45도의 오해와 진실

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45도의 오해와 진실

교사용 지도서

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3 수업지도안

45도의 오해와 진실

(기관방문형)

●적용학년/시기 : 중학교1~3학년

●관련과목 : 과학, 수학, 기술, 미술

주제 및 제작의도 1

우주로 가는 첫 관문은 대기권이다. 우리가 쏘는 모든 발사체는 이를 통과해야 우주여행을 시작할 수 있다.

대기는 발사체를 우주로 보내는데 있어 방해하는 요소이며 비행의 안정성에 영향을 미치는 요인이므로 이를 무시할 수 없다. 우리나라도 ‘우주시대’에 걸맞게 물로켓을 비롯한 여러 발사체 대회가 많이 열리고 있지만, 저항을 고려한 발사체 설계와 안정성 테스트를 거치는 경우를 찾기는 쉽지 않다.

이에 청소년이 직접 대기비행을 가능케 하고, 발사체를 원하는 위치에 안착시키기 위한 요소를 찾아보는 실험을 수행하고자 한다. 상황을 제시(누명을 쓴 주인공의 로켓을 찾아야 하는 상황)하여 ‘45도의 오해’를 풀어나가는 일련의 단계적인 과정을 밟아 나가게 될 것이다.

일반적으로 “모든 발사체는 45도로 쏴야 최대 사거리가 나온다.”라고 알려져 있지만, 주변에 있는 장난감(

예. 물총, 딱총)을 봐도 지면에서 발사하는 경우는 드물다. 옛 성곽에 배치되어 있는 포의 높이도 굉장히 높은 곳에 설치되어 있다. 또한, 투포환 선수도 지면에서 던지지 않고, 자신의 가슴 높이에서 공을 던진다. 이처럼 발사체를 원하는 곳에 안착시키기 위해 각도 이외에도 많은 요인들이 있다. 이 프로그램에서는 발사체가 안정적인 대기비행을 위해 어떤 요소를 필요로 하는지 찾아볼 것이다.

2 학습목표

 내용 목표

> 발사체가 안정적인 대기비행을 위해 어떤 요소가 필요한지 알아본다.

> 도달거리에 영향을 미치는 요인들에 대해 생각해본다.

> 자료의 취득, 분석을 통해 과학하기를 배워본다

 과정 목표

> 자신만의 아이디어를 이용하여 로켓을 만들어본다.

> 조별 활동을 통하여 협동심과 사회성을 기른다.

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4 STEAM 과목 요소 3

3  S : 발사체가 멀리 도달하기 위한 조건 파악, 도달거리와의 관계

 T, E : GPS수신기, 레이저 거리 측정기 및 스트로브스코프 사용법 익히기

 A： 도달거리에 영향을 미치는 요소와의 관계 그려보기 나만의 로켓 제작해보기

 M：중력가속도 계산, 발사체의 비행거리 및 초기속도 계산

STEAM 단계 요소 4

3  상황제시

> 영화 October Sky의 일부를 감상해 본다. 영화 줄거리의 대부분은 4명의 고등학생이 로켓, 즉 발사체를 어떻게 하면 안정적으로 높이 쏘아 올릴 것인가를 고민하면서 이야기를 풀어간다. 이들이 실험하면서 발사했던 로켓을 잃어버리고 그때 불이 나서 이들이 의심을 받고 있는 상황이다. 만일 내가 이와 같은 상황이라면 어떻게 로켓을 찾아야할까?

 창의적 설계

> 로켓은 어떤 형태를 가지고 어떤 구조를 가져야 안정적으로 날아가게 될까?

> 멀리 날아간 로켓의 도달거리는 어떻게 측정할 수 있을까?

> 발사각도에 따라 로켓의 도달거리는 어떻게 변할까?

> 로켓이 가장 멀리 날아가는 발사각도는 어떻게 되는 걸까?

> 발사높이에 따라 로켓의 도달거리는 어떻게 변할까?

> 실험해 본 발사체를 개선할 점은 무엇일까?

> 중력가속도는 어떻게 측정할 수 있을까?

 감성적 체험

> 나만의 로켓을 제작해 보고 이를 멀리 날려본다.

> 여러 도구들을 응용하여 거리를 측정할 수 있다.

> 원하는 위치에 로켓을 날릴 수 있다.

(5)

5 차시별 계획 총괄표 5

차시 과목 단원 소주제 학습내용

1~2

차시 과학 힘과 운동

45도의 오해 (잃어버린 발사체를 찾아서)

S T E A M

S A October Sky 감상 후 자신의 생각 적고 발표하기

Co 내가 발사한 발사체가 시야에서 사라지면 어떻게 찾을 수 있을까?

CD 셔틀콕이 방향을 바꾸지 않고 날기 위해선 어떻게 해야 할까?

TIP 바람이 닫는 표면적을 증가시켜야 한다.

CD 로켓이 안정적으로 날기 위한 안정성에 대해 알아보고 나만의 로켓 제작하기

TIP 교안에 나와 있는 설명 방식으로 제작하고 너트에 의한 사고가 나지 않도록 지도한다.

케이블타이를 사용하여 묶을 때 지도자가 일일이 점검한 후 진행한다.

ET 내가 만든 로켓을 사용하여 자유롭게 날려보기

2~4 차시

과학

기술 힘과 운동 우주로의 도약 준비

Co 자를 사용하지 않고 거리를 측정하는 방법에는 무엇이 있을까?

CD 실험을 위한 발사체(에어로켓)제작

CD 측정장비 알아보기

- GPS 수신기 사용법 배워보기 - 레이저 거리측정계의 사용법 배워보기 - 초시계 사용법 배우기

ET 거리를 측정하기 위한 도구를 사용하여 물체와 나 사이의 거리를 측정해 보자.

4~7 차시

과학 기술 수학

힘과 운동 중력에서의 운동

S T E 스트로브스코프 원리 알아보기

Co Exploratorium 전시물 영상의 원리가 무엇일까?

CD 스트로브스코프로 과학사진을 찍을 때 주의할 점은 무엇일까?

CD 스트로브스코프로 얻은 데이터로 중력가속도 구해보기

ET 경광봉으로 빛의 흔적을 담은 사진을 찍어본다.

7~8 차시

과학

수학 힘과 운동 발사체의 비행거리 측정

Co GPS로 거리를 측정하는 원리는 어떻게 될까?

ET 위도와 경도값을 사용하여 거리 측정하기

ET GPS를 사용하여 건물의 크기 재어보기

ET 에어로켓을 발사해보고 GPS로 도달거리 측정해보기

8~10

차시 힘과 운동 발사체의

초기속도

S 초기속도 결정하기

Co 물체를 수직으로 발사했을 때 발사속도를 재지 못하는 상황이 발생했다.

초기속도를 알아낼 수 있는 방법이 있을까?

CD 초기속도를 바꿔가며 발사해보기 - 최고점까지 도달하는 시간 측정 - 초시계를 사용하여 높이별로 측정

ET 측정한 결과를 기록하고 정리

(6)

6

차시 과목 단원 소주제 학습내용

10~11 차시

힘과 운동

각도에 따른 발사체 거리

측정

S T E 발사각도에 따른 사거리 측정

Co 로켓이나 공이 가장 멀리 날아가는 각도는 어떻게 될까?

