사막과 같은 곳에서 나침반이 없이 방위를 찾으 려면 어떻게 해야 할까? 생존을 위한 필수적인 요소로 방위를 찾는 것은 매우 중요하다. 특히 도시와 같은 장소에서도 방향을 찾는 일은 중요 하다.
국내 최악의 지하철 참사였던 2003년 대구 지하 철 화재 당시 사진을 보면 지하철 객차 안에 있는 사람들은 유독 가스 탓에 숨도 제대로 쉬지 못하 면서도 선뜻 일어나 대피하지 못하고 있다. 이것 은 연기 탓에 어디로 가야 할지를 찾기 어렵기 때 문이었다. 즉, 사람은 비상 상황에 닥치면 본능
에 의지하게 되면서 이성적 판단을 할 수 없어 방 향 감각을 상실한다. 요즘과 같이 초고층 건물이 확대되고, 지하 거대 쇼핑몰 등이 발달하는 시대 에 가상 화재 발생 상황을 가정하여 탈출 방법을 고민해 보는 것은 의미있는 일일 것이다.
길 을 찾아라
20
내용 목표
• 지역에 따라 방위 찾기 방법이 다 름을 이해할 수 있다.
• 나침반의 원리를 이해할 수 있다.
• 터널과 거대 건물에서 탈출 방법 을 생각해 봄으로써 과학적인 판 단력을 기를 수 있다.
과정 목표
• 태양의 위치를 통해 방위를 찾을 수 있다.
• 철사를 자성화하여 나침반을 제작할 수 있다.
• 위기 상황에서 탈출할 수 있다.
고등학교 1학년 태양계와 우주 과목 : 과학, 미술
학습 목표 주제 및 제작 의도
STEAM 과목 요소
방위를 찾거나 터널과 거대 건물에 서 탈출로를 확보하는 여러 가지 방 법을 경험해 봄으로써 과학과 기술, 수학적 원리를 이해할 수 있다.
자성의 원리, 태양의 움직임, 연기의 확산
시계와 태양의 움직임 경로를 통한 방위 찾기, 나침반의 이용, 유도등의 원리 나침반을 효율적으로 만드는 방법, 화재 상황에서 회피하는 방법
유도등 디자인, 감성과 과학적 판단의 관계
태양의 움직임과 시간 계산, 건물 탈출 시간 계산, 연기 확산 시간 계산
관련 교과
STEAM 단계 요소
상황 제시
Step1 • 위기 상황에서 방위를 찾고 빠르게 탈출하려면 어떻게 해야 할까?
창의적 설계 Step2
• 시계, 디지털 시계, 막대기를 이용하여 방위를 잰다.
• 누름 핀, 페트병, 건전지와 전선, 실을 이용하여 전자석을 만든다.
• 터널을 빠르게 빠져나오기 위한 유도등을 설계한다.
감성적 체험
Step3 • 비상 상황에서 감각이 인간의 판단력에 어떤 영향을 주는지 경험한다.
교육 과정
수업 단계 과목 단원 단원 학습 목표 STEAM 성취 목표/STEAM 요소
1~4차시 과학
태양계와 우주
시계와 막대기를 이용하여 방 위를 파악할 수 있다.
호주 사막에서 길을 찾기
시계와 막대기를 이용하여 방위를 찾 는 방법 실행하기
여러 가지 재료를 이용하여 나침반을 제작함으로써 방위 를 찾을 수 있다.
나침반 제작하기
나침반을 제작하고 방위를 찾아보기
에너지와 환경
터널 안 비상 상황에서 가장 효율적인 탈출 방법을 제시할 수 있다.
터널에서 탈출하기
유도등의 역할을 알고 유도등을 설계 하여 탈출 방법 고안하기
도시 거대 건물 화재 상황에 서 탈출에 필요한 조건들을
도시 거대 건물 화재 상황에서 탈출하기 도시 거대 건물 화재 상황에서 연기의 확
평가 계획
연번 평가 기준 방법
1 시계와 막대기를 이용하여 방위를 찾는 방법과 원리에 대해 이해하고 있는가? 수행 평가
2 나침반의 제작 원리를 이해하고 있는가? 수행 평가
3 터널에서 탈출하는 방법에 대해 과학적으로 토의하고 설명하고 있는가? 관찰 평가
4 도시 거대 건물 화재 생황에서 탈출하는 방법에 대해 과학적으로 토의하고 설명하고
있는가? 관찰 평가
차시별 계획 총괄표
과목 과학, 미술
단원 과학(태양계와 우주, 에너지와 환경), 미술(만들기)
차시 학습 내용
1차시
소주제 호주 사막에서 길을 찾아라!
시계와 막대기를 이용하여 방위를 찾는 방법 알아보기 호주 사막 한가운데서 조난을 당했을 때 탈출하려면 어떻게 해야 할까?
시침과 분침이 있는 시계를 이용하여 방위를 찾아본다.
막대기를 이용하여 방위를 찾아본다.
2차시
소주제 나침반을 제작하라!
나침반 제작하기
산속에서 길을 잃어 탈출하려면 어떻게 해야 할까?
건전지와 전선을 이용하여 나침반 바늘을 만든다.
편각을 보정할 수 있는 나침반을 만든다.
지구 자기장을 따라 이동하는 철새와 같이 사람도 가능한지 토의한다.
3차시
소주제 터널에서 탈출하라!
터널 안 화재 시 바람의 방향에 대해 생각해 본다.
사고가 발생한 터널에서 빠르게 탈출하려면 어떻게 해야 할까?
유도등의 역할과 유도등을 설계하고 탈출 방법 고안하기 유도등은 어떠한 조건을 갖추어야 할지를 알아본다.
참고자료의 ‘인간의 심리와 대피 행동 특성’과 다른 특성에 대한 토의 자료를 보고 비상 상황에서 인간의 감각 과 과학적 판단의 차이가 생기는 이유에 대해 토의한다.
4차시
소주제 도시 거대 건물 화재 상황에서 탈출하라!
