한국과학창의재단 이사장 귀하

(1)

2018 융합인재교육(STEAM) 교사연구회 최종보고서

2018. 10.

광주자동화설비공업고등학교

【 2018년 융합인재교육(STEAM) 교사연구회 결과보고서 】

과 제 개 요

과제명 2018년 융합인재교육(STEAM) 교사연구회 운영

STEAM 프로그램

구분

프로그램명 고등학교 과학탐구실험 물리학 관련 수업용 STEAM 프로그램

학교급 고등학교 대상

학년(군) 1학년, 2학년

중심과목 과학

중심과목 성취기준

영역

[고등학교] <과학탐구실험> (1)역사 속의 과학탐구 (2) 생활 속의 과학탐구 (3) 첨단 과학 탐구

연계과목 미술

국어

연계과목 성취기준

영역

[고등학교 1학년] <미술>

[고등학교] <국어> (1) 듣기, 말하기

연구기간 2018.3.협약체결일 ~ 2018.11.23.(약 8개월)

신청금액 일금사백만원(￦4,000,000)

참여연구원 9명 (연구책임자: 1명, 공동연구원: 8명) 연구 수행자에 관한 사항

구분 소속 학교명 담당과목 직위 성명

연구책임자 광주자동화설비공

업고등학교 과학 교사 모연환

공동연구원 광주과학고등학교 과학 교사 양회관

공동연구원 전남대학교사범대

학부설고등학교 과학 교사 김학태

공동연구원 광주과학고등학교 과학 교사 김광식

공동연구원 광주과학고등학교 과학 교사 김동식

공동연구원 전남공업고등학교 과학 교사 박슬기

공동연구원 광주고등학교 과학 교사 황선호

공동연구원 운남고등학교 과학 교사 김홍기

공동연구원 전남대학교사범대

학부설고등학교 미술 교사 최진우

2018년도 정부의 R&D 재원으로 한국과학창의재단의 지원을 받아 융합인재교육(STEAM) 교사연구회를 운영한 중간 결과로써 본 보고서를 제출합니다.

2018년 10월 23일

연구책임자 : 모연환 (인)

한국과학창의재단 이사장 귀하

(2)

“이 보고서는 2018년도 정부의 재원으로 한국과학창의재단의 지원을 받아 수행된 성과물임 ”

목 차

1. 요약문··· 5

2. 서론··· 5

3. 연구 수행 내용 ··· 5

4. 연구 수행 결과 ··· 7

5. 결론 및 제언 ··· 7

[부록]

부록1. STEAM 프로그램 개발 내용 및 결과물 ··· 8

부록2. 학생 활동 결과물 ··· 89 부록3. 회의록 ··· 91

(3)

1. 요약문

2015 개정 통합과학 교육과정은 학생 중심의 다양한 활동을 통해 창의융합적인 사고력 신장 을 목표로 한다. 이는 STEAM 프로그램의 목표와도 일맥상통한다. 따라서 새로 신설된 과학탐 구실험 교과 수업에 STEAM 프로그램을 적용했으며, 많은 과학교사들이 쉽게 수업에 적용할 수 있는 교수학습 자료이다.

2. 서론

◦ 2015 개정교육과정 ‘과학탐구실험’ 교과의 물리 부분수업 및 창의적 체험활동에 적용 가능한 STEAM 프로그램 개발

◦학생 활동 중심의 STEAM 프로그램 수업을 통해 과학 기술 기반에 대한 흥미와 이해를 높이고, 융합적 사고력과 문제 해결능력을 배양

◦새로 도입된 교육과정의 수업을 위한 교사 연수 자료 개발

3. 연구 수행 내용

가. STEAM 프로그램 연구 계획

STEAM 프로그램

구분

프로그램명 고등학교 과학탐구실험 물리학 관련 수업용 STEAM 프로그램 학교급 고등학교 대상 학년(군) 1,2 학년

중심과목 과학 중심과목 성취기준 영역

[고등학교] <과학탐구실험> 1. 역사 속의 과학탐구 [고등학교] <과학탐구실험> 2. 생활 속의 과학탐구 [고등학교] <과학탐구실험> 3. 첨단 과학탐구

연계과목 미술

국어

연계과목 성취기준 영역

[고등학교] <미술> 1.체험, 2.표현 [고등학교] <국어> 1. 듣기 말하기

개발계획

주제 연번 차시

(시수) 과목 연계

1 3 과학(3)

2 15 과학(10) + 미술(2) + 국어(3) 3 10 과학(5) + 미술(4) + 국어(1)

※ 사전에 제출한 STEAM 프로그램명은 ‘고등학교 물리1 (3)정보와 통신 수업용 STEAM 프 로그램’ 이었으나, 2015 개정 교육과정 개편으로 인해 (3)정보와 통신 단원 내용이 삭제됨 부득이하게 2015 개정 교육과정에 맞춰 새로 도입된 과학탐구실험 관련 STEAM 프로그램을 개발함.

나. STEAM 프로그램 연구 내용 주제

연번 제 목 차시 내 용

1 역사 속의 과학탐구 3 - 다양한 운동 표현하기

2 생활 속의 과학탐구 15

- 스포츠 속의 과학원리 알아보기 - 충돌에 의한 안전사고 예방 장치 만들기 - 영화 속에서 찾는 탐구의 즐거움 - 미래 에너지 발전 방향에 대한 토론활동 - 3분 과학 말하기 활동

3 첨단과학탐구 10

- 태양광 발전을 이용한 장치 만들기 - 지속가능한 친환경 에너지 도시 설계하기

다. STEAM 프로그램의 적용

(가) 연구회 교사 소속 학교 학생을 대상으로 한 STEAM 프로그램 운영 (나) 교내 수업 공개 시 STEAM 프로그램을 적용한 수업 실시 (다) 광주교육과학연구원 빛 체험관 견학 학생을 대상으로 운영

라. STEAM 수업 평가 방법 개발 및 적용 성과 조사 1) 평가를 위한 과목별 성취기준 숙지

2) STEAM 프로그램별 수행평가 계획 및 자유학기제 평가 계획 사전 연구 3) 프로그램별 평가계획을 위한 사전 교사 모임을 실시하여 과목별 성취기준에

따른 평가 방법 연구

4) STEAM 수업 적용 전․후 학생 태도 및 만족도 검사 실시

마. STEAM 협력 연구 강화 및 확산 실천

1) 교육부와 한국창의재단이 주최하는 STEAM 워크숍 및 성과 발표회에 연구 회원 1인 이상 참석

2) STEAM 프로그램 내용으로 공개수업 실시 3) 광주교육과학연구원 주관 교원대상 연수 실시

(4)

4. 연구 수행 결과

- 교과수업, 자유학년제, 창의적 체험활동에 적용 가능한 STEAM 프로그램을 개발 및 보급하여, 교사들의 STEAM 교육 역량을 강화한다.

- 4차 산업혁명에 대비할 수 있는 창의 융합형 인재를 양성할 수 있는 기반을 조성한다.

- 과목별로 분과된 교육현장을 극복하고, 학생 중심의 참여형 수업 확대로 교과에 대한 학생들의 흥미와 관심을 확대할 수 있다.

구분 수행 결과

교수학습지도안 개발 차시 3주제 총 28차시 중 28차시

수업 적용 일정 2018. 3. 2. ~ 2018. 12. 31.

