및창의인성 STEAM 교육수업모델 힘

교육수업모델

힘

교육 요소 1. STEAM

STORY-TELLING

과학기술공학의 다양성 +

다양한 창의기법 도입 +

창의적인 교수 학습도구 활용 +

창의적 공학설계 개념 도입 +

적시교육 개념 도입 +

전체적 시각으로 보는 능력 개발 개념 도입 +

기타 등등 +

교재 구성 영역 및 목표 2.

창의기법의 적용을 통한 창의적 과학 기술 및 공학 수행 능력의 ,

극대화

교육 과정 및 영역 3.

교육과정 학년 단원

차

7 중학교 학년 1

학년 (7 )

대단원 X. 힘

중단원 힘의 합성

2009 개정교육과정

중학교 학년 1 학년

(7 ) 힘과 운동

연계단원 (7 차 교육과정 ) 중학교 학년 과학 2 1. 여러 가지 운동 차 교육과정

(7 ) 중학교 학년 과학 3 Ⅱ . 일과 에너지

수업 주제 및 주제 선정 이유 4.

수업주제 힘의 합성과 분산 평형 ,

주제 선정

이 유

자연과 인간의 모든 생활과 현상에는 힘이 관여하고 있

다 한 물체에 작용하는 합력은 그 물체에 작용하는 힘 .

들의 합력에 의해 결정된다는 것을 바탕으로 힘이 평형

을 이루면 아무런 힘이 작용하지 않는 것과도 같다는

힘의 평형 등에 대해 이해하고자 한다 또한 힘의 합성 .

을 역으로 생각하는 힘의 분산에 대해서도 다루도록 한

다 실제로 학생들이 몸을 움직여서 실험할 수 있는 활 .

동이나 생활 속에서 볼 수 있는 현상들을 예로 들고 호

기심을 증진하도록 한다 또한 . reverse engineering 기

법을 도입하여 첨단과학기술로 이룬 여러 가지 실제 다

리들에 대한 관심에서 시작하여 그 차이점을 알아가고

그 이유를 분석하여 문제를 해결해 가는 수업을 함으로

써 창의적인 수업이 되도록 하였으며 수업 마무리로

개념을 도입하여 나만의 자전거 를 설

universal design ' '

계해보도록 함으로써 학생들의 사고의 확산과 문제해결

력 독창성 등이 발현될 수 있도록 하였다 , .

및 창의인성교육요소 5. STEAM

학습활동 STEAM 요소 창의 인성 요소

다친 코끼리를 어떻게 옮길 수

있을 지 제안 생각 ( ➀)

힘의 합성 개념을 이해 S)

할 수 있다

두 힘이 이루는 각도에 M)

따른 합력의 크기 관계 를 수학적으로 명확히 알 수 있다.

사고의 확장

힘의 합성 개념을 이해 하고 관련성이 없어 보 이는 다친 코끼리를 옮 기는 상황과 연결하기 문제

해결력

상황을 이해하고 적절 한 가설을 세워 문제를 해결 하고 실생활에 적 용하기

독립성 배려 /

용기 있게 자신의 생각 을 이야기하고

남의 의견을 존중하기

몸을 움직이는 활동을 통한 힘의 평형 이해

활동 ( ➀)

힘의 합성과 평형 상태 S)

개념을 이해할 수 있다.

힘의 합성과 평형을 게 A)

임이나 활동을 통해 체 험할 수 있고 서커스에 서의 힘의 평형을 알 수 있다.

호기심 몰입 /

몸을 사용하는 또래들 과의 게임 활동을 통해 흥미 유발하기

사고의 수렴

등을 대고 밀어내는 게 임을 통해 승패의 원인 을 논리적으로 분석하 고 결과 예측하기

사고의 확산

다른 활동 및 개념들로 범위를 넓혀 사고함으 로써 관련성이 없어 보 이는 것과 연결하여 주 어진 문제에 적용하기

생활 속 힘의 평형 사례 유추

생각 ( ➁)

힘의 평형 개념을 이해 S)

할 수 있다.

인공위성이나 비행기에 T)

서의 힘의 평형을 기술적 으로 설명할 수 있다.

생활 속에서 힘의 평형 A)

사례들을 찾아보면서 창

사고의 확산

힘의 평형 개념을 실생 활로 확대, 적용하여 생각하기

사고의 수렴

사례를 통해 물리적 개 념을 도출하고 논리적 으로 분석하기

힘을 받고 있을 때 물체의 변화

확인 활동 ( ➁)

힘의 작용에 의한 물체 S)

의 변형과 편광을 이해할 수 있다.

힘에 의한 변형을 편광 T)

을 통해 확인하고 편광 기술이 무엇인지 이해 할 수 있다.

건축물 설계와 안정성을 E)

평가하는 건축공학에 편 광판이 이용된다는 것을 알 수 있다.

몰입

실제 실험을 통해 힘이 받는 부분의 변화를 시 각적으로 확인하기

사고의 확산

관련성이 없어 보이는 다른 물리적 개념을 통 해 정보를 시각화하며, 이러한 방법을 다른 분 야로 연결하고 새로운 관점에서 생각하기 사고의

수렴

실제 다리를 감상하면 서 습득한 물리적 개념 찾아보기

여러 가지 구조의 다리 만들기 활동

활동 ( ➂)

힘의 분산 개념을 알 수 S)

있다.

안전한 구조에서의 기술 T)

적 원리들을 이해할 수 있다.

안전하면서 새로운 구조 A)

를 창의적으로 디자인을 할 수 있다.

호기심

습득한 개념을 적용할 수 있는 간단한 구조 만들기를 통해 흥미를 유발하기

사고의 수렴

정보를 분석하여 가설 세우고 각 경우에 따른 결과를 예측하기

사고의 확장

힘의 분산 개념을 실제 다리 구조에 적용하여 이해하고 새로운 구조 를 디자인하면서 아이 디어를 확장하기

배려

토론 시 상대방의 의 견을 배려하고 존중하 기

긴 다리 설계에 대한 토론

토론 ( ➀)

힘의 합성과 평형 분산

S) ,

개념을 이해할 수 있다.

다리의 구조 및 분류

E) ,

다리 건설을 위한 순서 등과 같은 건축 공학 내 용을 접할 수 있다.

세계에서 가장 긴 다리 A)

를 생각해보면서 창의적 인 디자인을 할 수 있다.

문제해결 력

습득한 정보들을 체계 적으로 인식하고 다리 설계 시 고려해야 할 사항들을 단계별로 구 성하기

reverse engineeri

ng

제시된 다리들의 구조 를 비교 분석하여 정보 를 얻고 논리적으로 비 판하기

개방성/

배려

다양한 의견을 제시하 고 상대방의 의견을 수용할 수 있는 열린

현수교 만들기 활동 ( ④)

S)힘의 합성 및 분산을 이 해할 수 있다.

튼튼한 현수교를 만들기 T)

위한 기술적 원리를 알 수 있다.

현수교 만들기를 통해 E)

건축 공학을 접할 수 있 다.

미래의 다리를 생각해보 A)

면서 창의적인 디자인을 할 수 있다.

힘의 합성과 분산에서 M)

힘의 크기 및 각도를 수 학적으로 명확히 알 수 있다.

호기심/

몰입

현수교가 견디는 무게 를 비교하는 실험을 통해 다리 형태에 따 른 힘의 분산을 눈으 로 직접 확인하기 사고의

수렴

힘의 분산을 현수교에 적용해 가설을 세우고 결과를 예측하기

사고의 확장

현수교에서의 힘의 분 산에 대해 이해하고 비 교 실험의 결과 분석을 통해 논리적인 생각을 확장하기 미래의 다리, 역할과 모습을 디자인 하면서 아이디어 확장 하기

배려

상대방의 의견을 배려 하고 존중하는 태도 갖 기

긴 원통을 이용한 힘의 분산 확인 실험

활동 ( ⑤)

힘의 분산과 힘을 받고 S)

있는 물체의 변형을 이해 할 수 있다.

안전한 구조의 기술적 T)

원리를 알 수 있다.

비행기 구조 설계 공학 E)

에서의 힘의 분산을 이 해할 수 있다.