CD 발사각도를 바꿔가면서 발사해보고 도달거리 측정해보기

CD 발사높이를 바꿔가면서 같은 과정을 반복

CD 측정한 도달거리가 달라지는 이유는 무엇일까?

11~13 차시

힘과 운동 45도의 진실

S M 발사각도와 도달거리 간의 관계 알아보기

Co 발사각도와 도달거리 간에는 어떤 관계가 있을까?

CD 발사각도와 도달거리에 대해 그래프 그려보기

CD 발사높이를 바꿔가며 그래프 그려보기

CD 45도의 진실에 대해 적어보기

CD 실험에 영향을 미치는 오차의 원인을 생각해본다.

ET 작성한 결과를 정리하고 정리·정돈한다.

13~16 차시

과학 미술 수학

힘과 운동 특정 좌표에 발사체 안착

S T E M 오차를 줄이기 위한 개선점 고려

Co 실험의 오차를 줄이기 위해 개선할 점은 무엇일까?

CD 오차를 줄이기 위한 도구 디자인 - 디자인한 결과를 발표

CD 로켓을 발사하여 특정 위치에 안착시켜보자.

평가 계획 6

연번 평가 기준 방법

1 실험활동에 얼마나 진지하게 임하였는가? 관찰평가

2 측정한 결과를 바탕으로 서로간의 관계를 명확히 표현하는가? 결과물 평가

3 팀원들과 서로 의사소통을 활발히 하고, 서로 협력하여 과제를 수행하는가? 관찰평가

4 나만의 방법으로 프로그램 진행에 필요한 교보재(폼로켓, 에어로켓)을 제작하는가? 동료평가

5 팀원들과 과제를 수행하고 정리해서 발표할 수 있는가? 발표평가

(7)

7 차시별 교수학습과정 7

45도의 오해

과목 물리, 기술 수업차시 2/16

단원 (3) 힘과 운동

교육과정

[학습 내용 성취 기준]

○ 힘은 두 물체 사이의 상호작용임을 이해하고, 접촉에 의한 상호작용뿐 아니라 멀리 떨어져 있는 물체 사이의 상호작용이 있음을 안다.

○ 한 물체에 작용하는 두 힘의 합력을 구할 수 있고 알짜 힘을 안다.

○ 물체의 운동을 관찰하여 힘의 작용에 대하여 알고, 이를 통하여 힘과 운동의 관계를 안다.

※ 5~6학년군의 ‘물체의 빠르기’에서 학습한 물체의 운동 모습의 정성적 관찰과 여러 가지 방법으로 비교한 물체의 빠르기 개념과 연계된다.

학습목표 발사체를 찾을 수 있는 방법에 대해서 생각해 볼 수 있다.

로켓이 안정적인 비행을 위한 요건에 대해 생각해 볼 수 있다.

학습과정 교수·학습 활동 준비물

도입 (15분)

S A 영화의 장면 감상하기

Co October Sky 영화의 일부분을 보여준다. 영화 줄거리의 대부분은 4명의 고등학생이 로켓, 즉 발사체를 어떻게 하면 안정적으로 높이 쏘아 올릴 것인가를 고민하며 이야기를 풀어간다. 이들이 실험하면서 발사한 로켓을 잃어버리고 사람들에게 오해를 받는 상황에 이른다. 만일 내가 로켓을 만들어 발사했는데 시야에서 사라져버리면 어떻게 할까?

영화

학습활동 (120분)

CD 만약 내가 영화의 주인공이라면 위 질문의 실마리를 어떻게 풀어 가야할까?

CD 프로그램의 제목에서 말하는 45도의 오해는 무엇을 말하는 것일까?

ET 각자 생각한 방법을 참가자들 앞에서 발표해본다

S 날아가는 모습 관찰하기

- 패드민턴 라켓을 사용하여 셔틀콕의 운동을 관찰해보자. 셔틀콕은 라켓에 부딪힌 후에 어떻게 날아가는가?

(라켓에 맞은 후에 머리와 꼬리의 방향이 바뀌어 진행한다)

- 제기차기를 하면서 제기의 운동을 관찰해보자. 제기는 어떻게 운동을 할까?

(발에 닿은 후에 머리와 꼬리의 운동방향이 바뀌어 움직인다)

학생용 활동지

패드민턴

제기

셔틀콕 및 준비물

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8

CD 셔틀콕을 날개 방향을 앞쪽으로 던졌을 때 그 방향 그대로 날아가게 하려면 어떻게 해야 할까?

S 질량중심 및 압력중심 알아보기

- 모양이 일정하지 않은 물체의 질량중심을 찾아보기 - 풍향계의 예를 활용하여 압력중심을 알아보기

CD 질량중심과 압력중심의 위치가 어떻게 존재해야 비행체는 안정적으로 날 수 있을까?

(질량중심이 압력중심보다 앞에 있어야 안정적으로 날 수 있다)

S T E A 폼로켓 만들어보기(부록1 참고)

- 주어진 재료(파이프용 폼, 고무줄 9개, 하드보드지 2장, 가위, 자, 볼펜, 케이블 타이 3개, 너트)를 사용하여 폼로켓을 만들어 본다.

- 로켓이 잘 날아갈 수 있도록 자신만의 생각으로 만들어본다.

CD 내가 만든 로켓은 질량중심이 어디에 있는지, 압력중심은 어디에 있는지에 대해서 생각해본다.

질량중심이 폼의 중심에 있을 때 이 폼이 안정적으로 날게 하기 위해서는 어떻게 해야 할까?

(날개를 달아야 한다)

폼로켓 준비물

마무리

(15분) ^ET 자신이 제작한 로켓으로 지평면에서 가장 멀리 날아갈 방법을 고민하여 쏘아본다.

지도상의 유의점

• 활동지를 활용하여 영화 속의 상황이라면 내가 어떻게 할 것인지에 대해서 적어보도록 지도하고, 이를 발표할 수 있도록 유도한다.

• 참가자가 자유롭게 자신의 생각을 적을 수 있도록 해 주어야 한다.

• 로켓을 제작하는 과정에서 너트의 안쪽이 날카로우므로 참가자들이 다치지 않도록 주의해서 다루도록 해야 한다.

• 폼에 너트를 넣고 케이블타이로 묶을 때 단단히 묶는지 지도자가 확인해야하며, 폼로켓이 마무리되면서 남은 케이블타이 부분을 자를 때 가능한 바짝 자르는지 확인해야한다.

• 만든 로켓을 쏘아볼 때 사람을 향해 쏘지 않도록 지도한다.

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9 생각열기

잃어버린 발사체를 찾아서

“내가 발사한 발사체가 시야에서 사라진다면 어떻게 찾을까?”라는 질문에서 시작합니다. 이 질문은 ‘October Sky’라는 영화에서 착안했습니다. 영화 줄거리의 대부분은 4명의 고등학생이 로켓, 즉 발사체를 어떻게 하면 안정적으로 높이 쏘아 올릴 것인가를 고민하며 이야기를 풀어갑니다. 만약 참가자가 영화의 주인공이라면 위 질문의 실마리를 어떻게 풀어갈까요?

<October sky>

1999년 작

출연 제이크 질렌할(호머 힉캠), 크리스 쿠퍼(존 힉캠), 로라 던(미스 프레이다 라일라) 상영시간 108분

열악한 환경 속에서 꿈을 이룬 탄광촌 아이들의 기적을 만나본다. 1957년 남자주인공은 소련의 첫 인공위성 스푸트니크가 밤하늘을 가로지르는 모습을 보고, 자신이 진정으로 되고 싶은 것을 깨닫는다.

