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▮ 목차 ▮

1. 미래의 개인용 비행장치 만들기 (윙슈트+제트팩) --- 1

2. ‘화석연료를 활용하지 않는 미래의 해상 탈 것’아이디어 제안하기 (Sea orbiter) --- 11

3. 진공튜브트레인을 타고 떠나는 테마 수학여행 (진공튜브트레인)---- 23

4. 화성행 우주요트 (태양돛)--- 37

5. 황금백합을 좇아서 (심해탐사선)--- 50

미래의 개인용 비행장치 만들기

(윙슈트+제트팩)

1~2 차시

고등학교

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[학생용]

Ⅰ. 프롤로그

■ 개인 비행 장치-윙슈트와 제트팩은 어떤 것들인가요?

윙슈트 익스트림 (출처: 네이버블로그 ‘윙슈트 익스트림’ |아쿠아스토리)

요즘 젊은이들 사이에서 유행 하는 익스트림 스포츠 중에 윙슈 트 익스트림이라는 스포츠가 있 습니다. 윙슈트 익스트림은 날다 람쥐 모양의 옷을 입고 절벽이나 높은 산, 비행기 등에서 뛰어내려 바람을 맞으며 자유 낙하하는 신 종 스포츠입니다.

제트팩(Jatpacks)(출처: ‘1인 비행장치 제트팩' – 지디넷코리아)

SF 영화에나 등장하는 `제트팩(Jatpacks)` 상용화가 머지않았습니다. 제트팩은 몸에 착용해 하늘을 나는 새로운 형태 비행기기로, 클래스1 초소형 비행기로 분류됐습니다. 포브스는 뉴질랜드 기업인 마틴 제트 팩이 일반 사람이 상용화하여 쓸 수 있는 제트팩을 개발해 시험 비행에 성공했다고 보도했습니다.

마틴 제트팩은 뉴질랜드 민간항공위원회의 허가를 받아 실용 제트팩을 시험했습니다. 이 제트팩은 폭

발 위험이 있는 과산화수소 연료 대신 가솔린을 쓰는 날개를 두 개 사용하는 엔진으로 구동합 니다. 최대 출력은 200마력으로, 최대 30분 이상 비행 가능하며, 243m까지 올라가며 최대 시속 은 74㎞입니다. 물론 비상용 낙하산도 있습니다.

마틴 제트팩은 새로운 비행기기의 시장을 개척하고 있습니다. 레저 시장 뿐 만 아니라 좁은 공 간에서 수직으로 이착륙하며 조작이 간단하기 때문에 헬기나 소방대원 접근이 어려운 곳에 구 조 기기로도 활용할 수 있습니다. 마틴 제트팩은 수년 이내에 레저용 제트팩을 판매할 예정입니 다.

학생용 교재

미래의 개인용 비행장치 만들기 (윙슈트+제트팩)

STEAM수업 학생용

워터 제트팩(Jatpacks) (출처: 네이버블로그 ‘워터제트팩’ |jojo)

워터 제트팩은 우리나라에는 아직 생소하지 만 미국이나 해양스포츠가 발달한 나라에서 각광받고 있는 수상스포츠라고 할 수 있습니 다.

워터 제트팩의 원리는 엄청난 수압을 이용하 여 사람을 하늘로 들어 올리는 것으로 생각 보다는 간단한 원리입니다. 소방관들이 사용 하는 소방호스의 수압이 소방관 한명이 잡고 있지 못할 만큼 강력한 소방호스 몇 개를 이 용하여 자동차도 들어올릴 수도 있습니다.

워터 제트팩은 이렇게 강력한 수압을 수면에 장착한 워터펌프를 통하여 만들어내 고 워터 제트팩을 통하여 강력하게 뿜어내면서 영화 "인간로켓티어"에 나오는 주 인공의 로켓팩처럼 사람을 날 수 있게 하는 것입니다. 워터 제트팩의 상승, 하강, 회전, 방향 전환은 제트팩에 달려있는 노즐을 통하여 이루어집니다. 엄청난 속도 로 사람을 하늘로 밀어올리기도하고 회전도 가능하며 물속으로 잠수도 가능하답 니다.

공기 저항력

공기 저항력은 공기 중을 움직이는 물체에 작용하는 마찰력으로, 물체가 운동 하는 방향의 반대 방향으로 작용합니다. 공기 저항력의 크기는 물체의 속력과 움직이는 방향으로의 면적에 비례합니다. 따라서 천천히 움직일 때에는 힘의 크 기가 작아 거의 느낄 수 없습니다. 그러나 자동차를 타고 가면서 손을 창밖으로 내민 손을 비행기 날개처럼 앞뒤로 세우면 면적이 좁아서 공기의 저항을 적게 받습니다. 반면, 손바닥을 펴서 앞으로 향하면 면적이 넓어지고 큰 저항력을 받 아 손이 뒤로 밀려납니다.

스카이다이버의 경우, 팔다리를 몸에 붙여 아래를 향하면 공기 저항력이 작아 더 빨리 떨어지고, 낙하산을 펼쳐 면적을 크게 하면 큰 공기 저항력을 이용해 낙하속력을 늦출 수 있습니다.

공기 저항은 운송 수단의 속력을 크게 하는 데 방해 요소이기 때문에 비행기 나 자동차는 유선형 등으로 특별하게 설계하여 공기저항을 줄이는 노력을 합니 다.

[출처: 네이버 지식백과] (두산백과)

종단속도

높은 상공에서 떨어지는 빗방울은 일정한 속도로 떨어집니다. 이것은 공기의 저 항 때문입니다. 공기의 저항은 물체의 속도가 그리 크지 않을 때에는 물체의 속도 에 비례하여 증가하므로



 



낙하 속력이 점점 커져 공기의 저항과 물체에 작용하는 중력이 같아지면 물체는 등속 운동을 합니다. 이때의 속도를 _라고 하면   _  이므로

_ 



로 나타낼 수 있습니다. 이때의 속도를 종단 속도라고 합니다.

낙하산의 경우에 종단 속도는  정도이고, 스카이다이버의 종단 속도는 자세에 따라 다르지만 대략 이며, 직경이 약 인 빗방울의 종단 속도 는 약 입니다.

[네이버 지식백과] (Basic 고교생을 위한 물리 용어사전, 2002.4.15, (주)신원문화사)

Ⅱ. 생각열기

○

헐~~ 늦었다. 이미 8시입니다. 어제 밤늦게까지 한 롤플레이 게임은 오늘도 어김없이 나에게 지각을 선물하는구나. 어머니께서 그만하고 자라고 하실 때 잤

어야했습니다. 머리 감는 것은 뒷전이고 우선 교복을 대충 챙 겨 입고 버스 정류장을 향해 달 렸습니다.

그러나 도로에 길게 늘어선 차들과 버스정류장에 길게 늘어 선 사람, 사람, 사람.. 줄... 지각 입니다. 오늘은 정말 하늘을 날 아서 가고 싶은 날입니다.

아주 어렸을 때 다른 친구들의 꿈은 대통령, 과학자 이런 것이었지만 난 새 처럼 하늘을 나는 것이 꿈이었습니다.

그때 사람들은 나를 바보 같다고 놀렸지 만 나는 아직도 내가 새처럼 자유롭게 하늘을 날 수 있다고 믿고 있습니다.

비록 나는 오늘 지각을 하지만 내일은 하늘을 꼭 날고 말 것입니다. 그러려면 우선 롤플레이 게임을 끊는 일이 먼저일 것 같긴 합니다.

Ⅲ. 생각 펼치기

■ (활동) 무엇이 문제인가?