호기심

습득한 개념을 비행기 구조 설계와 연관해 흥 미 유발하기

사고의 수렴

힘의 분산과 힘을 받고 있는 물체의 변형을 확 인하고 논리적으로 분 석하여 해결책 끌어내 기

사고의 확산

실험 결과를 통해 얻은 정보를 실제 비행기 구 조 설계에 적용하기

나만의 자전거

「 」

디자인 토론, 토론 ( ➁)

힘의 합성과 분산을 이 S)

해할 수 있다.

T) 자전거 프레임의 구조를 분석하고 기술적 원리를 발견할 수 있다.

설계 공학에서의 힘의 E)

분산을 이해할 수 있다.

자전거 설계에 대한 창 A)

의적인 아이디어를 제시 하고 유니버설 디자인을 통해 나만의 자전거를 만들어 볼 수 있다.

호기심 학습 내용을 자전거 프 레임과 연계하기 reverse

engineeri ng

자전거 프레임 구조를 분석하여 프레임에서 힘을 많이 받는 부분을 파악하기

사고의 수렴

분석을 통해 얻은 정보 를 이용해 프레임 디자 인에 적용하기

SCAMPE 기법 R

기법에 따 SCAMPER

라 자전거 설계에 대 한 창의적인 아이디어 제시하기

사고의 확장

개념 universal design 추가하기

독창성

사물에 대한 남다른 시각을 가지고 남다르 게 표현하기

배려 협/ 력

토론 시 다양한 아이 디어를 제시하고 을 통 universal design 해 공감하고 협력하는 사회 인식하기

수업 개념도 6.

① 생각 1. 다친 코끼리를 어떻게 옮길 수 있을까요?

(S M )

② 활동 1. 등을 대고 밀어내는 게임을 해 보아요.

(S A )

③ 생각 2. 생활 속에서 힘의 평형을 이루고 있는 것은?

(S T A )

④ 활동 2. 물체가 힘을 받으면 어떻게 될까요?

(S T E )

⑤ 활동 3. 다리를 만들어 볼까요?

(S T A )

수업 전체 흐름도 7.

단 원

지도대상

수업형태

교과 학습 목표

한 물체에 작용하는 힘의 합력을 구할 수 있다

1. .

힘의 평형 상태를 이해하고 생활 속에 적용할 수 있다

2. .

힘의 분산 개념을 이해하고 예를 들어 설명할 수 있다

3. .

물체의 구조 분석을 통해 힘의 분산 원리를 발견하고 다른 분야로 적용할 수 있다

4. .

창의 인성 목표

경험을 통해 습득한 지식을 다른 분야와 연결할 수 있다

1. .

필요한 정보를 선택하고 탐색한 후 설명할 수 있다

2. .

몸으로 하는 활동을 통해 상대방에 대한 신뢰와 협동심을 키운다

3. .

4. 리버스 엔지니어링 기법을 통해 분석 능력을 키우고 기술적 원리를 발견하여 적용할 수 있다.

스캠퍼 기법과 유니버설 디자인 방법을 통해 창의적인 디자인을 도출할 수 있다

5. .

토론을 할 때 다양한 아이디어와 상대방의 입장을 수용하는 열린 마음을 갖도록 한다

6. .

다른 사람의 입장에서 문제를 바라보는 태도를 갖고 타인에 대한 존중과 배려를 배운다

7. .

관 련 활 동 자 료 활동예상

소요시간

STEAM 요소

창의 인성 •

요소 수업자료

힘의 합성을 이해하고 두 힘이 이루는 각도에 따라 합력의 크기가

․

어떻게 달라지는지 확인한다.

생각 1 다친 코끼리를 어떻게 옮길 수 있을까요?

코끼리가 다친 상황을 설정하고 효율적으로 옮길 수 있는

․

방법을 생각해보면서 힘의 합성 원리를 이해하고 나아가 두 힘이 이루는 각도에 따른 합력의 크기 변화를 설명할 수 있 다 이를 통해 물리적 개념을 실생활에 적용하여 생각하는 것. 을 연습한다.

분

10 SM

상황 문제해결설정과 몰입 배려 ( / /

책임/

논리 분석적/ 사고)

실생활에적용 흥미 확산 ( /

적사고)

학생용14p 교사용 31~31p ppt 생각1

관 련 활 동 자 료 활동예상 소요시간

STEAM 요소

창의 인성 •

요소 수업자료

힘의 평형을 이해하고 물체에 작용하는 힘들이 평형을 이루기 위한

․

조건을 안다.

활동 1 등을 대고 밀어내는 게임을 해보아요.

두 명이 등을 대고 선 다음 밀어내는 게임을 해 본다 게임.

․

의 승패에 영향을 미치는 요소를 토론하여 그 요소에 따라 원인을 분석한다 또한 승부가 나지 않고 버티는 동안에 힘의. 작용이 어떻게 이루어지는지 힘의 평형과 연관시켜 발표한다.

연관 활동 손바닥으로 밀어내는 게임을 해보아요.

연관 활동 많은 인원으로 탑을 쌓을 수 있는 방법은?

분

20 SA

게임 수행 흥미 몰입 ( / )

영향을 미치는 요소, 원인 분석 및

토론 분석 논리적 ( / 의사소통능력사고/

) 연관시켜 발표하기 은유 유추 독 ( / /

창성)

학생용 16~17p 교사용 35~37p ppt 활동1

생활 속 힘의 평형 사례를 찾아보면서 앞에서 배운 개념을 적용한

․ 다.

생각 2 생활 속에서 힘의 평형을 이루고 있는 것은?

여러 가지 힘의 평형 사례를 소개하고 학생들 스스로 다양

․

한 예를 찾아볼 수 있다 이를 통해 물리적 개념을 실생활에. 적용할 수 있다.

분

10 STA

생활 속 사례 확산적사고찾기

( )

물리적 개념과 연관시켜 생각하기 논리적 분석 ( /

적사고)

학생용15p

교사용 32~34p ppt 생각2

물체가 힘을 받고 있는 모습을 눈으로 확인한다.

․

활동 2 물체가 힘을 받으면 어떻게 될까요?

물체에 힘이 가해졌을 때 나타나는 변화를 편광 현상을 통

․

해 눈으로 확인하고 그 변화를 설명할 수 있으며 변화를 확 인하는 방법을 다른 방향으로 어떻게 활용할 수 있을지 제시 한다.

건축물 설계에 편광 현상이 이용되는 것을 안다.

․

세계의 다리들을 소개 하면서 다리가 얼마나 많은 힘을 받고 있는

․

지 생각하도록 한다.

분

15 STE

눈으로 확인 몰입 시각화 ( / )

, 다른 분야와의 연결 적용, 확산적사고

( /

상상력)

학생용 18p 교사용 38~40p ppt 활동2

관 련 활 동 자 료

STEAM 요소

창의 인성 •

요소 수업자료

힘의 분산 개념을 이해하고 도형의 구조와 연관지어 이해한다.

․

활동 3 다리를 만들어 볼까요?

두 가지 모양의 도형을 직접 만든 후 버틸 수 있는 무게를

․

비교해 안정성의 개념을 도입하고 도형의 구조에 따른 힘의 분산을 이해한다 더불어 다른 도형에서의 힘의 분산을 예측. , 설명하고 도형으로 이루어진 실제 다리 구조에서 힘의 분산 이 어떻게 이루어지는지 토의한다 또한 안정성이 뒷받침 되. 는 새로운 구조를 디자인하고 검토한다.

연관 활동 두꺼운 종이로 의자의 다리를 만들어 보아요.

분

15 STA

간단한 구조를 호기심 흥미만들기 ( / )

예측과 실제 적용 토론, 논리적사고 분

( /

사고 의사소통/석적 능력) 새로운 구조 확산적사고 상디자인

( /

자율성 독창성상력// )

비판적사고검토하기

( )

학생용 19~21p 교사용 41~44p ppt 활동3

구조에 따라 다리가 어떻게 분류되는지 알고 다리 구조에 따른 힘의

․

분산을 알아본다.

토론 1 세계에서 가장 긴 다리를 만들어보자.

제시된 자료에 있는 다리들이 어떻게 안전하게 버틸 수 있

․

는지를 생각하면서 다리의 구조를 분석한다 나아가 분석한. 것을 토대로 자신이 세계에서 가장 긴 다리를 만든다고 가정 한 후 고려해야 할 사항들을 토론한다.

