우주의 크기

나만의 척도로 알아보는

우주의 크기

교사용 지도서

수업지도안

우주의 크기

(학교방문형)

●적용학년/시기 : 초등학교 5~6 학년

●관련과목 : 과학, 미술

주제 및 제작의도 1

우주는 우리 인류에게 신비롭고 경의로운 대상으로 다가온다. 그 이유중 하나는 바로 광활한 우주의 크기 때문일 것이다. 청소년은 교과과정에서 우주의 크기, 예를 들면 태양과 태양계 행성간의 상대적인 크기차이, 거리차이를 교과서를 통해 배우기 때문에 실제 우주의 크기에 대한 느낌을 갖고 있지 않다. 이를 위해 지점토 교구재를 활용해 ‘우주의 크기’ 프로그램을 개발했다. 이 프로그램 활동을 통해 학생이 알고 있거나 상상하고 있는 우주의 크기와 실제 우주의 크기를 비교해보고, 이를 직접 체득하게 한다.

2 학습목표

 내용 목표

> 지구와 달 사이의 상대적인 크기를 알 수 있다.

> 지구와 태양 사이의 상대적인 크기를 알 수 있다.

> 태양과 다른 별들 사이의 상대적인 크기를 알 수 있다.

> 태양과 태양계 행성간의 상대적인 거리를 알 수 있다.

> 현재까지 알려진 우주의 크기와 모습을 알 수 있다.

 과정 목표

> 우주의 크기를 알아보는 과정에서 상상력과 창의성을 기른다.

> 주변 사물의 활용으로 과제를 수행하고 해결할 수 있다.

> 크기와 거리에 대한 개념과 느낌을 가질 수 있다.

STEAM 과목 요소 3

3

 S : 천문우주과학에서 다루는 크기와 거리의 이해

 T, E : 교구재를 활용해 천체들의 크기 및 거리 재현

 A： 지구, 달, 태양계 행성 만들기, 태양계 행성간 거리 그리기

 M：지구 - 달, 지구 - 태양간 크기 비 계산, 태양계 행성간 거리 비 계산

STEAM 단계 요소 4

3

 상황제시

> 태양계 8개 행성 일렬로 떠오르는 신비한 광경이 관측된다. 이러한 현상은 자주는 아니지만 반복해서 나타나고 있다. 오늘날에도 이와 같은 현상과 연관하여 불길한 징조로 받아들이는 사람들이 있다. 이 현상은 왜 일어나는 걸까?

 창의적 설계

> 점토 교구재를 가지고 지구 - 달의 크기 비를 어떻게 정량적으로 구현할 것인지 설계를 한다.

앞서 만든 지구와 달의 점토 모형으로 태양의 크기를 확인할 수 있는 실험을 설계한다.

태양과 태양계 행성간의 거리 측정 방법을 설계한다.

 감성적 체험

> 정량적인 실험결과를 바탕으로 한 조별 미션을 통해 경쟁심과 협동심을 기른다. 실제 우주의 다양한

천체들의 크기를 비교한 영상과 현재까지 알려진 우주의 모습을 담은 영상 관람을 통해 우주의

모습을 상상해본다.

차시별 계획 총괄표 5

차시 과목 단원 소주제 학습내용

1차시 과학 미술

8. 태양계와 별

크기로 알아보는 우주

S A M 지구와 달의 크기 알아보기

S A 태양계 행성과 다양한 천체들의 크기차이를 확인

Co 밤하늘에서 행성들이 일렬로 서는 현상이 관측된다. 이러한 현상은 왜 일어나는 것일까?

CD 지구와 달의 상대적 크기 차이에 대해 적어보기

CD 점토를 사용하여 지구와 달을 만들어본다.

만든 지구와 달을 사용하여 상대적 크기를 알아본다.

ET 지구밖으로 나가서 태양을 비롯한 우주의 다양한 별들의 크기를 알아본다.

2차시 과학 미술

8. 태양계와 별

거리로 알아보는 우주

S T E A 태양과 태양계 행성간의 거리 알아보기

S A 현재까지 알려진 우주의 모습과 크기를 확인

Co 지구와 달 사이의 거리는 어떻게 알 수 있는 걸까?

