1박 2일, 우주여행 프로젝트

고등학교 우주탐사

1박 2일, 우주여행 프로젝트

Ⅰ. 문제로의 초대 1 차 시 우 주 여 행 의 시 작 3

A.

탐 색 하 기

A-Ⅱ 문제 해결을

위한 활동 2 차 시 우 주 를 내 눈 앞 에 9 A-Ⅲ 문제 해결 3 차 시 망 원 경 제 작 및 별 관 찰 11

B.

우 주 로

B-Ⅱ 문제 해결을

위한 활동 4 차 시 지 구 탈 출 14

B-Ⅲ 문제 해결 5-6차시 나 만 의 로 켓 만 들 기 17

C.

지 구 로

C-Ⅱ 문제 해결을

위한 활동 7 차 시 지 구 로 의 안 전 한 귀 환 22

C-Ⅲ 문제 해결 8 차 시 우 주 선 진 입 각 도 예 측 24

Ⅳ. 평가 및 성찰 9 차 시 지 구 로 돌 아 와 서 29

Ⅴ. 진로 탐색 1 0 차 시 우 주 관 련 직 업 32

Ⅰ . 문제로의 초대(우주여행의 시작) ^1차시

 주제의 이해

2012년 5월 18일 일본 다네 가시마 발사장에서 우리나라 아 리랑위성 3호가 발사되었다. 국내주도 개발방식을 사용하여 약 8년간의 연구 끝에 지상에서 0.7미터 크기의 물체를 식별할 수 있는 위성을 만들었다. 하지만 이 위성을 발사하는 로켓은 우리 나라의 것이 아니었다.

미국의 스페이스 X는 민간 항공사에서 우주선을 발사해 우주 에 있는 우주정거장에 도킹을 성공하였다. 하지만 우리나라에서 개발되고 있는 나로호는 아직 성공하지 못하면서 우리나라 독자 적으로 위성을 발사하지는 못하고 있다.

우리나라의 독립적인 우주 탐사 시대를 맞이하기 위해서는 어 떤 것들이 필요할지 생각하며 탐구해 보자.

 학습 목표

 주제의 이해  생각 열기  관련 단원 þ 망원경의 원리를 이해하고, 뉴톤 반사망원경을 제작할 수 있

다.

þ 우주로 가기 위한 화약 로켓을 설계하고 제작할 수 있다.

þ 우주에서 지구로 귀환하기 위한 이론을 배우고, 우주선을 착 륙시키기 위해 실험을 통해서 최적의 착륙각도를 계산할 수 있다.

 관련 단원

 주제의 이해  학습 목표  생각 열기 2007

교육과 정

Ÿ 지구과학 Ⅰ 「망원경 원리」

Ÿ 수학 1 「이차함수」

Ÿ 기하와 벡터 「포물선」

Ÿ 물리 Ⅰ 「힘과 운동」

Ÿ 수학 「이차함수 응용」

2009 교육과

정

Ÿ 지구과학 Ⅰ 「망원경 원리」

Ÿ 수학 1 「이차함수」

Ÿ 기하와 벡터 「포물선」

Ÿ 물리 Ⅰ 「시공간과 우주」

 생각 열기

 주제의 이해  학습 목표  관련 단원

< 출처 : http://biz.chosun.com/site/data/html_dir/2012/10/29/2012102902986.html>

민간 우주시대가 열렸다. 우리도 우주여행을 할 수 있을까?

1차시 문제 상황 □^S□^TE□^M

2020년 지구는 대체에너지 개발에 지지부진 하고, 원자력 발 전소마저 안정성 문제로 가동하지 못하고 있는 가운데, 화석연 료가 다 떨어져 하루에 전기를 1시간도 못 사용하고 있다. 이에 UN 사무총장은 화성을 제 2의 지구로 지정하고 한국의 ‘김한 별’ 과학자에게 화성 탐사를 명령하였다. 이에 한국의 ‘김한별’

박사는 제1차 프로젝트로 화성탐사를 하기 전 화성 관찰을 위 한 반사망원경을 제작하고, 제2차 프로젝트로 3단 로켓을 개발 하기로 하였으며, 최종 프로젝트로 그 로켓에 지구 귀환용 우주 선을 실어 지구로 돌아올 수 있도록 하였다. 우리도 ‘김한별’ 박 사와 함께 도전과제1,2,3을 수행해 보자.