주변의 비웃음과 반대를 무릅쓰고 로켓 연구에 몰입하여 미국 과학경진대회에서 1등을 하게 되며, 결국 광부가 되라던 아버지도 아들의 꿈을 인정한다. “탄광은 아버지 인생이에요, 제 인생이 아니에요”라고 외치며, 탄광촌 아들이 로켓과학자가 되었던 이 실화는, 볼 때마다 우리의 꿈을 자극하고, 마음의 열정을 이끌어낸다.

영화 소개

(10)

10 생각펼치기

로켓의 질량중심과 압력중심의 상대 위치에 따른 로켓 비행의 안정성 실험

로켓 비행의 안정성 여부는 질량중심이나 압력중심 하나만으로는 가늠할 수 없습니다. 두 개의 중심점의 위치가 서로 어떻게 놓이느냐에 따라 비행의 안정성여부가 결정됩니다.

그림 돌풍으로 로켓 기수가 올라갔을 때 질량중심과 압력중심의 위치에 따라 로켓의 진행방향이 변합니다. A와 B에서 검은선은 로켓이 진행방향이 바뀐 후의 모습을 나타낸 것입니다.

돌풍으로 로켓 기수가 위로 올라갔을 때 질량중심과 압력중심의 위치에 따라 로켓의 진행방향이 변합니다.

그림에서 검은선은 로켓이 진행방향이 바뀐 후의 모습을 나타낸 것입니다.

로켓은 일반적으로 압력중심이 질량중심보다 뒤에 위치합니다. 만약 로켓이 돌풍을 만나 기수가 진행방향에서

벗어나면, 압력중심과 질량중심의 상대적 위치에 따라 비행하는 모습이 달라집니다. 질량중심이 압력중심보다

앞에 있으면(왼쪽그림) 로켓의 질량중심보다 뒤쪽에 가해진 힘이 크기 때문에 질량중심을 축으로 로켓의

뒷부분이 회전하여 다시 제자리로 돌아옵니다. 하지만 질량중심이 압력중심보다 뒤에 위치하면(오른쪽그림)

로켓은 제자리로 돌아오기 힘듭니다. 기수가 진행방향에서 조금만 벗어나도 질량중심보다 앞쪽에 공기가

가하는 힘이 크므로 로켓의 앞부분이 회전하게 됩니다.

(11)

11 생각펼치기

셔틀콕 날려보기

왼쪽 그림과 같이 셔틀콕을 왼쪽에서 오른쪽 방향으로 던집니다. 셔틀콕 전체가 회전하지 않고 진행방향 그대로 균형을 유지하며 날아갑니다.

압력중심이 질량중심 보다 앞에 위치하고 있습니다.

이렇게 셔틀콕을 던질 경우 질량중심을 축으로 몸체는 회전할 것입니다. 이때 회전하지 않고 던져진 모습을 그대로 유지하려면 어떻게 해야 할까요?

압력중심이 질량중심보다 앞에 위치하고 있는 셔틀콕을

던졌을 때, 질량중심을 축으로 회전하지 않고 모양을

유지하려면 어떻게 해야 할까요? 그림에서 주어진

준비물을 활용하여 셔틀콕의 모습을 변형 시켜 그 방향을

찾아봅시다.

(12)

12 생각펼치기

셔틀콕과 제기의 운동 관찰하기

실내에서 패드민턴 라켓을 활용하여 셔틀콕이 어떤 운동을 하는지 확인합니다.

※ 실외에서는 배드민턴 라켓을 사용해도 좋습니다.

청소년이 쉽게 체험할 수 있는 실험도구로 제기를

활용합니다. 공기 중에서 제기가 날아가는 모습과 로켓이

대기권을 통과할 때 안정적인 자세를 유지하는 모습과

연결 지어 봅니다.

(13)

13 생각펼치기

셔틀콕과 제기의 운동 관찰하기

실내에서 패드민턴 라켓을 활용하여 셔틀콕이 어떤 운동을 하는지 확인합니다.

※ 실외에서는 배드민턴 라켓을 사용해도 좋습니다.

청소년이 쉽게 체험할 수 있는 실험도구로 제기를 활용합니다. 공기 중에서 제기가 날아가는 모습과 로켓이 대기권을 통과할 때 안정적인 자세를 유지하는 모습과 연결 지어 봅니다.

교사용 활동지

잃어버린 발사체를 찾아서

1. 내가 발사한 발사체가 시야에서 사라진다면 어떻게 찾을 수 있을까요? 아래 칸에 그림을 그리고 설명을 적어봅시다.

※ 자신만의 아이디어를 자유롭게 펼칠 수 있도록 지도한다. 다음은 캠프에 참가한 학생들이 작성한 활동지이다.

(14)

14 2. 여러분은 현재 ‘45도의 오해와 진실’이라는 프로그램에 참여하고 있습니다. 여러분이 생각하는 45도의 오해는 무엇일까요? 자유롭게 적어주세요.

※ 자신만의 아이디어를 자유롭게 펼칠 수 있도록 지도한다. 다음은 캠프에 참가한 학생들이 작성한 활동지이다.

(15)

15 3. 여러분은 무거운 셔틀콕이 앞쪽으로 향하게 하여 날려 보면서 대기 중에서 안정적으로 날아가는

원리를 체득하였을 것입니다. 이 원리를 적용하여 무거운 셔틀콕이 뒤쪽으로 향하게 던졌을 때에도 안정적으로 날아갈 수 있는 방법을 적어봅시다.

※ 자신만의 아이디어를 자유롭게 펼칠 수 있도록 지도한다.

로켓이 대기 중에서 비행할 때 안정적으로 날아가기 위해서는 질량중심이 압력중심보다 앞서야 한다.

예시

셔틀콕의 한쪽 끝 부분에 날개를 달아서 압력중심과 질량중심의 상대적인 위치를 변경시켜야 한다. A4용지를

원뿔 형태로 말아서 셔틀콕의 앞부분과 연결하면 질량중심이 압력중심보다 앞서는 형태가 된다.

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16 우주로의 도약 준비

과목 물리, 기술 수업차시 2~4/16

교육과정

○ 힘은 두 물체 사이의 상호작용임을 이해하고, 접촉에 의한 상호작용뿐 아니라 멀리 떨어져 있는 물체 사이의 상호작용이 있음을 안다.

※ 5~6학년군의 ‘물체의 빠르기’에서 학습한 물체의 운동 모습의 정성적 관찰과 여러가지 방법으로 비교한 물체의 빠르기 개념과 연계된다.

학습목표 측정 기기들의 원리를 알고 다룰 수 있다.

도입 (10분)

S 거리를 측정하는 방법 생각해보기

Co 자를 사용하지 않고 거리를 측정할 수 있는 방법에는 무엇이 있을까?

(학생들의 다양한 아이디어를 들어본다)

S A 실험을 위한 발사체 제작 - 고무기수를 이용한 에어로켓 제작

- PVC파이프와 고무기수를 놓고 OHP필름으로 감싼다.

- 절연테이프를 사용하여 이음새를 꼼꼼히 부착한다.