- 거리를 알 수 있는 방법에 대해서 논의해보기

- 앞 시간에 만든 지구와 달을 사용하여 지구와 달 사이의 거리 나타내어보기

CD 태양과 태양계 행성간의 실제 거리를 알아본다.

- 각각의 행성을 특색에 맞게 만들고 자를 사용하지 않은 상태에서 배열한다.

- 지도자가 알려주는 거리를 응용하여 주어진 길이에 행성들을 정렬시켜본다.

ET 태양계를 너머 현재까지 알려진 우주의 크기를 영상을 통해 확인한다.

평가 계획 6

연번 평가 기준 방법

1 조별 활동에 참여를 잘 하는가? 관찰평가

2 친구의 키를 재는 과정에서 주변 도구를 창의적으로 활용하는가? 동료평가

3 지도자가 던지는 질문에 활발하게 참여하는가? 관찰평가

4 제공되는 활동지를 활용하여 논리적으로 적는가? 보고서 평가

5 정량적인 측정을 하는가? 수행평가

차시별 교수학습과정

크기로 알아보는 우주

과목 과학, 미술 수업차시 1차시 / 2차시

단원 태양계와 별

교육과정

수학 5 - 1 - 7 비와 비율

- 비, 비율, 비례식, 비례배분, 정비례와 반비례 관계를 이해하고, 이를 활용할 수 있다.

과학 5 -1 - 2. 태양계와 별

- 행성의 상대적 크기와 거리를 비교한다.

미술 5 - 1 - 1. 나와 미술(삶속의 미술)

- 다양한 자연물과 인공물에서 찾은 조형 요소와 원리를 새롭게 표현한다.

학습목표 지구와 달, 태양과 지구사이의 크기 차이를 알아보고,

나아가 태양과 우주의 다양한 별들 사이의 크기 차이를 알아본다.

학습과정 교수·학습 활동 준비물

도입 (15분)

S A M 내가 만들어보는 지구와 달

Co 밤하늘에 보이는 천문현상을 통한 우주의 크기에 대한 호기심 갖기 - 행성이 일렬로 정렬하는 현상에 대한 뉴스(동영상) 감상하기

‘별들의 좌우로 정렬’

http://news.chosun.com/site/data/html_dir/2016/01/19/2016011900201.html

‘태양계 8개 행성 일렬로 떠오르는 신비한 광경’

http://imnews.imbc.com/20dbnews/history/1997/1771692_13449.html - 행성이 일렬로 정렬한 실제 자료 감상하기

(출처 : EarthSky.org, 국립고흥청소년우주체험센터)

- 이들 행성들이 하늘에서 일렬로 보이는 건 왜 그런걸까?

점토 교구재, 활동지

학습활동 (30분)

S A M 지구와 달의 크기차이 예측 및 재현

Co 지구와 달의 크기는 얼마나 차이가 날까?

- 점토 교구재를 활용하여 학생이 알고 있는, 또는 상상하는 지구와 달 사이의 상대적인 크기 차이를 만들어 보도록 한다.

- 대개 지구보다 달을 작게 만들 것이나, 그 크기 차이는 다양함을 언급한다.

CD 실제 지구 - 달의 크기 차이를 알아본다.

- 지구와 달의 크기 비율은 49:1 이라는 점을 알려준다. 이 정보를 가지고 점토 교구재로 49:1의 비율을 재현할 방법을 학생에게 설계하게 한다.

- 자신이 설계한 방법으로 49:1의 크기 비율을 가진 지구와 달의 모습을 확인한다.

그림 점토 교구재를 활용해 지구와 달 만들어보기

TIP 49:1의 크기를 재현할 때, 먼저 한 덩이의 점토를 5등분 한다. 이 5등분 한 점토 중 한 개를 다시 10등분 한다. 10등분한 점토 한 개가 달이며 나머지 5등분중 4개, 10 등분중 9개를 모두 합치면 지구가 된다.