분

10 SEA

구조 분석 논리 분석적사 ( /

고) 토론 의사소통능력

( /

비판적사고/

열린마음 존중/ / 배려)

학생용 25~26p 교사용 53~56p ppt 토론1

현수교의 구조에 대해 알아본다.

․

활동 4 현수교에서 힘의 분산을 알아보아요.

현수교의 주 케이블 형태에 따라 다리가 버티는 무게가 달

․

라지는 것을 눈으로 확인하고 그 이유를 힘의 분산과 관련하 여 설명할 수 있으며 나아가 미래의 다리 역할과 모습을 디 자인해본다.

분

10 STEAM

눈으로 확인 몰입 시각화 ( / )

예측과 실제 적용 토론, 논리적사고 분

( /

사고 의사소통/석적 능력) 검토하기 비판적사고

( )

디자인 독창성 몰입 ( / /

상상력)

학생용 22~23p 교사용 45~49p ppt 활동4

관 련 활 동 자 료 활동예상 소요시간

STEAM 요소

창의 인성 •

요소 수업자료

힘의 분산이 비행기 설계에 어떻게 적용되는지 살펴본다.

․

활동 5 원통의 뚜껑을 열면 어떻게 될까요?

뚜껑이 있는 원통에 버틸 수 있는 정도의 무거운 물건을 매

․

단다 그 상태에서 뚜껑을 열었을 때 원통에 어떤 변화가 나. 타나는지 관찰하고 힘의 분산이 어떻게 이루어지는지 이해한 다 이러한 현상이 비행기의 설계에 어떻게 적용되고 있는지. 알아본다.

분

20 STE

변화의 관찰 논리적사고

( /

분석적사고) 실제 적용 확산적사고

( )

학생용24p

교사용 50~52p ppt 활동5

자전거 프레임에 작용하는 힘과 특히 힘을 많이 받는 부분을 안다.

․

토론 2 나만의 자전거를 만들어보자.

자전거 프레임에 사용될 수 있는 안전한 구조를 디자인하고

․

나아가 누구에게나 공평하고 편리한 디자인을 지향하는 기존 에 없던 나만의 자전거란 주제로 토론을 거친 후 발표한다.

분

20 STEA

누구에게나 공평하고 편리한 디자인

공감 상상력 ( / ) 나만의 자전거

디자인 독창성 몰입 ( / /

상상력)

학생용 27~29p 교사용 57~61p ppt 토론2

지도안에 포함된 다양한 활동자료는 선택적으로 사용할 수 있습니다.

※

평가계획 8.

평가 목표

◎

힘의 합성과 분산 힘의 평형에 대해 이해하였으며 다리 설계 시 고려할 사항들에 대해 , , 토론하고 독창적인 자전거를 디자인 할 수 있다.

평가 영역

◎

평가

영역 평가기준

평가척도

매우

잘함 잘함 보통 미흡 미완성 미제출

5 4 3 2 1 0

교과 학습 목표

힘의 합성을 이해하고 예를 들어 설명할 수 있는 가?

힘의 평형을 이해하고 예를 들어 설명할 수 있는 가?

힘의 분산을 이해하고 예를 들어 설명할 수 있는 가?

창의성 교육 목표

여러 가지 다리를 비교하고 구조에서의 유사성과 차이점을 찾아내었는가?

긴 다리 설계에 필요한 요인들을 힘과 관련하여 제대로 분석하였는가?

긴 원통을 이용한 힘의 분산실험에서 문제점을 해결할 수 있는 비행기의 구조를 제시하였는가?

기법에 따라 독창적인 나만의 자전

SCAMPER 「

거 디자인을 제시하였는가?」

발표나 활동 수업 시 적극적으로 참여하였는가?

모둠 활동 시 협동이 잘 이루어졌는가?

토론 시 다른 사람의 발표를 경청하였는가?

개념을 자전거 디자인에 도입하 universal design

였는가?

교사 의견 및

채점 평가

예시 ( )

다리 구조에 대한 번뜩이는 멋진 아이 디어를 내고 실험에 적극 참여하였으 나 자기주장이 강해 모둠원들과의 협 동이 제대로 이루어지지 않았다.

예시 ( )

긴 다리 설계 시 필요한 요소들을 제 대로 분석하는 등 수업 주제에 대한 기본 원리는 이해하였으나 나만의 자, '

합산

활동자료 학생용

9. ( )

나란하지 않은 두 힘의 합력은 두 힘을 나타내는 화살표를 두 변으로 하는 평행사변형의 대각선으로 구할 수 있다 이때 대각선의 길이는 합력의 크기를 나타내며 대각선의 방향은 합력의 방향이 된다 나란하지 않은 두. , . 힘의 합력의 크기는 두 힘의 크기 외에도 두 힘이 이루는 각도와 관련이 있다.

동물원에 있는 코끼리가 다쳐 움직이질 못하고 있다 다친 코끼리를 빠른 시간 안에 차에 실 .

․

어 병원으로 옮겨야 하는데 주위를 살펴보니 나무 몇 그루와 그물 그리고 밧줄이 있다 나란 , . 하지 않은 두 힘의 합성을 생각하면서 최소한의 힘으로 코끼리를 들어 올려 응급차에 실을 수 있는 방법을 생각해보자.

S M

인공위성이 떨어지지 않고 지구 주위를 돌고 있는 것은 지구가 당기는 인력과 회전에 의한 원심력이 평 형을 이루기 때문이다 또한 비행기가 떨어지지 않고 비행할 수 있는 것은 비행기에 작용하는 중력과 비. 행기를 뜨게 하는 힘인 양력이 평형을 이루기 때문이다 소금쟁이도 표면 장력과 중력이 평형을 이루어. 물에 떠 있을 수 있다.

제시되어 있는 힘의 평형 사례들을 이해하고 생활 속에서 힘의 평형을 이루고 있는 다양한

․

예를 찾아 각각의 경우에 어떤 힘들이 평형을 이루고 있는지 생각해보자.

T A

S

한 물체에 작용하는 힘들의 합력이 이 되게 되면 이 물체에 작용하는 여러 힘들은 평형을 이루었다고 한다0 .

이 활동은 등을 대고 밀어내는 게임을 통해 힘의 평형을 이해한다.

결 과 • 한 쪽에는 두 사람이 다른 한 쪽에는 네 사람이 밀어내기 게임을 했을 때 결과는 어, 떻게 되었나요 결과를 힘의 작용과 연관시켜 표현해보자? .

과 정

한 쪽에는 두 사람 다른 한 쪽에는 네 사람이 등을 맞대고 밀어내는 게임을 해본다

1. , .

양 쪽 모두 네 사람씩 등을 맞대고 서서 밀어내는 게임을 해본다

2. .

S A

양 쪽 모두 네 사람씩 등을 맞대고 서서 밀어내는 게임을 했을 때 결과는 어떻게 되었나요 승부가?

•

나지 않고 버티는 동안의 과정을 힘의 평형과 연관시켜 표현해보자.

연관 활동

손바닥으로 밀어내는 게임을 해 보아요.

▶

학생들이 짝을 이루어 손바닥으로 밀어서 발이 먼저 떨어지는 사 람이 지는 게임을 해 보고 힘의 평형과 연관시켜보자.

위의 활동 시 힘의 평형 외에 다른 어떤 요인들이 있는지 생각해

• 보자.

많은 인원으로 탑을 쌓을 수 있는 방법은?

▶

최대한 많은 인원이 안전하게 탑을 쌓을 수 있는 방법을 생각해보자.

위의 활동 시 힘의 평형 외에 다른 어떤 요인들이 있는지 생각해보자.

•

어떤 물체에 힘을 가하면 힘을 받는 부분이 변형된다 변형이 일어나는 형태로는 압축과 뒤틀림이 있는데. 힘이 작용했을 때 변형이 일어나는 정도는 물체의 성질이나 구조에 따라 다르다 스펀지에 힘을 가했을 때는. 변형된 정도가 눈에 보이지만 벽돌의 경우에는 힘을 가해도 변형된 정도가 작아서 눈에 보이지 않는다.

이 활동은 힘을 받고 있는 물체의 변화를 눈으로 확인한다.

준비물 PVC ,판 편광판 개 가위 유성 펜2 , ,

과 정 1. PVC 판 위에 유성 펜으로 그림과 같은 모 양을 그린다.