(STEAM 수업)수혜학생 수 광주자동화설비공업고등학교 80명(고등학교 1학년 전교생)

학생 태도검사 사전검사 4월, 1개 학급(21명) 실시 완료 사후검사 10월, 1개 학급(21명) 실시 완료

학생 및 교사 만족도조사 10월 19일 실시 완료

교사연구회 STEAM 행사 개최

2018.7.30.~8.3. 2015 개정 교육과정 신설과목

‘과학탐구실험’ 지도역량 강화연수 4기 교원 연수 실시 2018.6.22. 5교시 본교 연구학교 실천단계 공개수업실시

주제 : ‘3분 과학 말하기’

논문 또는 학술대회 해당 없음

특허출원(국외, 국내) 해당 없음

5. 결론 및 제언

※ 새로 도입된 2015 개정 교육과정이 2018년도부터 적용되기 시작하였고, 더욱이 통합과학은 과학의 서로 다른 네 과목이 융합되어 있다. 또한 과학탐구실험 교과의 경우 학생 활동 중심 의 수업이 이루어 져야 하므로, 바로 수업을 시작해야 하는 과학 교사들에게는 교수학습 자료 준비 및 수업에 어려움이 있다. 따라서 연구회를 통해 과학탐구실험에 STEAM을 적용한 자료 를 개발 및 적용해 보고, 아이디어를 공유하면서 학생 활동 중심의 수업에 도움을 줄 수 있는 교수 학습 자료를 개발하였다.

※ 2015 개정 교육과정 과학탐구실험 내용 중 물리학 관련 내용들을 선별 후, 교사별로 STEAM 프로그램을 개발하여 협의회를 통해 내용의 상호 보완 및 피드백 과정을 거쳐 자료를 개발하 였다.

[부록1] STEAM 프로그램 개발 내용 및 결과물

붙임 STEAM 프로그램

고등학교 과학탐구실험 물리학 관련 수업용 STEAM 프로그램

1. STEAM 프로그램 개발·적용 교육과정

차시 2015 개정 교육과정 성취기준 (연계과목) 성취기준 영역

1~3/3

[10과탐01-01]

과학사에서 패러다임의 전환을 가져온 결정적 실험을 따라해 보고, 과학의 발전 과정에 대해 설명할 수 있 다.

[고등학교] <국어> 1. 듣기 말하기

1~3/15

[10과탐02-02]

영화, 건축, 요리, 스포츠, 미디어 등 생활과 관련된 다양한 분야 에 적용된 과학 원리를 알아보는 실험을 통해 과학의 유용성을 설명할 수 있다.

4~6/15

[10과탐02-02]

<미술> 1. 체험, 2. 표현

7~9/15

[10과탐02-02]

[고등학교] <미술>1. 체험, 2. 표현

10~12/15

[10과탐02-06]

과학 관련 현상 및 사회적 이슈에서 과학 탐구 문제를 발견할 수 있다.

13~15/15

[10과탐02-06]

과학 관련 현상 및 사회적 이슈에서 과학 탐구 문제를 발견할 수 있다.

1~5/10

[10과탐03-01]

첨단 과학기술 속의 과학 원리를 찾아내는 탐구 활동을 통해 과 학 지식이 활용된 사례를 추론할 수 있다.

6~10/10

[10과탐03-02]

첨단 과학기술 및 원리가 적용된 과학 탐구 활동의 산 출물을 공유하고 확산하기 위해 발표 및 홍보할 수 있 다.

[고등학교] <국어> 1. 듣기 말하기 [고등학교] <미술>1. 체험, 2. 표현

(5)

2. STEAM 프로그램 총괄표(총 28차시)

차시 주요내용

3/3

주제(단원)명 - 다양한 운동 표현하기

- 일상생활에 속에서 볼 수 있는 다양한 운동을 찾아 핸드폰 어플을 이용해 촬영해 운동을 기록 및 분석 후, 영상 발표회를 통해 운동에 대해 설명한다.

Co 밖으로 나가 일상생활에서 볼 수 있는 다양한 운동 찾기

CD 다양한 운동 혹은 창의적인 운동을 연출하여 핸드폰 어플을 이용하여 촬영하기

ET 촬영한 영상을 편집 및 제작하여 영상발표회를 통해 운동을

설명하기 <국어-1.듣기말하기>

1~3 /15

주제(단원)명 -스포츠 속의 과학원리 알아보기

- 학생 활동 중심의 여러 탐구 활동을 통해 베르누이 법칙을 이해하고, 종이 부메랑이 잘 되돌아 올 수 있도록 직접 다지인하고 제작하여 조건을 다르게 하면서 날려본다.

Co 실생활에서 볼 수 있는 유체와 관련된 여러 현상들을 찾고, 탐구활동 실험 내용을 베르누이 법칙으로 설명하기

CD 베르누이 법칙을 이용해 잘 되돌아 올 수 있는 나만의 부메랑 디자인 및 제작하기

ET 부메랑 날개의 모양 등 조건을 변화시키면서 잘 되돌아오는 부메랑 날리기

4~6 /15

주제(단원)명 -충돌에 인한 안전사고 예방 장치 만들기

운동량과 충격량 사이의 관계를 이용해 달걀을 안전하게 담을 수 있는 장치를 만들고 직접 떨어뜨려보고, 일상생활 속 창의적인 안전장치를 디자인해 홍보 4 컨 만화를 만들어 보고, 홍보 CF 시나리오 및 발표를 통해 의사소통 능력과 창의성을 기른다.

Co 안전을 위해 충격을 흡수하는 다양한 사례 찾기, 떨어지는 달걀을 안전하게 담을 수 있는 방법은?

CD 떨어지는 달걀을 안전하게 담을 수 있는 장치 설계하기,

창의적인 안전장치 디자인하기 <미술-2.표현>

ET 달걀 낙하 실험하기

창의적인 안전사고 예방 장치 홍보 4컷 만화로 발표하기 <국어-1.듣기말하기>

7~9 /15

주제(단원)명 -영화 속에서 찾는 탐구의 즐거움

. 앞의 1~3/3 차시 다양한 운동 표현하기 활동의 심화 활동으로 세 가지 운동(등속직선운동, 원운동, 등가속도 운동)을 시간에 따른 위치를 계산하여 과학적이고 창의적인 방법으로 표현하고 핸드폰 어플을 이용해 촬영한 뒤, 영상 발표회를 통해 발표한다.

Co 일상생활 속 등속 직선운동, 원운동, 등가속도 운동을 찾아 과학적으로 분석하기

CD 창의적으로 표현한 세 가지 운동의 시간에 따른 위치를 직접

계산한 뒤, 어플리케이션을 이용해 촬영하기 <미술> 2. 표현

ET 촬영한 영상을 편집 및 제작하여 영상발표회를 통해 운동을 설명하기

10~12 /15

주제(단원)명 - 미래 에너지 발전 방향에 대한 토론 활동

- 지구 온난화의 원인과 피해에 대해 과학적으로 분석하고, 우리나라의 미래 에너지 발전 방향에 대한 토론 개요서를 작성하고, 모둠별 토론 활동을 실시한다.

Co 지구 온난화의 원인과 피해에 대한 자료 조사하기 여러 가지 에너지 발전 방식의 장단점 조사하기

CD 지구 온난화와 연관지어 우리나라의 미래 에너지 발전 방향에

대한 토론 개요서 작성하기 <국어-1.듣기말하기>

ET 모둠별 토론활동 하기 <국어-1.듣기말하기>

13~15 /15

주제(단원)명 - 3분 과학 말하기 활동

과학을 주제로 3 분 말하기 활동을 위해 쉽고 재미있는 시나리오를 작성하고 간단한 소품을 준비하여 발표한다.

Co 사회적으로 이슈화된 과학적 주제 소개하기

CD

관심 있거나 소개하고 싶은 과학 주제 선정하기

쉽고 재미있는 시나리오 작성 및 창의적인 발표 방법 구상 및 연습하기

<국어-1.듣기말하기>

ET 과학 3 분 말하기 활동하기 <국어-1.듣기말하기>

1~5 /10

주제(단원)명 - 태양광 발전을 이용한 장치 만들기

- 학생 활동 중심의 태양전지에 대한 여러 탐구 활동을 통해 태양전지의 유용성을 이해하고, 실생활 속 태양 전지가 사용되고 있는 사례를　조사한 뒤, 일상생활 속에서 사용할 수 있는 창의적인 태양 전지 발명품을 디자인하고, 발명품 홍보 4컷 만화를 그리고 발표한다.