그림 점토 교구재로 지구와 달의 실제 크기 비율을 표현하는 한 가지 예시

점토 교구재, 활동지

마무리 (5분)

ET 지구 밖을 나가면 무엇이 있을까? 또 이들의 크기는 어느정도일까?

https://www.youtube.com/watch?v=BQUMCN0UqfM

별의 크기에 관한 동영상

지도상의 유의점

• 점토 교구재를 활용할 경우, 학생이 교구재에 주의가 쏠리기 때문에 진행이 산만해질 수 있음.

• 자신이 알고 있는 지식과 실제 정보를 비교할 수 있게 유도해야 함.

교사용 활동지

크기로 알아보는 우주

1. 밤하늘을 관측하면 종종 여러 행성들이 나란히 정렬되어 있는 모습을 볼 수 있습니다. 특히 올해는 수성, 금성, 화성, 목성, 토성이 나란히 서는 현상이 관측되기도 했습니다. 이들 행성은 왜 나란히 정렬해서 보이는 걸까요? 그림이나 글로 설명해 보세요.

밤하늘의 행성들은 태양을 중심으로 공전하고 있으며, 거의 비슷한 궤도 경사를 가지고 태양을 돌고 있기 때문에 밤하늘에서 나란히 존재하는 것으로 보인다.

2. 자신이 생각하는 지구와 달의 상대적 크기를 그려보세요. 지구와 달은 어느 정도의 크기차이가 나는 걸까요?

지구와 달의 상대적 크기를 빈 칸에 그려보도록 한다. 이렇게 그린 크기와 실제로

점토를 사용하여 만든 지구와 달을 나중에 비교해 보게 될 것이다.

3. 지구와 달의 부피비율이 49:1 이라는 것을 알게 되었습니다. 그렇다면 가지고 있는 점토로 어떻게 지구와 달을 만들 수 있을까요? 자신이 생각하는 방법을 적어봅시다.

위의 그림처럼 점토를 다섯 등분으로 나눈다.

그 중의 하나를 열등분하여 하나만 남기고 나머지는 모두 합친다.

이럴 경우 작은 덩어리를 기준으로 보면 작은 덩어리 1개와, 작은 덩어리 49개가

뭉쳐진 큰 덩어리가 된다.

참고자료

별들의 ‘좌우로 정렬’

국립고흥청소년우주체험센터에서 찍은 행성정렬

수성·금성·토성·화성·목성 오늘밤부터 한달간 한줄로 떠

20일 새벽 하늘에 수성·금성 등 태양계의 5개 행성이 줄지어 늘어서는 ‘우주쇼’가 벌어진다. 2005년 1월 이후 11년 만의 일이다.

미국의 천문관측 전문 사이트 ‘어스스카이(EarthSky)’에 따르면 오는 20일 새벽 6시 34분(이하 한국 시각)쯤

수성이 마지막으로 떠오르면서 하늘에 5개 태양계 행성이 늘어선 모습을 맨눈으로 볼 수 있다. 5개 행성은

19일부터 밤을 새운다면 다섯 행성이 차례로 하늘에 떠오르는 모습을 볼 수 있다. 가장 먼저 19일 밤 10시쯤 목성이 동쪽 하늘에 떠오른다. 이어 두 시간이 지나 자정 무렵에 화성이 떠오르고, 금성과 토성은 20일 오전 5시 14분쯤 동남쪽 지평선에 거의 동시에 나타난다. 마지막으로 해 뜨기 70분 전인 오전 6시 34분에 수성이 지평선 위로 올라온다. 한국천문연구원에 따르면 이날 해 뜨는 시간은 7시 44분이다.

다섯 행성이 한 하늘에 늘어선 모습은 20일부터 한 달간 볼 수 있다. 가장 최근의 5개 행성 정렬은 2004년 12월 15일에서 2005년 1월 15일까지 일어났다. 새벽 하늘에서 다섯 행성을 찾는 건 쉽다. 새벽에 가장 밝은 금성을 동남쪽 하늘 지평선 위에서 찾으면, 그 왼쪽 아래에 막 떠오른 수성과 오른쪽 위의 토성을 찾을 수 있다. 화성과 목성 사이에는 처녀자리에서 가장 밝은 별인 스피카가 보인다. 쌍안경으로 보면 붉은색이 도는 화성과 푸른빛이 도는 스피카를 구별할 수 있다.