도시 거대 건물 화재 상황에서 연기의 확산 속도와 비상 계단 탈출 시간 비교하기
영희가 100층 빌딩의 50층 사무실에서 일을 하고 있을 때 화재가 발생했는데 정전이 되고 연기 냄새가 났다. 영 희는 어떻게 행동해야 할까?
철수는 지하 5층 쇼핑몰에 있었다. 철수는 영희의 경우와는 어떤 점에서 다르게 대처해야 할까?
도시 거대 건물 화재 상황에서 연기의 확산 속도와 비상 계단 탈출 시간을 비교하고 효율적인 탈출 통로를 찾 는 방법을 알아본다.
비상 상황에서 감각이 인간의 판단력에 어떤 영향을 미치는지 토의해 본다.
차시(단계)별 교수 학습 과정
1차시 호주 사막에서 길을 찾아라!
과목
고등학교 1학년 / 과학수업 차시
1/4차시단원
태양계와 우주교육 과정
시계와 막대기를 이용하여 방위를 찾는 과정을 통하여 태양의 움직임을 이해한다.학습 목표
시계와 막대기를 이용하여 방위를 파악할 수 있다.학습 과정 교수 · 학습 활동 준비물
도입 (5분)
호주 사막 한가운데서 조난을 당해서 구조 요청을 위해 방위를 찾아야 한다.
철수에게는 시계와 막대기가 있다. 이들 도구를 이용하여 어떻게 방위를 찾 을 수 있을까?
학습 활동 (30분)
활동 시계와 막대기를 이용하여 방위 찾기 시계를 이용한 방위 찾기
시침과 분침이 있는 시계를 이용하여 방위를 찾아본다.
tip 북반구를 기준으로 태양은 여름에는 북동쪽-북서쪽, 겨울에는 남동쪽-남 서쪽으로 움직인다. 남반구는 북반구와 계절만 반대이다.
tip 태양을 이용한 방위 측정 방법은 적도에 가까울수록 더 정확하다.
막대기를 이용한 방위 찾기 막대기를 이용하여 방위를 찾아본다.
tip 태양은 한 시간에 약 15°(분당 0.25°) 움직인다.
tip 빛의 반대 방향에 그림자가 남으므로 그림자와 태양의 궤적은 반대이다.
tip 태양의 고도와 그림자 길이는 반비례한다는 점과 계절에 따라 남쪽과 북쪽 에 치우쳐서 뜨고 짐을 고려한다.
tip 시간이 오래 걸리더라도 여러 개의 그림자를 그리고, 그림자 끝을 반원으로 그려 방위를 찾는 방법을 도입한다면 좀 더 정확도가 높아진다.
학생활동지 1 참고자료 1
손목시계, 종이와 펜, 나뭇가지 또는 막대 기, 작은 돌조각
마무리 (10분)
시계와 막대기를 이용한 방위 찾기 방법을 적용한다.
철수가 조난을 당한 호주의 사막은 남반구라는 점에 착안하여 시계와 막대 기를 이용한 방위 찾기 방법이 북반구와는 어떻게 다르게 적용되어야 하는 지를 알아본다.
지도상 유의점
✽ 지구 자전과 태양의 일주 운동에 관한 교과서 내용을 학습한 후에 본 과정을 진행하도록 한다.
✽ 이 실험은 아스팔트나 콘크리트 바닥에서는 실험이 불가능하다. 따라서 흙이 있는 운동장 등에서 실험해야 한다.
학생활동지 1 시계와 막대기를 이용하여 방위 찾기
철수는 가족과 함께 호주 사막을 관광하던 중 조난을 당하게 되
었습니다. 사막에는 특별한 지형지물이 없어 오로지 방위만을 의지해서 길을 찾아야 합니다. 그리고 반드시 해가 떨어지기 전 에 구조 요청을 할 수 있어야 합니다. 철수는 사막 한가운데서 어떻게 길을 찾을 수 있을까요?
● 위 상황 제시를 바탕으로 문제 해결을 위한 방법을 ‘설계·실현을 위
한 다양한 도구를 이용한 구상’과 ‘고민·산출물 제작’의 단계로 아래 질문을 각각 해결해 봅시다.
❶ 철수가 길을 찾는 사전 단계로 시침과 분침이 있는 시계를 이용하여 북반구에서 남쪽 방위를 찾는 방법
을 쓰시오.
기사는 사막에서 조난을 당한 가족 중 한 명이 사막을 탈출하여 구조 요청에 성공한 실화이다.
캘리포니아의 죽음의 사막을 관광하던 한인 가족 4명이 타이어 펑크 사고로 오도가도 못하는 위기에 놓였으나 위험을 무릎 쓴 20대 여성의 구조 요청에 힘입어 모두 무사히 구조된 사실이 뒤늦게 밝혀졌다. 신원을 밝히기를 거부한 한인 가족 4명이 사고 를 당한 곳은 해마다 12~15명의 조난 사망자가 발생하고 있는 네바다주 인근의 캘리포니아주 `데스밸리 국립공원으로 지구 상 에서 `가장 덥고, 가장 건조한 곳으로 소문나 있다. 이곳은 요즘 한낮의 기온이 화씨 116~118도(섭씨 46.7~47.8도)에 이르고 태 양을 피할 그늘이라고는 없어 조난 시에는 그야말로 죽음만을 기다려야 하는 험지다.
오후 4시에 남쪽 찾기 오후 4시 26분에 남쪽 찾기
㉠ 긴 나뭇가지 등을 이용하여 태양을 가리키고 그 선을 따라 그대로 땅바닥까지 내려놓아 태양을 향하는 지시선 을 만든다.
㉡ 지표면과 수평이 되도록 시계를 놓는다.
㉢ 해의 위치를 가리키는 지시선 표시에 시계를 돌려 시침을 맞춘다.
㉣ 시침과 12시 사이를 로 나누는 가상선이 남쪽을 가리키는 방향이다.
남반구와 북반구에서 태양은 동쪽에서 떠서 서쪽으로 지는 것은 변함없지만 남반구에서는 북쪽 하늘을 지나게 된다.