문제 해결을 위해서는 무엇보다 상황을 정확하게 분석하고 그에 맞는 해결과제를 추출할 수 있어야 합니다. 상황을 분석하고 그에 맞는 해결 과제를 추출해 봅시다.

목표: 하늘을 나는 개인용 탈것의 개발

상황 분석 해결과제 추출

■ (활동) 윙슈트는 어떤 특징을 가지고 있나?

1) 윙슈트 분석하기

윙슈트를 입고 날 수 있는 이유에 대해 생각해 보자.

출처: 네이버블로그 ‘윙슈트’ |취미이야기 출처: undergradnomad.com

2) 영국 멀리 날기 대회(버드맨 경연대회) 영상을 보고 많은 참여자가 실패한 이 유에 대해 적어 보자.

http://mbn.mk.co.kr/pages/news/newsView.php?news_seq_no=1418756

출처: http://www.ideahaus.kr/ 출처: 네이버블로그 ‘워터제트팩’ |jojo

<제트팩> <워터 제트팩>

■ (활동) 제트팩은 어떤 특징을 가지고 있나?

제트팩의 장단점에 대해 생각해 보자.

■ (활동) 젓가락과 종이를 이용하여 윙슈트 만들기

발사목과 종이를 이용하여 윙슈트 모형을 만들어 봅시다.

나무 젓가락을 이용하여 사람모형을 제작하고, 종이를 이용하여 윙슈트를 만들어 봅시다.

재료 : 발사목, 한지, 풀테이프, 셀로판지

1) 어떻게 하면 윙슈트가 천천히 떨어질 수 있는지 자신의 생각을 적어 봅시다.

<휴대폰 스케치>

2) 어떤 방식으로 윙슈트를 제작할 것인지 자신의 아이디어를 적어 봅시다.

Ⅳ. 생각 다지기

■ (활동) 미래 개인용 비행 장치 설계하기

나만의 미래 개인용 비행 장치에 적용될 아이디어를 적어봅시다.

■ 설계의 기초(스케치) 1) 스케치란?

스케치(sketch)란 설계하는 사람의 머릿속에 순간순간 떠오르는 이미지를 시각적으로 나타내는 기법입니다.

아무리 훌륭한 제품이라 하더라도 스케치부터 시작하기 때문에 스케치 작업은 제품 전반에 걸쳐 매우 중요한 작업이라 할 수 있습니다. 스케치는 크게 2가지 종류가 있습니다. 스크래치 스케치(scratch sketch)와 프레젠테 이션 스케치(presentation sketch)로 나뉩니다. 스크래치 스케치는 아이디어를 정교화 시킬 목적으로 하는 스케 치이고, 프레젠테이션 스케치는 다른 사람에게 이해를 구할 목적으로 하는 스케치입니다. 프레젠테이션 스케 치의 경우 보통 투시도로 작성되며 완성된 형태, 색, 재

<자동차 스케치 과정>

질 등을 모두 표현해야하기 때문에 상당한 기법이 필요합니다. 생활용품 정도를 만들 때에는 스크래치 스케치가 많이 쓰이게 됩니다.

2) 스케치의 기법

스케치를 하는 특별한 기법이 있다기보다는 물체의 이미지를 명확하게 표현하도록 노력합니다. 스케치는 보통 다음의 과정을 거치게 됩니다. 첫 단계는 물체 의 외관을 대략 그리고, 다음에 불필요한 선을 지우 면서 물체를 약간 구체화시킵니다. 마지막으로 명암 을 넣어 물체를 매끄럽게 표현합니다. 하지만 마지막

단계를 꼭 반드시 해야 하는 것은 아닙니다. 스케치를 잘하기 위해서는 다양한 물 건을 그려보는 것이 중요합니다, 특히 원형의 물건의 경우에는 중심선을 그리고 시작하면 쉽게 그릴 수 있습니다.

※ 각자의 아이디어를 스케치 해 봅시다.

2) 조별 토론을 통한 아이디어 선별

조원들의 스케치한 내용을 종합하여 우리조의 아이디어를 재구성해 봅시다.

3) 우리 조의 최종 아이디어를 스케치해 봅시다.

5) 평가하기

최종아이디어의 장점과 단점을 분석해 보고 발전방안을 제시해봅시다.

‘화석연료를 활용하지 않는 미래의 해상 탈 것’

아이디어 제안하기

(Sea orbiter)

3~4 차시

고등학교

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[학생용]

Ⅰ. 프롤로그

■ Sea orbiter에 대해 알아봅시다.

출처 : 네이버블로그 ‘Sea Orbiter’ |재크

Sea orbiter는 프랑스 건축가가 고안한 해양 스테이션으로 동력을 사용하지 않고 바람과 해류를 타 2년 주기로 지구를 한 바퀴 돕니다. 거대한 해마를 연 상시키는 기묘한 외양에 직경 10m, 수직 50m나 되는 거대한 몸통의 3분의 2 를 바다에 담근 채 떠다니는 새로운 개념의 탐사방식을 가지고 있습니다. 탐사

학생용 교재

‘화석연료를 활용하지 않는 미래의 해상 탈 것’아이디어 제안하기 (Sea orbiter)

STEAM수업 학생용

선 공개 후 제작자는 인터뷰에서 “24시간 바다 밑 세계를 관찰할 수 있는 Sea orbiter는 해저 세계에 대한 또 다른 이해를 가져다 줄 것”이라며 “이는 인간적 인 탐험방식이자 탐험가들의 진정한 모험이 될 것”이라고 말했습니다.

탐사선은 대양과 기후변화의 관계, 어자원 분포, 바이러스, 박테리아 등 수중 생물계 조사와 같은 본연의 해저 탐사 임무는 물론 우주 탐험훈련도 함께 수 행할 예정입니다.

Ⅱ. 생각열기

○

여수 엑스포 프랑스관을 관람하면서 아주 기묘한 것을 봤습니다. 이건 배라고 하기도 어렵고, 생긴 것도 이상한 것이 어디에 쓰는 물건인지 상당히 호기심을 끌었습니다.

Sea orbiter로 불리는 해상탈 것은 특별한 동력을 사용하지 않고 해류를 타고 다 니는 해양탐사선이라고 했습니다. Sea orbiter에서 특별히 끌리는 점은 동력을 사용 하지 않고 떠다닌다는 점이었습니다.

얼마 전 교내 미래 탈것 아이디어 공모전에서 제시했던 ‘화석연료를 활용하지 않 는 미래의 탈 것’ 아이디어 경진대회에 이 Sea orbiter를 이용하여 출품을 한다면 좋은 성과가 있을 것이라고 생각되었습니다. 우선 Sea orbiter가 이용한다는 해류에 대해 알아보고, 멋진 ‘화석연료를 활용하지 않는 미래의 탈 것’을 제작해야겠습니다.

목표: 화석연료를 활용하지 않는 미래의 해양 탈것 제작

상황 분석 해결과제 추출

화석연료의 고갈 대체 에너지 필요 사용할 수 있는 대체 에너지 풍력, 해류 등등

Ⅲ. 생각펼치기

■ (활동) 무엇이 문제인가?

문제 해결을 위해서는 무엇보다 상황을 정확하게 분석하고 그에 맞는 해결과 제를 추출할 수 있어야 합니다. 상황을 분석하고 그에 맞는 해결 과제를 추출 해 봅시다.

■ 세계지도에 해류 나타내기

동력도 없고 돛도 없고 바람도 없는 바다 위를 표류하는 배가 무사히 뭍에 닿았다면 어떤 힘이 작용한 것일까요? 아마도 대부분의 사람들이 해류라고 자 신 있게 대답할 것입니다. 그러나 해류가 어떻게 발생하냐고 물어보면 선뜻 대 답을 못할 수도 있습니다. 그리고 해류가 얼마나 빠른가를 물어보아도 마찬가 지일 것입니다.

