1-2. 동전 낙하

•목표 : 문제 해결을 위한 실험에서 변인 통제를 하는 체계적인 방법을 체험하게 한다.

•준비물 : 지름이 큰 동전 2개, 지름이 조금 작은 동전 1개(100원짜리 2개와 50원짜리 1개 또는 500원짜리 2개와 100원짜리 1개를 사용하여도 된다), 두 손

•수업 진행 및 이론 설명

큰 동전 두 개 사이에 작은 동전을 넣고 그림과 같이 잡고 아래에 있는 2개의 동전을 손바닥 위에 낙하 시키도록 한다. 이때 두 손 사이의 거리는 15 cm 가 적당하다.

학생들에게 실험 결과가 어떻게 되었는지 질문한다.

큰 동전과 작은 동전의 위치가 바뀌지 않은 학생들을 손들게 하여서 그 수를 헤아린다. 거의 대부분의 학생들의 동전의 위치와 처음과는 정반대로 되어 있을 것이다.

“왜 동전의 위치가 뒤바뀌었을까? 각자 탐구하여 보고 답해 보아라” 약 5분 정도의 탐구 시간을 주면서 학생들의 탐구 과정을 눈여겨 보아라. 제대로 된 답이 나오지 않으면 아래에 있는 두 개의 동전만을 가지고 처음과 같은 조건으로 실험을 해보게 한다.

실험 결과를 말하게 한다. 거의 대부분의 학생들은 동전의 위치가 바뀌지 않고 1명 또는 2명 정도가 동전의 위치가 바뀌었다고 답할 것이다.

“이번에는 왜 동전의 위치가 바뀌지 않았을까?”하면서 다시 탐구해 보도록 한다. 다시 답이 제대로 나오지 않으면 처음의 실험을 하되 두 손의 간격을 5 cm 정도로 좁게 한 다음 실험하도록 한다. 이번 실험 결과를 말하게 하고 그 원인을 알아 보게 한다.

학생들이 여러 가지 경우를 생각하면서 열심히 탐구하면 일부에서 답을 말하게 된다. 즉 ‘동전이 동시에 손에서 떨어지지 않고 한쪽이 먼저 떨어진다’고 답을 한다.

“답이 맞다. 그런데 왜 동전의 양쪽이 동시에 떨어지지 않을까”를 질문한다. 또한 ”두개의 동전만으로 할 때는 동전의 위치가 바뀌지 않는다는 것은 동전이 양쪽이 동시에 손에서 떨어진다는 것인데 왜 그럴까?”

두 개의 동전만을 가지고 있을 때는 그림과 같이 손가락 전체가 움직이게 되어 두 손가락을 동시에 움직일 수 있지만 3개의 동전으로 실험할 때는 위의 동전을 잡고 아래의 동전 2개만 낙하시켜야 하기 때문에 손가락의 제일 아래 관절만 움직여야 한다. 이러한 자세에서 두 개의 관절을 동시에 움직여서 동전의 양쪽이 동시에 손가락 끝에서 이탈 되도록 하는 것은 거의 불가능하다. 따라서 동전의 한쪽이 먼저 손가락에서 이탈이 되어 회전 운동을 하면서 낙하하게 되고 동전의 위치가 바뀌게 되는 것이다.

이 단계에서 학생들에게 “이제 마지막 실험에서 동전의 위치가 바뀌지 않는 이유를 알겠는가?”를 질문하면 거의 대부분이 답을 알게 된다. 즉, 동전이 회전할 수 있는 시간(또는 거리)이 부족하기 때문에 위치가 바뀌지 않고 떨어지게 된다.

마지막으로 집에 가서 하는 실험으로 “만약 두 손의 거리를 충분히 멀게 하면 동전이 어떻게 될까?”를 제시한다. 계속 회전하여 동전이 다시 제대로 낙하하게 될지? 아니면 뒤집힌체로 낙하를 계속하게 되는지?

이 실험을 하여 보면 실제 실험의 어려움(낙하 거리가 길게 되면 동전이 손바닥에 도착하였을 때 에너지가 커서 동전이 포개어 있지 않고 분리되는 경우가 대부분이다. 따라서 동전의 상하를 파악할 수 없게 되는 경우가 발생하게 된다)을 알게 되고, 이에 따라 실험을 잘 하기 위한 측정기구(고속 카메라)의 필요성을 학생들이 자각하게 된다.

<적용 학년>

이 활동은 초등학교부터 고등학교 전학년에서 활용할 수 있으며 학생들의 반응이 굉장히 좋은 활동이다.