따라서 북반구에서는 태양이 남쪽 하늘을 시계 방향으로 지나가지만, 남반구에서는 태양이 북쪽 하늘을 반시계 방향 으로 지나가게 되므로 시침이 움직이는 시계 방향과는 반대가 된다. 그러므로 남반구에서는 시침이 가리키는 시간을 대칭적으로 읽어서 적용해야 한다. 예를 들어 1번 질문에서 오후 4시에 북쪽을 찾으려면 시침이 8시 방향을 가리킨다 고 가정하고 태양의 위치를 가리키는 지시선 표시에 시계를 돌려 시침을 맞추어 적용하면 된다.
㉠ 평평한 땅을 찾아 길이가 긴 막대기를 수직으로 꽂는다.
㉡ 그림자의 끝에 작은 돌조각을 올려놓아 표시하고 15분 후에 움직인 그림자의 끝에 돌조각을 올려놓는다.
㉢ 태양은 한 시간에 약 15°(분당 0.25°)를 움직인다.
㉣ 두 개의 돌 조각을 잇는 선을 그어 해가 서쪽으로 이동하며 동쪽으로 만든 그림자 궤적을 확인한다. 즉, 두 개의 돌조각을 잇는 선을 그으면 동쪽과 서쪽을 알 수 있고, 이 선과 직각인 선을 그으면 남쪽과 북쪽도 알 수 있다.
❷ 막대기를 이용하여 방위를 찾는 방법을 써 봅시다.
❸ 철수가 조난을 당한 호주의 사막은 남반구라는 점에 착안하여 시계와 막대기를 이용한 방위 찾기 방법
이 북반구와는 어떻게 다르게 적용되어야 하는지를 비교하여 토의해 봅시다.
•시침과 분침 중 어떤 것이 태양을 가리켜야 하는가요?
•이 방법은 봄, 가을에 잘 맞는 방법입니다. 여름과 겨울에 잘 맞지 않는 이유는 무엇일까요?
•지구에서 적도나 극 어디에 가까울수록 시계를 이용한 방위 찾기가 쉬울까요?
시침, 태양은 12시에 남쪽에 위치하며 90°÷6시간=15°이므로 1시간에 15°씩 서쪽으로 이동한다. 따라서 12시를 기
준으로 태양이 지는 오후 6시까지 시침과 12시 방향의 중간 지점을 나누는 가상선이 남쪽을 가리키는 방향이 된다.
태양 때문이다. 태양은 여름과 겨울에 북, 남쪽으로 치우쳐 뜨고 지기 때문이다.
적도에 가까워야 한다. 그 이유는 극지방에서는 태양이 뜨고 지는 시각이 지나치게 길거나 짧을 수 있기 때문이다.
참고자료 1
해시계와 별의 움직임을 통한 방위 찾기
✽
해시계해시계는 태양의 일주 운동을 이용하여 시간을 알 수 있게 만든 장치로 원시시대부터 인간은 나무 그림자를 보고 시간을 측정하였다고 한다. 해시계는 밤이나 날씨가 흐릴 때는 사용할 수 없다는 단점이 있고, 태양의 움직임이 복잡하게 변하기 때문에 유용성이 떨어지기는 하지만 17세기까지만 해도 기계로 된 시계보다도 오히려 더 정확했다고 한다. 그리고 태양의 움직임 은 방위를 알려주는 지표가 되기 때문에 정확한 시간의 측정을 위해서는 정확한 방위를 알아 야 했다.
▲ 앙부일구 ▲ 서양의 해시계
✽
별의 움직임을 통한 방위 찾기밤하늘에 떠 있는 별의 상대적인 위치는 변하지 않으며 항상 같은 곳을 지난다. 그러나 지구의 공전 운동 때문에 별이 뜨는 시간은 매일 4분씩 늦어져 한 달이면 2시간 차이가 난다. 북반구 의 밤하늘에서 위치가 크게 변하지 않는 별은 북극성이 있다. 북극성 방향은 항상 북쪽, 즉 진 북이다. 하지만 북극성은 2등성으로 자세히 관찰하여야 찾을 수 있다.
카시오페이아는 W자 모양을 하고 있으며 북두칠성과 함께 북극성 중심으로 회전하므로 북극
성을 찾는 단서가 된다. 남반구 하늘에는 북극성과 같이 눈에 확실히 띄는 별이 없지만 다섯 개
의 별로 구성된 남십자성을 이용할 수 있다. 하지만 이를 찾기란 쉽지 않은 일이다. 그래서 길
이가 다른 두 개의 막대를 땅에 수직으로 꽂고 별들의 움직임을 관찰하여 별의 궤적을 그려 보
면 방향을 알 수 있다. 별이 수직 상승하면 동쪽이고 수직 하강하면 서쪽, 오른쪽으로 원만히
이동하면 남쪽이고 왼쪽으로 원만히 이동하면 북쪽이다. 그리고 달은 태양 빛을 반사하여 밝은
빛을 내므로 달을 이용해도 대략적인 방위를 알 수 있다. 예를 들어 해가 지기 전에 뜨는 달의
밝은 쪽이 서쪽이 되며 자정 이후 뜨는 달의 밝은 쪽은 동쪽이 된다.
2차시 나침반을 제작하라!
과목
고등학교 1학년 / 과학, 미술수업 차시
2/4차시단원
태양계와 우주, 만들기교육 과정
나침반의 원리를 이해하고 나침반을 제작하여 방위를 찾아본다.학습 목표
여러 가지 재료를 이용하여 나침반을 제작함으로써 방위를 찾을 수 있다.학습 과정 교수 · 학습 활동 준비물
도입 (5분)
영희는 산속에서 길을 잃었다. 휴대폰을 사용할 수도 없고 산세가 험해 방향 감각을 상실하였지만 그나마 지도가 있어 방위만 찾으면 산을 쉽게 빠져나갈 수 있을 것 같다. 영희가 가진 것은 누름 핀과 페트병, 건전지와 전선, 실이 다. 이러한 재료를 가지고 나침반을 만들어 탈출할 수 있을까?