S T E 측정장비 알아보기

- GPS수신기를 사용하여 좌표 읽는 법 배우기 - 두 지점의 좌표값을 사용하여 거리 계산하기

- 레이저 거리측정기를 사용하여 거리 측정하는 법 배우기 - 초시계 사용법 배우기

CD 지구에서 달 까지의 거리를 측정하는 방법은 무엇일까?

(레이저를 달 표면에 쏘아서 돌아오는 시간을 측정하여 거리를 잰다)

에어로켓 준비물 OHP필름, 테이프 PVC파이프

고무기수

GPS수신기 줄자 레이저 거리측정기

초시계

마무리

(10분) ^ET 거리를 측정하기 위한 장비를 사용하여 실내에서 물체와 나 사이의 거리를 측정해본다. 거리측정기 지도상의

유의점

제작 속도가 현저히 느릴 경우 지도자가 제작을 도와서 원활한 진행이 될 수 있도록 돕는다.

레이저 거리측정기를 사용할 경우, 레이저를 사람에게 쏘지 않도록 주의해야한다.

(17)

17 생각열기

달 까지의 거리는 어떻게 재는 것일까?

달 까지의 거리를 재는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 그 중에서도 가장 알기 쉬운 방법은 달에 레이저를 쏘아서 돌아오는 시간을 측정하여 달 까지의 거리를 계산할 수 있습니다. 빛의 속도는 초속 30만 킬로미터로 알려져 있습니다. 지구상에서 달에 레이저를 쏘아서 돌아오는 시간을 측정하여 빛의 속도에 걸린 시간을 곱해준 것을 2로 나눠주면 됩니다(빛이 지구와 달 사이를 왕복했기 때문).

그렇다면 지구에서 달에 레이저를 쏘면 지구로 돌아오는 걸까요? 그 답은 1969년 아폴로 11호가 달에 착륙했을 때 달 표면에 반사판을 설치했다는 것에 있습니다. 지구에서 이 반사판을 향하여 레이저를 쏘고, 반사판에 의해 반사된 레이저를 측정하는 것입니다. 그 이후로 달 까지의 거리를 측정하는 실험이 오랜 시간동안 이루어졌고, 이를 통해 달이 1년에 3cm씩 멀어진다는 것을 알게 되었습니다.

그림 달 표면에 설치된 거울 모습

(18)

18 생각펼치기

측정 장비 알아보기

● 준비물 : GPS 수신기, 레이저 거리측정기, 초시계

참가자는 2박 3일간 폼, 에어로켓 등 다양한 교구재와 실험을 위한 측정 장비를 다룹니다. 미리 측정 장비에 대한 사용방법을 알려주면, 측정에서 비롯된 오차를 줄일 수 있습니다. 실험 장비를 처음 다뤄보는 참가자가 많은 경우에는 시간을 충분히 할애하여 장비가 익숙해지도록 다뤄봅니다.

GPS 수신기

발사체의 비행거리를 측정하기 위한 도구입니다. GPS(Global Positioning System)는 범지구위치결정시스템으로, 지구 표면의 어떤 물체 혹은 지점의 위치를 알려줍니다. GPS는 무기 유도, 항법, 측량, 지도제작, 측지, 시각동기 등 군 및 민간에서 다양하게 사용되고 있습니다. GPS는 사용자의 위치를 경도와 위도로 나타내는데, 2개 이상의 좌표가 있다면, 장소간 거리를 계산할 수 있습니다. 거리를 측정하는 방법은 ‘발사체의 비행거리 측정’을 참고하면 됩니다.

그림

GPS 수신기

레이저 거리측정기

레이저 거리측정기는 실내에서 거리를 측정하기에 적합한 도구입니다.

측정 범위가 0~50m이고 낮 시간 실외에서는 태양빛이 너무 밝기 때문에 레이저 빛을 측정하기에는 다소 어려움이 있습니다. 그래서 낮 시간 실외에서는 레이저 거리측정기 대신 줄자를 사용합니다. 레이저 거리 측정기의 측정 방법은 다음과 같습니다.

그림

레이저 거리측정기

1. 측정 시작 위치를 설정할 수 있습니다. 중앙에 있는 빨간색 버튼을 누르면 패널 우측 상단에 화살표 위치가 바뀝니다.

2. 상단의 빨간색 버튼을 누르면 상단에서 레이저가 나옵니다.

3. 바닥, 벽면 등 원하는 위치에 레이저를 고정시키고 상단의 빨간색 버튼을 한 번 더 누릅니다.

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19 ※ 레이저 거리측정기로 거리를 재는 원리

오늘날 우리가 잘 아는 사실 중에 하나는, 빛의 속도가 일정하다는 것입니다. 빛은 1초에 30만km를 진행합니다. 또한 우리는 속도는 이동거리를 걸린 시간으로 나누어 주는 것이라고 알고 있습니다. 따라서 이동거리를 알고 싶으면 속도에 걸린 시간을 곱해주면 됩니다.

레이저 거리측정기는 속도와 시간을 측정하는 원리를 이용합니다. 레이저 빛을 거리를 재고자 하는 대상에 쏘아서 반사되어 다시 돌아오는 시간을 정밀하게 측정합니다. 빛의 속도는 이미 알고 있는 값이므로 빛이 돌아오는 시간을 정확히 측정하면 물체까지의 거리를 알 수 있습니다.

초시계

초시계는 발사체의 초기속도를 구하기 위해 시간을 측정할 때 필요한 기기입니다. 스마트폰을 활용하여 쉽게 시간을 측정할 수 있지만, 팀 구성원 모두가 동시에 시작 시간을 설정해야 하므로 초시계를 사용하는 것이 더 좋습니다. 생체 반응 시간이 개인마다 다르기 때문에 자연스럽게 오차가 발생할 수 있지만, 오차의 요인에 대해 고민해 볼 수 있어 의미가 있습니다. 초시계의 사용법은 다음과 같습니다.

그림

초시계

1. 측정 시작 위치를 설정할 수 있습니다. 중앙에 있는 빨간색 버튼을 누르면 패널 우측 상단에 화살표 위치가 바뀝니다.

2. 상단의 빨간색 버튼을 누르면 상단에서 레이저가 나옵니다.

3. 바닥, 벽면 등 원하는 위치에 레이저를 고정시키고 상단의 빨간색 버튼을 한 번 더 누릅니다.

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20

교사용 활동지

우주로의 도약 준비

1. 자를 사용하지 않고 거리를 측정할 수 있는 방법에는 무엇이 있을까요?

아래에 적어봅시다.

※ 자신만의 아이디어를 자유롭게 펼칠 수 있도록 지도한다.

2. 여러분은 다양한 측정 장비를 사용하여 거리를 측정하는 방법을 배웠을 것입니다. 그렇다면 지구와 달 사이의 거리를 측정하기 위해서는 어떤 도구를 사용해야할까요?

왜 그 도구를 사용해야 하는지 이유도 같이 적어봅시다.

그림 달 표면에 설치된 거울 모습

지구와 달 사이의 거리를 측정하는 방법의 예시이다. 지구에서

달을 향하여 레이저를 쏘아 달 표면에서 반사되어 돌아오는

빛을 감지하여 걸리는 시간을 측정하여 거리를 결정한다. 달

표면에 있는 거울은 1969년 아폴로11호가 달 표면에 도착했을

때 설치하였다. 이후로 측정한 거리를 통해 달이 1년에 3cm씩

멀어진다는 것을 알게 되었다.

(21)

21 중력에서의 운동

교육과정

○ 거리-시간, 속력-시간 그래프를 해석하여 물체의 운동을 설명할 수 있다.