1차시 도전 과제 1 □^S□^TE□^M

모둠별(4인 1조)로 뉴톤 반사망원경의 구조와 원리도 이해하고 관측의 즐거움과 장식장 전시까지 가능하다. 아이작 뉴톤이 만 들었던 반사망원경을 반사망원경 키트로 재현하여 보자.

1차시 도전과제 2 □^S□^TE□^M

일단 2단 로켓을 만들기에 앞서 1단 로켓 만들기가 선행되어야 할 것이다. 초등학교, 중학교, 고등학교로 진학하면서 로켓을 한 번 정도는 만들어 보았을 것이다. 그 중 고등학생이 만들 수 있 는 로켓을 열거하자면 물 로켓, 에어 로켓, 비타민 로켓, 고무 줄 로켓 등이다. 2단 로켓을 만들기 위해서는 2단 로켓용 화 약이 필요하다. 2단 로켓은 1단 로켓만 잘 만들 수 있으면 2 개의 로켓을 연결한 후 2단 로켓용 화약만 있으면 가능하다.

따라서 1단 나만의 화약 로켓을 만들어 보도록 하자.

1차시 도전 과제 3 □^S□^TE□^M

우주왕복선도 우주 캡슐과 같다. 그러나 우주캡슐은 낙하산과 역추진장치에 의해서 지상으로 내려오지만, 우주왕복선은 지상 에 착륙을 하여야 하는 되는데 쉽지가 않다. 이를 위해서 지구 대기권을 통과하였을 때부터 추진력이 없기 때문에 우주왕복선 의 비행으로만 지상 착륙을 해야 하므로 고도의 계산과 기술력 이 필요로 한다. 우주왕복선이 지구로 귀환을 시작한지 16분 후 부터 아래의 그림처럼 S-턴을 4번하여 속도를 줄이고 착륙을 시도하게 된다. 활강이 시작되었을 때 턴을 하게 된다. 고도 530mm에서 겨우 기수를 살짝 들어 올리며 고도 27m에서 바퀴 를 내리고 14초 뒤에 활주로에 접촉하여 착륙할 수 있다. 이모 든 것이 상공 2000㎞에서부터 시작하여, 경사각이 최대 71도를 유지함 동시에 52분 동안 이루어진다.

우리는 마지막 단계인 착륙 단계에서 어떻게 우주왕복선을 활 주로에 착륙시켜야 하는지를 고민하고, 안전하게 착륙을 시키기 위해서 실험을 통해 진입각도와 속도를 산출을 하여 보자.

1차시 모둠 조직 □^S□^TE□^M

1) 모둠명 정하기

2) 프로젝트 주제 정하기

3) 모둠 조직 및 역할 정하기

학번 이름 역 할 모둠원1

모둠원2 모둠원3 모둠원4

A. 도전 과제 Ⅰ : 탐색하기(우주를 내 눈 앞에)

A-Ⅱ ^. 문제 해결을 위한 활동 ^2차시

2차시 반사망원경에 사용된 포물선의 원리를

탐구하여 보자. □^S□^TE 1. 포물선의 원리

[활동] 반사망원경에 사용된 포물선의 원리에 대하여 알아보자.

1. 반사망원경의 품질은 포물선의 정밀도에 의해 결정된다. 따라서 반사망원경 품질을 결정하는 포물면에 대하여 알아보자. 포물면 은 일상생활에서 많이 사용된다. 우리 생활 주변에서 사용되는 포물면 이 무엇들이 있는지 찾아보자.

2. 포물면의 준선에 수직으로 오는 빛이 초점으로 오는 이유를 증 명하여 보자. (즉, 그림에서처럼  가 최단거리임을 증명 하면 된다.)