학습 활동 (35분)
활동 간단한 재료를 이용하여 나침반 만들기 나침반을 제작하여 방위 찾기
누름 핀(철사)과 페트병을 이용하여 나침반 바늘을 만든다.
- 철사가 자화되었을 때 남쪽과 북쪽을 구분해 본다.
tip 균형을 맞추어 철사를 실에 매다는 방법도 있다. 단, 꼬인 실을 사용하면 안 된다.
tip 자화는 철사를 구성하는 원자들의 전자가 형성하는 자기력선들의 규칙성 을 만드는 것이다. 열이나 큰 충격을 가하면 원자들의 무질서도가 증가하면 서 자성을 잃게 된다.
tip 태양이 떠 있는 방향은 북반구에서는 남쪽, 남반구에서는 북쪽이다.
전자석의 원리를 이용하여 나침반 만들기 건전지와 전선을 이용하여 나침반 바늘을 만든다.
tip 철사를 문지르는 방법은 마찰로 인해 정전기 유도 현상으로 자화를 유도하 는 것이고, 건전지와 전선을 이용하는 것은 전자석을 만드는 것으로 자성 체를 자기장 내에 두어 자기를 띠게 하는 자기 유도인 유도 자화의 한 방 법이다.
편각을 보정할 수 있는 나침반 만들기 편각을 보정할 수 있는 나침반을 만든다.
학생활동지 2 참고자료 2 나침반 재료
(철사, 나뭇잎, 종이, 풀, 플라스틱 통, 실, 피복이 덮인 전선, 피 복이 없는 전선, 2V 이상의 전원)
마무리 (5분)
우리는 평소 ‘방향 감각이 좋다’라는 말을 사용한다. 철새가 지구 자기장을 따 라 이동한다는 것은 잘 알려진 사실이다. 사람의 뇌도 이러한 영향을 받을지 토의한다.
지도상 유의점
✽ 지구는 하나의 큰 자석이라고 한다. 나침반 바늘의 N극이 지구의 북쪽을 가리 키는 것은 지구 자기 북극이 S극이기 때문이다. 나침반 바늘은 지구의 자성에 어떻게 반응하는지 생각해 볼 수 있도록 한다.
✽ 나침반을 제작할 때 주변에 철재 제품이나 전자 제품이 있으면 상호 간섭으 로 오류가 발생한다. 따라서 이 방법을 쓸 때는 영향을 받을 수 있는 물체로 부터 1m 이상 떨어져서 사용한다. 학생들 사이의 간격도 마찬가지로 조정하 여 진행한다.
학생활동지 2 간단한 재료를 이용하여 나침반 만들기
영희는 산속에서 길을 잃었다. 휴대폰을 사용할 수도 없고 산세가 험해 방향 감각을 상실하였지만 그나마 지도가 있어 방위만 찾으면 산을 쉽게 빠져나갈 수 있을 것 같다. 영희가 가진 것은 머리핀과 페트병, 건전 지와 전선, 실이다. 이러한 재료를 가지고 나침반을 만들어 탈출할 수 있을까?
❸ 편각을 보정하는 나침반을 만드는 방법을 써 봅시다.
편각은 나침반으로 측정한 방위와 태양을 통해 측정한 방위로 보정하도록 한다.
❹ 우리는 평소 ‘방향 감각이 좋다’라는 말을 사용합니다. 철새가 지구 자기장을 따라 이동한다는 것은 잘
알려진 사실입니다. 사람의 뇌도 이러한 영향을 받을지 생각해 봅시다.
❶ 영희가 가진 머리핀과 페트병을 이용하여 나침반을 만드는 방법을 써 봅시다.
㉠ 가늘고 긴 철사를 준비한다. 철사는 나뭇잎이나 물 위에 올려도 가라앉지 않을 정도의 가벼운 것이어야 한다.
㉡ 철사를 실크천으로 문지르거나 천이 없다면 머리카락에 밀착시켜 10초 이상 비빈다. 그러면 철사는 자성을 띠게
되는데, 자성은 영구적으로 유지되지 않으므로 자주 문질러 주어야 한다.
㉢ 페트병을 자른 통과 같이 물을 담을 수 있는 그릇에 종이나 풀, 나무껍질 등의 가벼운 재질 위에 철사를 올려놓고 물에 띄운다.
㉣ 마찰로 자성을 띤 철사가 물 위에서 움직이다가 한 방향에서 멈춘다.
철의 무질서한 자기 배열을 한쪽으로 유도하기 위해서이다.
자성은 방향성이 있으나 이를 육안으로는 알 수 없으므로 태양 등의 천체를 이용하여 판단한다.
● 철사를 문지를 때 자석으로 문지르면 효과가 좋다고 합니다. 이때는 반드시 한 방향으로만 문지르도록 해야 하는 데, 그 이유를 써 봅시다.
● 철사가 자화되면 남쪽과 북쪽을 가리키지만 구분이 쉽지 않습니다. 이 문제를 해결하는 방법을 쓰시오.
❷ 건전지와 전선을 이용하여 나침반 바늘을 만드는 방법을 써 봅시다.
피복으로 싸인 전선을 코일 모양으로 만든 후 바늘 주위를 감싸고(피복에 싸인 전선이 없다면 종이로 바늘을 여러 겹 감싼다.) 전선의 양끝을 2V 이상의 전원 양극에 연결하여 5분 이상 놓아 둔다.
전원의 (+), (-)극에 전선을 연결하는 것은 전자의 흐름 방향을 결정하는 것이다. 전자의 흐름은 전류로 자기장의 방 향을 결정한다.
자기 유도 방향이 바뀌어 N극과 S극이 역전된다. 그리고 마찰과 전지에 의한 자기 유도는 비슷한 원리이다.
● 전선을 전원의 (+), (-)극에 연결할 때 위치에 따라 전선에는 어떤 변화가 있는지 써 봅시다.
● 철사를 문지르는 방법과 건전지와 전선을 이용하는 방법에는 어떤 차이가 있는지 써 봅시다.