1. 표층 해류는 어떻게 발생하는 것일까요? 어떻게 움직일까요? 조사하여 발표해 봅시다.

2. 심해 바다 속에서도 표층해류와 같은 방향으로 해류가 움직일까요? 어떻게 움직일까요? 조사하여 발표해 봅시다.

3. 앞에서 조사한 해류의 움직임을 세계지도에 나타내 봅시다.

준비물 : 해류 표시를 한 세계지도, 다른 색깔의 모루철사 2가지, 풀테이프, 투명 아세테이트지 2장(세계지도 사이즈), 스카치 테이프, 풀테이

프, 매직

4. 세계대전 당시 독일의 잠수함들은 시동을 끈 채로 마치 돛단배가 바람에 몸 을 맡기듯 대서양으로 흘러나갔다고 합니다. 시동을 켜지 않은 독일 잠수함은 잘 발견되지 않았겠지요. 어떻게 독일의 잠수함들이 시동도 켜지 않고 깊은 바 다 속에서 흘러나갔을지 생각해봅시다.

■ 마젤란과 콜럼버스 따라잡기

1. 마젤란의 세계일주 경로를 인터넷으로 조사하여 세계지도 위에 나타내 봅시다.

2. 콜럼버스의 신대륙 발견 경로를 인터넷으로 조사하여 세계지도 위에 나타낸 봅시다.

3. 해류와 마젤란과 콜럼버스의 경로를 비교해 보고, 함께 토론해 봅시다.

화석연료를 사용하지 않는 미래의 해양 탈 것 아이디어 공모전

현재 우리의 바다는 많은 오염에 노출되어 바닷속 생물들의 삶을 위협하고 있습니다.

그렇지만 그러한 이유로 우리 인류가 바다를 포기할 수는 없는 일이죠!!!

따라서 우리는 해양 생태계의 파괴를 최소화 하고 자연과 함께 어우러질 수 있는

미래의 해양 탈 것에 대한 아이디어를 공모합니다.

※ 미래의 해양 탈 것이 갖추어야 할 조건!!!

1. 화석연료를 사용하지 않는 미래의 해양 탈것 제시 2. 과학적 원리가 들어간 참신한 장치

3. 해류나 해풍 등 화석연료를 이용하여 에너지 소모 없이 움직일 수 있는 장 치 제시

4. 기상악화 시 탈것이 잘 버틸 수 있는 디자인 고안 5. 탈 것의 쓰임새 제시

6. 화석연료를 사용하지 않는 미래의 해양 탈것 아이디어를 스케치하고 설 명을 첨부하여 아이디어 제안서에 작성하여 제출할 것

■ 우리가 발전시켜 보자. (미래의 해양 탈 것 제안서 작성하기) 1. Misson 설명

<프로젝트 해결>

■ 어떻게 문제를 해결할까?

문제를 해결하는 방법이 꼭 1가지만 있 는 것은 아닙니다. 따라서 상황과 조건에 맞추어 가장 좋은 해결방법을 찾는 것이 문제를 해결하는데 가장 좋은 방법이라 할 수 있습니다. 한 사람의 생각보다는 여러 사람의 생각을 모아 힘을 합치면 더 좋은 결과를 만들어 낼 수 있겠죠?

그럼 여러분의 미션을 돕기 위해 제시된 미션을 해결하는 방법으로 가장 많이 쓰이는 프로젝트법 하나를 소개하고자 합니다. 프로젝트법은 상황의 문제를 스스로 발견하고 발견한 문제를 해결하기 위해 아이디어 및 자료를 모으고, 아이디어와 수집된 자료를 바탕으로 팀원 사 이의 토의를 통하여 가장 좋은 해결방법을 제시합니다.

1. 아이디어 산출 준비단계

아이디어 산출 준비단계에서는 아이디어 산출을 시작하기 전에 프로젝트와 관 련된 지식을 정리하고, 선행학습으로 어떤 것을 배웠는지 정리를 합니다. 그리 고 프로젝트의 수행에 필요한 상황과 제공되는 조건들을 꼼꼼히 체크해 봅니다.

체크한 상황과 조건을 바탕으로 미션 수행을 위한 아이디어를 생각해 봅니다.

2. 아이디어 선정단계

팀원 개인적으로 생각한 아이디어를 공유하며 미션을 해결하기 위한 가장 좋 은 방법을 결정하는 단계입니다. 이 단계에서는 팀의 프로젝트 주제를 정하고 구체적인 세부 활동 계획을 정합니다. 주제를 정할 때는 팀원들의 관심과 흥미 를 고려해야 하고, 이미 활동 했던 것을 참고할 수 있습니다. 그리고 이 단계 에서는 여러 가지 현실적인 고려사항을 참조하여 아래와 같은 아이디어 선정 기준을 활용하는 것이 좋습니다.

1. 해결 과제의 목표와 관련이 있는가?

2. 해보고 싶은가?

3. 주어진 시간에 해결할 수 있는가?

4. 수행 인원이 적절하게 구성되었는가?

5. 아이디어가 실현 가능성이 있는가?

6. 아이디어가 창의적인가?

7. 아이디어와 관련된 자료가 있는가?

8. 아이디어 실현 시 전문가의 도움이 가능한가?

<아이디어 선정 기준표>

Ⅳ. 생각 다지기

■ (활동) 아이디어 정리하기

아이디어를 개략적으로 정리해 봅시다.

-아이디어를 전지에 개념도로 그려가며 정리해 봅시다.

이용하고자 하는 에너지

에너지 흐름 (탈 것의 이동방향)

탈것의 개략적인 주기

탈것의 안정성 문제

탈것의 활용방안

최종아이디어

예시

■ (활동) 해양 탈것의 아이디어 제안서를 작성해 보자!

토의를 통해 얻은 아이디어를 제안서로 작성해봅시다.

아이디어 제안서(상세)

문서분류

페이지번호 / 페이지 작성자

작성일자

아이디어제안자 성

명

소 속

직 위 내 용

아이디어의 종류 제목

개요 (그림포함)

현재의 문제점

기 대 효 과

현재 문제개선효과

경제적 개선 효과

■ (활동) 프레젠테이션 흐름도 작성하기!

미래의 해양 탈 것에 대한 아이디어 제안서를 바탕으로 작성할 프레젠테이션 의 개략적인 흐름과 초안을 작성해 봅시다. 프레젠테이션은 청중으로 하여금 자신의 생각을 가장 임펙트 있게 전달하는 것이 중요한 활동입니다. 따라서 때 론 백마디 말보다 한 장의 사진이 더욱 자신의 생각을 강하게 전달할 수도 있 습니다. 자신의 아이디어 제안서를 가장 효과적으로 전달하기 위한 사진, 도표, 문구 등을 함께 고민하고 작성해 봅시다.

#1 #2 #3

#4 #5 #6

#7 #8 #9

#10 #11 #12

■ 아이디어 평가 및 피드백

아이디어가 완성되면 평가를 하고 잘된 점은 더욱 발전시키고, 잘못된 점은 개선을 해야 합니다. 그러기 위해서는 자체점검을 해보아야 합니다. 만약 문제 가 생겼다면 어떤 단계에서 생겼으며, 해결 방법은 무엇인지 논의를 할 수 있 는 기회를 가질 수 있습니다.