Co 태양 전지 관련 다양한 탐구활동 하기 실생활 속 태양 전지가 사용되는 사례 조사하기

CD 일상생활 속에서 사용할 수 있는 창의적인 태양 전지 발명품 디자인하기

ET 발명품 홍보 4 컷 만화 그리기 및 발표하기 <국어-1.듣기말하기>

<미술> 2. 표현

6~10 /10

주제(단원)명 -지속가능한 친환경 에너지 도시 설계하기

우리 마을이 효율적인 에너지 자립마을이 될 수 있도록 마을을 직접 설계 및 제작하고 발표를 통해 제작한 마을을 안내한다.

Co 다른 지역의 에너지 자립마을 조사 및 발표하기

CD 우리 마을에 적합한 친환경 에너지 도시 디자인하기 <미술> 2. 표현

ET 친환경 에너지 도시 제작 및 발표하기 <국어-1.듣기말하기>

(6)

3. STEAM 프로그램 차시별 수업지도안

중심과목 과학탐구실험 학교급/학년(군) 고등학교/1 학년 중심과목

성취기준 영역

1. 역사 속의 과학 탐구 중심과목 성취기준

[10과탐01-01] 과학사에서 패러다임의 전환을 가져온 결정적 실험을 따라해 보고, 과학의 발 전 과정에 대해 설명할 수 있다.

주제(단원)명 다양한 운동 표현하기 차시 3/3

학습목표 1. 과학사에서 패러다임의 전환을 가져온 운동을 일상생활 속에서 찾을 수 있다.

2. 영상발표회를 통해 영상 속 운동을 힘을 이용해 설명할 수 있다.

연계과목 국어 연계과목

성취기준 영역 [고등학교] <국어> 1. 듣기 말하기

STEAM 요소

S 물체의 운동과 힘 사이의 관계 이해, 아리스토텔레스와 뉴턴의 사고실험, 갈릴레이 실험의 이해 T 핸드폰 어플리케이션 ‘motion shot’ 을 이용한 촬영 및 편집

E

A 창의적인 운동을 포함한 영상 제작 M

개발 의도

- 전 차시에 학습한 힘과 운동에 대한 내용을 직접 밖으로 나가 일상생활에 속에서 볼 수 있는 다양한 운동을 찾고 적용해보면서, 과학 학습의 유용성을 알고 흥미를 유발한다.

- 핸드폰 어플을 이용해 촬영한 운동을 기록 및 분석 후, 영상 발표회를 통해 발표해 보면서 과학적 의사소통 능력을 기른다.

STEAM 학습준거

상황 제시

상 황 제 시

1. 주위에서 볼 수 있는 다양한 운동 찾아보기.

창 의 적 설 계

창의적 설계

1. 촬영한 영상 편집 및 영상 제작

2. 영상 발표회 감 성 적 체 험 1. 주위에서 볼 수 있는

다양한 운동을 볼 수 있도록 상황 설정 및 촬영

2. 창의적인 물체의 운동을 볼 수 있도록 상황 설정 및 촬영

감성적 체험

중심과목 과학탐구실험 학교급/학년(군) 고등학교/1 학년

중심과목 성취기준

영역

2. 생활 속의 과학 중심과목

성취기준

[10과탐02-02] 과학의 핵심 개념을 적용하 여 실생활 문제를 해결하거나, 탐구에 필 요한 도구를 창의적으로 제작할 수 있다.

주제(단원)명 스포츠 속의 과학원리 알아보기 차시 1~3/15

학습목표

1. 축구공이 휘고, 날개 없는 선풍기에서 바람이 나오는 것처럼 실생활에서 볼 수 있는 여러 현상을 베르누이 법칙을 이용하여 설명할 수 있다.

2. 종이 부메랑을 직접 만들어 날려보면서 부메랑이 되돌아오는 이유를 설명할 수 있다.

연계과목 연계과목

성취기준 영역

STEAM 요소

S 베르누이 법칙의 이해, 실생활 속 베르누이 법칙이 적용된 사례 찾기 T

E 되돌아 올 수 있는 종이 부메랑 제작하기 A 창의적이고 아름다운 나만의 부메랑 디자인하기 M

개발 의도

- 베르누이 계단, 분무기 만들기, 탁구공 공중부양하기, 윈드백 불기, 베르누이 실 장난감 만들기 등 여러 학생 중심의 탐구 활동을 통해 베르누이 법칙을 이해하여, 실생활에서 볼 수 있는 다른 현상들을 설명할 수 있다.

- 종이 부메랑이 잘 되돌아 올 수 있도록 베르누이 법칙을 이용해 제작해 본 뒤 직접 디자인 하고 날려보면서, 창의성 및 과학적 문제해결능력을 기른다.

상황 제시

상 황 제 시

1. 실생활에서 볼 수 있는 유체와 관련된 여러 현상들을 찾기

2. 탐구활동을 통해 베르누이 법칙으로 여러 실험들을 설명해 본다.

창 의 적 설 계

1. 부메랑 날개의 모양을 변화시켜 양력을 조절하여 되돌아오는 부메랑 날리기

감 성 적 체 험 베르누이 법칙을 이용해 잘

되돌아 올 수 있는 나만의 부메랑 디자인 및 제작하기

감성적 체험

(7)

성취기준

[10과탐02-02] 과학의 핵심 개념을 적용하 여 실생활 문제를 해결하거나, 탐구에 필 요한 도구를 창의적으로 제작할 수 있다.

주제(단원)명 충돌에 의한 안전사고 예방 장치 만들기 차시 4~6/15

학습목표

1. 운동량과 충격량 사이의 관계를 이용해 달걀의 충격을 흡수할 수 있는 장치를 만들어 실생활의 문제를 해결할 수 있다.

2. 창의적인 충격 보호 장치를 설계하고, 4 컷 만화로 설명할 수 있다.

연계과목 국어, 미술 연계과목

[고등학교] <국어> 1. 듣기 말하기 [고등학교] <미술> 2. 표현

STEAM 요소

S 운동량과 충격량 사이의 관계 이해, 실생활 속 충격 보호 장치의 종류와 원리 이해 T 달걀에 작용하는 충격을 흡수하기 위한 다양한 구조 디자인하기

E 달걀 낙하 장치 제작하기

A 실생활에 쓰일 수 있는 창의적인 충격 보호 장치 홍보 4컷 만화 그리기 M

개발 의도

1. 학습한 운동량과 충격량 사이의 관계를 이용해 실제 떨어지는 달걀을 충격 없이 담을 수 있는 장치를 제작해 보면서 과학적 문제해결능력과 과학적 사고능력을 기른다.

2. 창의적인 일상생활 속 안전장치를 디자인해 보고, 홍보 4 컨 만화로 발표하면서 의사소통 능력과 창의성을 기른다.

상황 제시

상 황 제 시

1. 안전을 위해 충격을 흡수하는 다양한 사례 찾기

창 의 적 설 계

1. 달걀을 지켜랴!

달걀 낙하 실험하기

2. 창의적인 안전사고 예방 장치 홍보 4컷 만화로 발표하기

감 성 적 체 험 떨어지는 달걀을 안전하게 담을

수 있는 장치 설계하기

감성적 체험

2. 생활 속의 과학 중심과목 성취기준

[10과탐02-02] 과학의 핵심 개념을 적용하여 실생활 문제를 해결하거나, 탐구에 필요한 도구 를 창의적으로 제작할 수 있다.

주제(단원)명 영화 속에서 찾는 탐구의

즐거움 차시 7~9/15

학습목표

1. 일상생활에서 관찰할 수 있는 다양한 물체의 운동을 과학적으로 분석하여, 재밌는 스톱모션 영상으로 만들어 설명할 수 있다.

2. 영상발표회를 통해 영상 속 운동을 힘과 운동을 이용해 설명할 수 있다.