그린 모양대로 판을 가위로 오린다 이 때 끊어지지 않게 주의한다

2. PVC . .

판의 앞 뒤에 편광판 대고 판 양 쪽 끝을 당기며 어떤 변화가 있는지 관찰한다

3. PVC , PVC .

밝은 곳을 향하거나 흰 종이 위에서 관찰하면 더 잘 보인다.

결 과 • 물체는 을 받으면 변형이 일어나는데 빛을 통과시키는 물체에 이렇게 변형이 일어 나 빛이 다른 방향으로 굴절되는 현상을 광탄성이라고 한다 따라서 그 물체의 앞 뒤에 편. , 광판을 두면 그 변형 정도를 색깔 변화로 확인해 볼 수 있다.

토 론

힘을 받는 물체의 변형 정도를 편광판을 통해 확인해 볼 수 있다고 하였다 이러한 사실을 생할 속에.

•

서 어떻게 활용할 수 있을지 토론해보자.

S T E

한 물체에 작용하는 하나의 힘을 동일한 효과를 갖는 두 개 이상의 힘으로 분해하는 것을 힘의 분산이라 한다.

이 활동은 힘이 어떻게 분산되는지 두 가지 구조의 비교를 통해 확인한다.

준비물 나무젓가락 접착제 실 추, , ,

결 과 의 경우 한 모서리에 힘이 가해지면 대각선 방향의 모서리로 모이는 힘을 상쇄 과 정 1. 나무젓가락을 이용해 오른쪽 그림과 같은 사각형 구조를 만들고 어

느 무게까지 버티는지 한 쪽 모서리에 여러 가지 무게의 추를 매달 아 본다.

나무젓가락을 이용해 왼쪽 그림과 같은 구조를 만들고 어느 무게까 2.

지 버티는지 한 쪽 모서리에 여러 가지 무게의 추를 매달아 본다.

두 가지 구조가 버티는 무게를 비교한다

3. .

학생들 스스로 자유롭게 여러 가지 구조를 만들어 비교실험을 해보자

4. .

T A

S

토 론

삼각형과 반원 형태는 사각형이나 원 보다 안정성이 높은 구조이다 우.

•

리가 잘 알고 있는 아치교는 반원 형태의 구조로 이루어져 있으며 삼각 형 구조로 이루어진 다리는 트러스교라 한다 아치교와 트러스교에서 힘. 의 분산이 어떻게 이루어지는지 토론해보자.

자연 속에서도 삼각형이나 반원 형태인 아치형 구조들을 찾아볼 수 있다 실제 사례들을 찾아보고.

•

토론해보자.

우리가 잘 알고 있는 벌집은 육각형 구조로 이루어져 있

•

다 꿀벌들이 삼각형이나 원 또는 사각형이 아닌 육각형 구. 조로 집을 짓는 이유를 생각해보자.

연관 활동

두꺼운 종이로 의자의 다리를 만들어 보아요.

▶

종이를 이용해 그림 속의 기둥 중에서 한 가지를 선택해 의자 다리를 만들고 어떤 의자가 더 잘 버 티는지 비교해보자.

기둥 속이 비었을 때와 채워져 있을 때 어떤 차이가 있을지 생각해보자.

•

현수교는 다리 양 쪽에 높고 튼튼한 기둥을 설치하고 그 사이를 케이블로 연결한다 이. 케이블에 또 다른 줄을 매달아 다리 상판을 잡고 있다 다리 위로 사람이나 차가 지나가. 게 되면 다리는 힘을 받는다 현수교에서는. 그 힘을 보조 케이블이 나누어 갖고 이를 주 케이블에 전달한다 주 케이블이 받은 힘이. 앵커리지와 주탑을 통해 지반으로 전해지게 되면서 다리가 안전하게 버티는 것이다.

이 활동은

케이블이 없는 단순교와 주 케이블이 직선 형태인 현수교 포물선 형태인 현수교가 견디는 무게를 비, 교해보면서 힘의 분산에 대해 이해한다.

준비물

단순교 모형 직선 형태의 주케이블 현수교 모형 포물선 형태의 주케이블 현수교 모형 추 없을 시, , , ( 음료수 캔이나 물병)

과 정 1. 케이블이 없는 단순교 모형이 얼마의 무게를 버티는지 알아보아요.

2. 주 케이블이 직선 형태인 현수교가 얼마의 무게를 버티는지 알아보아요.

3. 주 케이블이 포물선 형태인 현수교가 얼마의 무게를 버티는지 알아보아요.

S T E A M

결 과

케이블이 없는 다리와 주 케이블이 직선 형태인 다리의 결과에는 어떤 차이가 있었나요 왜 그럴까?

• 요?

주 케이블이 직선 형태일 때와 포물선 형태일 때의 결과를 통해 튼튼한 현수교를 만들기 위한 방법

•

을 생각해보아요.

토 론

미래에는 다리의 역할이 더 다양해지고 모습도 여러 가지 형태로 발달할 것이에요 내가 다리를 건.

•

설하는 토목 공학자가 되었다고 상상하면서 내가 만들게 될 다리의 역할과 모습을 디자인해보아요.

이 활동은 힘의 분산이 비행기 설계에 어떻게 적용되는지 살펴본다.

준비물 뚜껑이 있는 원통, 2 kg 정도의 벽돌 장 줄 받침대3 , ,

과 정 1. 양쪽에 책을 쌓아 두고 뚜껑이 있는 원통을 걸쳐 둔다.

벽돌을 받침대 위에 올려 줄을 이용 2.

해 뚜껑이 열리는 쪽에 가깝게 매단 다 이때 원통이 찌그러지지 않을 정. 도의 적당한 무게를 선택한다 벽돌. (

장 정도 2 ~ 3 )

뚜껑을 열어 어떤 변화가 나타나는지 관찰한다

3. .

결 과

원통에 무거운 물건을 매달고 뚜껑을 열자 어떤 변화가 관찰되었나요 그 이유가 무엇인지 뚜껑을?

•

열기 전과 후를 비교해 설명해보자.

토 론

비행기는 짐을 싣고 내려야 하기 때문에 비행기 동체 뒷부분에 열거나 닫을 수 있는 문이 있어야 한

•

다 이 문이 열리게 되면 어떤 일이 발생할지 위의 활동에서 얻은 결과를 통해 생각해보고 이러한 문.

S T E

캐나다

Confederation Bridge, 12.9 km, 루푸 대교, 3.9 km, 중국

아카시 해협 대교, 3.9 km, 일본 인천 대교, 21.38 km, 한국

사진 속의 다리들은 아름다움과 그 길이로 세계에서 손꼽히는 다리들이다 각각의 사진을 잘

· .

살펴보고 다리 모양이 어떻게 다른지 비교하여 토론해보자.

S E A

· 분석한 것을 토대로 세계에서 가장 긴 다리를 만들기 위해 고려해야 할 사항들을 토론해보자.

자전거 본체를 프레임이라 하는데 자전거의 프레임에서 가장 많은 하중을 받는 부분은 바로 앞 뒤쪽 바퀴 축과 연결된 곳이다 운전자의, . 하중에 대한 바퀴의 반작용과 땅에서의 충격, 운전자가 타고 다니면서 내리 누르는 하중이 모이는 지점이다 자전거 프레임은 위에서 말한. 힘들이 잘 분산 될 수 있도록 설계되어야 한다.

흔히 자전거 프레임으로 다이아몬드 형 프레임이 많

․

이 쓰이는데 이는 삼각형 두 개를 붙여서 만든 것이 라고 생각하면 된다 다이아몬드 형 구조에서는 양쪽 . 모서리 끝에 하중이 전달되고 분산된 힘이 가운데 안 장이 붙은 변으로 분산이 되기 때문에 안정적이게 된 다 이런 사실을 바탕으로 안정성이 뒷받침 되는 자신 . 만의 자전거 프레임을 디자인 해보고 힘이 어떻게 분 산되는지 설명해보자.

T

S E A

우리는 앞에서 힘의 분산이 잘 이루어지는 안전한 자전거 프레임을 디자인 하였다 창의 .

․

적인 자전거를 완성하기 위해 SCAMPER 기법을 활용하여 질문을 만들고 대답해보자 .

Substitute ( ) : ? ? ? ? ?

➀

결합하기 혼합하면 아이디어를 조합시키면

Combine ( ) : ? ?

➁

적용하기 번안하면 각색하면 이것과 비슷한 것은

Adapt ( ) : ? ? ?