출처 : 조선일보(http://news.chosun.com/site/data/html_dir/2016/01/19/2016011900201.html)

읽을거리

태양 및 태양계 행성들의 상대적 크기

거리로 알아보는 우주

과목 과학, 미술 수업차시 2

단원 태양계와 별

교육과정

수학 5 - 1 - 7 비와 비율

- 비, 비율, 비례식, 비례배분, 정비례와 반비례 관계를 이해하고, 이를 활용할 수 있다.

과학 5 - 1 - 2. 태양계와 별

- 행성의 상대적 크기와 거리를 비교한다.

미술 5 - 1 - 1. 나와 미술(삶속의 미술)

- 다양한 자연물과 인공물에서 찾은 조형 요소와 원리를 새롭게 표현한다.

학습목표 태양과 태양계 행성간의 거리를 직접적으로 알아보고, 태양계를 벗어나 현재까지 알려진 우주의 모습과 크기를 느껴본다.

학습과정 교수·학습 활동 준비물

도입 (5분)

S T E A M 태양에서부터 행성들 사이의 거리 알아보기

Co 우리나라에서는 우주강국으로 도약하기 위해서 2020년까지 달에 탐사선을 보내려는 계획을 가지고 있습니다. 탐사선을 달까지 보내기 위해서는 달에 보낼 수 있을 만큼의 연료만을 로켓에 실어야 합니다. 날아가는 거리가 멀수록 로켓에 실리는 연료의 양은 많아집니다. 로켓에 실을 연료의 양은 지구와 달 사이의 거리에 따라 결정됩니다.

그렇다면 지구와 달 사이의 거리는 얼마나 되는 걸까요? 거리는 어떻게 측정할 수 있을까요?

학습활동 (30분)

CD 지구와 달 사이의 거리는 얼마나 될까? 어떻게 하면 쉽게 잴 수 있을까?

- 학생들의 답을 들어본다.

- 전 시간에 만든 지구와 달의 모형을 가지고 예측해보도록 한다.

TIP 지구의 둘레길이는 40,000km, 지구 - 달 사이의 거리는 380,000km 이다. 따라서 지구 둘레길이의 9.5배일 때 지구 - 달 사이의 거리가 된다. 이는 지구를 9바퀴 반을 굴렸을 때의 길이가 된다. 이 길이를 실제로 학생들에게 표현해 보도록 한다.

CD 태양계 행성들간의 거리 알아보기

- 조를 구성하고 조별로 점토 교구재를 사용하여 태양계 행성을 만들어본다. 이 때 행성의 상대적 크기는 고려하지 않는다. 행성을 잘 드러내는 특징을 가지도록 만든다.

CD - 기준이 되는 태양의 위치를 책상 위체 지정하고, 태양으로부터 각 태양계 행성까지의 거리를 학생이 알고 있는 기존 지식, 상상력을 동원하여 조별로 토의하여 배치해본다.

점토 교구재, 활동지, 줄자

학습활동 (30분)

그림 조별 토의를 통해 태양과 태양계 행성간의 거리 예측

S T E A M 태양과 태양계 행성간의 실제 거리비율 재현

CD 태양과 태양계 행성간의 실제 거리 알아보기

- 태양과 행성간의 거리를 지구단위(AU)로 학생들에게 알려준다. 태양과 지구사이 거리를 1이라고 했을 때 수성:0.4, 금성:0.7, 화성:1.5, 목성:5, 토성:10, 천왕성:20, 해왕성:30 이다.

- 조별로 눈금이 안보이게 뒤집어 놓은 3m 길이의 줄자 위에 태양계 행성을 나열하게 한다. 이때 앞서 제공한 행성간의 거리 정보를 이용하되, 행성간의 거리를 측정할 때 자와 같은 측정도구를 주지 않고 주변 사물이나 신체부위를 활용하고 정밀하게 측정하도록 유도한다.