연계과목 미술 연계과목

성취기준 영역 [고등학교] <미술> 2. 표현

STEAM 요소

S 등속 직선운동, 원운동, 등가속도 운동을 과학적으로 표현하기

T 핸드폰 어플리케이션 Stop motion Studiot’ 을 이용한 촬영 및 편집하기 E 다양한 운동을 표현할 수 있는 방법 무대 구상 및 제작하기

A 창의적이고 아름다운 영상 제작하기 M 시간에 따른 물체의 위치를 계산하기

개발 의도

1. 앞의 1~3/3 차시 다양한 운동 표현하기 활동의 심화 활동으로 세 가지 운동(등속직선운동, 원운동, 등가속도 운동)을 과학적이고 창의적인 방법으로 표현한다.

2. 핸드폰 어플을 이용해 촬영한 운동을 기록 및 분석 후, 영상 발표회를 통해 발표해 보면서 과학적 의사소통 능력을 기른다.

상황 제시

상 황 제 시

1. 일상생활 속 등속 직선운동, 원운동, 등가속도 운동을 찾아 과학적으로 분석하기 창

의 적 설 계

1. 촬영한 영상 편집 및 영상 제작

2. 영상 발표회

감 성 적 체 험 1. 등속 직선운동, 원운동,

등가속도 운동을 창의적으로 표현할 방법 구상하기

2. 세 가지 운동을 시간에 따른 위치를 직접 계산하기

3. 세 가지 물체의 운동 촬영

감성적 체험

(8)

주제(단원)명 미래 에너지 발전 방향에

대한 토론 활동 차시 10~12/15

학습목표

1. 우리나라의 미래 에너지 발전 방향에 대한 정보 수집 및 정리하는 과정을 통해 쟁점을 과학적으로 탐구하여 분석하고, 창의적이고 합리적인 의사 결정을 할 수 있다.

2. 토론 활동을 통해 과학적 근거를 바탕으로 자신의 주장을 합리적이고 논리적으로 말할 수 있다.

STEAM 요소

S 우리나라의 미래 에너지 발전 방향에 대한 과학적 이해, 과학적 지식과 과학적 사고력을 활 용하여 문제를 해결할 수 있는 방법 발견하기

T 컴퓨터 등을 이용하여 인터넷, 신문, 논문 등에서 자료 수집하기 E 과학적이고 창의적인 토론을 위한 토론 개요서 작성하기 A

M

개발 의도

1. 지구 온난화의 원인과 피해에 대한 과학적 분석 후, 우리나라의 미래 에너지 발전 방향에 대한 토론 활동을 위해 자료 수집과정에서 화석에너지의 단점과 한계를 인식하고, 우리나라에 적절한 에너지의 발전 방향에 대해 생각해 볼 수 있다.

2. 토론 전 토론 개요서 작성을 통해 자신의 주장을 합리적이고 논리적으로 정리할 수 있다.

3. 토론 활동을 통해 과학적 사고력과 의사소통 능력을 기를 수 있다.

상황 제시

상 황 제 시

1. 여러 가지 에너지 발전 방식에 대한 자료 조사하기

2. 우리나라 에너지 발전의 현재와 미래 발전 방향에 대해 조사하기

창 의 적 설 계

1. 과학 토론 활동하기

감 성 적 체 험 - 우리나라의 미래 에너지 발전

방향에 대한 토론 개요서 작성하기

주제(단원)명 3 분 과학 말하기 활동 차시 13~15/15

학습목표

1. 과학관련 현상이나 사회적 이슈에 대한 자료를 수집 및 분석하여 논리적인 지식을 구성할 수 있다.

2. 창의적인 방법으로 자신의 생각을 조리 있게 말할 수 있다.

STEAM 요소

S 과학관련 현상과 사회적 이슈에 대한 과학적 이해, 과학적 탐구문제 발견 및 해결하기 T

E 창의적인 말하기를 위한 다양한 소품 제작하기 A

M

개발 의도 1. 과학을 주제로 3 분 말하기 활동을 통해 과학적 사고력과 의사소통 능력을 기른다.

2. 쉽고 재미있는 말하기를 위해 시나리오를 작성하고, 발표 능력을 기른다.

상황 제시

상 황 제 시

1. 사회적으로 이슈화 된 과학적 주제 소개하기

2. 과학이 사회에 미치는 영향에 대해 소개하기

창 의 적 설 계

1. 과학 3분 말하기 활동하기

감 성 적 체 험 1. 평소에 관심 있고 친구들에게

소개하고 싶은 과학주제 선정하기

2. 쉽고 재미있는 시나리오 작성 및 창의적인 발표 방법 구상하기

(9)

영역

성취기준

[10과탐03-01] 첨단 과학기술 및 과학 원리가 적용된 과학 탐구 활동의 산출 물을 공유하고 확산하기 위해 발표 및 홍보할 수 있다.

주제(단원)명 태양광 발전을 이용한 장치 만들기 차시 1~5/10

학습목표

1. 태양전지를 이용해 일상생활에서 사용할 수 있는 창의적인 태양광 발전 장치를 디자인 할 수 있다.

2. 직접 디자인한 태양광 발전 장치 홍보 4 컷 만화로 만들어 발표할 수 있다.

[고등학교] <국어> 1. 듣기 말하기 [고등학교] <미술> 2. 표현

STEAM 요소

S 태양 전지의 발전 원리와 장단점 이해

T 창의적이고 유용한 태양광 발전 장치 디자인하기 E

A 실생활에 쓰일 수 있는 창의적인 태양광 발전 장치 홍보 4컷 만화 그리기 M

개발 의도

1. 태양 전지를 이용해 모터 돌리기, LED 불 켜기, 핸드폰 충전하기 와 같은 탐구활동을 통해 태양전지의 원리와 유용성에 생각해 본다.

2. 창의적인 일상생활 속 태양전지장치를 디자인해 보고, 홍보 4 컨 만화로 발표하면서 의사소통능력과 창의성을 기른다.

상황 제시

상 황 제 시

1. 태양전지 탐구 활동하기(모터와 LED에 불 켜기, 핸드폰 충전하기)

2. 실생활 속에서 태양 전지가 사용되고 있는 사례　조사 및 발표

창 의 적 설 계

1. 창의적인 태양전지 장치 홍보 4컷 만화로 발표하기

감 성 적 체 험 창의적인 일상생활 속 태양전지

장치 디자인하기

영역

성취기준

[10과탐03-01] 첨단 과학기술 및 과학 원리가 적용된 과학 탐구 활동의 산출 물을 공유하고 확산하기 위해 발표 및 홍보할 수 있다.

주제(단원)명 지속 가능한 친환경 에너지 도시 설계하기 차시 6~10/10

학습목표

1. 신재생 에너지를 이용해 우리 마을에 이상적인 에너지 자립마을을 설계 및 제작할 수 있다.

3. 직접 제작한 에너지 자립마을에 대해 홍보 발표할 수 있다.

[고등학교] <국어> 1. 듣기 말하기 [고등학교] <미술> 1. 체험

STEAM 요소

S 신재생 에너지의 종류와 특징 이해, 첨단 과학 기술 및 과학 원리의 적용 T 우리 도시에 적합한 친환경 에너지 도시 디자인하기

E 친환경 에너지 도시 제작하기 A 친환경 에너지 도시 그림 그리기 M

개발 의도

1. 우리 마을을 에너지 자립마을로 만들기 위해 신재생 에너지의 과학기술을 이해하고, 실생활에 적용해 직접 제작해 보면서, 과학기술의 유용성과 중요성을 느낄 수 있다.

2. 직접 설계 및 제작한 에너지 자립마을을 발표를 통해 의사소통 능력을 기른다.