참고자료 2
나침반과 편각, 전자석의 원리
✽
정밀 나침반과 편각지리적 방위를 찾을 수 있는 정밀한 나침반을 만들려면 편각을 보정해 줄 수 있어야 한다. 편 각이란 지구 상의 북반구 현재 위치에서 지리상의 북극점 방향과 나침반의 N극이 가리키는 방 향 사이의 각도를 말한다.
편각 현상은 이미 15세기 중반에 나침반을 만드는 장인들에게 알려졌고, 태양이 남중할 때 그 림자 방향을 통해 정확하게 북쪽을 파악하면 이를 자침과 비교해서 편각을 알 수 있었다. 탐험 가 콜럼버스는 이러한 편각의 원리를 이용하여 항해를 하였으며, 이러한 항해 기록을 바탕으 로 지구가 거대한 자석이라는 인식이 확산되었다. 그리고 원양 항해의 안정성 향상을 위해 지 구 자기에 대한 연구도 크게 발전하게 되었다.
✽
원형 도체 전자석(솔레노이드)솔레노이드란 도선을 원통형으로 균일하고 촘촘하게 길게 감아 만든 것을 말한다. 솔레노이드 에 전류를 흘렸을 때 자기장의 방향은 도선에 흐르는 전류의 방향으로 오른손 네 손가락을 감 아 쥐었을 때 엄지손가락이 가리키는 방향이 된다. 코일을 감은 방향과는 관계가 없으며 전류 가 흐르는 방향에 의해 자기장의 방향이 결정되는데, 전자석의 자극은 오른손을 이용하면 쉽 게 알 수 있다. 다음 그림과 같이 전류가 흐르는 방향으로 손가락을 감아 쥐었을 때 엄지손가 락이 향하는 쪽이 N극이 된다.
5V
3차시 터널에서 탈출하라!
과목
고등학교 1학년 / 과학수업 차시
3/4차시단원
에너지와 환경교육 과정
터널 안에서 유도등의 역할을 생각해 보고, 가장 효율적인 탈출 방법을 고안해 보자.학습 목표
터널 안 비상 상황에서 가장 효율적인 탈출 방법을 제시할 수 있다.학습 과정 교수 · 학습 활동 준비물
도입 (5분)
터널에서 사고가 발생하여 빠르게 탈출하고자 한다. 철수는 지하철 추돌사고 를 당하였고, 시민들은 직접 지하철 문을 열고 나와 어두운 터널을 빠져나오 기 시작했다. 빠르게 탈출하려면 어떻게 해야 할까?
학습 활동 (30분)
활동 터널에 설치할 유도등을 설계하고 탈출 방법 고안하기 터널 내 비상 유도등을 만들어 설치하기
터널에서 안전하게 대피할 수 있도록 길잡이가 되어주는 것이 바로 유도등이 다. 유도등은 식별하기 쉬워야 하며, 성능 면에서 우수해야 한다. 이러한 기 능을 갖춘 유도등을 설계한다.
터널을 빠르게 탈출하는 방법 알아보기
터널은 창문이 없으므로 불이 나면 연기가 빠른 속도로 차올라 방향을 찾기 쉽지 않다. 이때 사람은 본능을 따라 움직이게 되는데, 만약 유도등이 설치되 어 있지 않은 상황이라면 어떻게 행동하는 것이 가장 생존 확률을 높이는 방 법인지 찾아본다.
tip 터널은 위아래가 막힌 공간이기 때문에 벽면을 타고 가던 연기는 점차 온도 가 내려가면서 밀도가 높아지게 되면 바닥으로 내려오게 된다. 따라서 자세 를 낮추고 젖은 수건으로 호흡기를 막고 신속하게 이동하는 것만으로도 연 기 흡입으로 인한 피해를 크게 줄일 수 있다.
tip 선진국의 터널에는 화재 감지기가 설치되어 있고 일반적인 사무실의 환기 시스템과 같이 환기용 덕트가 있는 횡류식 시스템으로서 자동으로 터널 안 연기를 밖으로 배출시키는 기능이 있다. 따라서 작은 화재는 유독 가스가 빠 질 때까지 차에서 기다리는 방법이 좋다. 그러나 화재가 크게 발생했을 때는 신속하게 차에서 내려 연기의 흐름과 반대되는 방향으로 뛰쳐나가야 한다.
tip 터널 내 화재 시 어느 쪽이든 출구가 보인다면 그쪽으로 대피하고 대피한 출구가 식별이 안 되고 멀리 있다면 터널 화재 시에는 바람이 부는 반대 방 향으로 대피해야 한다. 그 이유는 우리나라 터널은 종류식 환기 시스템으 로 터널의 제트팬 뒤쪽은 바람을 일으켜 연기가 넘어오는 것을 막아주기 때 문에 제트팬의 바람이 불어오는 쪽으로 전력 질주하는 것이 안전 지대로 가 는 방법이다.
학생활동지 3 참고자료 3 도화지, 색연필
마무리 (10분)
참고 자료 3의 ‘인간의 심리와 대피 행동 특성’을 읽고, 이외에 또 다른 특성에 는 무엇이 있을지에 대해 생각해 본다. 비상 상황에서 인간의 감각과 과학적 판단의 차이가 생기는 이유를 주제로 토의한다.
tip ‘인간의 심리와 대피 행동 특성’에는 위험 회피성(불꽃과 연기를 무조건 피 하려는 현상), 역시 경로 선택제(최초로 눈에 들어온 경로 또는 눈에 띄기 쉬 운 경로만을 택하려는 현상) 등이 있다.
지도상 유의점
✽ 터널 내 탈출에 필요한 다양한 변수를 고려하되, 시간을 고려하여 주요한 변 수 몇 가지로 제한하고 토의가 이루어지도록 지도한다.
학생활동지 3 터널에 설치할 유도등을 설계하고 탈출 방법 고안하기
❷ 터널은 창문이 없으므로 불이 나면 연기가 빠른 속도로 차올라 방향을 찾기 쉽지 않습니다. 이때 사람
은 본능을 따라 움직이게 되는데, 만약 유도등이 설치되어 있지 않은 상황이라면 어떻게 행동하는 것이 가장 생존 확률을 높이는 방법일까요? 그리고 터널 화재 시에는 바람이 불어오는 쪽으로 대피해야 한 다고 하는데, 그 이유를 써 봅시다.
