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(1)
(2)
(3)

○ 스포츠과학 분야 개발 목록 및 관련 교육과정 내용

차시 학년 주제 내용 비고

1

초3-4

화살 속에는 어떤 과학의

원리가 숨어있을까?

무게와 모양에 따른 화살의 비행 나만의 화살 만들기

목표물 맞히기와 투호놀이

초3-4 과학 물체의 무게(2007, 2009) 초5-6 과학 물체의 빠르기(2007, 2009) 초3-4 미술 표현(2007, 2009) 초3-4 수학 측정, 도형(2007,2009) 초 3-4 체육 도전 활동(2007, 2009) 2

3

4

초3-4 비만해결사

비만 이유와 비만 극복 방법 비만 극복을 위한 준비 비만 극복을 위한 실천

초3-4 체육 건강활동(2007, 2009) 초5-6 과학 우리의 몸(2007, 2009) 초3-4 수학 측정, 도형(2007,2009) 5

6 7

초5-6

비행접시는 어떻게 날을까?

비행물체가 하늘을 나는 원리 실험을 통해 과학적 원리 체험 플라잉 디스크 만들기

초5-6 과학 물체의 속력(2007, 2009) 초5-6 체육 도전활동(2007, 2009) 8

9 10

초5-6 셔틀콕을 빠르게

왜 셔틀콕은 다르게 비행할까?

셔틀콕 비행 원리 알아보기 나만의 셔틀콕 만들기

초5-6 체육 도전활동(2007, 2009) 초5-6 미술 표현(2007, 2009) 초5-6 실과 생활과 기술(2007, 2009) 11

12 13

우샤인볼트처럼 빠르게 달리려면

달리기 운동해석 멋진 운동 만들기

중1-3 과학 힘과 운동(2007, 2009) 중1-3 체육 기록 도전(2007, 2009) 중1-3 수학 측정, 도형(2007,2009) 14

15

도루와

희생플라이

도루와 속력 희생 플라이와 속력

중1-3 과학 힘과 운동(2007, 2009) 중1-3 체육 경쟁 활동(2007, 2009) 중1-3 수학 측정, 도형(2007,2009) 16

17

내가 만드는 다트경기

다트의 운동

다트 경기 방법 만들기

중1-3 과학 힘과 운동(2007, 2009) 중1-3 미술 표현(2007, 2009) 중1-3 수학 측정, 도형(2007,2009) 18

19

내가 만드는 마라톤 코스

마라톤 코스의 이해 마라톤 코스 시뮬레이션

중1-3 과학 힘과 운동(2007, 2009) 중1-3 체육 기록 도전(2007, 2009) 중1-3 수학 측정, 도형(2007,2009) 20

21 나도 손연재가 되어 보자

리본은 어떻게 움직일까?

나만의 리본체조를 만들어보자

중1-3 과학 힘과 운동(2007, 2009) 중1-3 미술 표현(2007, 2009) 22

23

평창올림픽에 서 과학을

본다.

컬링의 과학

피겨스케이트와 과학 스키점프의 과학

물리Ⅰ 뉴턴의 운동 법칙(2009) 물리Ⅱ 운동량 보존법칙(2009) 체육 영역형 스포츠(2009) 24

25 26

과학적 스포츠화를

설계할 수 있을까?

축구 속 과학 찾기 풋살 속 과학 찾기

과학적 스포츠화 디자인하기 내가 만든 스포츠화 홍보하기

물리Ⅰ 뉴턴의 운동 법칙(2009) 물리Ⅱ 운동량 보존법칙(2009) 체육 영역형 스포츠(2009) 미술 표현활동(2009) 27

28 29 30

올림픽대표선 수의 트레이너가

되어보자

운동선수의 식단 분석 트레이너가 되어보자.

프로그램 활용한 운동 분석

고1 과학 과학과 문명(2009) 생명과학 1 소화와 순환 31

32

(4)
(5)

목 차

1. 평창 동계올림픽에서 과학을 본다.

1차시. 컬링! 얼음 위의 물리학 ··· 11

2차시. 김연아의 놀라운 점프 ··· 23

3차시. 내가 만드는 스키 점프대 ··· 33

2. 과학적인 스포츠화를 디자인 할 수 있을까? 1차시. 축구 속 과학은 무엇이 있을까? ··· 49

2차시. 풋살 속 과학은 무엇이 있을까? ··· 61

3차시. 나만의 스포츠화를 디자인 학 수 있을까? ··· 71

4차시. 나만의 스포츠화 홍보하기 ··· 79

3. 내가 운동선수의 트레이너가 된다면? 1차시. 운동선수의 식단을 짜 보아요 ··· 91

2차시. 우샤인 볼트, 최고 속도의 비밀을 알아보아요 ··· 111

3차시. ‘Tracker’ 프로그램을 이용하여 운동을 분석해 보아요 ··· 123

(6)
(7)

융합인재교육(STEAM) 주제별 프로그램 개발 - 스포츠

평창 동계올림픽에서 과학을 본다

고등학교용

(8)
(9)

- 3 -

◉ 교육과정 관련 안내

2009 개정 교육과정

중학교 과학 1~3학년 (3) 힘과 운동

(나) 중력, 탄성력, 마찰력, 전기력, 자기력 등 여러 가지 힘의 특징을 알고 이들이 주변의 현상을 이해하는 데 어떻게 활용되 는지 이해한다.

물리 Ⅰ

(1) 시공간과 우주

㈎ 시간, 공간, 운동

⑤ 등가속도 운동에서 일-운동 에너지의 정리를 이해하고, 역 학적 에너지가 보존되기 위해서는 퍼텐셜 에너지를 도입하는 것이 필요함을 안다.

고등학교 물리 Ⅱ (1) 운동과 에너지 ㈎ 힘과 운동

④ 2차원에서 운동량 보존 개념을 이용하여 충돌 현상을 설명 할 수 있다.

해설

스포츠는 과학과 많이 관련되어 최근 운동선수들도 과학적인 방법을 이용하여 기록을 향상시키기 위한 노력을 하고 있다.

대중적인 스포츠인 축구, 야구는 물론 골프 등에는 많은 과학 자들이 관련된 용품을 개발하고 실력을 향상시키기 위한 프로 그램에 참여하고 있다.

그동안 이러한 운동종목에 비해서 관심을 덜 받아왔던 종목이 바로 동계스포츠이다. 그러나 최근 김연아 선수의 분전과 쇼트 트랙 종목에서의 강세로 우리나라 선수들이 동계 올림픽에서 금메달을 따는 장면을 간혹 보곤 한다.

이번 활동에서는 동계스포츠 중에서 몇 가지를 선택해서 그 속 에 담긴 과학 원리를 알아보고자 한다. 이 원리는 중학교때 배 웠던 내용부터 고등학교에서 배우는 내용까지 여러 가지가 포 함되어 있다.

첫 번째는 컬링이다. 컬링에는 마찰력과 충돌과 관련된 개념들 이 포함되어 있다.

두 번째는 피겨 스케이트이다. 여러 가지 과학원리 중에서 점 프와 에너지에 대하여 학습할 것이다.

세 번째는 스키점프이다. 스키점프에서 역학적 에너지의 보존 에 대해서 살펴볼 것이다.

(10)

◉ 스팀 요소

S

스포츠(컬링, 피겨스케이팅, 스키점프)에 담겨진 과학 원리

T/E

과학을 활용한 기술/공학의 응용

A

예술적인 감각과 창의성이 발휘된 스키점프대 만들기

M

역학적 에너지 및 운동법칙 해석

(11)

- 5 -

동계 올림픽에서 과학을 본다

동계 올림픽에서 과학을 본다

‘평창’

2011년 7월 6일. 이날은 우리나라 스포츠에서 역사적인 날이다.

드디어 2018년 동계 올림픽 개최지로 우리나라 평창이 선정되었다.

그런데 하계 올림픽에 비해서 동계 올림픽 종목은 좀 낯설다. 김연아 선수의 피져스케이트와 쇼트트랙 스케이팅을 제외하면 그리 익숙한 종목이 많지 않다.

그러나 동계 올림픽 종목을 하나씩 따져보면 재미있는 모습들을 많이 발견할 수 있다. 그 속에서 우리는 과학을 이야기한다. 스포츠를 과학으로 풀어보자.