아이디어명

해결과제 수행정도

해결과제 과제 수행정도

매우

좋음 좋음 보통 나쁨 매우 나쁨

아이디어의 잘된점

•

•

•

•

아이디어의 단점 분석

및 보완 방법 (나의 생각)

나의 생각

고쳐야 할 점 방법

시제품 단점 분석

및 보완 방법 (우리의 생각)

우리의 생각

고쳐야 할점 방법

진공튜브트레인을 타고 떠나는 테마 수학여행

(진공튜브트레인)

5~6 차시

고등학교

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[학생용]

<해저터널 개념도>

출처: ‘한중일 해저터널’ |조선일보

<하이퍼루프>

출처: www.teslamotors.com

Ⅰ. 프롤로그

■ 바다를 건너는 방법은 배가 전부일까?

바다에서의 교통수단은 흔히 배를 생각합니다.

맞습니다. 배는 바다에서 가장 효율적이고 낭만 적인 교통수단임에는 틀림이 없습니다. 그러나 효율과 낭만은 어디까지나 기상 조건이 좋을 때의 이야기입니다. 앞의 글에서 보았듯이, 현 재의 기상조건은 최악이며, 이때 배는 있으나마 나한 교통수단이 되어버립니다. 만약 섬과 육지 를 연결하거나 바다를 가운데 두고 가까운 육 지를 연결하는 새로운 교통수단이 있다면 아마 이 상황을 해결할 수 있을 것입니 다. 또한 그 교통수단이 빠르기까지 하다면 금상첨화겠지요.

섬과 육지를 육상교통으로 연결한 예가 있습니다. 바로 영불해협터널입니다. 이 터널은 도버해협(Dover channel)에 건설된 영국과 프랑스 사이를 연결하는 철도용 국제터널입니다. 길이는 50.5km(해저부 37.9km)입니다. 이러한 해저터널은 기상조 건의 영향을 받지 않을 뿐만 아니라, 배가 아닌 육상교통을 이용하여 바다를 건널 수 있기 때문에 시간 절약은 물론 안전까지도 보장됩니다.

■ 더 빠르게 ! 더 빠르게 !

빠른 교통수단을 만들 때 가장 큰 장애 요소는 무엇일까요? 바로 마찰력입니다.

마찰력은 물질과 물질사이의 접촉면에서 운동방향과 반대방향으로 작용하는 힘을 말합니다. 즉 교통수단이 공기 중을 질주하게 되 면 공기와 교통수단사이의 마찰력이 교통수단의 운동을 방해하게 됩니다. 이러한 마찰력은 교통수 단의 속력에 영향을 주고, 에너지 효율을 낮추며, 소음과 같은 여러 가지 환경문제도 일으키게 됩 니다. 비록 작은 공기마찰이라 하더라도 속력이 높아지면 엄청난 마찰로 바뀌고, 이로 인해 많은

진공튜브트레인을 타고 떠나는 테마 수학여행 (진공튜브트레인)

STEAM수업 학생용

열까지 발생하여 차체를 손상시키게 됩니다. 그리고 마찰은 더 많은 에너지를 소 비하게 하여 교통수단의 경제적, 환경적 효율을 저하시킵니다. 그렇다면 마찰을 없 앨 수 있는 방법은 없을까요? 만약 그렇게만 된다면 현재의 교통시스템을 완전히 뒤바꿀 엄청난 변화의 기회가 될 것입니다.

따라서 현재 마찰을 없애는 연구가 꾸준히 진행되고 있다. 최근 ‘엘론머스크’ 테 슬라 회장은 회사의 홈페이지를 통하여 ‘하이퍼루프’를 소개하며 고속전철보다 건 설비가 저렴하고 속도는 고속전철의 2배 이상 즉, 1000Km/h 가깝게 낼 수 있는 진공튜브열차의 개념을 발표했습니다. 하이퍼루프의 원리는 거의 진공상태와 가깝 게 유지되는 터널 속을 자기부상된 캡슐이 총알같이 이동하는 개념입니다. 이 계 획에 따르면 28명의 승객을 태운 밀봉된 캡슐이 로스앤젤레스~샌프란시스코 구간 을 2분 단위로 출발하고, 피크타임엔 30초 단위로 출발합니다. 머스크가 생각하는 하이퍼루프 건설비는 75억 달러(약 8조3688억원)정도이며, 캡슐과 모터보다는 대 부분 튜브에 돈이 많이 들어간다고 합니다. 캘리포니아 고속전철 건설비가 700 억~1000억 달러라고 합니다. 만약 이러한 구상이 현실화 될 수 있다면 육지사이 에 운항하는 항공 산업 뿐만 아니라 철도, 도로교통의 변화는 피할 수 없게 될 것 입니다. 특히 하이퍼루프는 튜브에 태양열 집열판을 설치하여 그 에너지를 이용해 압축공기를 만들고, 태양광에너지가 부족한 시점에 압축공기를 이용하여 전력을 생산하기 때문에 유지비가 많이 들지 않는다는 장점도 있습니다.

Ⅱ. 상황제시

세계로 떠나는 신나는 테마 수학여행!

“이번 수학여행은 세계 4대 문명 발상지를 도는 테마 수학여행이에요.”

“에이…… 우~~~~~” 선생님의 말에 학생들은 일제히 탄성을 쏟아냅니다.

“걱정하지 말아요. 이번 수학여행은 특별히 이 네 곳 외에 여러분이 가고 싶은 세 곳을 더 가기로 했으니까요.”

“진짜? 진짜? 와~~~~” 이번엔 탄성 대신 환호의 목소리가 쏟아집니다.

학생들의 반응에 선생님께선 슬며시 웃으며 말을 이어갑니다.

“단, 각자 가고 싶은 곳이 다를 테니 이 세 곳은 공모를 통해 결정하기로 했어요.

그러니까 자신이 가고 싶은 곳에 대해 조사해 보고, 그곳이 어떤 곳인지 다른 친 구들이 가고 싶도록 매력적으로 소개해 보세요. 아시겠죠?”

“아참, 그리고 또 한 가지! 여러분은 지금까지 다녀본 수학여행에서 가장 힘들었 던 것이 무엇인가요? 맞아요! 장소도 중요하지만, 무엇보다 이동하는 시간이 너무 길다는 것이죠. 그래서 학교에서는 이번 수학여행의 이동시간을 최소화하기위해 최신식 이동수단인 진공튜브트레인을 이용하기로 학교에서 결정했습니다. 그런데 여러분 혹시 진공튜브트레인이 무언지 아나요?”

“진공튜브트레인? 그게 뭐지? 응? 응?” 이번엔 탄성과 환호 대신 학생들의 얼굴 에 물음표가 커다랗게 그려지기 시작했습니다. 여러분은 혹시 아시나요?

▶ 지금 바로 떠오르는 도시 또는 나라는 어디인가요? 어떤 것(문화, 예술 품, 건축물 등등)이 그 도시를 떠오르게 했나요?

Ⅲ. 모둠별 활동

■ (활동) 여행경로를 짜보아요.

세계지도를 펼 친 후 우리나라를 시작으로 테마 수학여행 경로를 짜보도록 합시 다. 세계 4대 문명의 발생지를 지도에 표시한 후, 위에서 각 자 적은 것을 바탕으 로 모둠별 의사소통을 통해 모둠원이 모두 원하는 도시 세 곳을 포함한 여행 경로 를 작성해 봅시다.

▶ 여행경로

▶ 매력 있어!

홍보물을 만들기 위한 기초 작업을 해봅시다. 모둠에서 정한 도시나 나라를 다른 친구들도 흥미롭게 생각할 수 있도록 소개 자료를 조사해봅시다.

도시1

도시2

도시3

▶ 아는 만큼 보인다! 세계 4대 문명

와우! 이번엔 정말 기대되는 테마 수학여행이 되겠네요! 이제 도시가 정해졌으니 알찬 수학여행을 위해 조금 더 준비해 볼까요? 아는 만큼 보이는 거 알죠? 이번 테마 수학여행의 핵심인 세계 4대 문명에 대해 알아봅시다.