화재 시 연기를 흡입하지 않는 것이 최선이며 감각에 의존하지 않고 신속히 이동하는 것이 중요하다. 그리고 우리나 라 터널은 거의 다 종류식 환기 시스템이므로 바람이 불어오는 쪽으로 뛰어가야 연기를 피할 수 있다.
철수와 영희는 만나기로 한 약속 장소로 이동하고 있었다. 철수는 지하철을 타고 가다가 열차가 추 돌하는 사고를 당했다. 사고가 나자 지하철을 타고 있던 시민들은 두려움에 휩싸여 직접 지하철 문 을 열고 나와 어두운 터널을 빠져나오기 시작했다. 영희는 자동차를 타고 가다가 갑자기 터널 안이 암흑 천지로 변하는 것을 경험하게 되었다. 뒤따라 자동차 접촉 사고가 발생했고, 이내 터널은 아수 라장이 되었으며 화재가 발생하면서 연기로 터널 안이 잘 보이지 않기 시작하였다. 철수와 영희는 어떻게 탈출할 수 있을까?
❸ 참고자료 3의 ‘인간의 심리와 대피 시 행동 특성’을 읽고, 이외에 또 다른 특성에는 무엇이 있을지에 대
해 생각해 보고, 비상 상황에서 인간의 감각과 과학적 판단의 차이가 생기는 이유를 토의해 봅시다.
❶ 유도등은 식별하기 쉬워야 하며, 성능 면에서 우수해야 합니다. 유도등은 어떻게 만들고 설치해야 하는
지 그리거나 써 봅시다.
유도등은 거리와 방향 표시가 기본이며 연기가 많아도 보일 정도가 되어야 한다. 설치는 사람의 보폭을 고려한다.
유도등 설계하기 유도등 위치 선정하기
밝고 내구성이 좋은 LED를 이용하며, 축전지가 내장 되어 정전 시에도 1시간 이상 조명을 밝혀야 한다. 표 식은 흰색 바탕에 초록색 글씨로 나타내어 왼쪽이면 왼쪽, 오른쪽이면 오른쪽 화살표의 크기에 변화를 주 어 거리와 함께 출구가 가깝고 멀고를 표시한다.
유도등은 사람의 보폭을 고려하여 10m 간격으로 설 치하고, 터널 벽체에는 연기에 가려 보이지 않는 것 을 방지하기 위해 하단부로부터 0.5m 상부 위치에 설치한다.
참고자료 3
터널에서 대피하기
✽
방향 유도등의 특징, 터널 내 연기의 전파 속도⑴ 우리나라의 터널 내 방향 유도등 설치 현황
전국 도로의 1,254개 터널 중 74%에 해당하는 925개에 대피 유도등이 전혀 설치돼 있지 않은 것으로 드러났다. 나머지 329개 터널에 설치된 유도등도 모두 소방 방재청의 ‘유도등 및 유도 표지의 화재안전기준’에 따라 형식 승인을 받은 제품이 아닌 것으로 나타나 화재 발생 등 터널 내 긴급 상황 발생 시 제 기능을 발휘하지 못할 위험을 안고 있는 것으로 알려졌다.
⑵ 방향 유도등
터널과 같은 공간에서 방향 유도등은 전자식과 자가 발전식의 전원 공급 체제를 가지며 특별한 배관을 통하여 조명 기구에 전원이 공급되어 최저 30분~1시간 지속하여 점등할 수 있게 되어 있다. 만약 방향 유도등이 없다면 어둠 속에서 인간의 행동은 방향성 상실, 공포에 의한 심리 적 압박감 등으로 대피 행동이 크게 제한되며 실제로 암중 보행 시 정상 속도의 30% 정도 저 하된다. (이는 단순 어둠 속이며 연기에 의한 시계 불량이 더해지면 좀 더 지연된다.)
⑶ 터널 내 연기의 전파 속도
✽
인간의 심리와 대피 시 행동 특성인간은 어떤 공간 내에서 위험에 직면한 경우 불안과 공포심으로 이성적인 판단에 의한 행동과 사 고를 상실하고, 본능과 감정에 따라 위험을 회피하려는 충동적인 행위로 치달리기 쉽다. 이에 따 라 각 개인은 이성을 잃고 군중화하여 판단력을 상실할 수 있다.
① 귀소성분 : 처음에 들어왔던 경로를 더듬어 도망가려는 경향
② 향광성 : 시계(視界)가 차단된 경우 습관적으로 밝은 방향으로 향하여 도망가려는 경향
③ 추종성 : 스스로 판단하지 못하고 대피 선두자에 이끌리려는 경향
④ 향개방성 : 열린 느낌이 드는 방향으로 도망가려는 경향
⑤ 직진성 : 부딪칠 때까지 직진하는 경향
⑥ 지근거리 선택제 : 가까운 계단이나 엘리베이터를 선택하거나 책상을 뛰어넘는 등 지름길로 가려는 현상
[참고 : 중앙소방학교]
구분 화재종별 연기의 전파 속도(m/s)
1 승용차 화재 1~2
2 트럭 화재 2~4
3 탱크로리 화재 4~8
4차시 도시 거대 건물 화재 상황에서 탈출하라!
과목
고등학교 1학년 / 과학수업 차시
4/4차시단원
에너지와 환경교육 과정
도시 거대 건물 화재 상황에서 연기의 확산 속도와 비상 계단 탈출 시간을 비교해 본다.학습 목표
도시 거대 건물 화재 상황에서 탈출에 필요한 조건들을 여러 가지 측면으로 생각할 수 있다.학습 과정 교수 · 학습 활동 준비물
도입 (5분)
영희는 100층 빌딩의 50층 사무실에서 일을 하고 있었고, 철수는 지하 5층 쇼핑몰에서 쇼핑을 하고 있었다. 이때 건물 전체에서 갑자기 화재 경보가 나 오면서 대피하라는 방송이 나왔다. 안내 직원은 없었으며 갑자기 정전이 되 었고 어디선가 연기 냄새가 나는 것 같다. 영희는 아래층으로 내려가야 할 까? 아니면 옥상으로 가서 구조를 받는 것이 좋을까? 아니면 이동을 최소화 하고, 건물 내 대피 장소를 찾아야 할까? 그리고 철수는 지하 쇼핑몰에서 어 떤 방법으로 탈출해야 할까?