(12)

◉ 동계 올림픽에서 과학을 본다

차시 주제 활동 내용 연계

교과/단원

1 컬링의 과 학

● 컬링에 담겨진 과학 원리 - 마찰력

- 충돌

● 동영상을 이용한 충돌 실험

물리Ⅰ ‘시 공간과 우 주’

2 피겨스케이 트와 과학

● 피겨스케이팅에 담겨진 과학 원리 - 마찰

- 운동 법칙

- 역학적 에너지 보존

● 동영상 분석을 통한 점프 해석

물리Ⅰ ‘시 공간과 우 주’, ‘에너 지’

3 스키점프의 과학

● 스키점프에 담겨진 과학 원리 - 운동 법칙

- 역학적 에너지 보존

● 나만의 스키점프대 만들기

물리Ⅰ ‘시 공간과 우 주’, ‘에너 지’

(13)

1차시

컬링! 얼음 위의 물리학

교사용 교재

(14)
(15)

- 9 -

◉ 수업 지도안

단 원 과학과 단원(힘과 운동) 연계 단원 체육 4) 운동과 정신건강

수업차시 1차시 지도대상 고등학교 1~3학년

활동유형 실험(컴퓨터 활용)

교과 학습목표

1. 컬링에 포함된 과학 원리를 설명할 수 있다.

2. 컬링 경기에서 스톤의 충돌을 과학적으로 설명할 수 있다.

교과 연계성

중학교 과학 힘과 운동

물리Ⅱ 운동과 에너지

학습

단계 교수 ․ 학습 활동 시간

(분)

학습 자료 및 유의점

도입

컬링 종목에 대해서 알아본다.

컬링을 하는 방법을 동영상을 통해서 살펴본다.

컬링 종목의 재료 컬링 종목의 규칙 등

10 ∙ 컬링 동영 상

본활동

컬링에 담긴 과학 원리에 대해서 살펴본다.

- 컬링에서 빗자루로 얼음판을 닦아내는 이유는?

- 마찰력과 스톤의 운동과의 관계는?

- 두 스톤이 충돌하면 어떻게 될까?

(16)

학습

단계 교수 ․ 학습 활동 시간

(분)

학습 자료 및 유의점

본활동

[탐구] 동영상을 이용한 충돌 실험

두 개의 물체가 충돌하는 경우에 어떻게 운동하는 지를 동영상을 촬영하여 분석한다.

동영상을 촬영하여 일정한 시간마다 위치를 측정하 여 이를 분석한다. 스마트폰의 동영상 분석 프로그램 을 이용하면 쉽게 충돌 전 후의 위치 및 속력을 구할 수 있다.

25

∙ 동영상 분석 프로그램 설명 자료

정리

탐구내용 발표하기

동영상 분석을 통해서 얻은 결과로 컬링에서의 충돌을 설명

하기 10

∙ 활동을 통 해 학생들이 새로 알게 된

(17)

- 11 -

01. 컬링! 얼음 위의 물리학

컬링은 어떤 경기일까?

▪ 마치 장난을 하는 것처럼 얼음 위에서 큰 돌을 미끄러뜨리더니 여러 사람들 이 빗자루를 이용해서 바닥을 닦는다. 이는 올림픽 정식 종목 중 하나인 컬링에 대해서 이야기한 것이다. 컬링은 어떤 경기이며, 어떻게 승부를 내는 것인지 찾 아서 정리해보자.

컬링은 4명의 선수가 한 팀이 되어 상대편 표적(하우스: house) 안에 컬링스 톤(Curling stone)이라고 부르는 둥글고 납작한 돌을 밀어 넣어 득점하는 겨울 스포츠이다. 표적은 4개의 동심원으로 그려져 있으며 가장 안쪽 원인 티(tee) 에 근접하게 스톤을 넣으면 득점을 하게 된다. 이 때 두 팀이 서로 번갈아 가며 스톤을 넣기 때문에 상대편 스톤을 쳐내고 티에 근접하기 위해 상당한 두뇌싸움이 필요하기 때문에 빙판 위의 체스라고 불리기도 한다.

경기는 기본적으로 팀의 주장이 스톤을 어디에 넣어야 하는지 작전을 짜면 투구자가 돌을 미끄러뜨리고 스위퍼라고 불리는 2명의 선수가 빗자루를 문질 러 스톤의 마지막 경로를 조절하는 과정으로 진행된다.

(18)

컬링에 담긴 과학은?

▪ 컬링에서 득점을 하는 것은 스톤의 위치를 결정하는 전략과 스톤의 진로를 조절 하는 기술에 달려 있다. 투구자의 손을 떠난 스톤의 진로를 어떻게 조절할 수 있을 까? 과학 원리를 이용하여 설명해보자.

(힌트) 마찰력을 조절하는 방법을 생각해보자. (참고자료 참고)

▪ 컬링에서는 여러 개의 스톤을 던지게 된다. 따라서 스톤끼리 충돌을 하는 경우 가 많이 발생한다. 스톤이 충돌할 때는 어떻게 물체가 움직이는지 과학 원리를 이 용하여 설명해보자.

(힌트) 운동량 보존을 이용하여 설명한다. (참고자료 참고)

실험 알까기 게임을 이용한 컬링의 원리 이해하 기

☼ 실험목표

컬링 경기를 간단한 알까기 게임을 이용하여 모의 체험해보자. 이때 스톤 끼리의 충돌에서 어떻게 스톤이 움직이는지 분석해보자.

☼ 실험 시 유의사항

1. ‘스톤’을 손가락으로 칠 때 너무 세게 치지 않도록 한다.

☼ 지도 시 주의사항

1. 동영상 분석은 수업 전에 학생들이 익숙해 질 수 있도록 충분히 연습할 수 있도 록 한다.

(19)

- 13 -

☼ 실험방법

1. 먼저 상대편 돌과 우리 편 돌 각 1개씩 모두 2개의 돌을 테이블 위에 올려놓고 비 스듬히 맞추어 2개의 돌의 진행 경로를 알 아보자.

2. 스마트폰을 이용해 1번 과정을 동영상 으로 찍어 보자.

3. 스마트폰의 어플리케이션(Video Phydics)를 실행시킨다.

찍은 동영상을 비디오 분석 프로그램을 통 해 경로를 표시하여 그림과 같이 두 개의 돌의 궤적과 시간에 따른 속도를 구해 보 자.

(20)

☼ 실험 결과 및 토론

1. 자신이 촬영한 동영상과 이를 분석한 결과(시간에 따른 속력 그래프)를 이용하여 스톤들의 충돌에 대해 설명해보자.

스톤의 충돌 설명

(예)

Ÿ 스톤끼리 충돌하면 충돌한 이후에 두 스톤이 이루는 각은 거의 90도에 가깝다.

Ÿ 정면으로 충돌하는 경우에는 충돌한 스톤은 멈추고 충돌된 스 톤이 밀려난다.

Ÿ 비스듬히 충돌하는 경우에는 충돌 각도에 따라서 충돌 후 스톤 들의 속력이 차이가 생긴다.

2. 이 분석을 통하여 충돌을 컬링 경기에 어떻게 적용할 것인지 이야기해보자.

Ÿ (힌트) 충돌 후 스톤의 움직임은 충돌 전 스톤의 속력과 충돌시 각도에 따 라 달라진다. 또한 운동량보존을 이용하여 충돌의 상황에 적용해본다.

(21)

- 15 -

참고 자료 컬링의 과학

1. 마찰력과 컬링

컬링에서 득점 여부의 핵심은 마찰력을 자신의 의도에 맞게 활용하는 것이다.

컬링에서 스톤과 바닥과의 마찰력을 조절하는 방법은 크게 두 가지이다. 첫 번째 로 경기 전에 사용하는 방법은 경기장의 얼음판 위에 물방울을 뿌려 얼음판을 거칠 게 만드는 것이다. 얼음판 위에 뿌려진 작은 물방울들은 차가운 얼음판 위에 닿아 얼음조각이 된다. 얼음조각들이 있는 거친 얼음판에서 스톤과 얼음판 사이의 마찰 력은 증가할 것이라고 생각하겠지만, 흥미롭게도 실제는 이와 반대의 결과가 나타 난다. 오히려 매끈한 얼음판 위에서 경기할 때보다 얼음조각이 있는 경기장에서 스 톤은 대략 2배의 거리를 미끄러진다고 한다. 어떻게 이런 일이 가능할까?