➂

수정 확대 축소하기 확대시키면 빼면 변형시키면 간소화하면 Modify-Magnify-Minify ( - - ) : ? ? ? ?

➃

다른 용도로 사용하기 다른 용도는 수정하면 맥락을 바꾸면

Put to other use ( ) : ? ? ?

➄

제거하기 이것을 없애 버리면 부품 수를 줄이면 압축시키면 더 가볍게 하면

Eliminate ( ) : ? ? ? ?

➅

재배치하기 거꾸로 하면 반대로 하면 역할을 바꾸면 위치를 바꾸면

Rearrange-Reverse ( ) : ? ? ? ?

➆

누구에게나 공평하고 편리한 디자인 보편적 디자인을 지향하는 것이 유니버설 디자인이 ,

․

다 앞에서 디자인 했던 자전거 프레임을 바탕으로 . SCAMPER 기법을 통해 얻은 다양한 아이

디어에 유니버설 디자인을 추가하여 기존에 없던 창의적인 자전거를 디자인해보자.

참고자료 교사용

10. ( )

교사용 수업자료 생각하기 / 1. 다친 코끼리를 어떻게 옮길 수 있을까요 ? _{S M}

STEAM 요소

S 힘의 합성 개념을 이해할 수 있다

M 두 힘이 이루는 각도에 따른 합력의 크기 관계를 수학적으로 명확히 알 수 있다.

나란하지 않은 두 힘의 합력은 두 힘을 나타내는 화살표를 두 변으로 하는 평행사변형의 대각선으로 구할 수 있다 이때. 대각선의 길이는 합력의 크기를 나타내며 대각선의 방향은 합력의 방향이 된다 나란하지 않은 두 힘의 합력의 크기는, . 두 힘의 크기 외에도 두 힘이 이루는 각도와 관련이 있다.

창의 인성 요소

사고의 확장 힘의 합성 개념을 이해하고 관련성이 없어 보이는 다친 코끼리를 옮기는 상황과 연결 시킨다.

문제해결력 상황을 이해하고 적절한 가설을 세워 문제를 해결 하고 실생활에 적용한다.

독립성 / 배려 용기 있게 자신의 생각을 이야기하고 남의 의견을 존중한다.

지도 시 주의사항

동물원에 있는 코끼리가 다쳐 움직이질 못하고 있다 다친 코끼리를 빠른 시간 안에 차에 실어 병원으로 옮 .

․

겨야 하는데 주위를 살펴보니 나무 몇 그루와 그물 그리고 밧줄이 있다 나란하지 않은 두 힘의 합성을 생각 , . 하면서 최소한의 힘으로 코끼리를 들어 올려 응급차에 실을 수 있는 방법을 생각해보자.

답안 예시) 문제에 주어진 조건에는 나무 몇 그루와 그물 그리고 줄이 있다 이 조건들을 활용하여 문제를, . 해결할 수 있는 방법은 그물로 코끼리를 감싸고 그물 양 쪽 끝을 줄로 묶어 각각 나무에 연결한

후 양 쪽에서 사람들이 줄을 당겨 코끼리를 들어 올리는 것이다.

이 경우 코끼리를 들어 올릴 때 최소한의 힘을 들이는 방법은 양 쪽 나무와 연결되어 있는 줄 사이의 각도를 최대한 작게 하는 것이다 따라서 이를 생각해.

거리가 가까운 나무 두 그루를 선 택한다면 같은 힘을 들이지만 합력의 크기를 더 크게 만들 수 있다.

교사용 TIP

거리가 먼 두 그루의 나무를 이용할 때와 가까이 있는 두 그루의 나무를 이용할 때 합성된 힘의 크기 차이를 보여준다.

⇨ 거리가 먼 두 그루의 나무를 이용

⇨ 거리가 가까운 두 그루의 나무를 이용

교사용 수업자료 생각하기 / 2. 생활 속에서 힘의 평형을 이루고 있는 것은 ? _{S T A}

STEAM 요소

S 힘의 평형 개념을 이해할 수 있다.

T 인공위성이나 비행기에서의 힘의 평형을 기술적으로 설명할 수 있다.

A 생활 속에서 힘의 평형 사례들을 찾아보면서 창의적으로 생각할 수 있다.

인공위성이 떨어지지 않고 지구 주위를 돌고 있는 것은 지구가 당기는 인력과 회전에 의한 원심력이 평형을 이루 기 때문이다 또한 비행기가 떨어지지 않고 비행할 수 있는 것은 비행기에 작용하는 중력과 비행기를 뜨게 하는. 힘인 양력이 평형을 이루기 때문이다 소금쟁이도 표면 장력과 중력이 평형을 이루어 물에 떠 있을 수 있다. .

창의 인성 요소

사고의 확산 힘의 평형 개념을 실생활로 확대 적용하여 생각한다, . 사고의 수렴 사례를 통해 물리적 개념을 도출하고 논리적으로 분석한다.

과 정

제시되어 있는 힘의 평형 사례들을 이해하고 생활 속에서 힘의 평형을 이루고 있는 다양한 예를 찾아 각각

․

의 경우에 어떤 힘들이 평형을 이루고 있는지 생각해보자.

답안 예시) 아기 방에 걸려 있는 모빌은 중력과 실에 걸리는 장력이 평형을 이루고 있기 때문에 떨어지지 않 는 것이다 또.

고장 난 차를 온 가족이 힘을 주어 밀어도 움직이지 않는 것은 온 가족이 미는 힘

보충 자료

인공위성이 떨어지지 않는 이유는?

▶

인공위성이 떨어지지 않고 지구 주위를 돌고 있는 것은

지구가 당기는 인력과 회전에 의한 원심력이 평형을 이루

과 지구가 인공위성을 끌어당기는 힘 곧 인력이 같아져서 떨어지지 않고 일정한 궤도를 돌게 된다 이, . 렇게 지구 주위를 궤도 운동하는 인공위성은 7.9 km/s의 초기 속도로 쏘아 올려야 하고 지구의 인력, 을 벗어나야 하는 우주선의 경우에는 11.2 km/s의 초기 속도로 쏘아 올려야한다.

비행기가 떠 있을 수 있는 이유는?

▶

비행 중인 비행기에는 양력 중력 추력 항력의 가지 힘, , , 4 이 작용한다.

중력

· : 비행기를 지구 중심점을 향해 끌어당기는 힘이 다.

양력

· : 비행에 있어서 가장 중요한 힘으로 비행기 날개 에 작용하여 뜨게 하는 힘으로 베르누이 정리에 의한 힘이다.

· 추력 : 추진력에 의해 비행기를 앞으로 나아가게 하는 힘이다 다시 말해 작용 반작용에 의한 힘으. , 로 프로펠러나 제트엔진에 의해 뒤로 분사되는 기체에 대한 반작용으로 비행기가 움직이게 되는 것이, 다.

· 항력 : 관성이나 공기저항에 의해 전진을 방해하는 힘으로 비행기를 만들 때 기체를 유선형으로 만드 는 것은 비행기 표면과 공기와의 마찰력이나 기체 전부분에 부딪치는 공기로 인한 항력을 최소화하기 위한 것이다.

앞의 네 가지 힘이 평형을 이룰 때 비행기는 수평 비행 즉 등속도 비행을 하게 되며 양력의 크기를, , 조절함으로써 상승 또는 하강 비행을 추력을 조절함으로써 가속 또는 감속 비행을 하게 된다, .

소금쟁이가 물에 뜨는 이유는?

▶

소금쟁이가 물 위에 있으면 소금쟁이는 자신의, 무게 때문에 중력을 받게 되고 물을 살짝 아래로 누르게 된다 그러면 물의 표면적이 증가하는데. ,

표면적이 증가하면 에너지가 높아지고 불안정하게 되어 누르는 힘과 반대 방향으로 표면적을 최소화 시키려는 힘인 표면장력이 작용하게 된다 소금쟁이는 가볍기 때문에.

표면장력과 중력이 평형을 이루

어 물 위에 떠 있을 수 있다 그러나 사람의 경우는 무거워서 중력이 표면장력보다 훨씬 크기 때문에

교사용 수업자료 활동하기 / 1. 등을 대고 밀어내는 게임을 해 보아요 . _{S A}

STEAM 요소

S 힘의 합성과 평형 상태 개념을 이해할 수 있다.