학습 활동 (30분)
활동 화재가 난 건물에서 탈출하는 방법 찾기 초고층 빌딩에서 화재 시 탈출 방법 알아보기
도시 거대 건물 화재 시 탈출에 걸리는 시간과 방향 알아보기
영희가 대피하는 최적의 방향은 어디일지, 그리고 빌딩에서 나갈 수 있는 방 법을 찾아본다.
- 고층 빌딩 화재 시 굴뚝 효과를 주제로 토의한다.
- 고층 빌딩에서 비상 계단으로 대피하는 데 걸리는 시간을 월드 트레이드 센터의 사례를 들어 토의한다.
- 대피소 기능을 할 수 있는 필요한 조건을 생각해 보고 토의한다.
tip 실제 상황에서는 영희의 체력, 화재 확산 속도 등 고려해야 할 상황이 너무 많다. 활동에서는 변수를 정했으면 나머지 변수를 고려하지 않는다는 가정 하에 발표해 보도록 한다.
tip 참고자료 4에 나와 있는 영희의 사전 지식과 연기 확산 속도와 사람의 계단 보행 공식을 이용하여 설명하도록 한다.
지하 쇼핑몰 화재 시 탈출 방법 알아보기
영희의 사례와는 어떤 점에서 다르게 대처해야 할지 알아본다.
tip 철수는 지상으로 탈출하는 것을 우선으로 고려해야 한다. 지하 구조물에서 는 비상 탈출구를 통해 무조건 빠져나오는 것이 최선이다. 그러나 주요 통로 는 사람들이 몰려 큰 피해를 볼 수 있다. 실제로 2000년 중국 나이트클럽 화 재로 309명 사망, 브라질 나이트클럽 화재로 245명 사망 사례 모두 하나밖 에 없는 비상 탈출구로 사람들이 몰리면서 사망자가 대량 발생한 경우이다.
학생활동지 4 참고자료 4
마무리
(10분)
비상 상황에서 감각이 인간의 판단력에 어떤 영향을 미치는지 토의한다.지도상 유의점
✽ 도시 거대 구조물 탈출 상황은 매우 복잡하고 고려해야 할 것이 많다. 그러나 몇 개의 변수들에 대해서라도 과학적으로 판단해 보는 과정을 통해 비상 상황 에서 감정에 휩쓸리지 않는 법을 배우도록 지도한다.
학생활동지 4 화재가 난 건물에서 탈출하는 방법 찾기
❶ 화재가 빌딩 아래에서 났는지 위층에서 났는지 모르는 상황에 있을 때 영희가 대피하는 최적의 방향(위
로 아래로)은 어디이며, 그리고 대피하는 데 걸리는 시간은 얼마일까요? (단, 참고자료 4에 나와 있는 영 희의 사전 지식과 연기 확산 속도와 사람의 계단 보행 공식을 이용한다.)
❸ 비상 상황에서 감각이 인간의 판단력에 어떤 영향을 미치는지 써 봅시다.
경우에 따라 다르다. 각 모둠마다 가정한 조건에 맞추어 과학적이고 수학적 원리를 이용했는지가 중요하다.
❷ 철수는 영희의 사례와는 어떤 점에서 다르게 대처해야 할까요?
철수는 무조건 지상으로 탈출해야 한다. 다만, 주출입구를 이용하는 데 주의해야 한다.
감각은 이성적 판단보다는 본능을 따르게 한다.
영희는 주말에 100층 빌딩의 50층 사무실에서 일을 하고 있었고, 철수는 지하 5층 쇼핑몰에서 쇼핑을 하고 있었다. 이때 건물 전체에서 갑자기 화재 경보가 나오면서 대피하라는 방송이 나왔다. 안내 직원은 없었으며 갑자기 정전이 되면서 건물 실내 전체가 암흑처럼 변하기 시작하였고 어디선가 연기 냄새가 나 는 것 같다. 영희는 아래층으로 내려가야 할까? 아니면 옥상으로 가서 구조를 받는 것이 좋을까? 아니면 이동을 최소화하고, 건물 내 대피 장소를 찾아야 할까? 그리고 철수는 평소에도 거대한 지하 쇼핑몰에서 원하는 가게를 찾는 데 어려웠다. 지하 쇼핑몰에서 어떤 방법으로 탈출을 해야 할까?
다행히도 철수와 영희는 다음과 같이 소방방재청에서 정리한 건물 내 화재시 대피 지침을 알고 있었다.
* 연기 통과 시 물에 젖은 수건으로 코와 입을 막은 후 낮은 자세로 신속하게 대피한다.
* 불길이나 연기가 많아 대피하기 어려울 때는 무리하게 밖으로 나오지 말고 건물 안에서 문틈을 막은 후(수건, 옷 이용) 창문 쪽으로 다가가 소리를 질러 구조를 요청한다.
* 승강기로 이동하면 질식사 또는 정전으로 갇히는 경우가 있으므로 복도(비상 계단)를 이용해 대피한다.
* 화염 통과 시 물에 젖은 담요나 수건으로 코와 입을 막고 낮은 자세로 엎드려 이동해야 유독 가스로 말미암은 질식사, 기도 화상을 막을 수 있다.
* 대피 시 화재의 연소 속도를 낮추고자 출입문을 닫고 대피해야 한다.
* 문을 열 땐 화기가 있나 없나 살짝 손으로 감지 후, 화기가 없다고 판단될 때 어깨로 문을 떠받친 뒤, 문쪽과 반대 방향 으로 고개를 돌리고 숨을 멈춘 후 문을 열어야 한다.