학습목표 스트로브스코프의 원리를 알아보고, 중력가속도를 계산해 볼 수 있다.

도입 (20분)

S Exploratorium 전시물 영상을 보고 작동 원리를 생각해보기

Co 주어진 영상의 원리는 무엇일까? (스트로브스코프 원리)

스트로브스코프의 원리가 담긴 동영상

S T E 스트로브스코프의 원리 알아보기 스트로브스코프란?

회전체, 구동체, 연속으로 움직이는 이동체, 고속이동체 등의 분당 회전수, 속도, 정지영상 등을 얻기 위해 사용하는 장치이다. 실제로는 물체가 정지해 있는 것이 아니라 이동하거나 회전하지만, 이동 물체의 속도나 회전체의 회전수에 맞게 빛이 비춰지는 경우 형상이 정지상태로 보인다.

S T E 스트로브스코프를 사용하여 과학사진 찍어보기

- 과학사진을 찍을 때 주의점 알아보기

(배경이 어두운 상태에서만 빛을 받을 수 있도록 구성해야 함) - 스트로브스코프의 진동수가 적으면 데이터분석에 어떤 영향을 미칠까?

(진동수가 적을 경우 데이터가 부족해서 운동을 제대로 기술하지 못한다.)

(22)

22

CD 스트로브스코프로 얻은 사진으로부터 중력가속도 구해보기 - 의자, 테니스공, 카메라, 배경이 되는 축척막대(흑백)

- 배경이 되는 축척막대를 뒤에 고정하고, 카메라로 촬영할 위치를 확인한다.

- 스트로브스코프의 주기를 조정하고, 사진을 찍을 준비를 마친다.

- 테니스공을 떨어뜨리면서 스트로브스코프와 카메라를 사용하여 영상을 얻는다.

- 사진을 얻은 후 사진에서의 길이와 실제 길이의 비를 알아보기

- 실제 축척막대의 크기를 재고, 사진 속에서 축척막대의 크기를 재어둔다. 둘 사이의 비율을 계산해본다.

- 사진에서의 축척막대의 크기와 실제 크기의 비가 어떻게 될까?

(실제 축척막대의 크기는 5cm이고, 사진 속 축척막대의 크기가 5mm 라면 길이변환 비율은 10 이다.)

- 사진에서 공의 위치를 측정하여 실제 공의 위치로 계산해본다.

번호 0 1 2 3 4 5

사진위치(mm) 길이변환 비율 : ( ) 실제위치(mm)

Tip 평균속도와 평균가속도를 계산하는 식은 다음과 같다.

평균속도(V) = 거리의 변화(ΔS)/시간의 변화(ΔT) = 거리의 변화(ΔS) × 기기의 진동수 평균가속도(a) = 속도의 변화량(ΔV)/시간의 변화(ΔT)

= 속도의 변화량(ΔV) × 기기의 진동수

S 생각 발전시키기

- 작성한 표를 사용하여 시간에 따른 위치와 속도의 관계를 그려본다.

- 그래프로 얻어낸 중력가속도 값과 이미 알고 있는 값을 비교하여 오차원인을 분석해보자.

스트로브스코프, 테니스공, 카메라, 배경이 되는 축척막대

마무리

(10분) ^ET 경광봉으로 빛의 흔적을 담은 사진을 찍어본다.

실험을 통해 데이터를 얻고, 이를 분석하는 과정을 거치는 만큼 지도자의 적절한 진행이 없이는 진행시간이 한없이 길어질 수 있다. 시간배분을 적절히 하여 원활한 진행을 할 수 있도록 지도해야한다.

(23)

23

교사용 활동지

중력에서의 운동

1. 여러분은 방금 신기하게 움직이는 동영상을 시청하였을 것입니다. 이 영상의 작동 원리는 어떻게 되는 걸까요? 아래에 적어봅시다.

실제 영상의 작동 원리는 회전하는 물체에 스트로브스코프를 사용할 경우, 회전체의 회전수와 스트로브스코프의 점멸주기가 같을 경우 물체는 정지되어 보인다. 이 원리를 사용하여 분당/초당 회전수를 측정할 수 있다.

이 활동에서는 정확한 작동원리에 대해 설명하기 보다는 학생들의 생각을 자유롭게 펼칠 수 있게 한다.

캠프에 참가한 청소년의 반응을 다음과 같이 정리하였다.

- 밝은 빛을 빠르게 점멸해서 사람의 눈에 잔상을 일으켜 그림이 움직이는 것처럼 보이게 한다.

- 전기로 판을 돌게 한 다음 빛을 반짝반짝 거리게 해서 눈에 착시 현상을 보이게 해서 돌아가면서 밑의 사람들이 물에 빠지는 듯 한 모습을 보이게 한다.

- 전시물의 모형은 움직이지 못한다. 그러나 빠르게 빛을 깜빡이며 전시물을 회전시켜주게 되면 모형이 마치 살아 움직이는 듯한 착각을 불러일으킨다. 그 이유는 모형하나를 보는 시각을 기준으로 모형을 움직이며 불빛을 깜빡이게 되면 이전 이미지와 그 다음 이미지가 연속되어 인식되기 때문이다.

2. 여러분은 스트로브스코프를 충분히 다루어 보았을 것입니다. 스트로브스코프를 사용하여 사진을 찍을 때 주의해야 할 점은 무엇일까요? 또한 스트로브스코프의 진동수가 많거나 적으면 사진은 어떻게 달라 보일까요?

- 제대로 원하는 물체의 연속적이 사진을 찍기 위해서는 물체 뒤쪽의 배경이 어두워야 하고, 앞쪽의 물체에만 빛을 받도록 구성해야 한다.

- 스트로브스코프의 진동수가 많으면 물체의 움직임이 꼼꼼하게 기록이 되고, 진동수가 적으면 움직임이

듬성듬성하게 기록된다.

(24)

24 3. 아래의 표에 실험결과를 기록하여 봅시다.

번 호 0 1 2 3 4 5 6

사진위치(m) 0 0.011 0.028 0.050 0.079 0.114 0.154

스케일 변환계수 비: ( 10 )

실제위치(m) 0 0.11 0.28 0.50 0.79 1.14 1.54

4. 위의 표를 사용하여 아래 표를 작성해보세요.

번 호 0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6

위치변화 0.11 0.17 0.22 0.29 0.35 0.40

평균속도 1.54 2.38 3.08 4.06 4.90 5.60

평균속도변화 0.84 0.70 0.98 0.84 0.70

평균가속도 11.76 9.8 13.72 11.76 9.8

※ 여기서는 기기의 진동수를 14(Hz)로 하여 계산한 값이다.

※ 평균속도와 평균가속도를 계산하는 식은 다음과 같다 평균속도= 위치변화 × 기기의 진동수(14Hz)

평균가속도= 평균속도의 변화량 × 기기의 진동수(14Hz)

5. 그래프로 얻어낸 중력가속도 값과 알려진 중력가속도 9.8m/s2 와 비교해서 오차원인을 생각해 보세요.

※ 학생들이 실험을 수행하는 과정에서 느낀 오차의 요인들을 잘 떠올려볼 수 있도록 지도한다.

※ 캠프에 참가한 청소년의 반응을 다음과 같이 정리하였다.

- 사람마다 생체 반응 속도가 차이가 있으므로 초시계를 쨀 때 제대로 재지 못했기 때문이다.