그 이유는 얼음조각들로 인해 스톤과 얼음판 사이의 접촉면이 줄어들기 때문이 다. 얼음조각들이 없는 매끈한 얼음판에서는 상당한 무게의 스톤과 얼음판 사이가 진공과 비슷하게 밀착되어 버린다. 이 경우 스톤을 내리누르는 대기압에 의해 스톤 의 속도는 감소할 것이다. 그러나 얼음조각들로 인해 스톤과 얼음판 사이의 공기층 이 존재하게 되어 밀착되지 않으면 스

톤은 좀 더 멀리 미끄러질 수 있는 것 이다.

두 번째로 경기 중에 마찰력을 감소 시키는 방법은 실제 게임 장면에서 자 주 볼 수 있듯이 빗자루질을 열심히 하 는 것이다. 투구자 앞에서 빗자루 모양 의 도구(그래서 이름도 빗자루를 뜻하 는 브러쉬(brush) 혹은 브룸(broom)이라 고 불린다)를 들고 있는 선수들이 얼음 판을 열심히 문지르면 어떻게 될까? 쉽 게 결과를 알 수 있는 방법은 두 손을 비벼 보는 것이다. 한쪽 손바닥이 얼음 판, 다른 쪽 손바닥이 빗자루라고 생각 하면 된다. 열심히 비빌수록 손바닥은 따듯해진다. 이는 마찰에 의해 열이 발 생하기 때문이다. 이제 컬링에서 왜 빗

자루를 사용하는지 알 수 있을 것이다. 빗자루로 열심히 문지를수록 얼음판은 마찰 열에 의해 녹아 물이 된다. 따라서 빗자루로 문지르는 이유는 컬링스톤 앞에 얼음

(22)

판을 녹여 물위를 미끄러져 멀리 가도록 하기 위함이다.

이러한 원리를 이용하면 스톤 앞의 얼음판을 어떻게 빗질을 하느냐에 따라 미끄 러져가는 정도를 조절할 수도 있고, 가는 방향을 변화시킬 수도 있다.

2. 컬링과 운동량

컬링에서는 한 개의 스톤만 표적에 넣는 것이 아니기 때문에 기존에 이미 표적 근처에 있 는 스톤들을 고려해서 스톤의 경로를 결정해야 한다. 어떻게 해야 상대편의 돌을 표적 밖으 로 밀어내고 우리 편 스톤을 표적 안으로 많이 들어가게 할 수 있을지 전략을 세우는 것이 득점과 승리의 중요한 열쇠이다.

여기서 중요한 것이 바로 물리의 운동량 보존 법칙이다. 운동량 보존 법칙이란 외력을 받 지 않는 고립된 물체, 또는 계에서 전체 운동량의 합은 언제나 일정하게 보존된다는 법칙이 다. 이 법칙은 충돌 시에도 성립하며 탄성충돌과 비탄성충돌 모두의 경우에 성립한다.

이 법칙을 통해 충돌 전후 물체의 운동을 이해하거나 예측할 수 있다. 가장 단순한 경우 로 당구공의 충돌에서도 볼 수 있는 질량이 동일한 물체의 충돌이다. 질량이 동일한 두 물 체가 정면충돌하면 굴러오던 물체는 정지하고, 정지되어 있던 물체는 이동해온 물체의 원래 속도와 동일한 속도를 가지고 앞으로 나아가게 된다. 마찬가지로 컬링스톤이 충돌한 경우에 도 (마찰력을 무시할 수 있다면) 미끄러져 오던 컬링스톤은 멈추게 되고 정지되어 있던 컬 링스톤은 미끄러져온 스톤의 속도와 동일한 속도로 앞으로 움직이게 될 것이다. 따라서 이 원리를 이용하여 컬링 선수들은 표적 안에 있던 상대편 스톤을 맞추어 자기팀 스톤은 표적 안에서 멈추게 하고 상대편 스톤은 표적 밖으로 미끄러져 가게 하는 것이다.

물론 일차원 충돌인 정면충돌 뿐 아니라 이차원 충돌의 경우에도 운동량 보존은 성립하

(23)

- 17 -

◉ 평 가

학생들이 컬링 경기에 담긴 과학적 개념을 알고 있는 지 평가하도록 한다.

평가

영역 평가기준

평가척도

매우 잘함

미완

미제

5 4 3 2 1 0

통합적 사고

두 물체의 충돌에 대한 실험 결과를 이 용하여 컬링 경기에 적용할 수 있는가?

창의적 설계

동영상을 이용해 물체의 충돌을 분석하 는 활동에서 다양한 상황을 분석하는 가?

감성적 터치

컬링 경기에 담긴 과학 원리를 적극적 으로 찾아내는가?

교사 의견

및 채점 평가

합산

(24)
(25)

2차시

김연아의 놀라운 점프

교사용 교재

(26)
(27)

- 21 -

◉ 수업 지도안

단 원 과학과 단원(힘과 운동) 연계 단원 체육 4) 운동과 정신건강

수업차시 1차시 지도대상 고등학교 1-3학년

활동유형 실험(동영상 분석)

교과 학습목표

1. 피겨스케이팅에 포함된 과학 원리를 설명할 수 있다.

2. 점프의 상황에 물리법칙을 적용할 수 있다.

교과 연계성

중학교 과학 힘과 운동

물리Ⅱ 운동과 에너지

학습

단계 교수 ․ 학습 활동 시간

(분)

학습 자료 및 유의점

도입

피겨스케이팅 종목에 대해서 알아본다.

김연아 선수의 피겨스케이팅 연기 장면을 동영상을 통 해서 관람하게 한다. 이때 피겨스케이팅에서 김연아 선수가 하는 동작들이 무엇이 있는지 학생들에게 기록하게 한다.

10 ∙ 피겨 스케 이팅 동영상

본활동

피겨스케이팅에 담긴 과학 원리가 무엇이 있는지 학 생들과 간략하게 이야기해본다.

- 얼음에서는 땅에서보다 더 잘 미끄러지는 이유는?

- 김연아 선수가 다른 선수들보다 더 높이 점프할 수 있는 까닭은?

- 김연아 선수가 점프할 때 어느 정도 높이 점프할까? 그리고 점프 해서 내려올 때까지 걸리는 시간은 어느 정도일까?

10

(28)

학습

단계 교수 ․ 학습 활동 시간

(분)

학습 자료 및 유의점

본활동

[탐구] 동영상 분석으로 김연아 선수의 점프 해석하기

- 예상하기 -

김연아 선수는 점프할 때 어느 정도 높이 뛰어오를까?

김연아 선수는 점프할 때 어느 정도 오랫동안 공중에 떠 있을까?

동영상을 촬영하여 일정한 시간마다 위치를 측정하 여 이를 분석한다. 스마트폰의 동영상 분석 프로그램 을 이용하면 쉽게 충돌 전 후의 위치 및 속력을 구할 수 있다.

- 동영상으로 관찰하기 -

동영상 속에서 김연아 선수가 점프할 때 어느 정도 오랜 시간 동안 점프하는지를 측정하게 한다. 또한 가능하면 김연아 선수의 키 또는 기타 다른 물체의 길이를 이용하여 어느 정 도 높이 점프하였는지 어림하게 한다.

- 설명하기 -

물체의 운동(자유낙하)을 해석하여 최고점의 높이와 공중에 머문 시간과의 관련성을 밝힌다.

20

∙ 김연아 선수 경기 장면

[탐구내용 발표하기]

김연아 선수의 점프에서 높이와 시간과의 관계는 어떠한 가?

∙ 활동을 통 해 학생들이

(29)

- 23 -

02. 김연아의 놀라운 점프

피겨스케이팅은 어떤 경기일까?

▪ 김연아 선수 덕분에 우리나라는 세계에서도 알아주는 동계스포츠 강국의 위 상을 갖게 되었다. 피겨스케이팅은 그 아름다운 모습 뿐만 아니라 스케이팅의 여러 가지 기술에 놀라게 된다. 피겨스케이팅 종목에 대해서 알아보자.

(예) 경기 종목에는 싱글 스케이팅, 페어 스케이팅, 그룹 스케이팅, 아이스 댄싱 등이 있으며, 음악에 맞추어 일정 시간 동안 정해진 연기를 하는 규정 종목과 자유 종목인 프리 스케이팅이 있다. 싱글 스케이팅에서는 규정 종목 과 자유 종목 양쪽의 점수를 합하여 우열을 가린다. 심판은 홀수로 편성되며, 동작의 정확성, 유연성, 우아함과 자연미, 도형의 크기에 따라 0∼6점을 0.1점 단위로 채점한다.

(30)

피겨 스케이팅에 담긴 과학은?