세계 4대 문명(世界 四大 文明)은 세계에서 가장 먼저 문명을 발달시킨 4개 지역을 이 르는 말합니다. 이 지역들에는 모두 강이 있고, 메소포타미아 문명, 인더스 문명, 황하 문명, 이집트 문명을 말합니다.

1. 황하문명

중국 황하강 중류, 하류 지역에서 발생한 문명입니다. 종래는 문명을 미개의 상대적 인 말로 이해하고, 문자의 발명과 도시의 성립 등에 중점을 두어, 황하 문명의 연도도 청동기 시대 이후로 보는 것이 보통이었습니다. 그러나 문명을 문화의 가치 체계를 떠 받치는 물질적·기술적 기초라고 정의할 경우, 황하 문명의 연대 범위는 농경이 시작된 신석기시대부터 청동기가 나타난 은나라, 철기가 거의 완전히 보급된 전한시대(前漢時 代)까지라고 할 수 있습니다.

(1) 발생

황하 유역의 황토층에서 발생한 문명으로, B.C 5000년 ∼ 4000년경부터 신석기 문화 가 이루어졌으며, 좁쌀·기장 등이 재배되고 개 ·돼지 등도 사육되었습니다.

황하강 유역의 신석기 문화는 양사오 문화와 그로부터 발생한 룽산 문화 두 가지로 대 별됩니다. 황하 상류의 양사오 문화는 확실치는 않으나 B.C4000 ∼ B.C 2000년 경이며, 칠무늬 토기를 만들어 썼습니다. 대표적인 곳이 허난성의 양사오이므로 이 문화를 양사 오 문화라 합니다. 황하 하류의 룽산 문화는 B.C 2500 ∼ B.C1500년경이라고 추정됩니 다. 황하 하류와 동아시아 전체에 걸쳐 검은 간 토기가 사용되었습니다. 그 중심지가 산둥성의 룽산이므로 이를 룽산 문화라 합니다.

신석기 시대가 끝날 무렵 청동을 사용하게 되자 우수한 쪽이 다른 쪽을 제압하여 왕조

를 건설하고 국가 체제를 정비하였습니다. 중국 최초의 왕조는 은(殷)나라입니다. 은은 갑골 문자와 정교한 청동기를 사용하였습니다. 춘추시대에는 칠기의 사용으로 농업에 일대 혁명이 일어났습니다. 이로 인해 우경(牛耕)이 시작되었고 대규모의 수리 공사, 대 규모의 수리공사(水利工事)도 이루어지게 되었습니다. 그 결과 농경은 능률적으로 되었 으며, 경지면적은 확대되고, 수확은 급격히 증대하였습니다. 부의 축적은 화폐경제의 발 달을 촉진하였고, 도(刀)나 포(布)라고 불리는 청동화폐를 발생시킴과 동시에 상공업의 융성에 힘입어 도시의 번영과 국가의 부강을 가져왔습니다. 한때 정체하였던 중국의 고 대문화는 비약적인 발전을 이루었습니다. 춘추전국시대의 광대한 도성(都城)이나 분묘, 그리고 그곳에서 발견되는 갖가지 호화로운 유물들은 이러한 정세를 배경으로 합니다.

(2) 특징

이집트, 메소포타미아, 인도 문명이 비교적 소규모의 지역권에서 발원했다고 말할 수 있다면, 중국 문명은 대규모의 지역권에서 태동하였다는 사실에 주목할 필요가 있습니 다. 인류의 문명은 모두 하수의 관개 시설이 확보된 지역에 거주하면서부터 시작되었는 데 이것은 모두 농사를 짓는 생존 여부와 관계됩니다. 중국의 문명도 하수에 의존해서 생활하던 자들에 의해 처음으로 개척되었습니다. 일반적으로 중국 문명은 황하 유역에 서 발생했다고 말해 왔습니다. 그러나 사실상 '황하' 자체는 지리적으로 보아 관개시설 과 교통조건에 가장 적합한 지역이 아니었습니다. 따라서 엄밀히 말하면 중국 문명의 발생은 '황하' 유역이 아니라 황하의 각 '지류'에서 이루어졌습니다. 더 자세히 말하면 황하의 작은 지류들과 황하가 만날 때 형성된 삼각주 지역이 고대 중국 문명의 요람이 었던 것입니다.

(3) 확산

역사가 시작되면서부터 은(殷)·주(周) 시대를 통하여 중국 문화의 중심지대는 황하 유 역에 있었으며, 그것은 짧은 진(秦)나라의 통일시대를 거쳐 전한(前漢)시대에 들어와서 도 얼마 동안은 같은 상태가 계속되었습니다. 전한의 무제(武帝:재위 BC 171∼BC 87) 무렵에 철기가 거의 보급되고 생산력의 지역차가 줄어들자 문화도 전국적으로 평균화 되었습니다. 오랜 전통을 지닌 황하문명은 널리 확산되었으며, 획일적인 한문화(漢文化) 속으로 발전적인 해소를 하였습니다.

(4) 당대 아랍과의 교역 (Tang's Trade with the Arabs)

당대 서역과의 교류는 무역상 뿐만 아니라 외래종교를 전하려는 포교사절단이나 인 도에 불경을 구하러 가는 중국인 순례자에 이르기까지 광범위하게 이루어졌습니다. 감 숙돈황에서 시작하는 육상 교통로를 따라 가거나 광둥에서 페르시아만까지 계절풍을 타고 해상 무역로를 이용하기도 했습니다. 중국은 비단과 금, 종이, 도자기 등을 수출했 는데 물건을 싣고 사막을 건너오는 낙타와 서역인의 모습을 빚은 채색토기는 당시 상 황을 잘 말해줍니다. 장안 시장은 낙타상인이 가져온 아랍의 이국적 물품들로 가득 채 워지곤 했습니다.

2. 인더스 문명 (1) 발생

인더스 문명은 기원전 2600~기원전 1800년의 약 800년 사이에 도시의 출현과 함께 발생했다가 도시의 쇠망으로 홀연히 사라진 도시 국가 문명입니다. 1920년대에 인도(현 재의 파키스탄)의 인더스 강 유역에서 하라파(1920), 모헨조다로(1922)의 유적이 차례로 발굴되어 인더스 문명의 존재가 명확해졌습니다. 두 개의 유적은 약 600km나 떨어져 있 었지만, 형태가 같은 대규모의 계획도시로 문명의 중심이었습니다. 원래 이 두 개의 고 대 도시가 인더스 문명 그 자체라고도 볼 수 있습니다.

(2) 특징

인더스 강 유역을 중심으로 동서로 1,600km, 남북으로 1,400km에 걸쳐 전개된 인더 스 문명은 세계 4대 문명 중에서도 가장 광범위 했던 것으로 판명되고 있습니다. 주요 도시는 강 연안이나 내만에 지어져, 각 도시는 육로뿐 아니라 수로로도 연결되어 있었 습니다. 장인들은 다양한 제품들을 생산해 냈고, 상인을 통해 주변 도시나 멀리 떨어진 메소포타미아, 페르시아 만 연안 지역과도 교역을 했습니다. 특히 각종 귀금속이나 보 석 장신구는 주요 교역 품목이어서 서아시아 각지의 유적에서 출토되고 있습니다. 인장 등에 새겨진 아직 해독되지 않은 인더스 문자(약 400개)가 발굴되었지만, 문서는 아직 발견되고 있지 않습니다.