A-Ⅲ ^{. 문제 해결 3차시}

3차시 뉴턴 반사 망원경 재현하기 □^S□^M

1. 뉴톤 반사망원경 재현하기

문제 확인하기

‣ 갈릴레이가 만들었던 굴절망원경의 원리에 대해 알아보자.

대안 탐색하기

‣ 갈릴레이가 만들었던 굴절망원경의 문제점은 수차가 생긴다는 것이다. 수 차를 없앨 수 있는 방법에 대해 생각해 보자.

최적의 대안 평가하기

‣ 뉴턴은 수차를 없애기 위해 렌즈 대신 거울을 사용하여 반사 망원경을 만 들었다. 반사 망원경의 원리에 대해 알아보자.

구체적으로 계획하기

1. 뉴턴 반사망원경 키트를 활용하여 뉴턴 반사망원경을 만들어 보자.

2. 필요한 준비물을 확인하자.

기본 준비물 :

뉴턴 반사망원경 키트, 풀, 가위, 테이프

문제해결하기

1. 4인 1조로 각각 분담을 해서 반사망원경을 제작하여 본다.

[작품예시]

2. 각 조에서 제작한 뉴톤식 반사망원경으로 위성, 행성(달, 목성 또 는 토성)을 관찰하고 사진기로 위성과 행성을 찍어 자신만의 천문 사진을 만들어 보자.

B. 도전과제 Ⅱ : 우주로 (지구 탈출)

B-Ⅱ ^. 문제 해결을 위한 활동 ^4차시

4차시 로켓의 원리 및 구성 □^S□^TE

1. 로켓의 원리를 쓰고 비행기와의 차이점을 생각해 보자.

2. 인공위성을 띄우기 위한 로켓과 우주정거장을 건설하기 위한 로 켓의 차이점을 작성해 보자.

3. 로켓의 구성은 노우즈, 동체, 모터마운트, 수직안정날개, 충격완 충선 마운트, 회수장치(낙하산)이다. 이 6가지로 구성된 로켓을 설계해 보자.

<그림> 모델 로켓 부품의 명칭

B-Ⅲ ^{. 문제 해결 5-6차시}

5-6차시 나만의 로켓 만들기 □^S□^TE

로켓 만들기

문제 확인하기

‣ 인공위성을 띄울 때 대기권에서는 비행기로 운행할 수 있지만, 대 기권을 벗어나게 되면 공기가 없어 비행기를 운행할 수 없다. 화 성에 도착하기 위해 비행기 대신 대안이 될 수 있는 비행체는 무 엇이 있을까?

대안 탐색하기

‣ 공기가 없다면 작용 반작용의 원리를 추진을 하는 로켓이 대안이 될 수 있다. 로켓의 종류에 대해 알아보자.

최적의 대안 평가하기

‣ 여러 개의 로켓 중의 2단 로켓이나 3단 로켓이 가능할 로켓을 찾 아보자.

구체적으로 계획하기

1. 나만의 화약 로켓을 만들어 보자.

2. 필요한 준비물을 확인하자.

노우즈 콘, 사포, 칼, 8절 (두꺼운) 도화지 2장, 칼, 가위, 자, 철 사, 나무 혹은 아크릴, 얇은 비닐(쓰레기봉투 가능)

※ 로켓 부품을 하나, 하나 만들면 시간이 많이 걸림으로 키트를 구입한 후 노우즈와 동체만 만드는 것으로 하면 시간을 절약할 수 있다.

문제해결하기

1. 4인 1조로 각각 분담을 해서 로켓을 제작하여 보자.

노우즈 콘 만들기

동체 만들기

핀 만들기

모터 마운트 만들기

회수장치 만들기

조립

무게 중심과 압력 중심 찾는 방법

- 무게 중심은 글라이더의 무게중심을 찾는 것처럼 로켓을 손가락이나 자, 젓가락을 이용하여 평형 지점을 찾으면 된다.