상황 제시

상 황 제 시

1. 친환경 에너지 도시 조사 및 발표

창 의 적 설 계

친환경 에너지 도시 제작 및 발표하기

감 성 적 체 험 우리 도시를 친환경 에너지 도시

디자인하기

(10)

4. 학생활동지 / 학생참고자료 5. 교사자료

차시 1~3/3

다양한 운동 표현하기

차 례

Ⅰ. 변화를 보는 관점

Ⅱ. 갈릴레이와 뉴턴의 사고 실험

Ⅲ. 몸으로 운동 표현하기

Ⅳ. 수평으로 던져진 물체와 풀려난 물체의 자유낙하

Ⅰ. 변화를 보는 관점

1. 힘

가. 인과관계의 과학

우리 인간이 자연현상에 관심을 갖게 된 이유는 무엇일까? 과학을 다루는 교사로서 학생들에게 이 질문은 근본적 질문이 될 수 있다. 보통 과학은 왜 라는 질문에서 앎의 느낌표로 이어지는 과정이라고 한다. 하지만 더 깊게는 왜 인간은 자연 현상에 관심을 갖게 되었는지가 먼저라고 생각한다. 질문에 대한 나름의 답으로 변화와 규칙성이라는 답을 떠올리게 되었다.

1) 변화

아침에 해가 떠오른다. 붉게 이글거리는 태양이 시간의 흐름에 따라 위치 가 변화 한다. 인간은 변화하는 태양의 위치에 관심을 갖게 되었을 것이다.

아침에 책상위에 놓여 있던 컵이 사라졌다. 뭔가 변화가 일어났다. 이일에 관심이 생겨난다. 좀 더 극단적인 예로 사랑을 떠올려 본다.

VS

[출처] 구글 이미지

사람들은 보통 변함없는 부모님의 사랑에는 좀처럼 관심 갖지 않는다. 밀고 당 기는 이성간의 사랑에는 관심이 지극하다. 그러다 결국 부모님의 나이 드심의

변화를 보고 드디어 관심을 갖기 시작한다. 변함없는 사랑에 권태감을 느낀다.

2) 규칙성

항상 변화만 있다면 피곤한 일이다. 변화 속에도 규칙은 있다. 규칙성을 찾으면 예상할 수 있고 현상을 이용할 수 있다. 간단히 태양이 떠오르는 것 은 시간의 규칙성을 갖는다. 사라진 컵에는 분명 원인이 있을 것이다.

변화에 관심을 갖고 변화속에 규칙성을 찾는다.

3) 인과 관계

자연현상의 변화와 규칙성의 관계를 나타내는 가장 간단한 것이 인과 관계이다. 간략이 원인과 결과 대상으로 나타낼 수 있다. 물리Ⅰ의 첫 단원 에는 시공간과 우주, 시간, 길이, 물체의 운동, 가속도 운동, 운동법칙, 충격 량과 운동량, 일과 에너지의 순서로 진행된다.

여기서 시간, 길이는 우리가 다루고자하는 물체의 변화를 설명하기 위한 바탕이다. 다음 물체의 운동을 표현하고 기술하고 드디어, 힘이 작용하여 물체의 운동상태(=속도)가 변화 한다. 변화의 관점은 세가지다. 속도변화, 운동량 변화, 운동에너지 변화 이다. 여기서 중요한 것은 가속도가 아니다.

바로 변화했다는 것이고 변화의 원인은 힘이라는 것이다.

원인 대상 결과

F m  (a)

I m 

W m _

V R I

조작 변인 통제 변인

종속 변인 독립변인

이와 같은 관점에서 뉴턴의 운동법칙을 보면 매우 간단해 진다.

(11)

제 1법칙 : 관성의 법칙 힘이 작용하지 않으면 물체의

운동 상태를 유지 한다.



원인(힘)이 없으니 결과(변화)는 없다 또한

힘의 결과물은 속도 변화이다.

제 2법칙 : 가속도 법칙 가속도는 힘에 비례한다.



결과는 원인에 비례한다

뉴턴의 1법칙과 2법칙의 주장은 비슷하디.. 하지만 관성의 법칙의 진정한 의미 는 물체를 정의 내려준다. 그리고 물체를 느끼려면 제3법칙이 필요하다. 뉴턴의 법칙 중 가장 중요한 법칙은 제 3법칙일지도 모른다.

제 3법칙 : 작용·반작용 법칙

“힘은 외롭지 않다”, “솔로 지옥”, “힘은 항상 쌍으로 작용한다”



힘이 작용하는 방식, 물체를 정의하기 위해 필요하다

나. 역학 관계의 제안

변화의 원인은 힘인 것이 분명하다. 하지만 힘이 무엇이냐 물으면 마땅히 대답할 수 있는 것이 없다. 기껏해야 힘이 작용하였을 때 일어나는 사건으로 힘을 대신 표현한다. 따라서 변화의 원인을 힘의 형식으로 표현할 필요는 없 다. 충격량이든, 일이든 변화를 일이킨다. 하지만 멋지게도 힘, 충격량, 일은 시 간, 공간으로 맺어져 있으며 유기적이며 대칭적이다. 역학은 이 세가지 관점을 하나씩 도입하여 설명하고 있다.

1) 변화와 기본 상호작용(기본힘)

힘을 변화의 원인으로 기술하는 것은 매우 편리하다. 작용·반작용법칙은 힘 두 대상 사이의 상호작용으로 일어남은 명백히 하고 있다. 이것은 의외의 곳 에서 실마리를 제공해준다. 바로 베타붕괴이다. 약한 상호작용은 베타붕괴에 관여한다는 정의는 중력, 전자기력, 강력에서 공통적으로 무언가를 잡아당기고 밀어내는 상식의 힘의 범주를 벗어난다. 하지만 힘을 변화의 원인으로 인식하 고 인력과 척력은 변화의 과정에 필수적인 작용·반작용의 결과물이다. 베타붕 괴는 핵자의 변화이며 변화에는 원인이 필요하며 변화의 원인은 바로 상호작 용이다. 이제 힘이라는 표현보다는 상호작용이라는 표현이 더욱 포괄적인 표

현이 되었다.

2) 일-운동에너지 정리

일-운동에너지 정리의 개념을 도입할 때는 매우 조심해야 한다. 일은 알짜힘이 한 일이며 일은 물체의 운동에너지를 변화시킨다.

중력은 물체가 들어 올려 지면서 “-w”를 하게 되며 등속도로 들어 올려 질 때 알짜일은 0이 되어 물체의 운동에너지 변화는 없다. 더불어 중력은 보존력으로

“-w”만큼을 기회가 된다면 물체에게 되돌려 줄 준비가 되어 있다.

Ⅱ. 갈릴레이와 뉴턴의 사고 실험

과학 지식은 절대적인 것이 아니라 시대에 따라 변화되었다. 고대 아리스토텔레스 시대부터 갈릴레이 와 뉴턴이 살았던 시대에 어떤 실험들을 통해 과학 지식이 변해 왔는지 다음 활동을 통해 알아보자.

추론

1 아리스토텔레스 생각 반박 1 - 질량이 다른 두 물체의 낙하

<아리스토텔레스 생각 1> <아리스토텔레스 설명 1>

무거운 물체와 가벼운 물체를 동시에 떨어뜨리면 무거운 물 체가 더 빨리 떨어진다.

왜냐하면 물, 불, 흙, 공기의 4 원소 중에서 흙이나 물을 많이 포함하 고 있는 물체는 우주의 중심으로 다가가려는 성질을 가지고 있기 때 문에, 무거운 물체일수록 그러한 성질을 더 많이 가지고 있다.

갈릴레이는 실제 실험을 하지 않고 사고실험으로 아리스토텔레스 생각을 반박하였다. 모둠원 모두 갈 릴레이가 되어 모둠별 토의를 통해 사고실험으로 아리스토텔레스 생각을 반박해 보자.

(12)

<반박 1>

실험 질량이 다른 두 물체의 낙하

준비물 과학책, 화장지 1장

1. 과학 책과 화장지 1장을 펼쳐서 같은 높이에서 가만히 놓는다. 이때 낙하하는 두 물체의 빠르기를 비교해 보자.