3. 메소포타미아 문명과 이집트 문명

메소포타미아 문명과 이집트 문명은 청동기를 기반으로 거대한 석조물과 강력한 고대 왕조를 건설했다는 공통점이 있습니다. 또한, 문자(이집트 - 상형, 메소포타미아 - 설형)를 만들었고, 달력(이집트 - 태음력, 메소포타미아 - 태양력)을 사용하였습니다. 또 다신교를 숭배했습니다. 지리적으로도 가까워서 이집트 문명이 나일강 유역을 중심으로 하는 아프리 카 북동부이고, 메소포타미아 문명은 서남아시아에 위치해 있습니다. 하지만, 두 문명에는 공통점보다는 차이점이 더 많습니다. 우선, 이집트 문명은 몇 개의 왕조와 시기가 나눠지 기는 하지만 비교적 단일한 통일국가에 의해 이어진 문명입니다. 반면, 메소포타미아 문명 은 수메르인, 아무르인, 아시리아인, 히타이트인 등 다양한 민족들이 관여하고 있습니다.

이것은 지리적인 특징에서 원인을 찾을 수 있는데, 이집트의 경우 상당히 폐쇄적인 지형에 포함되어 있는 반면 메소포타미아 지방은 아주 개방적인 위치, 즉 대륙의 교통로에 위치하 고 있습니다. 종교적인 차이점도 큽니다. 이집트에서는 내세관이 성립되어 있었습니다. 파 라오를 미이라로 만들고, 죽은 자의 시신을 절대로 훼손하지 않는 등 살아서의 삶보다는 죽은 뒤의 삶, 부활 등에 가치를 뒀습니다. 하지만 메소포타미아는 정반대입니다. 수많은 전쟁에 노출되어서인지 현실적이며 내세에 대해 부정적이었습니다. 이러한 점은 홍수에 대 한 상반된 관점으로도 나타납니다. 이집트에서 정기적으로 발생하는 나일강의 범람은 땅에 생명을 주는 신의 축복이었지만, 메소포타미아에서 범람은 부정기적으로 갑작스레 일어난 재앙으로서 신의 벌이라 생각하였습니다. 특히, 현실적인 감각을 중요시한 메소포타미아 문명의 특징 때문에 이집트와는 달리 법률과 상업이 발달하였습니다.

▶ 문명이 발생 조건

▶ 메소포타미아 문명과 이집트 문명을 비교해 봅시다.

메소포타미아 이집트

지형 정치 종교

문화

공통점

■ (활동) 진공튜브트레인 너는 뭐니?

우리에게 이동시간의 지루함을 줄여줄 진공튜브트레인에 대해 알고 있나요?

(출처: 출처: 초음속 튜브 이동시스템 ‘하이퍼루프’ |동아닷컴)

고속열차인 KTX보다 조용하고 비행기와 견줄만한 빠르기를 지닌 진공튜브트레인!

사실 진공튜브트레인은 낯선 이름에 비해 그렇게 어렵지는 않답니다. 이름에서 나 오듯이 진공 혹은 아진공(亞진공)상태의 튜브 속을 달리는 자기부상열차로 이동 중 공기에 의한 마찰과 바퀴와 선로와의 마찰이 최소화 되어 에너지 손실이 적어 고속을 달성하기 쉬운 이동수단을 말합니다.

이해를 돕기 위해 지금 우리 생활 속에 들어와 있는 고속열차인 KTX와 비교하면 서 알아보겠습니다. 고속열차는 레일 위를 달리기 때문에 철로 만들어진 바퀴와 레일 때문에 분진이 생기고 소음과 진동 등이 심합니다. 특히 철도가 멈춰 설 때 는 마찰력을 이용하기 때문에 엄청난 소음이 발생합니다. 또한 마찰력을 이용하여 달리기 때문에 속도가 빨라지면 마찰력이 저항으로 작용하여 더 빠른 속도를 낼 수 없습니다. 하지만 진공튜브트레인의 경우 레일 위를 떠서 달리기 때문에 부품 소모나 오염배출이 적어 친환경 교통수단이라고 할 수 있습니다. 또한 바퀴와 레 일의 마찰이 없기 때문에 기본적으로 분진이 발생하지 않고, 실외소음도 65데시벨 이하로 매우 조용하고 진동이 없어 승차감이 좋습니다. 차량이 궤도를 감싸 안는 구조로 탈선, 전복 등의 사고가 없는 안전한 열차이며, 차체 경량화 및 구조물 슬 림화 등이 가능하기 때문에 초기 투자비용이 저렴합니다. 또한 공기의 저항이 거 의 없으므로 빠른 속도를 낼 수 있습니다.

▶ 여기서 잠깐! 자기부상이 무엇일까요?

자기부상열차는 자기력, 즉 자석의 힘에 의해 부상되어, 공중에 떠서 운행되는 열 차입니다. 다시 말하자면, 자기부상열차가 뜨는 원리는 자석의 N(S)극과 N(S)극이 반발하는 것을 이용한 것입니다. 열차 아래에 N(S)극의 자석을 달고 선로에 N(S)

극이 위로 오도록 자석을 깔아서 열차가 공중에 뜨게 만드는 것입니 다. 그런데 천연자석은 열차를 띄 울 만큼 자력이 충분히 강력하지 않기 때문에 전자석을 사용합니다.

전자석의 세기는 전자석에 흐르는 전류의 양에 비례하기 때문에 전자 석에 아주 많은 전류를 흘려주면 열차를 띄울 만큼 강한 자력을 얻 을 수 있습니다. 이때 전자석에 저항이 있는 전선을 사용하면 저항 때문에 충분히 강한 전류를 흘릴 수도 없고 열에너지로 바뀌는 전기에너지를 계속 보충해야 하는 불편함이 생깁니다. 이를 해결하기 위해서 전자석의 전선을 초전도체로 만듭니다.

초전도체라는 물질은 온도를 낮추면 전기저항을 0으로 만들어 버리는 금속입니다.

저항이 없기 때문에 한번 전류를 흘려주면 전류가 계속 흐르게 되고 강한 전류를 쉽게 흘릴 수 있습니다.

전자기력

자기장 속에서 전류가 받는 힘 : 도선에 전류가 흐르면 도선 주위에 자기장이 형 성되고 이로 인해 자침이나 자석에 힘을 미치게 된다. 이는 두 자석 사이에 작용 하는 자기력과 같은 성질을 띄고 있으므로 이를 전자기력이라고 합니다.

■전류가 자기장에서 받는 힘

(1) 힘의 방향

◆ 플레밍의 왼손 법칙 : F(힘: 엄지), B(자기장: 집게), I(전류: 가운데)

도선에 흐르는 전류의 방향과 자기장의 방향이 수직인 경우, 왼손의 엄지, 검지, 중지 세 손가락을 수직이 되게 폈을 때 중지는 전류(I)의 방향, 검지는 자기장(B)의 방향, 엄지는 전류가 자기장에서 받는 힘(F)의 방향이 된다. 이를 플레밍의 왼손 법칙이라고 합니다.

(2) 힘의 크기

◆ 전류가 흐르는 도선이 받는 힘은 전류의 세기(I)와 자기장 내에 수직으로 놓여 있는 도선의 길이(L), 자석의 자기장(B)의 세기에 비례합니다. 자기장과 전류가 수 직일 때 전류가 자기장에 받는 힘의 크기는 F = BIL이며, 전류가 자기장의 방향과 각을 이루는 경우 힘의 크기는 BILsinθ입니다.(자기장에 수직인 전류의 성분만이 힘을 받는 것과 같습니다.)

(3) 평행한 두 직선 전류 사이의 힘

① 힘의 방향

ⓐ 두 도선의 전류 방향이 같을 때 : 인력 ⓑ 두 도선의 전류 방향이 다를 때 : 척력

ⓐ 전류가 흐르고 있을 때, r만큼 떨어진 곳의 자기장 : B=k  (k:쿨롱상수) ⓑ A직선에서 r만큼 떨어진 곳에 생긴 B직선의 자기장 속에 전류가 흐르고

있을 때 가 받는 힘은 1m당 받는 힘: k 

__ [N/m]

■ (활동) 도전!! 수학여행지는 내가 정한다!