- 압력 중심은 로켓을 뉘어 놓고 그림자를 비추어 그림자의 면적의 중심지점을 찾으면 된다. 또 한가지 방법은 로켓을 실에 매어 원운동 시키면서 로켓이 흔들리지 않고 잘 돌아가는 지점을 찾는다. 실의 길이가 길수록 효과가 크다.

- 압력 중심이 무게 중심보다 낮아야 로켓이 휘지 않고 직진하면서 잘 발사 될 수 있다.

참고문헌

김명구(2001). 모델로케트. 한승.

a+bxj

yj-a-b xj

( xj, yj)

0 xj

y

x

<직선y=a+bx로부터 점(_ _)사이의 수직거리>

y=a+bx

C. 도전과제 Ⅲ : 지구로 (안전한 귀환)

C-Ⅱ ^. 문제 해결을 위한 활동 ^7차시

7차시 선형회귀와 최소제곱법에 대하여

학습하여 보자. □^S□^M

[활동] 선형회귀와 최소제곱법에 대하여 학습하여 보자.

(1) 최소제곱법(method of least squares) : 하나의 독립변수 x와 종속변수 Y에 대해서는, 그 실험 데이터는 짝을 이룬 순서쌍 (x_j, y_j)의 형태를 갖는다. 이 실험 데이터의 집합에 적합한 회귀 직선은 최소제곱법으로 쉽게 구할 수 있다.

① 직선으로부터 떨어져 있는 (xj, yj) 점들의 거리(y축 방향, 수 직방향)의 제곱의 합이 최소가 되도록, 회귀직선은 주어진 점 들에 적합해야 한다.

② 직선_y=a+bx로부터 실험데이터 (xj, yj)까지의 수직거리(y 축 방향)=_{┃yj-a-bxj┃}

③ 거리의 제곱의 합, d  



  



_   _^

최소제곱법에서는 d가 최소가 되도록 a, b를 택한다.

d는 a, b의 함수이므로 최소

가 되기 위해서는



  

  이어야 한다.



_



   









_



 















(1)의 연립방정식을 a, b에 대해서 풀면, 기울기 _{  }















y-절편 _a= ∑^x2j∑^yj-∑^xjy_j∑^xj

n∑x²_j-(∑x_j)²

(2) 엑셀을 이용하여서 회귀적선을 구하여 보자.

Excel 프로그램에서 회귀직선의 계수 구하기

회귀직선을 구하고자 할 때 물론 앞에서 구한 회귀직선의 기울 기와 y절편을 구하는 식을 이용하여 일일이 다 계산을 할 수도 있지만 많이 쓰이는 통계기법인 만큼 이 값들을 쉽게 구할 수 있 도록 해 주는 통계관련 프로그램이 많이 있다. SPSS, SAS 등 전 문 통계패키지 프로그램이 있지만 엑셀은 전문 통계프로그램은 아니지만 엑셀프로그램을 활용하여 비교적 쉽게 구하여 보자.

이해를 편하게 하기 위해서 용수철의 상수 와 관련된 실험을 예로 들어보자.

용수철에 가해지는 힘 를 바꾸어 가면서 용수철의 길이 ^를 측정하여 다음 표의 결과를 얻었다.

위 표에 해당되는 자료를 가지고서 엑셀을 활용하여 회귀적선 을 구하여 보자.

C-Ⅲ ^{. 문제 해결 8차시}

8차시 우주 비행선 안전하게 낙하시키기 □^S□^M

4~6명이 한조가 되어 해결을 하여보자.

준비물

우주왕복선 키트 도안 1장, 낚싯줄, 투명테이프, 막대기, 줄자와 자, 활주로, 계산기, 가위, 사다리 및 의자, 클립

해결과정

1) 활주로 만들기

- 주어진 빨간색 두꺼운 색지(전지)를 이용하여 33㎝×196㎝ 크 기의 직사각형의 모양으로 비행장의 활주로를 만든다.

- 활주로는 글라이더를 날릴 곳으로부터 8m 거리를 두고 바닥에 놓는다.

- 비글라이더를 비행을 조정 할 막대기를 비행장의 끝으로부터 60㎝ 정도 떨어져서 조정을 한다.

