과정임
ET 교차측정 결과를 통계 프로그램 활용하여 분석
Tip! 엑셀 프로그램이 설치된 노트북 사전에 준비 필요
A4용지 가위
칼 클립 필기구 활동지 초시계
마무리 (25분)
ET 분석 결과를 통해 표준화된 규격의 종이헬리콥터 제작 및 낙하시간 측정 후 자신의 생각 발표하기
Tip! 모든 학생들에게 발표기회 부여할 수 있음
지도상의 유의점
￭ 학생들이 정확하게 문제를 인식할 수 있도록 모둠별 순회 지도를 한다.
￭ 동료평가 시 객관적인 평가가 이루어지도록 지도한다.
주제
반중력(Antigravity) 낙하산 만들기
차시 1/3활동 목표
￭ 공기 저항과 낙하시간의 관계를 이해할 수 있다.
￭ 베르누이의 원리가 적용된 낙하산을 설계할 수 있다.
￭ 낙하시간을 최대화한 낙하산을 제작할 수 있다.
낙하산을 통해 내려오는 것과 자유낙하 하는 사람의 시간 차는 어느 정도일까? 캡틴아메리카 윈터솔져 인트로
(https://www.youtube.com/watch?v=ORJAE3pVOMY)
우리의 주인공은 공해상에 납치된 배의 인질을 구출하는 임무를 수행하기 위해 이 비행기에서 자유낙하를 시작하 는 시각은 56초, 물에 입수하는 시각은 69초입니다.
주인공이 열심히 악당들을 물리치고 있는 사이, 다음으로 뒤 이어 낙하산을 타고 등장한 동료가 도착하는 시간은 98초입니다.
이 영상을 보고 비행기의 고도를 알 수 있을까요? 그리고 주인공이 자유 낙하하여 입수하는 속도와 낙하산을 타고 등장한 동료의 낙하속도를 알 수 있을까요?
제시된 동영상을 보고 발생할 수 있는 의문들을 해결해볼까요?
동료가 약 10초 후에 낙하를 시작했다고 한다면 위의 의문을 하나씩 해결해봅시다.
1) 비행기의 고도
2) 주인공의 입수 속도
3) 동료의 낙하속도
물체가 자유낙하할 수 있는 이유는 중력 때문입니다. 지구의 중력은 항상 일정하게 작 용하는 힘이므로, 낙하하는 물체에는 동일한 크기의 힘이 계속적으로 작용하게 됩니다.
그러므로 지구의 중력에 의해 자유낙하하는 물체는 일정한 가속도를 지니게 됩니다. 이를 중력가속도라고 하지요. 그럼, 자유낙하하는 물체는 항상 초당 9.8.m/s의 속도만큼 속도가 변하는 것일까요? 이번에는 조금 다른 실험을 해보도록 하겠습니다.
1) 가벼운 종이와 무거운 책을 준비합니다.
2) 양 손에 가벼운 종이와 무거운 책을 같은 높이에서 동시에 떨어뜨립니다.
누가 먼저 떨어지나요?
3) 이번에는 가벼운 종이를 아래에, 무거운 책을 위에 포개 놓은 상태에서 2)와 동일 한 높이에서 떨어뜨릴 것입니다.
어떻게 될까요? 자신의 예상을 적어보세요.
4) 실제로 떨어뜨려 봅니다.
어떻게 되었나요? 실제 결과를 적어보세요.
5) 이번에는 가벼운 종이를 위에, 무거운 책을 아래에 포개 놓은 상태에서 2)와 동일 한 높이에서 떨어뜨릴 것입니다.
어떻게 될까요? 자신의 예상을 적어보세요.
6) 실제로 떨어뜨려 봅니다.
어떻게 되었나요? 실제 결과를 적어보세요.
7) 왜 이런 결과가 나타나는지 이유를 적어보세요.
자유낙하 하는 물체에 공기 저항을 이용하여 체공시간을 늘릴 수 있는 방법으로는 무 엇이 있을까요? 자신의 생각을 자유롭게 말해봅시다.
다음은 낙하산에 대한 설명의 일부입니다.
1306년경 중국에서 최초로 사용되었다고 하나 실용적으로 사용되기는 1797년 10월 22일 프랑스 의 가르느랭(André-Jacques Garnerin)이 파리의 몽소 공원에서 높이 1,000m의 기구(氣球)로부터 안전하게 강하한 것이 시초이다. 처음에는 비행기 탑승원의 구명구(救命具)로 쓰였으나 점차 적극적 인 강하·투하용으로 사용하게 되었다.
현재의 낙하산은 명주나 나일론 같은 가볍고 질긴 섬유를 이용하여 만들어지며, 주산(主傘)·보조산 (補助傘)·산줄·끌끈[引紐]·포대[收納袋]·흉대(胸帶)·각대로 구성되어 있다. 주산의 정상에는 공기구멍 이 뚫려 있고 반구형이며 여러 줄의 산끈을 달고 있다. 보조산은 주산을 포대에서 끌어 내기 위한 것으로 주산의 정상에 끈으로 이어져 있다. 포대는 주산·보조산을 접어 넣는 곳이며 흉대·각대로 인 체에 장비한다. 산체(傘體)를 펼치게 하기 위해서는 항공기 내에 끌끈을 걸어 자동적으로 작용하게 하는 것과 낙하 후에 손으로 끌끈을 당기는 수동식이 있다.
낙하산은 용도에 따라 군용과 비군용, 인용과 물자용, 사용장소에 따라 공중용과 지상용으로 나누 어진다. 군용은 군인·병기·탄약·차량 등의 물자, 조명탄·신호탄의 투하 등에 이용된다. 비군용은 고공 에서 낙하하여 공중에서 자유로운 동작을 하다가 일정한 고도에서 낙하산을 펼쳐 목표지점에 정확히 착지하는 스포츠인 스카이다이빙용, 조난자 구조를 위한 구조요원이나 구조물자의 투하용, 우주선의 회수를 위한 부력 연장장치 등에 사용된다.
지상에서 쓰이는 경우에는 제동(制動)을 위한 것으로서 고속 제트기의 활주거리 단축을 위한 드래 그슈트(drag chute), 스키의 급경사 활강시의 속도조절장치, 경주용 차량의 보조 브레이크로도 사용 된다. 최근 대형 선박의 제동용으로 수중에서 낙하산을 사용하는 실험도 이루어지고 있는데, 종래의 추진기 역전(逆轉)의 경우에 비하여 정지거리를 1/4 정도 단축시킬 수도 있다.
<군용 낙하산1> <군용 낙하산2> <개인용 패러글라이더>