지금까지 조사한 자료를 바탕으로 조별 홍보물을 제작하여 봅시다. 홍보물에 반드 시 들어가야 될 내용은 여행경로 및 특징(소개하고 싶은 도시, 4대 문명지 포함), 진공튜브트레인 관련 내용입니다. 나머지는 자유롭게 여러분이 표현해 보세요. 파워 포인트, 대자보, 팸플릿 형식 등 무엇이든 가능합니다. 최고로 매력적인 홍보물을 제작한 조에게는 다양한 특권이 주어집니다. 여러분의 적극적인 참여 부탁합니다.

화성행 우주요트

(태양돛)

7~8 차시

고등학교

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[학생용]

그림 43. Japanese Spacecraft Deploys First-Ever Solar Sail (Alexis Madrigal).

(출처: www.wired.com)

Ⅰ. 프롤로그

인류가 달 착륙에 성공한 이래로 수백 번의 우주 탐사 임무가 수행되었다. 이 중에는 태 양계의 가장자리를 향해 아득한 길을 가고 있 는 탐사선도 있다. 하지만, 지난 몇 십년 동안 계속 사용해온 화학 로켓 엔진의 성능이 한정 되어 있는데다, 우주선에 싫어야 할 연료가 너무 많아 우주 항행 능력은 도무지 나아지지 않는 모습이다. 우주선을 처음 발사할 때 연 료의 무게가 우주선 전체 무게의 95%를 차지 한다고 하니, 연료가 우주선을 운반하는 것인 지 연료가 연료를 운반하는 것인지 알 수 없 는 일이 되어 버렸다. 이처럼 많은 양의 연료

와 그것을 보관할 탱크의 무게를 줄일 수 있다면 인류의 우주 항행 능력은 훨씬 나아질 것이다.

태양돛 항행은 태양의 빛을 이용한 항해 방법을 말한다. 태양의 광자가 태양돛 에 도달한 후 반사되고, 그 결과 광자의 운동량 변화에 따라 태양돛이 운동할 수 있다는 것이 핵심 원리이다. 이러한 원리의 이해를 바탕으로 효과적인 태양돛을 설계하고 실험해보도록 하자. 광자의 운동량을 효율적으로 활용하여 더 효과적인 태양돛을 설계하고 모둠별로 경쟁해보자. 이러한 경험을 통해 지식을 내면화하고 창의적 설계와 제작을 통해 성취감을 가져보자.

차시 학습목표

1차시  복사압의 원리를 이해한다.

 태양돛의 효율에 영향을 주는 변수를 동정한다.

2차시

 효율적인 태양돛을 제작하고 공학적 관점에서 성능을 개선할 수 있다.

 태양돛의 성능을 비교하고 어떠한 요인이 그것에 영향을 주었는지 확 인하고 평가한다.

화성행 우주요트 (태양돛)

STEAM수업 학생용

Ⅱ. 상황제시

■ 화성행 우주요트 출범! – 여기는 2033년 화성

(출처: www.turbosquid.com)

▲ '마스 원' 홈페이지에 공개된 화성 정착촌 로드맵. 출처: 마스 원

'화성에서 살고파'... 화성 이주 신청자 '폭주'

화성 정착촌 건설 '마스 원' 프로젝트, 전 세계 7만8천여 명 신청

/2013년 오마이뉴스 최근 전 세계적으로 화

제가 되고 있는 화성 이 주 희망자 모집에 신청이 폭주하고 있다. 미국 NBC뉴스는 8일(한국시각) 네덜란드 비영리단체 '마 스 원(Mars One)'이 추진 하고 있는 벤처 프로젝트 화성 정착촌 건설에 참가 하기 위해 보름 동안 약 7만 8천여 명이 신청했다 고 보도했다.

■ Mars One 프로젝트 – 여기는 2013년 지구

학교 점심 시간이 끝나고 오후 수업이 시작되기 전, 윤수와 친구들은 얼마 전 뉴 스에서 본 마스원 프로젝트에 관한 이야기를 나누고 있다.

 윤수: 사람이 화성에서 살 수 있을까?

 혜숙: 바이오스피어라는 프로젝트도 전에 있었는데 실패했더라구.

 현주: 바이오스피어가 뭐야?

 혜숙: 화성처럼 인간이 살기 어려운 곳에서도 독립적인 삶이 가능하도록 하기 위한 실험 프로젝트였어.

 윤수: 그 때에 비하면 과학 기술이 많이 발전했으니까 가능성이 있지 않을까?

 현주: 가능성이 있고 없고를 떠나서 화성 같은 데를 왜 가?

 윤수: 인류의 도전 의식 아닐까? 새로운 미지의 세계에 도전해 보고 싶은 것 말이야.

 현주: 뭐하러 그런 거에 도전을 해? 안전하지도 않잖아.

 혜숙: 그러게 말이야 ㅎㅎㅎ 일단 가면 돌아올 수도 없다잖아.

 두영: 인류의 상상은 항상 실현되었었잖아. 나중에는 돌아올 수도 있겠지. 그리 고 언젠가 우주 여행도 현실이 될 수 있을 거야.

 윤수: 화성에 수학여행을 갈 수도 있지 않을까?

 현주: 우주선에 몇 백명이나 되는 애들을 태울 수 있나?

 두영: 이거 봐.. 내가 방금 인터넷에서 본 건데.. 태양돛 항해라는 게 있다네..

IKAROS라고 일본에서 태양돛 항해에 성공했대. 이게 실현되면 몇 백명 을 태우고 가는 것도 가능하겠다.

 윤수, 현주, 혜숙: 어? 그게 뭐야?

 두영: 여길 보니까 태양돛 항해에 대해 자세히 설명되어 있어. 그런데 영어 조심 ㅡ.ㅡ http://science.howstuffworks.com/5084-discoveries-solar-sail-video.htm

Ⅲ. 우리가 해결해 보자.

1. 임무의 배경 원리 - 태양빛에 돛을 달고~!

가. 이카로스의 돛은 무엇에 의해 운동하는 것인지 조사해 봅시다.

동력 필요 사항

나. 빛은 어떻게 태양돛을 미는 것일까요?

1) 광자란 무엇인가요? 입자로서의 빛은 어떤 성질을 가지나요?

2) 광자가 돛을 미는 원리를 운동량의 변화를 이용하여 설명해봅시다.

3) 광자가 돛을 더 잘 밀도록 하기 위해서는 돛의 재질이 어떠해야 할까요?

2. 임무 설계

- 태양돛을 더 잘 미는데 영향을 주는 요인은?

태양빛을 이용하여 우주를 항해하는 기술을 태양돛 항해(Solar sail)라고 합니다.

잘 알려지지 않은 사실이지만 빛은 물질을 밀칠 수 있습니다. 빛은 광자의 흐름입 니다. 광자가 물체에 가하는 압력을 복사압이라고 합니다. 광자가 물체에 도달하여 물체에 흡수되면 광자가 가진 운동 에너지 또는 운동량이 물질에 전달됩니다. 태 양돛은 이처럼 광자의 운동량을 전달받아 운동합니다. 만약 태양돛이 반사를 잘 하는 물체로 이루어져 있다면 광자는 진행하던 방향의 반대 방향으로 운동할 것이 고, 그러면 운동량의 변화가 더 커집니다. 그 결과 태양돛은 광자에게서 더 큰 운 동량을 전달받게 되는 것입니다.

가. 태양돛을 미는 데 영향을 줄 변수를 정리하고 효율을 높이려면 어떻게 해야 하는지 생각해 봅시다.