A 힘의 합성과 평형을 게임이나 활동을 통해 체험할 수 있고 서커스에서의 힘의 평형을 알 수 있다.

한 물체에 작용하는 힘들의 합력이 0 이 되게 되면 이 물체에 작용하는 여러 힘들은 평형을 이루었다고 한다.

이 활동은

등을 대고 밀어내는 게임을 통해 힘의 평형을 이해한다.

창의 인성 요소

호기심 / 몰입 몸을 사용하는 또래들과의 게임 활동을 통해 흥미를 유발한다.

사고의 수렴 등을 대고 밀어내는 게임을 통해 승패의 원인을 논리적으로 분석하고 결과를 예측한다.

사고의 확산 다른 활동 및 개념들로 범위를 넓혀 사고함으로써 관련성이 없어 보이는 것과 연결하 여 주어진 문제에 적용한다.

지도 시 주의사항

학생들에게 직접 게임을 해보게 하고 결과를 힘의 작용과 관련지어 발표하게 한다

1. .

밀어내기 게임을 할 때 승부가 나지 않고 버티는 동안에는 힘의 작용이 어떻게 이루어지는지 힘의 평형과 2.

연관시켜 자유롭게 의견을 발표하도록 유도한다.

승패가 나게 되었을 때의 상황을 통해 힘의 평형이 깨진 것을 이해할 수 있도록 한다

3. .

과 정

한 쪽에는 두 사람 다른 한 쪽에는 네 사람이 등을 맞대고 밀어내는 게임을

1. ,

해본다.

교사용 TIP 평형의 개념을 잘 적용하기 위해 덩치가 비슷한 학생들이 게임을 할 수 있도록 하고 마 찰력을 크게 한다거나 자세를 낮추는 등의 요소에 따라 게임 결과가 달라질 수도 있으므로 힘의 세기와 힘을 주는 방향의 변화에 따라 승패가 좌우될 수 있도록 유도한다 또는 덩치가 큰 학생과 작은 학생이. 게임을 하게하고 덩치가 비슷한 학생 두 명이 게임을 하게 한 후 결과를 살펴 볼 수도 있다.

결 과

한 쪽에는 두 사람이 다른 한 쪽에는 네 사람이 밀어내기 게임을 했을 때 결과는 어떻게 되었나요 결 , ?

•

과를 힘의 작용과 연관시켜 표현해보자.

답안 예시) 예상과 다르게 두 사람이 미는 쪽이 이겼다 게임의 결과는 힘의 세기와도 밀접한 관련이 있겠지. 만 단순히 힘의 세기가 크다고 해서 이기는 것은 아니다 네 사람이 미는 쪽이 힘의 세기는 크겠. 지만 두 사람이 미는 쪽이 힘을 주는 방향의 조절과 힘의 세기 조절을 잘 한다면 이길 수도 있다.

양 쪽 모두 네 사람씩 등을 맞대고 서서 밀어내는 게임을 했을 때 결과는 어떻게 되었나요 승부가 나지 ?

•

않고 버티는 동안의 과정을 힘의 평형과 연관시켜 표현해보자.

답안 예시) 팽팽한 접전 끝에 어느 한 쪽이 이겼다 승부가 나지 않고 버티는 동안에는 양 쪽의 힘이 평형을. 이루다가 한 쪽의 힘의 세기가 약해져 다른 쪽의 승리로 끝이 났다 이는 힘의 평형 상태가 깨진. 것으로 생각할 수 있다.

연관 활동

손바닥으로 밀어내는 게임을 해 보아요.

▶

학생들이 짝을 이루어 손바닥으로 밀어서 발이 먼저 떨어지는 사람이 지는 게임을 해 보고 힘의 평형과 연관시켜 수업을 진행 할 수도 있다.

교사용 TIP 힘의 평형 외에 다른 요소가 들어가지 않도록 게임을 지도한다 또는 자유롭게 게임을 하도록 한 후 힘의 평형. 외에 다른 어떤 요소가 들어갈 수 있는지 토론 시간을 갖는다.

위의 활동 시 힘의 평형 외에 다른 어떤 요인들이 있는지 생각해보자.

•

답안 예시) 위와 같이 밀기 게임을 할 때 팔을 구부려서 하게 되면 지렛대의 원리가 작용할 수 있 으며 몸의 균형을 유지해야 하기 때문에 수평의 원리도 작용한다 몸의 자세를 낮추면. 무게 중심이 낮은 곳에 위치하게 되어 게임에서 유리하게 되고 마찰력을 크게 하는 것 또한 게임의 결과에 영향을 미친다.

많은 인원으로 탑을 쌓을 수 있는 방법은?

▶

최대한 많은 인원이 안전하게 탑을 쌓을 수 있는 방법을 토론하고 실제 활 동을 통해 검증해보는 수업도 할 수 있다.

위의 활동 시 힘의 평형 외에 다른 어떤 요인들이 있는지 생각해보자.

•

답안 예시) 많은 인원으로 탑을 쌓기 위해서는 우선 탑을 쌓는 구조에 따라 힘이 어떻게 합성되고 분산되는지 알고 힘의 평형이 잘 이루어지도록 해야 한다 또한 무게 중심을 생각하여 수평이. 잘 맞도록 해야 안전한 탑을 쌓을 수 있다.

교사용 수업자료 활동하기 / 2. 물체가 힘을 받으면 어떻게 될까요 ? _{S T E}

STEAM 요소

S 힘의 작용에 의한 물체의 변형과 편광을 이해할 수 있다.

T 힘에 의한 변형을 편광을 통해 확인하고 편광 기술이 무엇인지 이해 할 수 있다.

E 건축물 설계와 안정성을 평가하는 건축공학에 편광판이 이용된다는 것을 알 수 있다.

어떤 물체에 힘을 가하면 힘을 받는 부분이 변형된다 변형이 일어나는 형태로는 압축과 뒤틀림이 있는데 힘이 작용했을. 때 변형이 일어나는 정도는 물체의 성질이나 구조에 따라 다르다 스펀지에 힘을 가했을 때는 변형된 정도가 눈에. 보이지만 벽돌의 경우에는 힘을 가해도 변형된 정도가 작아서 눈에 보이지 않는다.

이 활동은

힘을 받고 있는 물체의 변화를 눈으로 확인한다.

창의 인성 요소

몰입 실제 실험을 통해 힘이 받는 부분의 변화를 시각적으로 확인한다.

사고의 확산 관련성이 없어 보이는 다른 물리적 개념을 통해 정보를 시각화하며 이러한 방법을, 다른 분야로 연결하고 새로운 관점에서 생각한다.

사고의 수렴 실제 다리를 감상하면서 습득한 물리적 개념 찾아본다.

지도 시 주의사항

학생들에게 물체가 힘을 받으면 어떻게 되는지 이야기해보도록 하고 간단히 설명해준다

1. .

참고자료를 바탕으로 광탄성과 편광에 대한 설명을 간단히 해준다

2. .

건축물의 설계와 안정성 평가에 이 실험이 어떻게 활용될 수 있는지에 대해 학생들의 자유롭고 창의적인 3.

토론이 가능하도록 유도한다.

판의 앞 뒤에 편광판 대고 판 양 쪽 끝을 당기며 어떤 변화가 있는지 관찰한다 밝은 곳을

3. PVC , PVC .

향하거나 흰 종이 위에서 관찰하면 더 잘 보인다.

결 과

• 물체는

을 받으면 변형이 일어나는데 빛을 통과시키는 물체에 이렇게 변형이 일어나 빛이 다른 방향으로 굴절되는 현상을 광탄성이라고 한다 따라서 그 물체의 앞 뒤에 편광판을 두면 그 . , 변형 정도를 색깔 변화로 확인해 볼 수 있다.

토 론

힘을 받는 물체의 변형 정도를 편광판을 통해 확인해 볼 수 있다고 하였다 이러한 사실을 생활 속에서 .

•

어떻게 활용할 수 있을지 토론해보자.

답안 예시) PVC로 다리의 모형을 만들어 편광판 사이에 두면

무게를 많이 받는 부분은 모양이 변형되어 색 변화가 일어나므로 그 부분을 보완해서 설계할 수 있다.

보충 자료

▶ 건축물의 설계에 편광판이 이용된다.

편광이란

➀

한 방향으로 진행하는 빛만 통과시키는 판을 편광판이라 하고 그때의 빛을,

편광이라고 부른다 편광판

건축물의 설계에 편광판이 이용된다.