- 사진으로 찍은 자료로 분석함에 있어 사진을 찍을 때 왜곡되었기 때문이다.

(25)

25 6. 위의 표의 내용으로 시간에 따른 위치 변화와 시간에 따른 속도변화를 그래프로 나타내 봅시다.

<시간에 따른 위치 변화>

<시간에 따른 속도 변화>

※ 창의체험스쿨 캠프에 참가학생이 작성한 활동지이다.

(26)

26 발사체의 비행거리 측정

교육과정

※ 5～6학년군의 ‘물체의 빠르기’에서 학습한 물체의 운동 모습의 정성적 관찰과 여러가지 방법으로 비교한 물체의 빠르기 개념과 연계된다.

학습목표 GPS를 사용하여 발사체가 도달하는 거리를 측정할 수 있다.

도입 (10분)

S M GPS로 거리를 측정하는 원리 생각해보기

Co 밤에 배가 고파서 야식을 시켜먹으려고 스마트폰의 배달 어플을 실행했다. 배달앱은 집에서부터 가까운 순서로 배달이 가능한 가게의 목록과 거리를 보여주었다. 이 어플은 어떻게 내가 있는 위치와 가게까지의 거리를 알 수 있는 걸까?

( 바로 두 지점의 좌표값을 사용하여 거리를 계산했기 때문이다. 두 지점의 경도와 위도값을 알면 각도의 변화에 따른 거리의 변화를 계산할 수 있기 때문이다)

S T E M 위도와 경도값을 사용하여 거리 측정하기

- GPS 수신기 창에는 아래 표와 같이 좌표가 표시된다. 이 안에 담긴 숫자가 의미하는 것은 무엇일까?

N 34° 31′ 58.63″

E 127° 28′ 5.62″

(경도와 위도값)

- 북위는 N 으로, 남위는 S 로 표현함

- A지점의 위치가 N 34° 31′ 59.63″, E 127° 28′ 7.62″이고 B지점의 위치가 N 34° 31′

58.63″, E 127° 28′ 5.62″ 일 때 두 지점 사이의 거리는?

(두 지점의 경도는 2초, 위도는 1초 차이가 난다. 위도1초는 30미터, 경도 1초는 24미터의 거리차이가 나므로 피타고라스 정리를 사용하여 거리를 계산해보면 59.2미터이다.)

GPS수신기 활동지 에어로켓 발사대

(27)

27

(http://blog.naver.com/njinka/220070035851, http://kozillalyj.blog.me/110003473672)

CD 로켓을 발사하여 거리를 도달거리를 측정하기 - GPS를 사용하여 건물의 크기를 측정해 보자

마무리

(10분) ^ET GPS를 사용하여 에어로켓의 도달거리를 측정해본다

에어로켓을 발사하는 곳이 야외이므로 안전교육을 하고 발사시에는 학생들이 발사장 주변에 없도록 지도가 필요하다

GPS에 표시되는 값은 조금씩 변하기도 한다. 따라서 여러 번 측정해서 평균을 계산하여 거리를 계산하도록 지도한다.

(28)

28 생각열기

GPS로 거리를 측정하는 원리는 무엇일까요?

GPS는 측정하고자 하는 지점의 위치값을 전송해 주는 기기입니다. 이 GPS 수신기를 사용하여 우리는 가고자 하는 곳까지의 거리를 알 수 있습니다.

만일 두 지점에서 위치 정보를 가진다면(A, B) A와 B는 각각의 위도와 경도값을 가지게 됩니다. 두 지점의 위도와 경도를 알면, 피타고라스 정리를 사용하여 쉽게 거리를 구할 수 있습니다.

예를 들어 A지점의 위치가 N 34° 31′ 59.63″, E 127° 28′ 7.62″이고 B지점의 위치가 N 34° 31′ 58.63″, E 127°

28′ 5.62″ 일 때 두 지점 사이의 거리는 어떻게 될까요?

두 지점의 경도는 2초, 위도는 1초 차이가 납니다. 위도1초는 30미터, 경도 1초는 24미터의 거리차이가 나므로

피타고라스 정리를 사용하여 거리를 계산해보면 59.2미터입니다.

(29)

29

교사용 활동지

발사체의 비행거리 측정

1. A지점의 위치가 N 34° 31′ 59.63″, E 127° 28′ 7.62″이고 B지점의 위치가 N 34° 31′

58.63″, E 127° 28′ 5.62″ 일 때 두 지점 사이의 거리는? (우리나라에서 경도1“는 25미터에 해당하고 위도1”는 31미터에 해당한다고 가정한다)

59.2m

두 지점의 경도는 2초, 위도는 1초 차이가 난다. 이를 피타고라스의 정리를 사용하여 두 지점사이의 거리를 계산하다.

2. 다음의 표에 실험으로 얻은 값을 기록하고 거리(크기)를 계산해 보세요.

미션 1 체험관 크기(지름) 측정하기

1

좌표

위치1 위치2

N( 34° 31′ 59.23″ ) N(34° 31′ 59.63″ ) E( 127° 28′ 03.98″ ) E(127° 28′ 05.99″ )

<문제풀이>

위도 차이=0.51″ 경도 차이=2.01″

(0.51×30.5)²+ (2.01×25)² = 53.5(m) 체험관 크기(지름) 은 ( 53.5 )m 이다.

미션 2 에어로켓 비행거리 측정하기

1

좌표

위치1 위치2

N( 34° 31′ 59.13″ ) N( 34° 31′ 59.63″ ) E( 127° 28′ 03.85″ ) E( 127° 28′ 02.57″ )

<문제풀이>

위도 차이=0.50″ 경도 차이=1.28″

(0.50×30.5)²+ (1.28×25)² = 35.9(m ) 에어로켓은 최대 ( 35.9 )m 비행한다.

(30)

30 발사체의 초기속도

과목 물리, 기술 수업차시 8~10/

교육과정

○ 한 물체에 작용하는 두 힘의 합력을 구할 수 있고 알짜 힘을 안다.

학습목표 발사체의 초기속도를 측정할 수 있다.

도입 (10분)

S 초기속도 결정하기

Co 물체를 수직으로 발사했을 때 속도를 재지 못하는 상황이 발생했다. 이 경우 초기속도를 측정할 수 있는 다른 방법에는 무엇이 있을까?

S T E 초기속도를 바꿔가며 발사해보고 도달시간을 측정

Tip 뉴턴의 제 2 법칙에서 (), 가속도는 속도의 시간에 따른 변화로 정의된다. 만일 초기속도가 v₁, 초기시간이 t₁, 도달속도가 v₂, 도달시간이 t₂ 였다면 가속도는

→ va = = -g2 - v₁ t₂- t₁ 이 때 g는 중력가속도이다.

만일 도달속도가 0이고(v₂=0, 수직으로 쏘아 올렸을 때 로켓이 멈추는 속도), 초기시간이 0 이었다면(t₁=0) v₁=gt₂ 이다. 즉 중력가속도 값을 알고 최고점까지 도달시간을 알면 초기속도를 알아낼 수 있다.

CD 최고점 도달까지의 걸리는 시간을 측정해보자

- 초시계를 사용하여 발사자와 측정자, 기록자 간의 시간을 동기화한다.