2. 과학 책 위에 화장지 1장을 올려놓고 일정한 높이에서 가만히 놓는다. 이때 낙하하는 두 물체의 빠 르기를 비교해 보자.

3. 화장지 1장을 뭉쳐 공 모양으로 만든 뒤, 과학 책과 공 모양으로 뭉친 화장지를 같은 높이에서 가만 히 놓는다. 이때 낙하하는 두 물체의 빠르기를 비교해 보자.

4. 1~3 실험 결과를 통해 알 수 있는 사실을 모둠별 토의를 통해 정리해 보자.

5. 4에서 정리한 결과를 근거로 <아리스토텔레스 생각 1>에 대해 논리적으로 반박해 보자.

추론

2 아리스토텔레스 생각 반박 2 - 마찰 없는 경사면에서 물체의 운동

<아리스토텔레스 생각 2> <아리스토텔레스 설명 2>

물체가 동일한 운동 상태를 유지하기 위해서는 외부에서 끊 임없이 힘이 제공되어야만 한다. 물체에 힘을 제공하는 원인 이 물체에 직접적으로 접촉해야 운동이 일어난다.

제공하는 힘이 없어지거나 물체와의 접촉이 중단되면 물체는 자신의 운동 상태를 유지할 수 없기 때문이다.

갈릴레이는 실제 실험을 하지 않고 사고실험으로 아리스토텔레스 생각을 반박하였다. 모둠원 모두 갈 릴레이가 되어 아래 사고실험을 통해 아리스토텔레스 생각을 반박해 보자.

마찰이 없는 접촉면은 실제 존재하지 않지 만 그림과 같이 마찰이 없는 경사면을 상상 해 보자. 그림과 같이 경사면 P점에 공을 가 만히 놓으면 (가) 경사면에서 어떻게 될까?

기울기가 다른 (나)와 (다) 경사면에서는 공 이 어떻게 될까? (라)와 같이 바닥면이 평평 하면 공이 어떻게 될지 모둠별 토의를 통해 추론해 보자.

(가) (나) (다)

(라) P

이 추론을 바탕으로 <아리스토텔레스 생각 2>에 대해 논리적으로 반박해 보자.

<반박 2>

추론

3 뉴턴 사고실험

1. 그림과 같이 대포탄을 지표면에 나란히 쏘았다. 대포탄이 날아갈 때 어떤 장애물 도 없다고 가정한다면, 대포탄이 어떤 경로로 날아갈 것인지 대포탄의 진행 경로 를 선으로 표시해 보자.

2. 1에서 대포탄의 처음 속력보다 2배 크게 하면 어떻게 될까? 속력을 점점 더 크 게 하면 어떻게 될지 경로를 각각 표시해 보자.

3. 뉴턴은 이와 같은 사고실험 결과를 통해 지구 주위의 물체의 운동을 설명하였다.

모둠원 모두 뉴턴의 입장이 되어 사과나무에서 떨어지는 사과와 지구 주위의 달 의 운동에 대해 설명해 보자.

<반박 1>

발표 역학의 발전 과정

[추론 1], [실험], [추론 2], [추론 3]에서 활동한 결과를 바탕으로 역사적으로 역학의 발전 과정을 모둠 별로 토의를 통해 정리하고 발표한다.

Ⅲ. 몸으로 운동 표현하기(운동의 기술)

1. 스마트폰을 다중섬광 장치 가. Motion Shot

1) 스마트폰을 활용한 운동의 기록

2) 재미있는 장면 촬영하기

학생들에게 어플을 익숙하게 다루고 흥미를 유발하기 위해서 어플을 이용한 재미있는 사진 찍기를 할 수 있도록 시간을 제공하고 평가 한다.

(13)

3) 등속도운동

4) 빨라지거나 느려지는 운동

Ⅳ. 수평으로 던져진 물체와 풀려난 물체의 자유낙하

철수가 사과나무에 매달려 있는 사과를 향하여 수평 방향으로 화살을 쏘는 순간 사과가 아래로 떨어지기 시작하였다. 화살은 사과에 맞을까? 빗나갈까?

탐구 자유 낙하 운동과 수평 방향으로 던진 물체의 운동 비교하기

준비물 쇠구슬 발사 장치, 쇠구슬, 모눈 판, 디지털 카메라(스마트폰) [실험 과정]

1.5m 정도의 높이에 쇠구슬 발사 장치를 고정하고, 발사 장치 뒤쪽에 모 눈 판을 설치한다.

쇠구슬 하나를 자유 낙하시키는 것과 동시에 다른 하나를 수평 방향으 로 발사한다.

두 쇠구슬의 운동을 관찰하면서 두 쇠구슬이 바닥에 닿는 소리를 들어 본다.

수평 방향으로 발사하는 쇠구슬의 속력을 더 크게 하여 같은 실험을 해 본다.

쇠구슬 1개를 자유 낙하시키고 운동 모습을 촬영한다.

쇠구슬 1개를 수평 방향으로 발사하고 운동 모습을 촬영한다.

촬영한 동영상을 재생하여 일정한 프레임 간격으로 쇠구슬의 위치를 기록한다.

(14)

[실험 결과 및 논의]

두 쇠구슬 중 어느 것이 먼저 바닥에 도달했는지 말해보고 그 이유를 설명해 보자.

수평 방향으로 발사된 쇠구슬은 발사 속력에 따라 바닥에 도달할 때까지 걸린 시간이 어떻게 달라지는 지 모둠별로 토의하고 정리해 보자.

자유 낙하시킨 쇠구슬의 위치와 속도를 한 프레임 간격으로 표에 정리해 보자.

프레임 0 1 2 3 4 5

위치(m) 속도(m/프레임)

수평 방향으로 발사된 쇠구슬의 수평 및 연직 방향의 위치와 속도를 한 프레임 간격으로 표에 정리해 보자.

프레임 0 1 2 3 4 5

연직 방향

수평 방향

자유 낙하시킨 쇠구슬의 속도 변화에 대해 모둠별로 토의하고 토의한 내용을 정리해 보자.

수평 방향으로 발사된 쇠구슬의 수평 방향 및 연직 방향의 속도 변화에 대해 모둠별로 토의하고 토의 한 내용을 정리해 보자.

두 쇠구슬의 운동 상태 변화의 원인을 힘과 관련지어 모둠별로 토의하고 결론을 내려 보자.

【참고 문헌】

1) 2015 개정 교육과정 교수․학습자료, 교육부, 대전광역시교육청

차시 1~3/15

스포츠 속의 과학원리 알아보기

차 례

Ⅰ. 베르누이 법칙 II. 마그누스 효과

Ⅲ. 부메랑 속의 베르누이 원리 탐구

Ⅰ. 베르누이 법칙

베르누이 정리

대부분의 사람들은 강풍이나 회오리바람, 태풍 속의 대기압은 증가한다고 생각한다.

빠른 속력의 바람에 의해 지붕이 날아가기도 한다. 그러나 바람 속의 공기의 압력은 정지한 공기보다 작다.

유체의 속력이 증가할 때 압력은 감소한다. 이것은 기체든지 액체든지 모든 유체에 대해 똑같이 성립한다.

1700년대에 살았던 스위스의 수학자이자 과학자인 베르누이는 유체(공기나 물처럼 흐를 수 있는 기체나 유체)는 빠르게 흐르면 압력이 감소하고, 느리게 흐르면 압력이 증가한다는 법칙을 알아냈다. 유체가 좁은 곳을 통과할 때는 속력이 빨라지기 때문에 압력이 감소하고 넓은 곳을 통과할 때는 속력이 느려지기 때문에 압력이 증가하게 되 고 이를 ‘베르누이 정리‘라고 한다.