➁

어떤 물체에 힘을 가하면 힘을 받는 부분이 변형된다 만약 빛을. 통과시키는 물체라면 그 부분에서 빛이 다른 방향으로 굴절될 것 이다 이러한 현상을.

광탄성이라고 한다 따라서 그 물체의 앞 뒤

의 변화로 건축물을 설계할 때 미리 모형을 만들어 광탄성을 측정 해 보면 예상 하중과 장력에 따른 비틀림이나 뒤틀림의 정도를 예

측해 볼 수 있다.

건축물의 안정성 검사에 편광판이 이용된다.

➂

빛이 표면에서 반사되면 반사파 중 일부는 표면과 나란한 방향으로 편광이 된다 건축물에 빛을 비추. 어 반사파의 편광 정도를 측정해 보면 낡아서 변형된 건물은 편광 정도가 다르기 때문에 쉽게 안정성

여부를 파악할 수 있다.

반사파의 편광 안정성 측정

세계의 아름다운 다리들

▶

다리란 계곡이나 강 해협 도로 등을 위로 건널 수 있도록 만든 인공 구조물을 말한다 하지만 현대사회에, , . 서는 다리의 기능만이 중요시 되지 않는다 다리는 독특한 모형과 디자인으로 한 나라와 도시를 대표하는. 상징물로서 하나의 관광명소가 되고 있다.

프랑스 Millau Bridge,

프랑스의 미요 다리는 북부 유럽과 남부 프랑스,

➀

스페인을 연결하는 다리로 7개의 콘크리트 기둥과 케이블로 다리를 지탱하고 있는 사장교이다 길이는. 이며 높이가 에 이르는 세계에서 가 2,456 m , 341 m

장 높은 다리로 이 높이는 에펠탑 보다는 약간 높고 엠파이어 스테이트 빌딩 보다는 불과 38 m 작은 높 이이다 이 다리에서 드라이브를 하면 마치 하늘을. 나는 기분을 느낄 수 있다.

시드니 하버 브리지는 오페라 하우스와 함께 호

➁

주를 대표하는 상징물로서 시드니 도심에 위치해 있 고 도보 차량 기차를 통해 시드니의 남과 북을 연, ,

교사용 수업자료 / 활동하기 3. 다리를 만들어 볼까요 ? _{S T A}

STEAM 요소

S 힘의 분산 개념을 알 수 있다.

T 안전한 구조에서의 기술적 원리들을 이해할 수 있다.

A 안전하면서 새로운 구조를 창의적으로 디자인을 할 수 있다.

한 물체에 작용하는 하나의 힘을 동일한 효과를 갖는 두 개 이상의 힘으로 분해하는 것을 힘의 분산이라 한다.

이 활동은

힘이 어떻게 분산되는지 두 가지 구조의 비교를 통해 확인한다.

창의 인성 요소

호기심 습득한 개념을 적용할 수 있는 간단한 구조 만들기를 통해 흥미를 유발한다.

사고의 수렴 정보를 분석하여 가설 세우고 각 경우에 따른 결과를 예측해본다.

사고의 확장 힘의 분산 개념을 실제 다리 구조에 적용하여 이해하고 새로운 구조를 디자인하면서 아이디어를 확장한다.

배려 토론 시 상대방의 의견을 배려하고 존중하는 태도를 가진다.

지도 시 주의사항

힘의 분산을 이해하고 도형의 구조에 따라 힘이 어떻게 분산되는지 알 수 있도록 한다

1. .

간단한 구조를 만들어 보면서 호기심과 흥미를 느낄 수 있게 한다

2. .

참고 자료를 바탕으로 힘의 분산과 안정성의 개념을 연관 시켜준다

3. .

다른 형태의 구조에서 힘의 분산을 예측 설명할 수 있도록 유도 한다

4. , .

학습 내용을 실제 다리 구조와 연관시켜 삼각형과 사각형 구조가 어떻게 사용되고 있는지를 인지시켜 사고 5.

의 확산이 가능하도록 지도한다.

준비물 나무젓가락 접착제 실 추, , ,

나무젓가락을 이용해 오른쪽 그림과 같은 사각형 구조를 만들고 어느 무게까지 1.

버티는지 한 쪽 모서리에 여러 가지 무게의 추를 매달아 본다.

나무젓가락을 이용해 왼쪽 그림과 같은 구조를 만들고 어느 무게까지 버티는지 한 2.

쪽 모서리에 여러 가지 무게의 추를 매달아 본다.

두 가지 구조가 버티는 무게를 비교한다

3. .

학생들 스스로 자유롭게 여러 가지 구조를 만들어 비교실험을 해보자 4.

결 과

•

의 경우 한 모서리에 힘이 가해지면 대각선 방향의 모서리로 모이는 힘을 상쇄 시

킬 수가 없어 안정성이 높지 않다 반면 .

의 경우는 한 모서리에 힘이 가해졌을 때 분산된 힘이 다른 쪽 변으로 고르게 전달되기 때문에 집중되는 압력을 가장 잘 견딜 수 있는 도형이다.

토 론

삼각형과 반원 형태는 사각형이나 원 보다 안정성이 높은 구조이다 우리가 잘 알고 있는 아치교는 반원 .

•

형태의 구조 이루어져 있으며 삼각형 구조로 이루어진 다리는 트러스교라 한다 아치교와 트러스교에서 힘의 . 분산이 어떻게 이루어지는지 토론해보자.

답안 예시) ➀ 삼각형 구조로 이루어진 트러스 형태의 다리는 대각선 지지대들이 수직 방향의 지지대들을 보완해

교사용 TIP

직선 부재를 연속된 삼각형 구조로 조립한 것을 트러스라고 하며 트러스 구조를 이용하여 만든 다리를 트러스교라 한다 트러스는. 상현재와 하현재 사재 및 수직재로 이루어지는데 옆의 그림과 같, 은 트러스 구조에 연직 방향의 힘이 가해지는 경우 상현재는 인장 력, 하현재와 사재 및 수직재는 압축력을 받는다.

자연 속에서도 삼각형이나 반원 형태인 아치형 구조들을 찾아볼 수 있다 실제 사례들을 찾아보고 토론해 .

• 보자.

답안 예시) 아치형의 껍질을 가진 달걀은 밖에서 손가락으로 눌렀을 때는

아치 형태를 따라 힘이 분산되기 때문에 깨기가 어려운데 반해

집중되기 때문에 쉽게 껍질을 깨고 나온다 이는 힘이 분산되

달걀 속에서 힘이 가해질 때는 180도 이상의 두 힘으로 분산이 되어야 하기 때문에 불가능하다. 또한 손가락과 병아리 부리에 의해 껍질로 힘이 가해지는 면적의 차이나 힘이 가해지는 각도 힘, 의 크기 차이 등이 원인이 될 수도 있다.

우리가 잘 알고 있는 벌집은 육각형 구조로 이루어져 있다 꿀벌들 .

•

이 삼각형이나 원 또는 사각형이 아닌 육각형 구조로 집을 짓는 이 유를 생각해보자.

교사용 TIP

학생들에게 구조의 안정성과 집을 짓는데 사용되는 재료의 양, 집의 면적 등의 측면에서 삼각형과 원 사각형을 육각형과 비교해 볼 수 있도록 유, 도한다.

답안 예시) 원은 둘레가 일정할 때 넓이가 최대인 도형이기 때문에 사용되는 재료의 양을 줄일 수는 있지만 여러 개를 이어 붙이면 틈새가 많이 생기기 때문에 벌집에는 맞지 않는다.

정삼각형 정사각형 정육각형만이 여러 개를 이어 붙였을 때 틈새가 생기지 않는다 정사각형은, , . 정삼각형과 정육각형에 비해 구조의 변형이 쉽게 일어나 안정성이 떨어지고 정삼각형은 정육각 형에 비해 재료가 많이 사용된다는 단점이 있다 따라서.

재료를 가장 적게 쓰면서 안정적이고

두꺼운 종이로 의자의 다리를 만들어 보아요.

▶

종이를 이용해 그림 속의 기둥 중에서 한 가지를 선택해 의자 다리를 만들고 어떤 의자가 더 잘 버 티는지 비교해보자.

교사용 TIP

학생들이 다리를 만들 때 힘의 분산에 영향을 미치는 요인을 자유롭게 토론하도록 유도한 다음 다리를 만들어 보도록 한다.