- 뒤집어 놓은 줄자를 원래 위치로 뒤집어 눈금이 보이게 한 후, 학생이 나열한 태양계 행성의 위치가 정확한지 파악한다.

점토 교구재, 활동지, 줄자

마무리 (5분)

S A 현재까지 알려진 우주의 모습과 크기를 확인

ET 태양계를 너머 현재까지 알려진 우주의 크기를 영상을 통해 확인한다.

‘power of ten’ 영상 관람을 통해 태양계를 비롯해 현재까지 알려진 우주의 크기를 함께 확인해보고 자신만의 우주를 상상하게 해본다.

https://youtu.be/0fKBhvDjuy0

영상자료

지도상의 유의점

점토 교구재로 태양계 행성을 만들 때, 행성간의 크기도 실제 크기 비율과 비슷하게 만들게 하면 좋다.

이 프로그램에서 자와 같은 측정도구를 주지 않고, 주변 사물, 신체부위를 활용케 하는 것이 중요함.

교사용 활동지

거리로 알아보는 우주 ^{학년 반 이름}

1. 지구와 달 사이의 거리는 어떻게 알 수 있을까요? 자신이 생각하는 방법을 아래의 표에 적어보고, 왜 그렇게 생각하는지를 적어보세요.

지구와 달 사이의 거리를 구하는 가장 간단한 방법은 달에 레이저를 쏘아서 직접 재는 방법이 있다. 레이저가 반사되어 돌아오는 시간을 측정하여, 레이저(빛)의 속도를 곱해주면 지구와 달 까지의 거리를 구할 수 있다.

또는 달의 지름의 크기를 알고, 달의 시직경을 알면 달까지의 거리를 계산할 수도 있다.

달의 지름은 3400km, 달의 시직경은 0.5도 이므로 다음과 같은 비례식이 성립한다.

360(도):0.5(도) = 2πL(km):3400(km) 이 때 L은 지구와 달 사이의 거리 또 다른 방법으로는 동전을 사용하여 잴 수도 있다.

동전을 눈 앞에 놓고 달의 크기와 일치하는 위치에서 눈과 동전 사이의 거리를 재고, 동전의 지름과 달의 지름을 알고 있다면 다음과 같은 비례식이 성립한다.

(눈-동전) : (눈-달) = 동전지름 : 달지름

이 외에도 다양한 방법을 사용하여 지구와 달 사이의 거리를 측정할 수 있다.

2. 앞 시간에 만든 지구와 달을 사용하여 지구와 달 사이의 거리를 표현할 수 있을까요? 참고로 지구와 달 사이의 거리는 38만 킬로미터이고, 지구의 둘레는 약40,000킬로미터, 달의 둘레는 약11,000 킬로미터입니다.

지구와 달 사이의 거리가 38만 킬로미터이고, 지구의 둘레가 약 40,000킬로미터이므로

지구나 달을 굴려서 달까지의 거리를 표현할 수 있다. 지구를 9.5바퀴 굴리거나 달을

34.5바퀴 굴린 거리가 지구와 달 사이의 거리가 된다.

있을까요? 아래의 표에 적어봅시다.

태양과 해왕성 사이의 거리가 30AU 이므로 30AU를 300cm로 잡으면 다음과 같다.

태 양 : 0cm

수 성 : 4cm (0.4AU)

금 성 : 7cm (0.7AU)

지 구 : 10cm (1AU)

화 성 : 15cm (1.5AU)

목 성 : 50cm (5AU)

토 성 : 100cm (10AU)

천왕성 : 200cm (20AU)

해왕성 : 300cm (30AU)

읽을거리

레이저 거리측정계의 원리

레이저 거리측정기는 레이저빛을 쏘아서 돌아오는 시간을 측정하여 거리를 측정하는 기기입니다. 빛은 1초에 30 만킬로미터를 날아갑니다. 빛의 속도를 알고 있으므로 레이저를 쏘아서 돌아오는데 걸리는 시간을 측정하면 빛의 속도에 걸린 시간을 곱하여 거리를 알아낼 수 있습니다. 레이저 거리측정기는 정밀하게 거리를 재거나, 아무 멀리 떨어진 대상에 대해 거리를 측정하는 일에 사용되고 있습니다. 심지어 달까지의 정밀한 거리를 재는 경우에도 레이저 거리측정계를 사용합니다.