▪ 얼음판에서 스케이트를 탈 때 미끄러지듯이 활주할 수 있는 이유는 무엇일까?

(힌트) 스케이트를 탈 때와 같이 얼음 위에 압력이 가해지면 더 작은 부피를 차지하는 물(액체)로 상태 변화가 일어난다. 이로 인해 스케이트 날과 얼음 사이에 물로 된 막이 생겨 마찰이 적어지고 이는 부드러운 스케이팅을 가능 하게 하는 것이다.

▪ 피겨 스케이팅에서 빠르게 회전하기 위해서는 몸을 움츠리게 된다. 그 이유는 무엇일까?

(힌트) 피겨스케이팅의 핵심은 회전이다. 정확한 원리는 각운동량 보존을 이 해해야 하기 때문에 대학교 수준이다. 그러나 직선운동과 비슷한 원리로 이 해할 수 있다. 참고자료를 참고하여 설명하도록 한다.

활동 동영상 분석으로 김연아 점프 해석하기

☼ 목표

김연아 선수의 점프 동작을 동영상으로 살펴보고 점프하는데 걸린 시간과 높이와의 관계를 알아보자.

☼ [예상하기]

- 김연아 선수는 점프할 때 어느 정도 높이 뛰어오를까?

- 김연아 선수는 점프할 때 어느 정도 오랫동안 공중에 떠 있을까?

(31)

- 25 -

☼ [설명하기]

점프할 때 걸린 시간과 뛰어 오른 높이와는 어떤 관계가 있는가?

김연아 선수의 몸무게(스케이트 포함)을 m, 뛰어올라서 떨어질 때까지의 시 간을 T, 최고점까지 뛰어오른 높이를 h, 중력가속도를 g라고 하면,

  

  

 이다.

(32)

그림 2. 김연아 선수의 점프 직전 양쪽 어깨의 자세 (출처: 뉴욕타 임즈)

참고 자료 피겨스케이팅의 과학

피겨스케이팅에서 가장 중요한 것 중 하나는 회전이다. 회전에 대한 내용은 고등학교 에서 물리Ⅰ에서 돌림힘에 대한 내용만 다루기 때문에 관련된 질문에 대해 응답하는 수준에서 지도하는 것이 적합하다.

1. 회전과 각운동량

피겨스케이팅 장면에서 누구나 넋을 잃고 바라 보는 장면은 바로 꽃이 피어나듯 아름답게 점프 하며 회전하는 장면일 것이다. 점프하는 순간부 터 과학의 원리는 적용된다. 공중에서 충분한 횟 수의 회전을 할 수 있으려면 큰 각운동량으로 높 게 점프하는 것이 유리하다. 따라서 큰 각운동량 과 수직 속도를 얻기 위해 스케이터는 발로 힘차 게 바닥을 차고 오른다. 발이 얼음판에 가하는 힘만큼 동일한 크기로 얼음판에서 힘을 받아 점 프를 할 수 있기 때문이다. 이것이 바로 작용과 반작용의 법칙이다.

그렇다면 김연아 선수가 다른 선수들보다 월등

하게 높이 날아오를 수 있는 비결은 무엇일까? 김연아 선수는 타고난 재능과 수많 은 연습으로 인해 다른 선수보다 월등한 하체의 힘을 발휘한다고 한다. 따라서 다 른 선수들보다 강한 힘으로 빙판을 차고 이로 인한 반작용으로 빠른 속도로 위로 솟구치게 되는 것이다. 또한 김연아 선수와 오서코치의 인터뷰 내용에 따르면 김연 아 선수는 점프 준비 과정에서부터 최대의 각운동량을 얻기 위한 동작을 한다. 오 른쪽 그림에서 나타난 것과 같이 김연아 선수의 점프 전 팔의 위치를 보면 오른쪽 어개와 왼쪽 어깨를 대각선으로 벌리고 점프직전 회전시켜 최대의 회전을 만들어낸 다. 이러한 동작은 온 몸으로 이어지는데, 발목과 무릎, 엉덩이, 팔을 동시에 빠르게 휘감아 최대의 회전력을 만들어주어 각운동량을 극대화한다. 이것이 다른 선수들과 월등하게 차이가 나는 김연아 선수의 점프의 비밀이다.

(33)

- 27 -

로 물체에 회전력을 가하면 그만큼 물체의 각운동량은 증가한다. 팽이치기를 생각 해보자. 우리는 팽이를 빠르게 돌리기 위해서 끈 등으로 만든 채로 팽이 옆면을 빠 르게 쳐서 회전력을 가하고 이에 비례해서 팽이는 빠르게 회전한다. 이것은 바로 팽이에 회전력을 가하여 팽이의 각운동량을 증가시키는 것이다. 여기서 각운동량은 물체의 운동량(질량과 속도의 곱)과 반지름(물체와 회전축 사이의 거리)을 곱한 값 이다.

이제 피겨스케이팅의 원리로 돌아오자. 이미 공중에 솟아오른 상태에서는 회전력 을 가할 수가 없기 때문에 각운동량은 보존된다. 그렇다면 각운동량은 보존되는 상 태에서 빠르게 회전하기 위해서는 어떻게 해야 할까? 이때 김연아 선수와 같이 뛰 어난 선수들은 공중에서 어깨, 팔, 발을 최대한 회전축 중심으로 모아붙이는 동작을 통해 매우 빠른 회전 속도를 얻는다. 즉, 각운동량은 운동량과 반지름의 곱이므로, 반지름을 최소로 만들어 최대의 회전속도를 낼 수 있도록 하는 것이다. 공중에 떠 있는 매우 짧은 순간 동안 이렇게 온몸의 자세를 제어할 수 있기 위해서는 김연아 선수처럼 타고난 재능과 연습량이 없이는 불가능하다는 것이 전문가들의 의견이다.

(34)

◉ 평 가

학생들이 피겨스케이팅의 과학적 원리를 이해하고, 피겨스케이팅의 점프를 동영상 분석을 통하여 이해하려는 노력을 평가한다.

평가

영역 평가기준

평가척도

매우 잘함

미완

미제

5 4 3 2 1 0

통합적 사고

스포츠와 과학과의 관련성을 이해하는 가?

창의적 설계

피겨스케이팅에서 점프의 높이와 점프 시간과의 관계를 인지하는가?

감성적 터치

스포츠에서 과학을 학습할 수 있음을 알고 적극적으로 활동에 참여하였는가?

교사 의견

및 채점 평가

합산

(35)

3차시

내가 만드는 스키점프대

교사용 교재

(36)

◉ 수업 지도안

단 원 과학과 단원(힘과 운동) 연계 단원 체육 4) 운동과 정신건강

수업차시 2차시 지도대상 고등학교 1~3학년

활동유형 실험(창작)

교과 학습목표

1. 스키점프에 포함된 과학 원리를 설명할 수 있다.

2. 간단한 도구를 활용하여 창의적인 스키점프를 만들고 그 구조 를 과학적으로 설명할 수 있다.

교과 연계성

중학교 과학 힘과 운동, 일과 에너지 전환

물리Ⅱ 운동과 에너지

학습

단계 교수 ․ 학습 활동 시간

(분)

학습 자료 및 유의점

도입

스키점프 종목에 대해서 알아본다.

스키 점프 동영상을 학생들에게 보여주고, 어떤 종 목인지 알아보게 한다. 이때 영화 ‘국가대표’를 활 용하는 것도 좋다.

10 ∙ 스키점프 동영상

본활동

스키점프에서 우승을 하려면 어떻게 해야 할지 과학 개념을 사용하여 이야기해보게 한다.

- 위치에너지와 운동에너지 - 역학적 에너지 보존 - 포물선 운동 - 마찰력

15

(37)

- 31 - 학습

단계 교수 ․ 학습 활동 시간

(분)

학습 자료 및 유의점

본활동

[탐구] 나만의 스키점프대 만들기

- 쫄대를 이용하여 스키점프대와 비슷한 모양의 경사를 만든다. 쇠 구슬을 굴려 쇠구슬이 어느 곳에 떨어지는지 측정한다.

- 쇠구슬이 출발하는 높이를 변화시키면서 쇠구슬이 나아가는 거리 가 어떻게 변화하는지 관찰한다.

2명 이상의 모둠이 같이 힘을 합하여 수행하는 것이 바람직하다.

- 쫄대 1 m를 사용하여 쇠구슬이 가장 멀리 나갈 수 있는 나 만의 스키점프대를 만들어보자.