기둥을 만들 때

⇨

밑면의 넓이와 기둥의 높이 등에 따라 버티는 정도가 달라진다 높이를 같게 하고 밑면의 모

기둥 속이 비었을 때와 채워져 있을 때 어떤 차이가 있을지 생각해보자.

•

답안 예시) 기둥 속이 비었을 때보다 채워져 있을 때 더 많은 하중을 버티게 된다 이는 기둥 속이. 채워져 있는 경우가 기둥의 부피 전체로 하중이 골고루 분산되기 때문이다.

보충 자료

도형의 구조에 따른 힘의 분산

▶

교사용 수업자료 활동하기 / 4. 현수교에서 힘의 분산을 알아보아요 . _{S T E A M}

STEAM 요소

S 힘의 합성 및 분산을 이해할 수 있다.

T 튼튼한 현수교를 만들기 위한 기술적 원리를 알 수 있다.

E 현수교 만들기를 통해 건축 공학을 접할 수 있다.

A 미래의 다리를 생각해보면서 창의적인 디자인을 할 수 있다.

M 힘의 합성과 분산에서 힘의 크기 및 각도를 수학적으로 명확히 알 수 있다.

현수교는 다리 양 쪽에 높고 튼튼한 기둥을 설치하고 그 사이를 케이블로 연결한다 이 케이블에 또 다른. 줄을 매달아 다리 상판을 잡고 있다 다리 위로 사람. 이나 차가 지나가게 되면 다리는 힘을 받는다 현수교. 에서는 그 힘을 보조 케이블이 나누어 갖고 이를 주 케이블에 전달한다 주 케이블이 받은 힘이 앵커리지. 와 주탑을 통해 지반으로 전해지게 되면서 다리가 안 전하게 버티는 것이다.

이 활동은

케이블이 없는 단순교와 주 케이블이 직선 형태인 현수교 포물선 형태인 현수교가 견디는 무게를 비교해, 보면서 힘의 분산에 대해 이해한다.

창의 인성 요소

몰입 실제 실험을 통해 다리 형태에 따른 힘의 분산을 눈으로 확인한다.

사고의 수렴 정보를 분석하여 가설을 세우고 각 경우에 따른 결과를 예측해본다.

사고의 확장

힘의 분산 개념을 현수교에 적용하여 이해하고 비교 실험의 결과 분석을 통해 논리 적인 생각을 확장한다 또한 미래의 다리 역할과 모습을 디자인하면서 아이디어를 확. 장한다.

배려 토론 시 상대방의 의견을 배려하고 존중하는 태도를 가진다.

완성된 다리에 추를 올릴 때에는 다른 힘이 들어가지 않도록 주의 한다

4. .

세 가지의 실험이 순차적으로 진행되므로 결과를 비교하기 위해 실험 결과를 그때그때 정리해둔다

5. .

세 가지 실험의 결과를 비교함으로써 현수교의 원리를 이해할 수 있도록 한다

6. .

실험을 하면서 힘의 분산을 예측 설명할 수 있도록 유도 한다

7. , .

준비물

단순교 모형 직선 형태의 주케이블 현수교 모형 포물선 형태의 주케이블 현수교 모형 추 없을 시 음료수, , , ( 캔이나 물병)

과 정 1. 케이블이 없는 단순교 모형이 얼마의 무게를 버티는지 알아보아요.

2. 주 케이블이 직선 형태인 현수교가 얼마의 무게를 버티는지 알아보아요.

3. 주 케이블이 포물선 형태인 현수교가 얼마 의 무게를 버티는지 알아보아요.

세 가지 실험의 결과를 비교해 현수교의 원 4.

리를 이해할 수 있도록 해요.

결 과

케이블이 없는 다리와 주 케이블이 직선 형태인 다리의 결과에는 어떤 차이가 있었나요 왜 그럴까요 ? ?

•

답안 예시) 케이블이 없는 다리보다 주 케이블이 직선 형태인 다리가 더 많은 무게를 버틴다 이는 케이블. 이 다리 상판을 지지해주는 역할을 하여 더 많은 무게를 버틸 수 있게 해주는 것으로 바로 이것

교사용 TIP

주 케이블의 형태에 따른 힘의 분산

주 케이블이 직선 모양이면 많은 힘을 받는 다리 상판의 중간 부분이 안전하지 못하게 된다 그림과 같이. 주 케 이블이 직선 형태일 때는 보조케이블에서 전달되는 힘이 분산되지 않고 한 점에 모이게 된다 또 주. 케이블에 걸리는 인장력의 합력이 주탑을 벗어나 안전하지 못하다.

주 케이블이 포물선 모양일 경우가 다리의 무게를 골고 루 분배해 안전하다 그림과 같이. 보조케이블에서 주 케이블로 전달되는 힘이 분산되며 주 케이블에 걸, 리는 인장력의 합력이 주탑을 벗어나지 않아 안전 하다 또한 다리의 중간 부분일수록 받는 힘이 크. 기 때문에 보조케이블의 길이가 짧아야 한다 물건. 을 들어 올릴 때 줄을 바짝 잡는 것이 멀리 잡는 것보다 수월한 것을 생각해보면 이해하기 쉽다.

교사용 TIP

실제로 현수교의 주 케이블은 포물선 형태로 만들어져요.

재질이 균일한 줄의 양끝을 같은 높이의 두 위치에 고정시켰을 때 그 사이에서 줄이 처진 모양과 같은 곡, 선을 현수선이라고 한다 현수선은 포물선과 그 모양이 매우 비슷하지만 포물선은 아니다 그런데 현수선. . 모양으로 처진 줄에 일정한 간격으로 힘이 작용하면 포물선 모양으로 바뀐다 현수교의 경우에도 주 케이, . 블에 일정한 간격으로 보조 케이블을 설치한 상태에서 힘을 받고 있기 때문에 주 케이블은 포물선인 셈이 다.

토 론

미래에는 다리의 역할이 더 다양해지고 모습도 여러 가지 형태로 발달할 것이에요 내가 다리를 건설하는 .

•

토목 공학자가 되었다고 상상하면서 내가 만들게 될 다리의 역할과 모습을 디자인해보아요.

답안 예시) 미래의 다리는 통로로서의 역할뿐만 아니라 사람들이 이용할 수 있는 공원 또는 주변과 조화를,

교사용 TIP

훌륭한 다리가 되기 위해 필요한 조건

다리는 두 장소를 연결해 주는 통로로서의 기능을 안전하게 수행할 수 있도록 충분한 강도와 내구성이 필요하다.

또한 다리가 가진 공공적인 성격 때문에 가급적 경제적으로 만들어져야 하며 그 시대와 지역을 대표하는 상징물 로서의 조화로운 아름다움까지 더해지면 훌륭한 다리라고 할 수 있다.

보충 자료

현수교의 구조

▶

현수교는 위의 그림과 같이 다섯 가지 부분으로 구성 된다.

① 주 케이블 : 빨랫줄 같이 길게 늘어져 있는 부분을 말한다.

② 보조 케이블 : 상판과 주 케이블을 연결해준다.

③ 상판 : 다리 위의 통과 물로 부터 직접적인 힘을 받는 부분이다.

④ 주탑 : 다리 중간에 설치하는 기둥이에요 아주 단단한 지반위에 설치한다. .

⑤ 앵커리지 : 다리 양쪽 끝에 설치해 주 케이블에 전달되는 힘을 지탱한다.

현수교 방식은 수심이 깊은 강이나 바다 위에서 유리하다.

▶

현수교는 다리의 상판을 받치는 기둥 대신 케이블

다리에 작용하는 힘의 종류

▶

다리의 주요 재료들이 받는 힘은 두 가지로 나눌 수 있다 두 가지 힘은 바로. 압축력과 인장력으로 쉽게 미는 힘과 당기는 힘으로 생각할 수 있다.

다리 종류에 따라 작용하는 힘

▶

아치교

다리에 무게가 실리거나 어떤 힘이 가해지면 그, 다리의 각 부분은 압축 또는 인장 상태가 된다.

예를 들면 아치교는 압축 상태만 지속되며 현수, 교나 사장교의 케이블은 인장상태가 지속되지만, 거더나 트러스의 경우에는 압축과 인장이 동시에 일어난다.

거더교

현수교