- 펌프의 압력을 0.5기압과 1기압으로 설정하고 발사대의 각도를 90도로 설정하여 발사 - 측정자와 기록자는 로켓이 최고높이에 도달했을 때의 시간을 측정하여 기록함 - 0.5기압일 때 측정자와 기록자는 윗층(10m)으로 이동하여 관찰

- 1기압일 때 측정자와 기록자는 가장 윗층(20m)으로 이동하여 관찰 - 발사자는 무전기를 사용하여 발사시간 전달

- 발사 후 측정자와 기록자는 최고지점에 도달하는 시간을 측정하여 기록

(31)

31

마무리

(10분) ^ET 측정한 결과를 정리한다.

지도자는 발사자와 측정자의 중간에서 발사타이밍을 정확히 불러주는 역할을 수행해야 한다.

에어로켓을 발사할 때 아래층의 학생들이 맞지 않도록 주의하여 발사하도록 지도한다.

아래층의 학생들은 우산을 사용하여 날아오는 로켓을 방어한다.

(32)

32

교사용 활동지

발사체의 초기속도

● 역할 정하기

안전요원 : 배준범 초시계측정자 : 김민경

발사요원 : 오최근 이효동

기 록 자 : 이상록 성지선

● 0.5기압

최고점도달시간

측정자이름 1차 2차 3차 4차 5차 평균

김민경 1.80 1.40 1.20 1.30 1.60 1.46

이효동 2.83 2.39 2.01 1.95 2.62 2.36

성지선 2.20 2.05 2.20 2.20 2.58 2.25

- 0.5기압으로 에어로켓을 발사할 경우 최고점 도달 평균시간은 얼마일까요?

2.02(s)

※ 학생들이 평균 시간을 직접 손으로 계산해보도록 한다.

- 0.5기압으로 에어로켓을 발사할 경우 초기속도(m/s)는 얼마일까요?

19.8(m/s )

※ 학생들은 중력장에서의 운동에서 얻어낸 값을 사용하여 계산하도록 한다.

여기서는 알려진 중력 가속도 값(9.80)으로 계산하였다.

v

₀

= v

₁

+ a △t = 0 - g △t

= 9.8(m/s

²

) × 2.02(s )

= 19.8(m/s )

(33)

33 ● 1기압

최고점도달시간

측정자이름 1차 2차 3차 4차 5차 평균

김민경 2.75 2.92 2.88 3.04 3.07 2.93

이효동 1.78 2.23 1.99 2.06 1.96 2.00

성지선 2.03 2.20 1.99 2.27 2.01 2.10

- 1기압으로 에어로켓을 발사할 경우 최고점 도달 평균시간은 얼마일까요?

2.34(s)

※ 학생들이 평균 시간을 직접 손으로 계산해보도록 한다.

- 1기압으로 에어로켓을 발사할 경우 초기속도(m/s)는 얼마일까요?

22.9(m/s)

※ 학생들은 중력장에서의 운동에서 얻어낸 값을 사용하여 계산하도록 한다.

여기서는 알려진 중력 가속도 값(9.80m/s

²

)으로 계산하였다.

v

₀

= v

₁

+ a △t = 0 - g △t

= 9.8(m/s

²

) × 2.34(s ) = 22.9(m/s )

● 최고점까지 도달하는 시간을 측정함에 있어서 측정자와 측정횟수에 따라 다른 값이 나왔다면 그 원인이 무엇일까요?

※ 학생들이 실험을 수행하는 과정에서 느낀 오차의 요인들을 잘 떠올려볼 수 있도록 지도한다.

발사체의 어느 부분을 관찰하여 측정하는지에 따라 값이 달라질 수 있다.

(34)

34 각도에 따른 발사체 사거리 측정(층별로 발사체 멀리 쏘기)

교육과정

학습목표 발사높이에 따른 도달거리의 변화를 측정해볼 수 있다.

도입

(10분) ^Co 로켓 혹은 공이 가장 멀리 날아가는 각도는 어떻게 될까?

S T E M CD 발사높이를 바꿔가면서 에어로켓 발사

- 1층에서 발사각을 10도에서 60도까지 10도씩 바꿔가며 발사해봄.

- 발사체의 비행거리를 레이저 거리측정기를 사용하여 측정하여 기록 - 1~4층으로 발사높이를 변화시키며 실험을 반복한다.

- 실험결과를 정리하고 그래프를 그려본다.

Tip 에어로켓 발사시 공기의 주입량은 일정해야 한다.

- 실험 오차의 원인을 밝혀보자

발사대, 각도기 에어로켓

레이저 거리측정기

활동지

컴퓨터 모눈종이

마무리

(10분) ^ET 작성한 결과를 정리하고 정리정돈한다.

층별 발사시 다른층에서 발사된 팀의 발사체가 날아오는 것을 확인하고 측정자는 이동을 해야 한다. 미리 우산을 준비하여 발사체에 맞는 것을 피한다.

에어펌프를 발사시키기 위한 공기의 양을 일정하게 주입하도록 지도해야한다.

레이저 거리측정기를 활용하여 거리를 측정할 경우 거리측정기를 발사체가 떨어진 위치에 놓고 레이저 빛이 발사대 위치를 정확하게 겨냥하는지를 확인한다.

(35)

35

교사용 활동지

높이에 따른 발사거리 측정

● 역할 정하기

안전요원 : 배준범 거리측정자 : 김민경

발사요원 : 오최근 기 록 자 : 이상록

● 다음의 표에 높이에 따라 로켓의 도달거리를 기록하세요.

발사각도

높이 10도 20도 30도 45도 50도

1층

1회 6.11 8.02 9.05 9.44 8.71

2회 7.36 7.70 9.29 9.53 8.91

3회 8.09 8.82 9.32 9.89 8.83

평균 7.19 8.18 9.22 9.62 8.82

2층

1회 11.13 12.83 13.10 11.62 11.07

2회 11.67 13.11 13.23 10.98 10.95

3회 11.95 12.75 12.96 11.55 10.98

평균 11.58 12.90 13.10 11.38 11.00

3층

1회 15.69 16.05 14.88 12.12 10.79

2회 15.79 16.22 15.10 12.45 10.66

3회 15.56 16.53 15.03 12.72 10.45

평균 15.77 16.27 15.00 12.43 10.63

4층

1회 16.96 18.78 17.10 16.54 16.44

2회 17.64 17.48 16.98 16.79 15.58

3회 18.10 18.20 17.22 17.10 15.42

평균 17.57 18.15 17.10 16.81 15.81

(36)

36 45도의 진실

과목 물리, 기술 수업차시 11.5~13/16

교육과정

학습목표 높이에 따른 도달거리의 변화를 그려볼 수 있다.

도입 (10분)

S M CD 로켓이 가장 멀리 날아가는 각도는 어떻게 될까?

(발사각도와 도달거리 간에는 어떤 관계가 있을까?)

S T E A CD 각도에 따른 발사체 도달거리 그래프 그려보기 - 가로축을 발사각도로, 세로축을 도달거리로 표시

- 하나의 그래프에 1~4층에서 측정한 결과를 모두 표시한다

S M CD 층별 발사각도는 어떻게 변할까?

(높은 층으로 올라갈수록(발사높이가 높아질수록) 최대 도달거리에 도달하도록 하는 발사각도가 낮아진다)

발사체의 높이에 따른 사거리의 변화 그래프

S M CD 45도의 진실에 대해 적어보자

(실험을 하면서 알게 된 사실을 자유롭게 기술하도록 한다)

S M CD 왜 위의 대답과 같은 결과가 나오는 걸까?