- 자신이 만든 스키점프대의 특징을 설명하고 이런 모양으로 설계한 이유는 무엇인지 과학적으로 설명해보게 한다.

50

정리

[탐구내용 발표하기]

모둠별로 개발한 스키점프대의 특징을 발표하고, 공을 굴려 어느 정도 멀리까지 나아가는지 비교해보게 한다 - 활동을 통해 학습에 대한 즐거움 갖기

- 자기평가 ‧ 상호평가를 통하여 서로의 아이디어를 공유한다.

25

∙ 활동을 통 해 학생들이 새로 알게 된 내용을 확인 한다.

(38)
(39)

- 33 -

03. 내가 만드는 스키점프대

스키점프는 어떤 경기일까?

▪ 영화 ‘국가대표’를 보면 스키점프를 하는 모습을 많이 볼 수 있다. 마치 새가 된 것처럼 멀리 날아가는 스키점프는 어떤 경기인지 알아보자.

(힌트) 백과사전 및 인터넷 참조

급경사면을 갖춘 인공 구조물에서 스키를 타고 활강한 후 도약대로부터 허공 을 날아 착지하는 스키경기의 일종이다. 노르딕 스키의 한 종목으로서 제1회 동계올림픽부터 정식 종목.

도약대로부터의 비행 기준거리에 따라 개인 K-90(90m), 개인 K-120(120m)로 구분.

경기에서는 비행거리와 자세 두 부분을 기준으로 채점하게 되는데 K-90의 경 우, 비행 기준거리인 90m에서 초과하는 1m당 2점이 가산되고, 미달하면 2점 이 감점된다. K-120의 경우에는 1m당 1.8점이 가감된다. 자세는 도약·비 행·착지하는 모습을 살펴 5명의 심판이 각각 20점을 만점으로 채점하는데, 5명의 심판 가운데 가장 높은 점수와 가장 낮은 점수를 뺀 나머지 3명의 점 수를 합산한다. 도약·비행·착지 가운데서도 착지가 점수의 절반으로 비중 이 가장 크다.

(40)

▪ 스키점프에 관련된 과학개념은 무엇이 있을까? 예를 들어 설명해보자.

(예)

* 위치에너지, 운동에너지, 역학적 에너지 보존 : 처음에 출발대는 상당히 높 은 곳에 있다. 높은 곳에서 갖는 위치에너지가 아래로 내려오면서 운동에너 지로 바뀌게 된다. 이때 마찰을 무시하면 위치에너지와 운동에너지의 합인 역학적 에너지는 항상 보존된다.

* 포물선 운동 : 발사대를 출발한 이후에 사람은 공중을 날아간다. 이때 선수 의 몸에 작용하는 힘은 중력밖에 없기 때문에 사람을 포물선 운동을 하면서 떨어지게 된다.

* 마찰력 : 보다 멀리 날아가기 위해서는 떨어지는 속도를 줄여야 한다. 이를 위해서 선수들을 스키의 면과 몸을 이용하여 공기의 저항을 많이 받도록 하 여 마찰력을 키운다.

실험 내가 만드는 스키점프대

☼ 실험목표

간단한 도구를 이용하여 스키점프대를 만들어보고 가장 멀리 쇠구슬을 날려보내기 위한 궤도는 어때야 하는지 알아보자.

☼ 실험 시 유의사항

쫄대를 휠 때 꺾이지 않도록 주의한다.

☼ 지도 시 주의사항

칼이나 가위를 사용하는 경우에 안전사고에 유의하도록 지도한다.

☼ 실험 준비물

쫄대(약 1m), 자(가위), 테이프, 쇠구슬

(41)

- 35 -

☼ 실험방법

1. 쫄대를 스키점프대와 비슷한 모양의 경사를 만든다. 쇠구슬을 굴려 쇠구슬이 어느 곳에 떨어 지는지 측정한다.

2. 쇠구슬이 출발하는 높이를 변화시키면서 쇠구 슬이 나아가는 거리가 어떻게 변화하는지 관찰 한다.

3. 쫄대 1 m를 사용하여 쇠구슬이 가장 멀리 나갈 수 있는 나만의 스키점프대를 설계해 보자.

이때 자신이 만든 스키점프대의 특징을 설명하 고 이런 모양으로 설계한 이유는 무엇인지 과학 적으로 설명한다.

☼ 실험 결과 및 토론

1. 쇠구슬이 출발하는 높이와 쇠구슬이 나아가는 거리와는 어떤 관계가 있는가?

(힌트) 쇠구슬의 높이와 쇠구슬이 나아가는 거리와의 관계를 그래프로 나타내 본다.

(42)

2. 쫄대 1m를 이용하여 나만의 스키점프대를 설계해보자. 설계도를 그리고 특징을 과학적으로 설명해보자.

설계도 특징

3. 가장 쇠구슬이 멀리 날아가는 스키점프대는 어떤 것인가? 그 스키점프대의 특징 을 과학적으로 설명해보자.

(힌트) 쇠구슬의 높이, 발사지점의 높이와 발사 각도를 신중하게 살펴본다.

(43)

- 37 -

◉ 평 가

학생들이 스키점프의 과학적 원리를 이해하고, 창의적으로 스키점프대를 설계할 수 있는지 평가한다.

평가

영역 평가기준

평가척도

매우 잘함

미완

미제

5 4 3 2 1 0

통합적 사고

스포츠에서 발견할 수 있는 문제를 과 학으로 해결할 수 있음을 아는가?

창의적 설계

스키점프대가 좋은 성능을 가지려면 어 떤 구조를 가져야 하는지 알고 있는가?

감성적 터치

자신이 설계한 스키점프대를 직접 만드 는 활동에 적극적으로 참여하였는가?

교사 의견

및 채점 평가

합산

(44)
(45)

융합인재교육(STEAM) 주제별 프로그램 개발 - 스포츠 과학

과학적인 스포츠화를 디자인할 수 있을까?

고등학교용

(46)
(47)

- 41 -

◉ 교육과정 관련 안내

교육과정

과학 - 우주와 생명 - 태양계의 형성, 태양계의 역학 물리Ⅰ-Ⅰ.시공간과 우주-4.뉴턴의 운동법칙

Ⅳ.에너지-1.역학적 평형, 2.유체에서의 압력

10학년 - 도전과 경쟁 - 도전과 경쟁 스포츠 경기 - 영역형 스 포츠

해설

본 수업은 학생들이 쉽게 접할 수 있는 스포츠인 축구와 풋살 에 대해 알아본다. 공 하나만 있으면 누구나 쉽게 즐길 수 있 는 스포츠라고 생각하지만 그 속에 포함된 과학적인 개념을 고 등학교 물리Ⅰ 교육과정에 맞춰서 이해하고 탐구하고자 한다.

이와 더불어 학생들이 직접 경기력에 중용한 영향을 미치는 스 포츠화를 직접 디자인하고 구조를 설계하며 창의력을 발휘함과 동시에 설계시 고려해야되는 과학적 이해도를 높일 수 있다.

또한 체육활동에서 새롭게 만들어지고 있는 뉴스포츠인 풋살 경기에 대해 알 수 있는 기회가 되며 더욱 다양한 뉴스포츠에 관심을 불러 올 수 있다.

체육시간에 배우고 익히던 활동에서 과학적인 개념을 배우고 원리를 깨우치는 수업이 될 것이다.

◉ 스팀 요소

S

힘의 분산, 뉴턴의 운동 법칙, 운동량, 충격량, 회전력, 마찰력

T

스포츠화의 스터드를 정확하게 측정하고 설계하기

E

과학적인 스포츠화 설계하기

A

과학적인 스포츠화 꾸미기

M

힘을 분해하며 벡터에 대해 알아보기

(48)

축구 황제 ‘펠레’의 축구화

<사진출처 : 위키백과>

펠레의 축구화

축구화가 전 세계의 이목을 집중시킨 것은 1970년 멕시코 월드컵에서 있었던 ‘펠레의 축구화’사건부터다. 이탈리아와의 결승전에 나선 브라질의 영웅 펠레는 경기 도중 축구화 끈이 풀렸다고 그라운드에 주저 앉아 끈을 다시 묶었고 그 순간 축구화 메이커가 수십초 간 전세계인에게 노출됐다. 그 덕분에 축구화 회사는 상당한 인지도를 누리게 되었다.