베르누이 정리는 유체역학의 기본법칙 중 하나이며 점성과 압축성이 없는 이상유체가 규칙적으로 흐르는 경우에 대해 속력, 압력, 높이의 관계를 규정하였다. 이는 유체의 위치에너지와 운동에너지의 합이 일정하다는 법칙에서 유도하였다.

이상유체

유체의 운동을 분석하기 위해 다음과 같은 특성이 있다고 가정한 유체 1) 비압축성으로 압력이 달라져도 밀도가 일정함.

2) 점성이 없어서 마찰에 의한 에너지 손실이 없음.

3) 유체 속 한 지정에서의 속도가 시간에 따라 변하지 않는 정상흐름을 함.

4) 이상 유체를 이루는 입자들은 맴돌이 흐름을 하지 않음.

(15)

연속방정식

이상유체가 굵기가 변하는 관을 통과할 때, 유체의 흐름에서 단면적과 속력이 반비례한다.

____

_, _: 관의 단면적, ,: 유체의 속력

베르누이 방정식

밀도가 ρ인 이상유체가 흐름관을 따라 흐를 때 서로 다른 두 위치에서 유체의 압 력, 속도, 높이 사이의 관계는 다음과 같다.

1) 정지한 유체 (  _  )

높이에 따라 _ _만큼의 압력 차이가 생긴다.

__ _ _

2) 유체가 같은 높이에서 흐르는 경우

유체의 속력이 빠른 곳에서는 유체의 압력이 낮아 진다. (_ _이면, __)

__{ }



_^  __{ }



_^  일정

생활 속에서 베르누이 법칙의 예 벤츄리관

같은 높이에서 유체가 흐르는 경우 유체의 속력은 가는 관을 흐를 때는 빠르고, 굵은 관 을 흐를 때는 작다. 따라서 가는 관에서는 압력이 낮아져 물이 빨려 올라간다. 70년대 입으로 불어서 뿌리던 살충제가 대표적인 예이다.

마그누스 힘

물체가 회전하면서 유체 속을 지나갈 때 압력의 차이로 압력이 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 휘어지게 하는 힘을 ‘마그누스 힘’이라고 한다. 이 힘은 앞으로 나아가는 힘과 수직방향의 축 주위로 회전할 때 발생한다.

이러한 마그누스 힘은 축구의 스핀킥, 야구에서 커브, 골프에서 훅(pull)이나 슬라이스, 플 라이트배 등에서 볼 수 있다.

[축구의 스핀킥(바나나킥)] [로터 쉽]

[야구의 커브볼]

공기의 흐름이 느리다.=기압이 낮다.

공기의 흐름이 빠리다.=기압이

낮다. 마 그 누 스

힘

(16)

양력

유체 속의 물체가 운동방향과 수직방향으로 받는 힘으로, 이 힘을 이용하면 비행기가 뜰 수 있다. 같은 시간동안 날개의 윗면을 지나는 공기는 아랫면을 지나는 공기보다 긴 거 리를 이동하므로, 윗면을 지나는 공기의 속력이 아랫면을 지나는 속력보다 빠르다. 베르 누이 법칙에 의해 날개 위쪽의 압력이 아래쪽의 압력보다 작아져서 날개는 위쪽으로 힘 (양력)을 받게 된다. 이러한 양력은 비행기 뿐만 아니라 해수면 바로 위에 떠서 날아가는 위그선에도 적용되고 있다.

날개없는 선풍기

영국 다이슨사가 제작한 날개없는 선풍기도 베르누이 원리를 적용한 제품이다.

유입된 공기

유입된 공기 증폭된

공기

공기흡 입 유입공 기 15배

날개

모터

공기흡 입

오른쪽 그림에서 위쪽 날개 고리의 단면을 보면 비행기 날개 모양과 비슷한 것을 알 수 있다. 단면만 보면 비행기 날개를 뒤집에 놓은 모양이다. 고리의 바깥쪽은 평평하게, 안쪽은 둥그렇게 생겨서 고리 안쪽의 기압이 바깥쪽보다 낮아지게 된다.

이 기압차이로 주변 공기가 고리 안쪽으로 이동하는 데 받침대에서 빨아들인 공기의 15 배 정도 많다.

자동차 스포일러

자동차의 모양이 비행기의 날개 모양이기 때문에 고속 주행시 원치 않은 양력의 발생 으로 바퀴의 접지력이 떨어지는 문제가 발생한다. 이를 방지하기 위해 날개형상과 반대 모양의 스포일러를 사용하기도 한다.

코안다 효과

‘코안다’라는 사람이 제트비행기가 추락할 때 비 행기에서 발생한 흰색 연기가 비행기의 동체 표면 을 따라 흐르는 것을 발견한 것으로 양력에 의해 발생하며 유체가 곡면이 있는 물질을 따라 흐르는 효과를 말한다.

가늘어지는 수돗물 줄기

유체는 좁은 통로로 흐를 때 속력이 증가하고 넓은 통로를 흐를 때 속 력이 감소합니다. 수돗물이 밑으로 떨어질 때 물줄기의 속력이 빨라지기 때문에 압력이 작아지고 상대적으로 큰 기압을 가진 공기가 미는 힘에 의해 물줄기는 가늘어집니다. 비슷한 현상으로 호스의 끝을 손가락으로 누르면 입구가 가늘어지면서 빠져나오는 물의 속력이 증가하게 되어 멀 리까지 보낼 수 있게 됩니다.

하드디스크

하드디스크는 데이터를 읽고 기록하는 헤드와 데이터를 저 장하는 플래터가 있다. 정밀한 데이터를 빠른 시간에 처리하 기 위해서는 헤드가 플래터 위에 미세한 간격(수 ㎛~수 ㎚)을 두고 떠 있어야 하는 데, 플래터의 회전에서 발생하는 양력 이 헤드를 띄우는 역할을 한다.

고속 물체 주변에서의 쏠림현상

빠르게 지나가는 열차나 대형 트럭이 지나갈 때 가까이에 있으 면 빨려들어갈 것 같은 힘을 받게 된다. 정지한 열차를 타고 있을 때, 옆에서 다른 열차가 빠르게 지나갈 때 덜컹거리는 현상이 생 기는 것도 같은 원리로 두 열차 사이의 압력이 낮아지면서 나타난 다.

태풍에 의한 유리창 파손

대형 태풍이 불 때는 유리창에 젖은 신문지와 테이프를 이 용하여 유리창이 파손되는 것을 방지하라는 안내 방송을 하곤 한다.

이 경우 그림 (가)에서 센 바람이 불면 건물 외부의 압력이

내부보다 높아져서 유리창이 건물 안 쪽으로 파손되는 현상이 발생하게 된다. 그러나 그림 (나)와 같이 건물에 나란한 방향으로 바람이 불 때도 유리창이 파손될 수 있다. 이 경우는 반대로 건물 외부의 압력이 건물 내부보다 낮아져서 나타나는 현상으로 유리창 이 바깥쪽으로 파손된다.

(17)

베르누이 정리를 이용한 실험 베르누이 계단

빨대를 이용하여 스티로폼공을 계단위로 들어올린 후 종이컵에 넣는 실험으로, 게임형태로의 진행이 가능하 다.

2개의 비커(또는 유리잔)에 탁구 공을 넣고 바람만으로 이동시키기 실험도 같은 원리이다.

분무기 만들기

빨대의 1/3정도 되는 부분을 가위로 살짝 자르고 지각으로 꺾은 다음, 물이 든 컵에 짧은 빨대를 꽂는다. 긴 빨대 부분은 물과 수평이 되도록 만든 다음, 입으로 강하게 분다.

공 띄우기

빨대를 이용하여 위쪽으로 바람을 보내고 그 위에 가벼운 공을 올리면 공을 안정적으로 띄울 수 있다. 송풍기나 헤어드라이기를 이용하면 비치볼도 띄울 수 있다.