변수 예상되는 영향 효율을 극대화할 수 있는 방안

나. 그 밖에 태양돛을 설계하는 데 고려해야 할 점은 무엇이 있을까요?

고려할 점 필요성

3. 과제: 임무 검토

1) 인류가 가장 가까운 프록시마 센타우리까지 도달하는 데 태양돛이 활용될 수 있을까요?

2) 태양돛은 주로 어떠한 분야에서 활용될 것이라고 생각하나요?

3) 인류의 화성 정착 및 화성 여행과 관련하여 자신이 성인이 된 후 가질 수 있는 직업에는 어떠한 것이 있는지 생각해봅시다.

4) 태양돛이 우주 항해에 활용되려면 어떠한 면에서 더 발전이 있어야 하는지 토 의해봅시다.

4. 아이디어 구성

- ‘잘 나가는 돛’ 설계

가. 태양돛의 추진에 영향을 미치는 변수들을 고려하여 태양돛에 적합한 재료를 선택합시다. 어떠한 재료를 선택하였으며 그 까닭은 무엇입니까?

재료 재료 선정 이유

나. ‘잘 나가는’ 태양 돛을 만들려면 어떠한 구조로 만들어야 할까요? 자신만의 돛 모양을 설계하고 그렇게 만든 이유를 써봅시다.

단순한 태양돛 구조 사각 태양돛 구조의 설계. 바람받이(왼쪽)와 틀 원형 태양돛

Peacock 태양돛 우주선 (Paul)

(출처: 3dartdirect.com)

태양돛 우주선, Jaakko

(출처: vfxjaakko.blogspot.kr)

* 우리 모둠의 태양돛 설계

■ 2/2차시

5. 태양돛 제작 및 성능 시험

가. 각 모둠별 설계에 따라 태양돛의 제작해봅시다. 제작한 후 사진을 찍어둡니다.

* 돛의 중앙에는 빨대를 자른 후 끼워 넣어서 태양돛 경주에서 실을 끼우고 미끄 러질 수 있도록 합니다.

나. 태양돛 성능 시험 ‘바람에 돛을 달고~’

<성능 시험 세트>

 다음과 같이 돛을 두 기둥 사이에 설치하고 선풍기 바람을 이용하여 같은 시간 동안 이동한 거리를 측정하고 기록합니다.

 성능 시험 결과

모둠명 돛의 모양 돛의

질량 디자인 특징 기록 순위

 태양돛 추리 실험

앞의 성능 시험은 바람돛 성능 시험이었습니다. 태양돛이었다면 어떤 돛이 가 장 잘 이동하였을지 위의 기록을 참고하여 적어봅시다.

모둠명 돛의 모양 돛의 질량 디자인 특징 기록 순위

다. 효율을 높이기 위한 태양돛 개선 방안 설계 및 개선

모둠명 기록 순위 장점 단점

라. 모든 장점을 결합한 가장 이상적인 태양돛 설계는?

재질 디자인 특징 기타 고려 사항

Ⅳ. 나의 생각 다지기

1. 활동에 대한 성찰

- 태양돛 경주(‘누가 더 잘 나가니?’)의 결과를 활용한 각 설계의 장단점 확인 및 개선 방안 모색

1) 경주의 결과를 볼 때, 태양돛의 기하학적 구조의 선택에 따라 태양돛의 성능이 어떻게 달라졌는지 토의해 봅시다.

2) 각 모둠에서 특별히 잘 수행하여 성과를 낸 점이 있다면 무엇인지 상호 비교해 봅시다.

모둠명 특별한 성과

3) 설계 과정에서 “결정적 순간”이 있었다면 발표해보자. 설계하는 동안 생각의 전환, 자료의 조사, 아이디어의 제시 등을 통해 큰 효과를 본 사례가 있다면 써봅시다.

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2. 평가

소통의 결과 활동에 대해 이해하고 성찰하며 함께 상호 평가를 진행합니다.

항목 모둠명

태양돛의 성능

3 탁월 2 우수 1 보통

창의성

3 탁월 2 우수 1 보통

상호배려

3 탁월 2 우수 1 보통

협력

3 탁월 2 우수 1 보통

Ⅴ. 새로운 도전

우리는 이 활동에서 태양돛의 효과에 영향을 줄 수 있는 변수를 확인하고 그에 따라 효과적인 바람돛을 만들어 보았습니다. 또한, 바람돛 경주 결과를 바탕으로 태양돛의 경우에는 어떠한 결과가 나올지 추리해보았습니다. 이제 실제로 태양돛 을 우주여행에 활용한다고 생각해보겠습니다. 하지만 거대한 태양돛을 지구에서 우주공간으로 바로 발사하는 것은 매우 어려운 일입니다. 태양돛을 우주공간에 발 사하려면 어떻게 해야 할까요? 또한 태양돛을 우주공간에서 우주여행에 활용하기 위해서는 방향을 전환할 수 있어야 합니다. 태양돛의 운동 방향은 어떻게 바꿀 수 있을까요?

황금백합을 좇아서 (심해탐사선) 9~10 차시

고등학교

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[학생용]

Ⅰ. 프롤로그

우주와 더불어 심해는 인류가 아직 정복하지 못한 마지막 대상입니다.

잠수함이나 잠수정과 같이 바다 속을 여행하거나 탐사할 수 있는 탈것은 현대 기술로 비교적 쉽게 개발할 수 있으나, 심해에서 운행할 수 있는 탐 사선을 개발하는 것은 매우 어려운 일입니다. 바다에서 수심이 10m 깊어 질수록 수압이 약 1기압씩 증가하여 수심이 2천m를 넘는 경우 특별하게 고 안된 심해 전용의 잠수정이 아니면 접근이 어렵기 때문입니다.

(출처: 동아일보, news.donga.com)

황금백합을 좇아서 (심해탐사선)

STEAM수업 학생용

2012년에는 영화 ‘타이타닉’의 감독인 제임스 캐머런이 1인용 잠수정을 타고 수심 10,818m까지 잠수한 적이 있습니다. 심해에 내려갔다 오는 것과 심해에 서 탐사와 개발 활동을 하는 것은 기술적으로 매우 큰 차이가 있습니다. 한 차 례의 잠수는 쉽지만 지속적인 활동을 위해서는 훨씬 더 기술적으로 진보해야 합니다.

현재 미국, 프랑스, 일본, 중국과 같은 일부 심해탐사 선진국만이 심해 잠수 정을 개발하여 활용하고 있습니다. 해양수산부는 2013년 4월에 수심 6000m급 한국형 유인잠수정을 2020년까지 개발하겠다고 밝혔습니다. 하지만 심해탐사 선은 아직 시험 운용 단계에 있으며 심해 탐사를 위해서는 아직도 해결해야 할 것이 많습니다.

이 주제에서는 21세기의 새로운 탈것이 될 심해탐사선의 배경 과학 원리 및 공학적 설계를 공부하고 수행함으로써 바다에서 수압과 부력은 어떻게 작용하 는 것이며, 이것을 극복하기 위한 심해탐사선의 설계는 어떠해야 하는지를 다 루어보도록 하겠습니다.

차시 학습목표

1차시

- 유체 속에 있는 물체에 작용하는 부력의 크기와 비중의 개념을 정량 적으로 이해한다.

- 심해탐사선의 수심을 조절하기 위한 효과적인 방법을 고안하고 설계한다.

2차시 - 심해탐사선의 수심 조절 장치를 이용하여 수심을 조절하는 과 정을 수행하고 각 방법의 장단점을 비교하고 개선을 도모한다.

Ⅱ. 상황제시

■ “황금 백합” - 사라진 대규모 금괴를 찾아서