최근들어 축구화를 앞세운 마케팅 전쟁은 더욱 심화되고 있다. 유명 스포츠 용품사는 각자의 노하우와 첨단 기술을 접목시켜 매 월드컵마다 신제품을 출시하고 스타 플레이어들과 광고 계약을 맺는 등 천문학적 금액을 쏟는다. 하지만 일부 선수들은 여전히 자신의 발에 맞춘 수제 축구화를 즐겨 신는다. 이탈리아, 독일 등에는 이러한 유명 선수를 위한 수많은 개인 공방이 운영되고 있다.

축구화에 민감한 선수들은 잔디 상태와 날시에 맞춰 각기 다른 가죽 재질과 스터드로 된 축구화를 신는다. 과거 수원에서 활약했던 최초의

(49)

- 43 -

◉ 과학적인 스포츠화를 디자인할 수 있을까?

차시 주제 활동 내용 연계

교과/단원

1 축구 속 과학 찾기

• 탁구를 이용한 볼트래핑 체험 - 운동량과 충격량에 대해 탐구한다.

• 진동카를 이용해 축구화의 구조 탐구하기 - 진동카가 앞으로 나아가는 원리를 탐구하며 축구화의 구조에 대해 생각해본다.

물리Ⅰ-뉴턴 의 운동 법칙 물리Ⅱ-운동 량 보존법칙 스포츠 경기 - 영역형 스 포츠

2 풋살 속 과학 찾기

• 탁구를 이용해 공중볼 또는 땅볼로 패스할 때 영향을 주는 요인은 무엇인지 알아보자.

- 공이 회전하며 이동할 때 회전력에 의한 운 동을 탐구한다.

• MTB와 Road Bike에서 사용하는 타이어의 차이점에 대해 탐구해보자.

- 타이어의 재질과 구조에 따라 지면과의 마찰 력에 대한 영향력을 탐구한다.

물리Ⅰ-유체 에서의 압력, 뉴턴의 운동 법칙

도전과 경쟁 스포츠 경기 - 영역형 스 포츠

3

과학적 스포츠화 디자인하기

• 잔디에서 경기를 치루는 축구와 실내에서 경 기를 치루는 풋살의 차이점을 이해하고 과학적 인 스포츠화 디자인 하기

- 각 선수의 포지션과 체형에 맞춘 축구화를 직 접 디자인하고 설계하며 과학적 원리를 이해한다.

물리Ⅰ-뉴턴 의 운동 법칙 스포츠 경기 - 영역형 스 포츠

4

내가 만든 스포츠화 홍보하기

• 개인이 디자인한 스포츠화에 대해 조별 예선 을 거쳐 우수 작품을 선별한다.

• 각 조별 우수 작품을 학급 전체 학생들에게 홍보를 한다.

- 나만의 작품에 대해 발표하고 친구들의 작품 을 감상하며 과학적 원리를 되짚어 보고 다양 한 아이디어를 접하며 창의력을 키운다.

물리Ⅰ-뉴턴 의 운동 법칙 도전과 경쟁 스포츠 경기 - 영역형 스 포츠

(50)
(51)

1차시

축구 속 과학은 무엇이 있을까?

교사용 교재

(52)

◉ 수업 지도안

단 원 물리Ⅰ-Ⅰ.시공간과 우주-4.뉴턴의 운동법칙

연계 단원 10학년 - 도전과 경쟁 - 도전과 경쟁 스포츠 경기 - 영역형 스포 츠

수업차시 1차시 지도대상 고등학교 2학년

활동유형 실험, 계산, 토론, 설계

교과 학습목 표

1. 볼트래핑 체험을 하며 운동량과 충격량에 대해 탐구한다.

2. 진동카를 이용해 힘의 합성과 분해, 뉴턴의 운동 법칙에 대해 탐구한다.

교과 연계성

중등 과학 물질과 에너지 - 힘과 운동

중등 체육 도전과 경쟁 스포츠 경기 - 영역형 스포츠

학습

단계 교수 ․ 학습 활동 시간

(분)

학습 자료 및 유의점

도입

축구에서 볼트래핑에 대해 간단히 알아본다.

리오넬 메시의 다양한 볼트래핑 동영상을 보며 과학적 원리 가 무엇이 있는지 생각해본다.

<사진출처 : http://blog.naver.com/rudaud621?Redirect=Log&logNo=130133317341>

전세계인에 가장 사랑받는 축구 선수인 메시의 동영상 을 보면 다른 선수들과는 다른 점을 발견할 수 있다. 특히 남학생들이 많은 관심을 가지고 있고 메시가 왜 사랑받고 있는지 알고 있는 학생들이 많다. 영상을 본 후 간단하게 발 표를 유도해 보는 것도 좋다.

∙ 메시의 볼 트래핑 동영 상 - 인터넷 검색

탁구를 이용한 볼트래핑 체험하기

2인 1조가 되어 서버와 리시버 역할을 번갈아가며 수행한다. 이 때 리시버의 역할은 탁구공을 서버에

(53)

- 47 - 학습

단계 교수 ․ 학습 활동 시간

(분)

학습 자료 및 유의점

본활동

진동카를 이용해 축구화의 바닥 구조 이해하기

축구화의 바닥은 ‘스터드’라고 하는 것이 박혀있 어 일반 운동화와는 많이 다른 모습을 하고 있다. 스 터드의 역할이 무엇인지 다양한 재료를 이용해 진동 카의 다리를 만들며 탐구해 볼 수 있다. 뉴턴의 운동 법칙 중 가속도의 법칙과 작용 반작용의 법칙을 이 용해 설명할 수 있다. 힘이 벡터라는 것을 이해하고 힘의 분산에 대해 설명할 수 있다.

시간이 부족하다면 진동카의 몸체 부분은 미리 만들 어진 것을 사용하고 다리 부분만 직접 제작할 수 있도 록 한다.

∙ 진동카 만들 기

사진 제시

진동카를 직진하도록 만들어본 후 왜 진동이 발생하는지와 진동에 의해 앞으로 갈 수 있는지 설명해보자. 진동카를 원 하는 방향으로 움직이도록 만들 수 있는가? 어떻게 하면 진 동카를 원하는 방향으로 움직이도록 할 수 있을까?

고무 호스 등을 이용해 진동카 트랙을 만들고 누가 빨리 가는지 조별 시합을 해본다.

정리

탐구내용 발표하기

- 활동을 통해 학습에 대한 즐거움 갖기

- 자기평가 ‧ 상호평가를 통하여 서로의 아이디어를 공유한다.

- 주변에서의 이와 같은 활동 시 대체 할 수 있는 것들을 찾아 본다.

∙ 활동을 통 해 학생들이 새로 알게 된 내용을 확인 한다.

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(55)

- 49 -

01. 축구 속 과학은 무엇이 있을까?

<사진출처 : 타임지>

제1의 메시, 새로운 축구의 신이라는 찬사를 받는 리오넬 메시.

제 2의 메시가 되기 위한 시작은 바로 공을 내 것으로 만드는

볼 트래핑!!

볼트래핑이란?

트래핑이란? 축구에서 패스된 공을 구질에 따라 발·허벅지·이마·가슴 등을 이용해 멈추게 하는 일이다.

▪ 볼 트래핑을 설명하기 위해 어떤 과학적 원리가 필요할까요? 축구 선수들의 화려한 볼트래핑 동영상을 보며 생각을 적어봅시다.

<사진출처 : http://www.nemopan.com/3336148>

(56)

볼트래핑의 비밀을 풀어봅시다

체 험 볼트래핑 속의 과학을 체험으로 확인해보아요.

☼ 실험목표

볼트래핑에서 사용된 과학적 원리를 찾아낼 수 있다.

☼ 실험 시 유의사항

1. 교실에서의 체험이므로 안전 사고에 주의한다.

☼ 지도 시 주의사항

1. 몸에서 최대한 가까이 떨어뜨리는 것이 목적이다.

☼ 실험 준비물

각 모둠당 탁구 라켓 2개, 탁구공 2개

☼ 실험방법

1. 2인 1조가 되어 실험을 하며 실험 테이블을 사이에 두고 마 주보며 준비를 한다.

<출처 : 연합뉴스>

2. 서버가 탁구공이 리시버의 몸쪽을 향하도록 라켓을 이용해 보낸다.

3. 리시버는 탁구공을 최대한 자신의 몸에 가까이 떨어지도록 라켓을 이용해 받아 낸다.

(57)

- 51 -

☼ 실험 결과 및 토론

1. 리시버가 탁구공을 가까이 떨어뜨리기 위해서 어떤 방법을 사용해야 했나요?