윈드백 불기

공기의 다양한 성질을 보여주는 고전적인 과학기구로서, 베르누이의 원리를 이용하여 길 이 2.5m 이상의 풍선을 한번에 불기에 도전해 볼 수 있다.

베르누이 실

양쪽이 서로 다른 크기의 구멍을 뚫고 실을 고리 형태로 연결한 다음, 옆면에서 바람을 불어넣으면 실이 회전하게 된다. 실은 어느 방향으로 회전하게 될까?

베르누이 배

돛 모양의 구조물이 달린 배를 앞으로 달리게 하려고 한다. 돛단 배와 같이 바람의 작용반작용을 이용하는 것이 아니라, 베르누이의 원리를 이용하여 앞으로 나가게 할 수 있다.

떨어지지 않는 탁구공

깔대기 안에 탁구공을 넣고 불어보자. 어떻게 불면 탁구공이 떨어지지 않을까?

빨대의 끝에 두꺼운 종이를 붙이고 구멍을 뚫은 다음, 그 아래 다른 두꺼운 종이를 붙이 고 불어보자. 아래 붙은 두꺼운 종이는 어떻게 될까?

빨대

압정

두꺼운 종이 두꺼운 종이 깔대기

탁구공

유리병 뒤어 숨어있는 촛불 끄기

2개의 유리병이나 음료수 캔을 간격을 띄워서 세워 두고 그 뒤에 촛불을 켜 놓는다. 두 유리병 사이로 입김을 불어서 촛불을 꺼보자. 두 유리병 사이의 간격을 바꾸어가면서 불어 볼 때, 어떤 상황에서 촛불이 잘 꺼질까?

(18)

활동지

부메랑 속의 베르누이 원리 탐구

종이를 이용하여 간단한 부메랑을 만들어서 날려보자. 어떻게 하면 부메랑이 나에게 돌아오게 할 수 있을까?

실험 종이 부메랑 만들기

준비물 두꺼운 종이, 가위

[실험 과정]

두꺼운 도화지에 부메랑이 디자인 되어 있는 종이를 붙인다.

디자인을 따라 가위로 자른 다음, 양력 발생을 위하여 부메랑 날개의 뒷부분을 5° 정도 접어준다.

접은 각도를 조절해 가면서 부메랑을 날려보자.

[실험 결과 및 논의]

부메랑이 되돌아오는 이유를 베르누이 원리를 적용하여 모둠원끼리 토의해 보고 그 내용을 정 리해 보자.

부메랑의 회전반경을 바꾸기 위한 방법을 찾아보자.

[교사용 자료]

u부메랑의 원리

1. 비행기가 뜨는 원리 1 : 양력(베르누이의 원리)

부메랑의 날개는 윗면이 약간 둥글고 아래면이 편평해야한다. 양력은 공기 흐름의 속도가 날개 위와 아래가 다르기 때문에 생긴다. 만약 부메랑을 진공 상태에서 던 진다면 돌아오지도 않고 포물선을 그리며 떨어질 것이다. 양력은 부메랑이 나는 동 안 계속 영향을 미친다.

2. 비행기가 뜨는 원리 2 : 받음각에 의한 양력

비행기의 날개를 보면 앞전보다 뒷전이 아래쪽으로 내려 와 있는 것을 볼 수 있다. 이를 받음각이라 하는데, 넓은 판재를 비행기의 날개와 같은 각도로 세운 후 달려가게

되면 판재가 뜨려고 하는 느낌을 받게 된다. 이는 비행기를 띄우는 힘으로 이용되 기도 하고 비행기의 방향을 바꾸는 역할을 하기도 한다. 받음각의 크기는 비행기가 뜨게 하는 영향을 주기도 하지만 비행기가 앞으로 나아가는 것을 방해하는 힘으로 작용하기도 한다.

3. 부메랑은 반드시 돌아온다. : 양력과 세차운동 (자이로의 원리)

부메랑은 여러 개의 날개를 가지고 있다. 그 날개들이 공기 속을 나아갈 때 공기의 속도가 더 빠른 경우가 느린 경우보다 더 큰 양력을 발생하게 된다. 부메랑은 회전 력을 주고, 세워서 던져야 한다. 그래서 부메랑은 회전하면서 동시에 앞으로 나가 게 된다.

부메랑의 윗부분 날개에서의 공기속도가 아랫부분에서의 공기속도보다 훨씬 빠르 게 된다.

(19)

부메랑은 윗부분에서 양력이 더 많이 발생하므로 부메랑은 그림에서 반시계 방향 으로 돌게 되는 힘이 생긴다. 이러한 힘을 우력(모멘트,Moment)이라고 한다. (★부 메랑에서는 윗부분에서 더 큰 양력이 발생하여 부메랑을 전진방향에서 왼쪽으로 넘어지게 하는 힘이 발생하게 된다.★) 우력이 발생하면 부메랑이 전진방향에 대하 여 왼쪽으로 기울어져야 하지만, 회전하고 있는 물체에서는 이러한 힘이 곧바로 작 용하지 않고, 원래 회전방향으로 회전체가 90도 만큼 더 회전하고 난 이후에 발생 한 우력이 제대로 작용하게 된다.부메랑이 90도 더 돌고 난 후에 앞뒤로 된 상태 에서 우력이 작용하게 된다. (과학적인 용어로는 회전

체의 세차운동이라고 하며, 공학식으로는 모멘트의 합 을 구하는 방법으로 설명이 가능.) 결과적으로 양력의 차이에서 발생한 우력은 세워진 상태의 부메랑을 왼 쪽으로 눕히는 것이 아니라 세차운동 때문에 90도 후 에 작용하여 앞쪽을 왼쪽으로, 뒤쪽을 오른쪽으로 돌 게 하는 힘이 작용한다. 결과적으로 부메랑은 왼쪽으 로 쓰러지려고 하지만 방향을 유지하려는 회전축의 힘이 작용하게 되어 즉, 자이로의 원리(회전하고 있는

팽이를 말하는데 이 자이로는 축이 어떤 상태로 기울이거나 방향이 변해도 일정한 방향을 가리키는 성질)로 왼쪽으로 쓰러지지 않고 진행 방향의 왼쪽으로 구부러지 게 되고, 이 현상이 연속적으로 일어나기 때문에 부메랑은 계속 왼쪽으로 휘어지면 서 원래의 장소로 되돌아오게 된다.

u 부메랑 던지는 방법 1. 던지는 방향

부메랑은 미세한 바람에도 영향을 받으면서 비행을 하므로 바람 을 읽는 것은 필수적이다. 바람을 정면으로 마주해서 선 다음 "

반우향우" 하면 바로 그 방향이 던지는 방향이다. 물론 왼손잡이 는 "반좌향좌"을 해야 한다. 바람의 방향에서 45도 각도가 던지 는 방향이다.

2. 던지는 각도

참고 문헌 및 출처 1. 네이버 지식백과 2. 두산백과

3. 네이버 블로그 http://blog.naver.com/seok0809/140198012061 4. 네이버 블로그 http://blog.naver.com/zestybox/220409315819

5. 네이버 블로그http://blog.naver.com/skh8464?Redirect=Log&logNo=60204169935&from=postView 던지는 각도는 팔과 부메랑의 각도를 말하는 것인데 팔을 곧게

펴서 귀에 붙이면 수직(A)이 된다. 천천히 옆으로 내리면 45도 (B)가 된다. 여기까지가 던지는 각도의 범위이다. 부메랑의 성질 과 바람의 강약에 따라서 적절한 각도를 정하게 된다. 가장 나쁜 각도는 수직선과 90도(C)가 되어 땅바닥과 평행한 각도이다.

3. 던지는 높이

어깨높이에서부터 약 10도까지가 적절한 높이이다. 언뜻 보면 바닥에다 던지는 것처럼 보이기도 하지만, 이는 부메랑과 팔이

움직일 때 최고점이 대비되어 보이기 때문이니 너무 신경 쓸 필요는 없다.