1969년 아폴로 11호가 달에 착륙했을 때 달의 표면에 반사거울을 설치했습니다. 이 거울에 레이저를 쏘아서 돌아오는 시간을 측정하여 지구에서 달 까지의 거리를 측정합니다. 장기간의 측정 결과 달이 지구로부터 일년에 3센티미터씩 멀어진다는 사실을 알게 되었습니다.

그림 달 표면에 설치된 거울 모습

천문단위(AU, Astronomical Unit) 이란 무엇일까요?

우주에서의 거리는 너무 멀기 때문에 태양과 지구 사이의 거리를 기준으로 하여 사용합니다. 태양과 지구 사이의 거리는 약 1억5천만 킬로미터이며 이 거리를 1 천문단위 라고 부릅니다. 이 단위를 기준으로 하여 태양계 내의 행성들 사이의 거리를 나타내기도 하고, 우리에서부터 멀리 떨어진 별 까지의 거리를 나타내기도 합니다.

명왕성은 왜 행성에서 퇴출되었나요?

명왕성은1930년 미국의 천문학자 톰보에 의해 발견되었고, 그 이후로 계속 태양계의 9번째의 행성으로 존재해 왔습니다. 그러나 명왕성은 2006년에 행성에서 퇴출되었습니다.

행성이 되기 위해서는 태양의 주위를 돌고, 원에 가까운 모양을 유지하며 그 행성이 돌고 있는 궤도에서 지배적인 위치를 가져야합니다. 그러나 명왕성은 거의 비슷한 크기의 달인 카론을 가지고 있으며 공전궤도는 다른 행성들과 달리 기울어져 있으며 때로는 해왕성 안쪽으로 들어가기도 합니다.

또한 과학의 발달로 명왕성 밖에서 태양을 돌고 있는 수많은 천체들을 발견하게 되면서, 명왕성은 왜소행성으로 분류를 바꾸게 되었습니다.

그러나 최근에 9번째 행성이 있다는 증거를 발견했다는 뉴스가 나왔습니다. 이 행성은 지구보다 10배 이상 크며, 태양계를 한 바퀴 공전하는 시간이 1~2만년이라고 합니다. 과연 인류는 이 행성을 발견할 수 있을까요?

지구와 달의 부피비율은 얼마나 될까요?

구의 부피를 구하는 공식은 다음과 같습니다.

부피 =

4

3

(R:구의 반지름)

지구와 달은 구 로 생각할 수 있습니다. 따라서 두 천체의 부피 비율을 구해보면 다음과 같습니다.

(지구의 반지름R

: 6400km, 달의 반지름R

: 1700km)

달의 반지름/지구의 반지름 =

4

3

/

4

3

=

/

= (1700)

/(6378)

=1/49 이 됩니다.

태양 및 태양계 행성의 물리량 정보

1

크기

행성 반지름(km) 둘레길이(km) 부피(km3) 지구와의 부피 비

태양 6.96 × 10⁸ 4.379×10⁶ 1.41×101⁸ 1,300,000배

수성 2440 15323.2 6.082 × 10¹⁰ 0.056배

금성 6052 38006.56 9.28× 10¹¹ 0.857배

지구 6378 40053.84 1.083 × 101² 1배

화성 3397 21333.16 1.64×10¹¹ 0.15배

목성 71492 448969.8 1.43×10¹⁵ 1,300배

토성 60268 378483 8.27×10¹⁴ 763.59배

천왕성 25559 160510.5 6.83×10¹³ 63.08배

해왕성 24764 155517.9 6.25×10¹³ 57.74배

2

거리

행성 태양과의 거리(AU) 3m 자 위에서의 위치

수성 0.4 4cm

금성 0.7 7cm

지구 1 10cm

화성 1.5 15cm

목성 5 50cm

토성 10 1m

천왕성 20 2m

해왕성 30 3m