답안예시) 리시버는 탁구공에 닿기 전에는 라켓을 서버 방향으로 내밀고 있다가 탁구공이 라켓에 닿는 순간부터 탁구공의 속도에 맞춰 뒤쪽으로 쭉 빼주었다.

2. 리시버가 탁구공을 받는 과정에서 사용된 과학적 원리는 무엇이 있나요?

답안 예시) 운동량의 변화량이 충격량과 같다.

☼ 실험 원리

운동량 - 물체의 운동 규모와 관련된 물리량으로써, 질량이 이고, 속도가 인 물체의 운동량은   로 정의하고, 단위로는 kg・m/s를 사용한다. 만일 물체가 운동하는 동안에 질량이 변하지 않는다면 뉴턴 운동 법칙은 힘 가 일정한 경우

    



 

 로 나타낼 수 있다.

운동량 보존 - 물체에 알짜힘이 작용하지 않는다면 그 물체의 운동량은 항상 같 다.

<출처 : Dominique Toussaint at en.wikipedia.com>

충격량 - 일정 시간동안 어떤 물체에 작용한 힘의 총량으로 로 정의하고, 단위는 N・a를 사용한다.

<출처 : http://blog.naver.com/sjs4212/70146942250>

운동량과 충격량의 관계 - 물체가 운동하는 동안 질량이 변하지 않는다면

  이다. 즉, 물체에 가해진 충격량은 물체가 가진 운동량의 변화와 같다.

(58)

축구화 바닥은 어떻게 생겼을까?

축구화 바닥의 돌기는 선수가 가속하는 순간 신발이 지면에서 미끌어지지 않고 원 하는 방향으로 이동하기 위해 꼭 필요한 것이다. 신발과 지면과의 역학적 관계를 고려하여 설계되었으며 그 재질 또한 중요하다. 이러한 돌기를 스터드라고 부르며 스터드가 경기력을 크게 향상시키고 있다. 그러나 선수의 몸무게가 신발 아래의 스 터드로 집중되면 경기 후 발바닥에는 물집이 생길 수 밖에 없다. 그 점을 보와하기 위해 신발 밑창에 알루미늄 등으로 만들어진 압력 분산판을 넣는다. 또한 둥근 모 양이 아닌 다양한 모양의 스터드를 개발하여 압력을 분산시키고 방향 전환 등 가속 운동을 쉽게 할 수 있도록 도와주고 있다.

축구화 바닥은 왜 울퉁불퉁 할까요?

실 험 진동카를 이용해 축구화 속의 과학을 알아보자.

☼ 실험목표

축구화 바닥이 울퉁불퉁한 이유를 진동카를 통해 알아보도록 한다.

☼ 실험 시 유의사항

1. 칼이나 가위를 이용할 때 다치지 않도록 주의 한다.

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☼ 실험 준비물

CD, 테이프, 모터, 건전지, 건전지 스위치, 병뚜껑, 클립, 두꺼운 종이, 나무 젓가락

☼ 실험방법

1. 2인 1조가 되어 CD를 이용 해 진동카의 몸통을 만든다.

2. 몸통에 건전지 끼우개와 모 터를 고정시키고 모터에 병뚜껑 을 중심에서 조금 벗어나게 고 정 시킨다.

3. 나무 젓가락 또는 클립 등 다양한 재료를 이용해 다리를 만든다. 이때 진동에 의해 앞으 로 갈 수 있도록 다리를 설계한 다.

<출처 : http://cafe.naver.com/iamgenius/3160>

4. 가장 빨리 목표지점에 도달 하는 진동카를 찾아보자. 진동 카는 어떤 원리에 의해 앞으로 가는지 생각해보자. 원하는 방 향으로 진행하도록 만들어보자.

☼ 실험 결과 및 토론

1. 진동카를 앞으로 진행시키기 위해 다리의 구조를 어떻게 만들었나요?

답안예시) 다리가 바닥에 닿는 부분을 진행 방향의 반대 방향으로 구부러지도록 만들어 진동이 일어날 때 앞쪽으로도 힘을 받도록 만들었다.

2. 진동카가 앞으로 진행하는 과정에서 사용된 과학적 원리는 무엇이 있나요?

답안 예시) 진동카는 작용 반작용에 의해 바닥으로부터 힘을 받고 있다. 이 힘을 분해하면 진행 방향의 힘이 있음을 알 수 있다.

(60)

☼ 실험 원리

가속도의 법칙 - 가속도는 말 그대로 속도가 더해지는 정도를 나타내는 물리량이 다. 수학적으로 속도를 시간에 대해 미분하면 가속도가 나온다. 즉, 가속도란 시 간에 따른 속도의 순간적인 변화량이다. 뉴턴은 1687년 발표한 <자연철학의 수학 적 원리(프린키피아)>에서 자신의 두 번째 운동 법칙을 다음과 같이 기술하였다.

“운동의 변화는 가해진 힘에 비례하여 힘이 가해진 직선 방향으로 일어난다.”

여기서 운동의 변화는 운동 상태의 변화를 말하는데 뉴턴이 생각했던 운동 상태 는 운동량(momentum)이라는 물리량으로 표현된다.  



   

  

이 방정식의 뜻을 말로 표현하면, 질량 에 힘이 작용하면 이 물체의 속도가 변 한다는 뜻이다. 그러니까 뉴턴 역학에서의 힘이란 물체의 속도변화의 요인이 되 는 무엇이다. - 네이버 캐스트

작용 반작용의 법칙 - 로켓이 자체 추진력을 얻는 원리는 작용-반작용의 법칙으 로 쉽게 설명할 수 있다. 뉴턴에 의하면

“모든 작용에는 크기가 같고 방향이 반대인 반작용이 항상 존재한다. 즉 두 물 체가 서로에게 미치는 힘은 항상 크기가 같고 방향이 반대이다.”

<출처 : 네이버 캐스트>

여기서 작용(action)이란 엄밀하게 말해서 운동량(momentum)에 해당하는 물리량이 다. 고립된 물리계에서 운동량이 생긴다면 그와 똑같은 크기의 운동량이 반대 방 향으로 생긴다. 이렇게 생긴 운동량의 시간에 따른 변화가 곧 힘으로써 항상 크 기가 같고 방향이 반대이다.

벡터의 분해 - 같은 효과를 내는 두 개 이상의 벡터를 구 하는 것이다. 이 벡터를 성분 벡터라고 한다. 벡터를 대각

(61)

2차시

풋살 속 과학은 무엇이 있을까?

교사용 교재

(62)
(63)

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◉ 수업 지도안

단 원 물리Ⅰ-Ⅰ.시공간과 우주-4.뉴턴의 운동법칙

Ⅳ.에너지-1.역학적 평형, 2.유체에서의 압력

연계 단원 10학년 - 도전과 경쟁 - 도전과 경쟁 스포츠 경기 - 영역형 스포 츠

수업차시 2차시 지도대상 고등학교 2학년

활동유형 실험, 계산, 토론, 설계

교과 학습목 표

1. 공의 회전에 따른 운동에 대해 과학적으로 탐구한다.

2. 신발이 바닥과의 마찰에 따라 어떤 영향을 받는지 이해한다.

교과 연계성

중등 과학 물질과 에너지 - 힘과 운동

중등 체육 도전과 경쟁 스포츠 경기 - 영역형 스포츠

(64)

학습

단계 교수 ․ 학습 활동 시간

(분)

학습 자료 및 유의점

도입

풋살에 대해 알아본다.

- 풋살은 뉴스포츠로써 축구를 실내 체육관에서 할 수 있도 록 만든 종목이다.

<사진출처:http://ask.nate.com/qna/view.html?n=8246429>

풋살은 축구와 유사한 종목이고 축구를 좋아하는 학생 들 중 풋살을 즐겨하는 학생도 있을 것이다. 학교 주변에 풋 살구장이 있는지 검색해 보고 그곳을 이용하는 학생들의 발 표를 유도해보는 것도 좋을 것이다. 인터넷을 이용하면 풋 살에 대한 다양한 동영상 자료를 찾을 수 있다.

∙ 풋살에 대 한 동영상 자 료

본활동

탁구를 이용한 공의 회전 운동 체험하기

축구공을 찰 때 공이 회전하면서 회전하지 않을때 와는 다른 방향으로 경로가 바뀌게 된다.