- 힘의 배분에 의한 것임

- 힘의 성분을 수직성분과 수평성분으로 나눌 수 있음

모눈종이 자 활동지

컴퓨터

(37)

37

- 수직성분은 로켓이 공중에 떠 있는 시간에 영향을 받는다

- 수평성분은 로켓이 도달하는 거리에 영향을 미친다 - 따라서 같은 높이에서는 45도로 쏠 때 가장 멀리 날아간다.

- 높은 층에서 날릴 경우 높이에 의해 떠 있는 시간은 확보가 되기 때문에 각도를 낮출 경우 도달거리가 길어진다

S M CD 실험에 영향을 미치는 오차의 원인을 적어보자.

(실험을 하면서 알게 된 사실을 적어보도록 한다)

마무리

(10분) ^ET 작성한 결과를 정리하고 정리정돈한다

발사각도와 도달거리 간의 관계를 그려볼 때 쉽게 그릴 수 있도록 하기 위해 방안지와 자를 준비해서 학생들에게 지급하고 적절한 스케일로 그릴 수 있도록 지도한다

발사체가 비행할 때 체공시간 확보와 앞으로 이동하는 것이 적절히 분배되어야 한다는 것을 제대로 설명해 주는 것이 좋다. 따라서 높은 곳에서 발사를 할 경우는 가장 멀리 날아가는 각도가 45도가 아니라는 것을 인식시키는 것이 핵심이다. 힘의 배분에 대해서 어려워할 수 있으므로 제대로 알 수 있도록 지도한다.

(38)

38

교사용 활동지

45도의 진실

1. 앞 시간에 측정했던 발사각도와 도달거리 간의 관계를 그래프로 그려보세요.

2. 실험을 통해 알게 된 45도의 진실에 대해 자유롭게 적어봅시다.

실험을 통해 얻어진 결과는 로켓이나 발사체가 가장 멀리 날아가는 각도가 45도가 아니다. 발사체가 발사 높이에 따라 가장 멀리 날아가는 발사각도는 달라진다.

3. 실험 오차의 원인을 밝혀봅시다.

※ 캠프에 참가한 청소년의 반응을 다음과 같이 정리하였다.

-발사대에 장착되어 있는 각도기로 제대로 발사각도를 맞추지 못했다.

-공기압을 넣을 때 똑같이 들어가지 않았다.

-로켓의 길이, 무게, 바닥에 도달 시 도착위치를 정확히 알 수 없었다.

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39 특정 좌표에 발사체 안착

과목 물리, 기술 수업차시 13-16/16

교육과정

※ 5～6학년군의 ‘물체의 빠르기’에서 학습한 물체의 운동 모습의 정성적 관찰과 여러가지 방법으로 비교한 물체의 빠르기 개념과 연계된다.

학습목표 실험 오차를 줄이기 위한 도구에 대해 생각해 볼 수 있다 원하는 위치에 로켓을 도달시킬 수 있다.

도입

(10분) ^{S T} ^Co 실험의 오차를 줄이기 위해서 개선해야 할 점은 무엇일까?

S T E A M CD 실험의 오차를 줄이기 위한 도구를 설계해보자

CD 실험의 오차를 줄이기 위한 도구를 제안하고 발표해본다

활동지

에어로켓 발사대

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CD 로켓을 발사하여 특정 위치에 도달시켜보자.

<특정 좌표에 발사체 안착 미션을 수행하는 모습>

마무리

(10분) ^ET 위치를 바꿔가며 로켓을 발사해보고 프로그램을 마무리한다.

그동안 실험하면서 느꼈던 것들을 생각해보고 개선사항을 찾는 것이므로 본격적으로 적어보기 전에 그동안 해 왔던 체험활동에 대해 상기시킨다.

발표하는 내용에 대해 격려해주고 왜 그렇게 생각했는지에 대해 명확히 설명하도록 한다.

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교사용 활동지

특정 좌표에 발사체 안착

1. 여러분은 2박3일 동안 45도의 오해에서 진실을 찾기 위한 노력을 해왔습니다. 실험을 하면서

아쉬웠던 점을 반영하여, 오차를 줄이기 위한 도구를 설계해보고 작동방법에 대해 생각해봅시다.

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부 록

폼로켓 제작

그림 1 폼 로켓 제작 준비물

파이프용 폼, 고무줄 9개, 하드보드지 2장, 가위, 자, 볼펜, 케이블 타이 3개, 너트

가. 폼로켓 뒷부분 제작 과정

그림2와 같이 하드보드지에 밑변 7cm, 윗변 5cm 인 사다리꼴 모양을 2개 그려서 오려준다

그림 2 폼 로켓 날개 도안

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그림 3 제작한 두 개의 안정판 결합 방법

하드보드지의 두께가 1mm이다. 서로 (+)모양으로 끼우려면 그 두께만큼 오려야 한다. 오려내야 하는 각 길이는 폭 1mm, 높이 2.5cm 이다. 폭 1mm 보다 더 크게 오려도 무방하다. 그림 7처럼 1번 날개가 2번 날개와 결합이 아직 이뤄지지 않을 상태이다. 서로의 윗변이 평행하게 맞아야 몸체에 잘 결합이 될 것이다.

이제 몸통에 표시되어있는 굵은 선 4개를 가위로 자른다. 선이 끝나는 지점까지 자르면 날개가 정확하게

결합되고, 케이블 타이를 사용하여 날개가 빠지지 않게 고정시키면 첫 번째 결합과정이 끝나게 된다. 밖으로

빠져나온 케이블 타이는 가위를 사용하여 선이 남지 않도록 잘라준다.

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그림 4 폼과 뒷부분 날개를 연결하는 순서

※ 케이블 타이 장착법

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1번처럼 끼워야 할까? 아니면 2번처럼 끼워야 할까? 1번이 정답이다. 딱!딱!딱! 소리가 나는 순간 풀리지 않으니

주의해야 한다.

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45 가. 폼로켓 앞부분 제작과정

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그림 5 너트와 고무줄 결합방법

고무줄 3개와 너트 1개를 준비한다. 고무줄 3개를 겹쳐 잡은 후, 너트 중앙에 끼워 넣는다. 그림 5를 보시면

오른쪽 고무줄을 고정시키고 왼쪽 고무줄을 잡은 후, 오른쪽 고무줄의 공간으로 들어갑니다. 빠져나온

고무줄을 잡아당기면 그림 5-8번처럼 된다. 이후 남은 고무줄 6개를 반으로 나눠 똑같은 방법으로 3개를 겹친

뒤, 너트 중앙으로 들어가는 것이 아닌 그림 5-8번에 나와 있는 고무줄 고리에 통과시켜 기차처럼 연결시킨다.

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그림 6 폼과 발사용 고무줄 결합방법

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47 그림6처럼 ‘국립고흥청소년우주체험센터’ 마크가 새겨진 곳까지 너트는 손가락으로 ‘쏘옥!’ 집어넣으면 된다.

케이블 타이가 감겨질 곳을 기점으로 오른쪽에 위치해야 안전하다. 그리고 케이블 타이를 점선을 따라서 감아준다. 그림7과 같이 너트가 빠져나오지 않도록 최대한 조여준다.

그림 7 케이블 타이와 폼 결합

그림 8 완성된 폼 로켓