- 글라이더를 비행장의 시작되는 곳으로부터 8m 정도 떨어져진

2) 조정 막대 만들기

- 조정막대는 60㎝ 정도 되는 막대기를 사용하고, 글라이더를 날릴 곳에 낚싯줄을 늘여트려 조정막대의 1:2 되는 곳에 낚시 줄을 묶는다.

실험방법

- 글라이더를 3회 조정 막대를 이용하여 활주로에 착륙 시킨다.

- 거리와, 시간, 각도를 측정한다.

- 3회의 평균거리와 평균시간, 각도를 측정하여 기록한다.

실험측정기록

실험을 통해서 글라이더 기울기와 글라이더 속도와의 관계식을 찾 아보자.

글라이더 각도 글라이더 평균속력

글라이더 각도 글라이더 평균속력

그래프 그리기

글라이더 각도와 글라이더 평균속력 간의 그래프로 나타내 보자.

선형회귀와 최소제곱법

위의 데이터를 가지고 선형화 기법을 통해서 각도와 평균속력의 관계식을 찾아보자.

Ⅳ ^{. 평가 및 성찰 9차시}

9차시 우주여행 후기(지구로 돌아와서) □^S□^TE□^A

▶ 각 모둠에서 만든 반사망원경을 ALU기법을 활용하여 평가해보자.

모둠

이름 A(장점) L(단점) U(독특한 특징)

좋 은 로 켓 의

조 건

노우즈는 공기저항을 덜 받게 설계 되었는가?

동체는 가볍고 튼튼하게 설계 되었는가?

마운트는 화약이 들어갈 수 있도록 만들어 졌 고, 동체에 자연스럽게 연결 될 수 있도록 설 계 되었는가?

수직안정날개는 화살의 깃털과 같은 기능을 하게 설계 되었는가?

충격 완충선 마운트는 노우즈와 동체를 연결시킬 수 있도록 설계 되었는가?

회수장치는 가볍고 튼튼하게 설계 되고, 잘 펴 질 수 있도록 설계 되었는가?

압력중심이 무게중심보다 낮게 설계 되었는가?

심

▶ 우리 모둠이 만든 로켓에 대해 ALU기법을 활용하여 평가해보자.

로켓 이름 장점 단점 독특한 특징

느낀 점

▶ Yes or No!

9차시 가장 안전하게 우주비행선을 낙하시킨

모둠의 수학적 비밀은? □^S□^TE□^A

▶ 우주비행선을 가장 안전하게 낙하시킨 모둠을 선정하여 그 모둠의 수학적 해법을 알아보고 우리 모둠과 비교해보자.

선정한 모둠명 :

수학적 해법 :

우리 모둠과의 비교:

Ⅴ ^. 우주 관련 직업 탐색 ^10차시

우주 비행사의 하는 일은 무엇일까?

❺ 우주에서 지구로 돌아오기

• 궤도선 준비

• 착륙 준비

•

•

❷ 우주로 가기

• 우주선 조립 빌딩

• 발사대로 가는 무한 궤도차 탑승

•

•

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•

❶ 우주 비행사 훈련

• 우주 비행사에 대한 경력 요건(교육)

• 이론 공부

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❸ 우주에서 작업하기

• 지구 사진 촬영

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❻ 국제 우주정거장(ISS)에서의 생활

•

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❹ 우주에서 생활하기

•

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★ 로켓과 관련된 분야의 직업을 하나 선택하고, 그 분야에서 종사하 고 계신 분들을 대상으로 다음 내용을 조사하여 발표해 보자.(인터넷 이나 신문, 서적을 참고하여 작성 가능)

선택 직업 :

1. 왜 이 직업을 선택하였는가?

2. 구체적으로 하는 일은 무엇인지 조사해 보자.

3. 일을 하면서 즐거웠거나 힘들었던 기억은?

4. 앞으로의 전망은?

5. 같은 직업을 희망하는 학생은 무엇을 준비해야 하는가?

6. 같은 직업을 희망하는 학생에게 하고 싶은 말은 무엇인가?