(65)

- 59 - 학습

단계 교수 ․ 학습 활동 시간

(분)

학습 자료 및 유의점

본활동

자전거 타이어 재질에 따른 마찰력 비교

최근 자전거를 타는 인구가 많이 늘어나면서 다양 한 형태의 자전거가 등장하고 있다. 그중 가장 대표 적인 두가지가 바로 MTB와 Road Bike이다. 이 둘의 가장 큰 차이점 중의 하나가 바로 타이어의 구조이 다. 왜 이런 차이가 있는지 실험을 통해 알아보자.

MTB와 유사한 장난감 자동차 바퀴를 가지고 매끈한 표면과 거친 표면에서 마찰력을 비교한다. 자동차 바퀴에 고무밴드를 이용해 Road Bike와 유사한 타 이어 구조를 만들고 동일한 실험을 한 후 어떤 차이 점이 있는지 비교해보자.

MTB 타이어 로드바이크용 타이어 축구화와 풋살화의 차이점을 자전거 타이어와 비교

하여 설명해보자.

매끈한 표면은 책상위에서 실험을 하고 거친 표면은 비즈알을 이용해 만들면 지저분해지지 않고 실험을 할 수 있다.

축구화 풋살화

∙ 자전거 타이 어 모습 비교

∙ 축구화와 풋 살화 비교

정리

탐구내용 발표하기

- 활동을 통해 학습에 대한 즐거움 갖기

- 자기평가 ‧ 상호평가를 통하여 서로의 아이디어를 공유한다.

- 주변에서의 이와 같은 활동 시 대체 할 수 있는 것들을 찾아 본다.

∙ 활동을 통 해 학생들이 새로 알게 된 내용을 확인 한다.

(66)
(67)

- 61 -

02. 풋살 속 과학은 무엇이 있을까?

<출처 : 네이버 지식백과>

풋살(Futsal)이란 용어는 스페인어 또는 포르투갈어로 ‘축구’를

의미하는 ‘FUTbol’ 또는

‘FUTebol'과 ‘실내’를 의미하는 프랑스어 ‘SALon' 또는 포르투갈어의 ’SALa‘를 합성하여

만들어졌다.

풋살이란?

<출처 : 네이버 지식백과>

풋살은 5명이 한팀을 이루고 가로 20m, 세로 40m의 작은 경기장에서 가로 3m, 세로 2m의 골문에 차 넣는 경기이다. ‘미니 축구’나

‘길거리 축구’로 불리며 공의 크기는 4호 (축 구공은 5호)이다. 배구장만한 공간만한 크기이 기 때문에 속도감이 매우 뛰어나다. 심한 태클 이나 슬라이딩 태클은 금지된다. 따라서 빠른 순발력과 판단력 및 정교한 기술 등이 요구된 다.

브라질의 축구스타 펠레나 베베투, 호나우두는 모두 풋살 선수 출신이다. 남미와 유럽 미주에 서는 풋살을 하다 축구 선수로 전압하는 일이 흔하다. 우리나라에는 1996년 강원도 홍천에 풋 살타운이 처음 세워졌으며, 2002년 2월 대한풋 살협회가 발대식을 갖고 공식활동을 시작했다.

(네이버 지식백과)

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풋살 속 회전 과학을 풀어봅시다

체 험 풋살 속의 과학을 실험으로 확인해보아요.

☼ 실험목표

탁구를 이용해 공의 회전에서 사용된 과학적 원리를 찾아낼 수 있다.

☼ 실험 시 유의사항

1. 실험실에서 탁구공을 이용한 활동이므로 충돌에 주의한다.

☼ 지도 시 주의사항

1. 학생들이 과도한 경쟁을 하지 않도록 주의시킨다.

☼ 실험 준비물

각 조별 탁구 라켓 2개, 탁구공 1개

☼ 실험방법

1. 축구에서의 바나나킥과 같이 탁구공을 이용해 골을 넣어보 자.

2. 탁구공에 다양한 스핀을 주 며 서브를 넣어보자.

3. 탁구공을 다양한 스핀을 주

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☼ 실험 결과 및 토론

1. 서버가 탁구공을 바나나킥과 같이 휘어지도록 만들려면 어떻게 공을 쳐야 하 나요? 공이 휘어지는 이유는 무엇때문인가요?

답안예시) 공을 휘게 만들기 위해서는 공에 회전을 주어야한다. 공이 회전하면서 생긴 압력차에 의해 공이 힘을 받고 휘어지게 된다.

2. 서버가 탁구공을 지면에 닿은채로 리시버에게 보낼 때 공에 회전을 주면 어떻 게 될까?

답안 예시) 공은 회전 운동에 의해 경로가 휘게 되고 공의 회전 방향에 따라 공 이 휘어지는 방향도 달라진다.

☼ 실험 원리

회전력(돌림힘) - 물체를 회전시키는 효력을 나타내는 물리량이며, 힘과 받침점까 지의 거리의 곱이다. 기호는 τ(타우)를 사용한다. 돌림힘은 벡터량이며, 힘 벡터 와 받침점까지의 거리 벡터의 외적이다.   × 이고, 는 가한 힘, 은 회전축까 의 변위이다.(위키백과)

각운동량 보존 - 돌림힘은 회전운동의 원인으로 돌림힘을 가하지 않으면, 각운동 량의 시간에 대한 변화가 없고, 그 결과 각운동량이 보존된다. 질량 인 물체가 어떤 회전의 중심으로부터 만큼 떨어져 선속도 로 운동하고 있다면, 이 물체의 각운동량   이다. 이 때 회전 운동에서 주로 사용하는 각속도로 선속도를 표 현하면   이므로,      로 나타낸다. 는 회전운동에서 질량의 역 학을 하는 물리량으로 회전관성이라고 한다. (네이버 캐스트)

마그누스 효과(베르누이 정리) - 유체 속에서 회전하는 물체가 회전에 의해 흐름 이 가속되는 쪽에서 유속과 회전축에 모두 수직인 힘의 작용을 받는 현상. 즉, 회 전하는 원주 모양의 물체에 흐름이 직각으로 부딪치면, 그 물체는 흐름에 직각방 향인 힘을 받는다. 원주 모양뿐만 아니라 구와 같은 3차원적인 물체가 회전하는 경우에도 마그누스 효과가 성립된다. 즉 구 모양의 물체는 흐름과 회전축 모두에 직각 방향의 힘의 작용을 받는다. 야구 경기에서의 커브볼은 마그누스 효과를 설 명해 주는 하나의 예이다.

<출처 : 사이언스올 과학백과사전>

(70)

풋살화 바닥은 어떻게 생겼을까?

풋살화는 축구화에 비해 스터드의 높이가 낮고 많은 수가 촘촘하게 박혀있습니 다. 잔디가 아닌 실내 체육관에서 이루어지는 풋살의 경우 축구와 경기 방식은 비슷하지만 운동화의 밑창이 다른 이유는 무엇때문일까요?

자전거 타이어의 종류와 비교하며 알아봅시다.

타이어에 나 있는 홈인 트레드의 모양은 마찰력을 조절하는데 중요한 역할을 한 다. 로드 바이크용 타이어와 같이 트레드가 거의 없을 경우 일반 도로와 같이 마 르고 매끈한 바닥에서 마찰력 증가한다. 반면에 MTB와 같이 울퉁불퉁 트레드가 있는 경우 일반 도로가 아닌 오프로드를 달릴 때 유리하기 때문에 울퉁불퉁한 길 을 갈 때 사용한다.

(71)

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지면과의 마찰력의 무엇에 따라 달라질까?

실 험 타이어를 이용해 마찰력에 대해 알아보자.

☼ 실험목표

타이어의 종류에 따른 마찰력에 대해 알아보자.

☼ 실험 시 유의사항

1. 장난감 자동차를 가지고 장난 치지 말자.

☼ 지도 시 주의사항

1. 구간이 짧아 시간을 비교하기 힘들 경우 구간을 조금 더 늘려서 실험 하자.

☼ 실험 준비물

장난감 자동차, 고무 밴드, 초시계, 작은 구슬

☼ 실험방법

1. 장난감 자동차가 1m 거리를 이동하는데 걸리는 시간을 3번 반복하며 측정한다.

2. 장난감 자동차가 작은 구슬 이 깔린 1m의 거리를 이동하는 데 걸린 시간을 3번 반복하며 측정한다.

3. 타이어에 고무 밴드를 일정 한 간격으로 감은 후 1, 2번 실 험을 반복한다.

4. 동영상으로 촬영 후 Tracker 프로그램을 이용하여 운동을 분 석해 보자.

참조

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