* 빌딩에서 구조 요청 시 물통, 정수기 등 용기에 자신의 휴대전화 번호나 자신의 위치를 적은 종이를 넣어서 아래쪽으 로 던지는 방법이 있다.
* 공황 상태에 빠져 베란다, 창문으로 뛰어내리지 말고 차분하게 구조되기를 기다린다.
* 에어 매트에 낙하 시 바람이 다 찼다는 소방대원의 수신호를 기다린다.
* 119에 전화해 현재 있는 곳을 자세히 설명 후 구조를 기다린다.
* 아래쪽으로 이동하기가 어려우면 옥상으로 올라가 바람을 등지고 구조를 기다린다.
참고자료 4
빌딩 화재 시 굴뚝 효과와 비상 계단을 이용한 탈출 시간 공식
✽
빌딩 화재 시 굴뚝 효과샤를 법칙에 따르면 압력이 일정할 때 기체의 부피는 종류에 관계없이 온도가 1℃ 올라갈 때마 다 0℃일 때 부피의 1
273 씩 증가한다. 소각로 아궁이에서 빨아들이는 공기는 연소에 관여하며, 고온의 연기가 되어 굴뚝 안을 상승하여 굴뚝 상부에서 배출되는 것처럼 보인다. 빌딩 내 굴 뚝 효과는 빌딩의 하층부에서 화재가 발생하면 그 연기를 위로 끌어올리는 것을 말한다. 그래 서 일반적인 연기의 확산 속도는 수평 방향으로는 1m/s이지만 위쪽으로는 3~5m/s로 빠르다.
✽
빌딩에서 비상 계단을 이용하여 탈출에 걸리는 시간 공식(예) 9.11 테러 전 월드 트레이드 센터의 자료
층 높이가 3.66m, 계단 폭은 1.2m로 180°형이 각 층에 평균 2개소가 있다고 가정할 때 군중 이 대피한다면 1층당 계단 강하 속도 14.64초, 계단의 넓은 곳 통과 시간 3.6초이므로 1층당 대 피 속도는 18.2초로 계산되며 계단 강하 속도와 계단 넓은 곳 통과 시간의 비율은 8 : 2로 계산 된다. 그러나 9.11사건 당시 실제 96층에서 대피한 1층당 평균 대피 속도는 93.8초이므로 1층 당 계단 강화 속도와 계단 넓은 곳의 통과 시간 비율 8 : 2를 적용하면 1층당 계단 강하 속도는 75.0초이며 계단 넓은 곳의 통과 시간(2개소)은 18.8초가 된다.
구분 혼자 군중
계단을 걷는 속도(V) 공식
(H = 높이) V = 3H (s) V = 4H (s)
구분 90° 회전형 180° 회전형
계단의 넓은 곳을 통과하는 속도(V)
(B = 계단 폭) V = 0.75B (s) V = 1.50B (s)
공기로부터 물을 구하라 | 전파를 찾아라
마포중학교 권석영, 장양배, 인천 석남중학교 임상현, 인천 가좌여자중학교 차일석 화성에서 살아남기 | 태양을 이용하여 살아남기
전남중학교 함형인, 전윤영, 박혜인
눈에 잘 띄는 안전 조끼 만들기 | 함께 만드는 안전 지도 장기중학교 노우석, 주지웅, 세종특별자치시교육청 김은옥 장학사 재난 상황에 대응하기 | 음식을 익히는 용기 만들기
춘성중학교 유경민, 강원과학고등학교 김문섭, 동명중학교 이재은, 임원중학교 황지영 생명의 신호 빛 | 비로부터 우리 몸을 보호하자
오산중학교 김어진, 김태석, 문병태, 차유미, 배지은, 김영수 내 위치를 알려라 | 전파를 이용해 구조를 요청하기
복자여자중학교 박상일, 김영철
친환경 미래 식량을 찾아서 | 나만의 주택 설계하기
봉서중학교 박금홍, 무주교육지원청 임수영 장학사, 온빛중학교 서경숙 발열 제품을 만들어라 | 도시의 땅 밑과 공존하기
인천예일고등학교 진근영, 정옥경, 김선희, 양문숙
상처를 치료하는 약초 찾기 | 화재로부터 아이를 구하라 시흥매화고등학교 강선화, 풍덕고등학교 유정원
생존을 위하여 물을 확보하라 | 길을 찾아라 충훈고등학교 손익형, 동화고등학교 조규동
발행일 2015년 2월 27일 발행처 교육부, 한국과학창의재단
기획 장영록, 민영경, 정민지(한국과학창의재단)
펴낸이 김영곤 펴낸곳 (주)북이십일
책임편집 신정숙, 김수경, 김지혜, 유하은 일러스트 우진문화사
디자인 손성희
내용 관련 문의 한국과학창의재단 과학융합교육실 이메일 steam@kofac.re.kr
전화 (02) 559-3910~9
주소 (135-867) 서울특별시 강남구 선릉로 602(삼성동, 삼릉빌딩) 한국과학창의재단/www.kofac.re.kr ISBN 978-89-98163-57-0 04370
978-89-98163-56-3 04370 (세트)
프로그램 집필진
이미지 투데이, 사이언스올, 국립중앙과학과, 서울소방재난본부, 안전보건공단, 한국은행, 국민안전처
✽ 위 자료에서 이탤릭체로 표기되지 않은 사진은 wikimedia commons에 퍼블릭도메인으로 공개된 사진을 가져온 것입니다. 퍼블릭 도메 인은 저작자 사후 70년이 지났거나, 저작가가 사용을 허락한 저작물 입니다.
✽혹시 잘못 표기 되었거나 자작자의 정보가 누락된 경우, 연락을 주시면 바로 잡도록 하겠습니다.
이미지 제공
신연옥(흥덕초등학교), 김춘호(안산원곡초등학교), 이성희(서울신남초등학교), 김석희(호암초등학교), 임상현(인천석남중학교), 강선화(시 흥매화고등학교), 이세연(명덕고등학교), 민재식(삼일여자고등학교)
